城市道路照明节能减排的实证分析——以德州市城区为例

李云龙，谭俊涛，范晓宁，刘富刚

（德州学院地理系，山东德州 253023）

城市道路照明节能减排的实证分析
——以德州市城区为例

李云龙，谭俊涛，范晓宁，刘富刚

（德州学院地理系，山东德州 253023）

降低能耗、节约能源成为城市道路照明设计及布局的必然选择。通过对德州市城区主要道路路灯进行测量，并采用路面平均亮度、路面平均照度等相关参数模型进行实证分析，结果显示，城区各路段的路灯布局配置相差较大，部分路段与国家标准值相差甚远，新老城区及繁华地段的各项指标相差很大，配置LED路灯的主干道照明效果也不理想。基于此，提出了城市道路路灯布局优化设计的合理建议。

德州市；道路照明；LED；节能减排

0 引 言

随着社会经济的发展,城市道路照明的现代化进程也随着城市建设的发展而不断加快，道路照明的规模不断扩大,降低能耗、节约能源成为城市道路照明设计及布局的必然选择。据不完全统计，目前我国城市道路照明的总数约400万只(套)，加上高速公路、工矿企业、机场、码头等非市政照明灯具约100万只(套)，总数超过500多万只，并且每年以10%以上的速度递增。道路照明中城市公共照明在我国照明耗电中占30%，年用电量约为4.39×1010kwh[1]。若以平均电价0.65元/kwh计算，1年开支约达2.85×1010元，已成为各地财政部门的一大负担。针对上述情况，通过对德州市城区道路路灯布局进行优化设计，可以对路灯照明的节能潜力进行挖掘，也符合国家节能减排的相关政策。

1 对象及指标

德州市地处山东省西北部，黄河下游北岸,冀、鲁两省的交界处，北纬36°24'～38°0'、东经115°45'～ 117°24'之间。本文以德州市城区主干道的道路状况（主路宽、人行道宽、车道数）及照明情况（灯高、灯距、路灯功率、灯型以及路灯布局状况）为研究对象进行测量德州市城区主干道道路路况信息（见表1）。

表1 德州市城区主干道道路路况测量信息

2 评价模型

2.1 条件假设

考虑到在实际测量过程中存在一些不确定因素和个体之间的差异，首先对一些参数按照一般标准进行假设[2]：所有路灯仰角均为10°；路面干燥，即测量不受天气影响，实际路面亮度系数为0.1；忽略花坛宽，只计算主路宽和人行道宽；夜晚所有路灯都正常工作，不存在损坏路灯；道路是笔直的，不考虑交叉路口。2.2评价模型

依据《城市道路照明设计标准》[3]中道路照明评价指标，选取路面平均亮度、路面平均照度、眩光控制以及节能评价指标中照明功率密度（LPD）等作为本文的评价指标。

（1）路面平均亮度。提高路面平均亮度(或照度)值将有利于提高驾驶员觉察(障碍物)的可靠性。路面平均亮度水平也直接影响到驾驶员的视觉舒适程度。路面平均亮度越高(但需保持在产生眩光的亮度水平以下)，驾驶员的视觉就越舒适[4]。按照国际照明委员会(以下简称CIE)有关规定，在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点亮度的平均值。

利用公式计算一段长度有限的直路段上的平均亮度，借助使用亮度产生曲线，计算公式为：

（2）路面平均照度。目前，在路面照明设计中主要采用利用系数法来计算路面照度。即使用利用系数可以计算一段直路上的平均照度，道路照明的利用系数是指落在一条无限长的平直道路上的光通量与照明器中光源总光通量之比，它与灯具的效率和道路的宽度有关。按照CIE有关规定，在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点照度的平均值。利用公式计算平均照度，计算公式为：

（3）眩光控制。眩光的形成是由于视场中有极高的亮度或亮度对比存在，使视功能下降或眼睛感到不适，极亮的部分就形成眩光源。道路照明中产生眩光的主要因素有光源的亮度(亮度越高眩光越显著)，光源的位置(越接近视线,眩光越显著)，光源的外观大小与数量(表观面积越大,光源数目越多,眩光越显著)，周围的环境(环境亮度越暗,眼睛适应亮度越低,眩光就越显著)[5]。眩光可分为失能眩光和不舒适眩光两种，本文只计算不舒适眩光。眩光等级计算公式为：

其中，I80表示在平行道路的轴线的垂直平面内从灯具最下点起算80°方向上的光强；表示C=0，r=80°的绝对光强与C=0，r=88°的绝对光强的比值；F表示从灯具垂直正下方起76°方向上所看到的灯具表面的发光面积；h表示从眼睛水平线到灯具的垂直距离；p表示每千米灯具数。

将非常概念化的数字（眩光控制等级G）与人的感受相联系，使人们更容易理解，建立眩光控制等级和主观评价的对应关系（见表2）。

表2 眩光控制等级和主观评价的对应关系

（4）照明功率密度。LPD限值是国家依据节能方针从宏观上作出的规定。因此，要求照明设计中实际的LPD值应小于或等于国家标准规定的LPD最大限值。若LPD值相等，说明是“合格”设计；若超出，则是“不合格”设计。因此，照明设计力求降低实际LPD值，使之小于甚至大大小于规定的LPD值，做到“良好”或“优秀”的节能设计。

LPD计算公式[6]为：

其中，P表示单个光源的输入功率(含配套镇流器或变压器功耗)，PL表示单个光源的额定功率，PB表示光源配套镇流器(或变压器)的功耗，S表示面积。

3 实证检验

3.1 检验

以德州市湖滨北路（银座西）为例，利用上述评价模型指标分别进行实证检验。

（1）路面平均亮度值。根据高压钠灯使用手册，400w高压钠灯的光源光通量=48000Im，假设路面干燥，且该路面为沥青路面，依据《城市道路照明设计标准》，路面平均亮度系数q=0.1，路面维护系数k=0.65，参照亮度产生曲线=0.45，由（1）式计算出湖滨北路（银座西）路面平均亮度为1.7cd/m2。

（2）路面平均照度值。该路段路灯采用双侧对称布局，依据灯具利用曲线，利用系数CU=0.6，且该路段路灯为单一光源，即N=1，由（2）式计算出湖滨北路（银座西）路面平均照度为21.93Ix。

（3）眩光值。在平行道路的轴线的垂直平面内从灯具最下点起算，80°方向上的光强I80=1920cd，88°方向上的光强I88=844cd，F为0.084m2，平均路面宽度从眼睛水平线到灯具的垂直距离h=10m，每千米灯具数p=18，由(3)式计算出湖滨北路（银座西）眩光为6.73。

（4）照明功率密度值。因此段路灯为双侧对称布局，则单位面积（四盏相邻路灯之间路面面积）S=15 ×55=825m2，由（4）式计算出湖滨北路（银座西）照明功率密度为0.97W/m2。

依此类推，分别计算得出各个路段的路面平均亮度、路面平均照度、眩光控制等级、照明功率密度，如图1-4所示。

3.2 结果

（1)德州市各路段的路灯布局配置相差很大，有的路段的各项指标符合国家标准值，如晶华大道；大部分路段则与国家标准值相差较大；还有部分路段与国家标准相差甚远，如湖滨北路（银座南）的路面平均亮度远超过国家标准值。

（2）老城区及城市繁华地段的各项指标远高于新城区及远离市中心的宽阔路段，如大学东路（华宇）的路面平均照度仅为4.348Ix,远低于国家标准的20Ix。

（3）太阳能（LED）路灯路段（如三八路）的路面平均亮度、平均照度均低于普通钠灯路段，也低于国家标准值，但其眩光控制等级远高于钠灯路段。

（4）LED路灯在主干道的照明效果不是很理想，虽然路灯密度较大，但由于路灯的光通量不高，使得路面平均照度和平均亮度达不到国家标准值。

图1 道路路面平均亮度

图2 道路路面平均照度

图3 道路眩光控制等级

LED路灯路段的路面平均照度与平均亮度均低于高压钠路灯，是由于高压钠路灯中比较好的配光形式可以达到短投射水平，甚至有的还可以达到中投射水平。与传统高压钠路灯相比，大多数LED路灯的投射距离偏近。通过对三八路LED路灯路段进行模拟分析，显示出LED路灯与高压钠路灯的优劣势。三八路是德州市的一条主要道路，通过上述计算可以看出，三八路路面平均照度与平均亮度均比国家标准值低很多，这是由于国内LED路灯的光效应较差，大部分低于80Ix/w，而高压钠路灯则基本上处于100Ix/w。将三八路由主路模拟为次干道，其他配置不变，当换到次干道上时，不管是路面平均照度还是平均亮度都能很好地满足国家标准值（见表3）。

图4 道路照明功率密度

表3 LED路灯模拟为次干道的对比结果

综合上述计算分析表明，在次干道以及支干道上LED路灯具有良好的节能效果，而且路面平均照度与平均亮度均符合国家标准值的要求，而LED路灯目前还不适合应用于快速主干道，因而快速主干道仍以高压钠灯为主。

4 结论与建议

通过以上实证分析发现，德州市城区路灯因布局不够规范造成不必要的能源浪费。其主要问题是城市各路段的路灯布局配置相差较大，部分路段与国家标准值相差甚远，新老城区及繁华地段的各项指标相差很大，配置LED路灯的主干道照明效果也不理想。目前，LED路灯的使用尚未成熟，还没有充分发挥LED路灯的优势，主要是将LED路灯使用在主干道上，造成照明指标达不到国家标准值。经实证分析表明，LED路灯在次干道、支干道上更具有优势，能达到国家标准值，更有利于节能减排工作的深入展开。

基于上述实证分析，对德州市城区路灯布局提出如下建议：

（1)由于LED路灯光线覆盖范围窄、亮度不够均匀，现阶段LED路灯暂不宜安装在城市主干道上，但可将其安装在对照度及亮度要求不高的支干道及次干道、乡村旅游道路、城乡结合公路、偏远山区等，尤其适合安装在交通不便的偏远山区和不方便接入市电的地区[6-7]。

（2)根据使用地的实际情况，采取市电互补的形式安装LED路灯，在确保路灯正常使用的情况下节约能源。

（3)提高LED路灯科普知识，把握LED路灯的优缺点，趋利避害，使LED路灯真正成为现代大都市开展节能减排的有力工具。

[1]沈晓波，周永.路灯照明节能分析[EB/OL].(2010-06-03)[2010-06-25].http://114.255.43.243/news_view6.asp?lm2=12&id=289.

[2]周太明，皇甫炳炎，周莉，等.电气照明设计[M].上海:复旦大学出版社，2001:183-201.

[3]中华人民共和国建设部.城市道路照明设计标准 (CJJ45-2006)[EB/OL].(2006-12-19)[2010-06-25].http://www.sunsgy.com/upload/tup.htm.

[4]牟同升，李俊凯.道路照明灯具空间光分布测试与应用[EB/OL].(2008-06-26)[2010-06-25].http://www.lightingchina.com/zhuanti/714.html.

[5]周广郁.浅谈道路照明中的眩光[J].灯与照明，2003，27(2):7-8.

[6]倪健.绿色照明与节能[J].浙江建筑，2007，24(12):39-41.

[7]袁世建.太阳能道路照明装置的设计[EB/OL].(2010-03-05)[2010-06-25].http://solar.nengyuan.net/2010/0305/15441.html.

[责任编辑：张玉峰]

An Empirical Study on Lighting, Energy Saving and Emission Reduction of City Road ---------A Case Study of Dezhou City

LI Yunlong, TAN Juntao, FAN Xiaoning, LIU Fugang
(Department of Geograph, Dezhou University, Dezhou, 253023, China)

Reducing the energy consumption and saving energy is an inevitable option for the design and layout of a city road lighting system. A measurement made on the main road lamps in Dezhou City and an empirical study conducted by using the road average brightness, the road average illuminance and other related parameters show that there's a big difference in the lamp allocation of various streets with some streets bearing great difference from the national standard, as well as in each index in the old and new city areas and the downtown area with the lighting effect of the main roads equipped with LED far from perfect. This paper puts forward suggestions on perfecting the layout of the city road lamps.

Dezhou City; Road lighting; LED; Energy saving and emission reduction

U491.5+3

A

1671-4326(2010)04-0047-05

2010-07-05

李云龙（1988—），男，山东诸城人，德州学院地理系本科生；谭俊涛（1988—），男，山东青岛人，德州学院地理系本科生；范晓宁（1969—），男，河北秦皇岛人，德州学院地理系，高级实验师；刘富刚（1964—），男，山东济南人，德州学院地理系副教授.