刚果(金)道路照明中的节能与控制设计

杨天平,薛豫中,安文秀

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，郑州 450052)

1 概述

刚果(金)位于非洲中部,自然资源丰富。但是由于长期战乱,国家经济贫困,社会凋敝,基础设施残破。在2006年新政府成立时,新总统在选举中提出了旨在实现国家重建的“五个工程”,得到民众的广泛支持。2008年4月,中铁集团、中国水电建设集团和中国进出口银行等企业与刚果(金)签署了一项基础设施建设工程和矿业合作协议。中国企业联合体在协议中计划为刚果(金)修建铁路、公路、居民住宅、医院、学校和市政设施,并承诺向刚果(金)提供技术转让,中刚合作项目全力配合了“五个工程”。

刚果(金)全国98.7%的电力来自水电,总装机容量约为2 516 MW,主要由英加水电站供应,该电站有14台机组共1 774 MW。近年来,由于电力设施年久失修,英加水电站机组损坏大半(目前实际发电仅为700 MW),输变电线路严重老化,全国电力供应出现严重不足,刚果(金)政府虽采取减少电力出口、从周边国家进口电能,但依然无法满足生产和生活的基本需要,再加上工程技术人员匮乏,管理落后导致供电故障高发。因此,在进行刚果(金)道路建设项目中,照明工程中的节能与控制设计就显得尤为重要。

2 道路照明中的节能措施

2.1 合理确定照明标准

适宜的道路照明的平均亮度值或平均照度值是路灯节能的关键。因此,首先应根据道路类别、所在环境及在城市路网中的重要性等,确定所设计道路各个区域合适的照度值或亮度值(参照《城市道路照明设计标准》(CJJ45—2006)表3.3.1机动车交通道路照明标准值,表3.4.1交会区照明标准值,表3.5.1人行道路照明标准值)[1],在选取标准时,要注意防止因取定的照明标准值过高而增大耗能。

2.2 合理选择光源

光源的合理选择,对节约电能影响很大,如选择不当,电能损失可高达30%～40%,反之,就可以大大节约资金[2]。道路照明中所使用的光源主要是气体放电灯,主要有荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯、低压钠灯、无极荧光灯、发光二极管(LED)、太阳能路灯等。

选择高效率光源有利于减少照明电能的消耗,同时从人类功效学的分析和研究以及实践经验看,合适的色温和高显色指数的光源能有效提高能见度和清晰度。

目前道路照明中普遍采用的是高压钠灯和金卤灯,高压钠灯的光效一般为69～130 lm/W,显色指数23,色温1 950 K；金卤灯的光效一般为68～94.5 lm/W,显色指数65,色温4 500 K[3]。在相同的电功率下,高压钠灯光能量要比金卤灯高40%左右,且钠灯的透雾性能比较好；而在同样照度标准的道路照明要求下,金卤灯光源的电耗则多于高压钠灯。但在相同的照度等指标下,光效高的高压钠灯因光线中含有较多的红、黄成分,视觉度不够好,反而不及光线含较多蓝、绿成分的金卤灯视觉效果[4]。在经济方面,高压钠灯价格低、寿命长、发光效率高,金属卤灯相对较差。

因此,在道路照明光源选择上要综合考虑光效率、显色性、色温及成本等多种因素。

2.3 合理选择灯具

工程设计要根据道路宽度选择配光曲线合理的灯具：快速路、主干路必须采用截光型或半截光型灯具；次干路应采用半截光型灯具；支路应采用半截光型灯具。一般灯具效率、防水防尘等级越高对节能越好,依据《城市道路照明设计标准》,常规道路照明灯具效率要选用70%以上,泛光灯效率不得低于65%,质量好的灯具不易被污染,维护系数高,获得同样的照明效果只需较小功率的光源。

因此,在设计中选用灯具要着重考虑其品质和功能,同时要求选用的灯具带有补偿电容器进行无功补偿.可将单灯功率因数提高到0.85～0.90。这样既减少了线路无功功率,降低了线路电流,同时也降低线损和压降。

2.4 合理确定灯具的安装高度和安装间距

一般灯杆高些,路面得到的照度均匀度好,灯具的安装间距可以适当加大,这样灯具总量减少,耗能也少一些。但是,同样的灯具安装高度越高,在同一个路面有效宽度内得到的平均亮度值(或照度值)就越低,所以在计算时需反复比较,必须在满足道路照明规范指标(亮度、照度、均匀度等)的前提下.确定照明功率密度值最小的方案,确定灯具的安装间距与安装高度的最佳值[5]。

2.5 合理确定供电电源和配电线路

在供电电源的设置上,照明配电箱应设置在照明供电区域中央位置,这样每个供电回路的线路较短,线损小,且便于分支回路负荷平衡分配。

考虑到电网昼夜电压变化幅度较大,通常情况下,上半夜电网负荷处于高峰时段,此时电网电压偏低；下半夜电网负荷处于低谷,线路供电电压一般要高出正常值5%以上。此时运行的光源功率超过其额定值10%,导致能耗加大,长期运行会导致灯泡使用寿命缩短,因此在配电系统设计上可以采用自动调压装置,根据系统电压变化,调节输出电压在稳定的范围。

同时配电系统要安装集中补偿电容,使得系统功率因数220/380 V系统不小于0.95,10 kV系统不小于0.9,减少系统线路损耗。

2.6 采用智能照明调控装置

道路照明的控制与管理主要是根据时间、天气、交通流量等信息,合理控制道路照明的运行和停止。道路照明运行时间的长短,一般与各地的纬度有关,随着季节和天气的不同而改变。因此在设计中,可根据当地的经纬度所确定的昼夜时刻同时辅以光控装置来设置道路照明的点亮与熄灭。

3 刚果(金)道路照明中节能与智能控制方案设计

3.1 设计道路概述

以刚果(金)首都金沙萨的某条市政道路为例,该条市政道路位于市中心,为城市主干道,全长3.7 km,设计为双向6车道,车行道宽为25 m,人行道宽为5 m。

3.2 道路照明标准的选定

根据该段道路的重要性质,参照《城市道路照明设计标准》表3.3.1、表3.4.1及表3.5.1的规定,选择该段道路车行道路面平均照度为30 lx,交会区平均照度为50 lx,人行道平均照度为15 lx。

3.3 光源及灯具的选择

根据上述道路照明光源的特点,在该条道路上主要选用高压钠灯,而在道路交叉口、立交等需要明显改善视觉环境的场合,则采用金卤灯。同时路灯灯具的防护等级须达到IP65以上,灯具效率要大于70%,实行单灯补偿,单灯功率因数要大于0.85。

3.4 安装间距及高度的选择

在满足道路照明规范指标(亮度、照度、均匀度等)的前提下，通过选择不同光源、安装高度和安装间距,最后确定照明功率密度值最小的方案。确定灯具的安装间距与安装高度的最佳值为：灯杆距离为31 m,车行道灯选择300 W高压钠灯,安装高度为12 m,吊杆角度为10°,悬挑长度为2 m,人行道选择150 W高压钠灯,安装高度为8 m,吊杆角度为10°,悬挑长度为2 m,光源布置方式如图1所示。

注：(1)安装高度；(2)悬挑长度；(3)吊杆角度

通过道路照明软件计算得到的等照度曲线结果如图2所示。

图2 等照度曲线(单位：lx)

通过道路照明软件计算得到的伪色表现图如图3所示。

图3 伪色表现图

从图2可以看出,路面的平均照度达到31 lx,符合设计要求。从图3的伪色表现图看来,路面照度值分布在20～40 lx,照度相对比较均匀,不会产生对比眩光。

3.5 供电电源及配电线路设计

为减小线路损耗,设计中将照明供电半径控制在500～800 m,将新设道路照明划分为3处,每处供电电源设置于负荷中心处,在道路照明箱变内,装设节能控制系统,变压器选择带7档调压变压器,实现根据系统电压变化调节输出电压,箱变内装设有补偿电容器组,对系统无功进行集中补偿。减小系统线路损耗,配电系统原理如图4所示。

图4 配电系统原理

3.6 路灯回路的智能控制

为了合理设置路灯开启和关闭时间,该路段路灯采用时间控制加光电控制相结合的控制方式,其中时控采用经纬度控制技术,光控采用光控元器件组成,对道路照明的每一回路进行控制。经纬度控制装置基本功能是输入当地经纬度后,控制器即可根据经度及纬度和日期自动算出当地日落和日出时间进而确定开灯和关灯时间。主要控制方式见图5。

图5 经纬度控制方式

本工程中对道路两侧的两控制回路一路设置为A方式即全夜灯控制方式,另一路设置为B方式即半夜灯控制方式,在后半夜自动关闭道路一侧路灯。同时也可以根据实际运行情况,灵活调整每一回路自动开关灯时间。如果遇到阴雨天气需要提前开灯时,控制器将根据光控探头的作用调整开关时间,系统装置如图6所示。

图6 时控加光控系统装置

4 结论

本文通过对道路照明设计中节能措施的综合分析,并将其综合运用在刚果(金)市政道路上。在道路照明设计中,在确保符合道路照明标准的前提下,应采用综合节能措施及科学的控制方案,才能实现真正意义上的节能。

[1]CJJ45—2006,城市道路照明设计标准[S]．

[2]朱 悦.浅谈城市道路照明与节能[J].广东科技,2009(4)．

[3]李铁楠.城市道路照明设计[M].北京：机械工业出版社,2007．

[4]罗 宇.城市道路照明节能措施[J].辽宁科技大学学报,2009(6)．

[5]陈正义.城市道路照明与节能设计[J].建筑电气,2008(8)．