城市道路照明节能设计分析

袁 超

上海市城市综合管理事务中心，上海 200023

0 引言

早在2011年，国家住房和城乡建设部发布的《“十二五”城市绿色照明规划纲要》就已经提出倡导绿色照明消费方式，在满足城市照明基本功能的前提下降低照明的单位能耗，提高城市照明的质量和节能水平。道路照明节能贯穿道路工程的设计、建设、养护等阶段，其中，设计阶段的节能尤为重要。文章从设计角度探究提升道路照明节能水平的措施，重点从光源选择、布灯间距、节能控制等方面着手。

1 光源选择

1.1 道路照明灯具的发展历程

在过去几十年的发展中，基于气体放电光源的道路照明灯具经历了几代更迭。第一代灯具是20世纪40年代开始流行的荧光灯和低压钠灯。其中，荧光灯配光差、光效一般；低压钠灯光效虽高，但发出的光是近乎单色的黄光，分辨颜色能力差，不宜用于城市道路照明。第二代灯具是20世纪60年代开始流行的高压汞灯和高压钠灯，二者都具有较好的光效和配光性能，尤其是高压钠灯，其具有光效高、寿命长、透雾性能好等优点，直到现在仍是道路照明的主流灯具。近年来，随着科技的不断进步，在倡导绿色照明、降低能耗的背景下，LED路灯开始崭露头角。

“十二五”期间，虽然LED半导体照明技术在节能、环保等方面的优势已逐步显现，但由于产品质量参差不齐，其在道路照明领域的推广面临诸多障碍。“十三五”期间，实施城市绿色照明，节约能源、保护环境已成为城市建设管理工作的重点任务之一。随着城市照明节能改造的加快，在新、改（扩）建道路照明工程中LED路灯的应用率不断提升。以上海为例，截至2020年年底，全市的市、区建设管理部门管理灯盏数约为630 000盏，LED灯盏总数约为81 000盏，占比达12.8%。“十四五”时期，既有高压钠灯将被逐步淘汰，LED路灯必将成为道路照明的主要光源。

1.2 高压钠灯与LED路灯的对比

（1）光效。高压钠灯一直以高光效的优势占据道路照明光源的主导地位，其光效一般为100～120 lm/W。LED路灯诞生初期，受技术限制，光效在100 lm/W以下。但随着技术的不断进步，近年来，LED路灯的光效不断提高。目前，科锐（Cree）、流明（Philips Lumileds）等公司的大功率中性白光LED路灯的光效水平已达130 lm/W，与高压钠灯相当。（2）显色指数。高压钠灯虽然光效高，但其显色指数仅有20～25；LED路灯的显色指数可达75左右，接近自然光。高显色性有助于司机和行人识别障碍及危险，在同样的路面亮度下能更好地保障道路使用者的安全通行。（3）色温。高压钠灯色温仅2 000 K，照明环境呈昏黄色；LED路灯一般采用3 000 K暖白光，照明环境更温馨舒适。（4）使用寿命和环保性。高压钠灯寿命为28 000 h，LED路灯的寿命为50 000 h。高压钠灯等气体放电灯含有汞等有害物质；LED路灯的芯片及其封装不含有害物质，更环保且安全。（5）方向性和出光效率。传统路灯光源（高压钠灯）一般向整个空间发光，但需要路灯照亮的只是行车和行人的路面，因此在设计路灯灯具时，为了尽可能地使灯光均匀并集中地投射到路面上，需要使用曲面反射器来收集光线。由于光源的阻挡和反射面的吸收损失，使路灯的出光效率仅为70%～75%。反观LED路灯，因其具有良好的方向性，可以在半平面上定向发光，非常适合采用透镜或反射器进行光学设计，灯具出光效率可达80%以上。综上所述，LED路灯更具发展前景。

2 布灯间距

道路照明灯杆的布置间距是节能设计不可忽略的重要因素。正常情况下，照明灯杆建设完毕后不会再次调整，既有道路实施节能改造时一般只更换灯具。因此，在设计阶段，在满足规范要求的前提下，选择合适的、较大的布灯间距对照明节能至关重要。

以某条实施照明节能改造的道路为例，该道路的等级为城市次干路，双向4车道，红线宽24 m，其中机动车道宽17 m，两侧人行道各宽3.5 m，全长约1 050 m。原照明设计标准为路面平均亮度维持值取1.00 cd/m2，总均匀度最小值取0.4，纵向均匀度最小值取0.5。工程范围内共布置70套150 W高压钠灯，布灯方式为双侧对称布置、纵向间距30 m。对该路段照明实施节能改造，照明方案对比如表1所示，原方案、节能改造方案、优化方案的道路照明效果模拟分别如图1、图2、图3所示，不同方案的照明效果模拟计算值如表2所示。实施照明节能改造时，以100 W LED路灯替换150 W高压钠灯，改造后每小时耗能7.7 kW·h，节电率为36.2%。根据软件模拟，如果以纵向间距35 m的方案布置灯杆，采用100 W LED路灯能满足各项照明设计指标，且该方案每小时耗能仅6.6 kW·h，相比改造后的用电量又能节省约14%的电量。因此，为建设资源节约型城市，照明节能设计时需确定合适的布灯间距。

表1 照明方案对比表

表2 不同方案的照明效果模拟计算值

图1 原方案的照明效果模拟

图2 节能改造方案的照明效果模拟

图3 优化方案的照明效果模拟

3 节能控制

深夜人、车流量较小，不能继续使用前半夜的照明标准，《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2015）[1]也明确要求在深夜选择节能措施降低路面照度。常用的深夜节能控制措施如下。

（1）部分闭灯。部分闭灯是最早采用也是最简单的节能方案，通过关闭部分路灯节约电能，一般采用“亮一关一”方式。该方案简单易行、节电效果明显，最大缺点是路面的照度均匀度显著下降，“斑马线”现象严重，容易引起司机视觉疲劳，对行车安全产生不利影响。随着节能控制措施的不断改进，该方案已逐步被淘汰。

（2）采用变功率镇流器。变功率镇流器又称双功率镇流器，是2010年出现的一种深夜节能方案。变功率镇流器的本质是节能电感镇流器，其利用气体放电灯在工作电流适当减少时仍能正常运行的原理，通过预制时间，在下半夜增加回路电感，从而降低电流，达到节能效果[2]。变功率镇流器（400 W/250 W）的接线图如图4所示。

图4 变功率镇流器（400 W/250 W）接线图

根据道路照明工程的实际情况，可以利用道路现有的镇流器和触发器进行改造，只需在回路中新增一个调光节能器模块和一个定时控制器模块就可以完成改造。模块既可以加装在灯具里，也可以安装在灯杆内。由于这种改造方法简单、方便，节电率约为40%，且进行节能控制后不改变照度均匀度，仅使平均照度等比例下降，其成为部分闭灯的主要替代方案。相关改造接线图如图5所示。

图5 利用现有镇流器改造接线图

（3）采用智能照明调控装置。深夜用电负荷减少，电网电压普遍升高，由此增加的电能损耗约为路灯正常运行时能耗的20%。如不采取措施，会使节电效果大打折扣。为解决上述问题，在路灯控制箱内增加智能照明调控装置是目前常用的措施。智能照明调控装置可实时监测电网变化，动态调整输出电压，改善电压波动问题，减少灯具额外耗能。可通过经纬度时间控制器（天文钟）、光控传感器、内部编程或遥控装置等，实现时控、光控、程控等智能化控制功能，精确控制每天的开关灯时间，提高节电率。同时，由于装置具有软启动和稳压功能，气体放电灯既不会因突然的电压过低而灭弧，也不会因电压过高而烧毁，可有效延长寿命[3]。

（4）采用单灯监控系统。单灯监控系统是基于因特网的新一代无线远程节能监控系统，不仅可实现对各配电回路的节能控制，还可实现对每套灯具的节能调光控制，而且系统能实时监测各配电回路、各套灯具的电气参数及各类故障，实现精细化管理。单灯监控系统不仅可实现节能控制，还能提高城市路灯智能化管理水平，减少运维成本，将成为今后主流的节能控制措施。

4 结论

综合各方面因素，为提升道路照明的节能水平，提出节能设计建议如下：

（1）光源选用LED灯具；

（2）在满足规范要求的前提下，选用较大的布灯间距；

（3）采用“智能照明调控装置+单灯监控系统”的节能控制措施。为建设资源节约型城市，提高城市道路照明的节能水平，各工程可根据所在城市及工程的实际情况在设计阶段落实照明节能方案，为节省电费支出、落实道路照明节能工作作出积极贡献。