路灯节能改造实践

路灯节能改造实践

刘晓娟

吴忠市市政建设管理中心 宁夏吴忠 751100

摘要：本文对路灯的基础照明功能及节能改造实践案例进行分析，主要采用了调查法、实证研究法等方法对调查搜集到的大量资料进行分析、综合、比较、归纳，得出结论，目前我国城市照明的管控方式相对简单、粗放，服务质量和节能水平较低，难以满足现代化城市照明需求，不符合新型智慧城市发展基调，城市照明服务正面临着精细化管理与节能减排的双重挑战。路灯是城市照明中重要的公共基础设施，随着经济社会不断的发展和社会各方对城市公共照明需求的不断攀升，路灯也不仅仅局限于提供基础照明功能，而是发展为智慧城市的入口，承载着万物的感知、信息数据的采集传输、多方资源的载体等。

关键词：节能改造重要性，灯源比选，节能改造效果

一、路灯节能改造意义重大

路灯的分布范围广、分布数量多、分布位置杂，在智慧城市建设浪潮中，充分利用路灯设施的资源优势，采用物联网、大数据、云计算、单灯控制等技术，建设城市智慧照明，解决城市照明服务痛点，推动城市照明管理升级，促进节能减排。

1）传统照明方式主要存在问题：

①控制方式落后。大部分照明控制方式极为简单，多数都采用人工手动开关或依赖于分散独立的时控方式，切换光时误差较大，不能实现统一集中控制，在面临一些对照明有特殊要求的突发事件时很难解决其特定的照明需求。

②运维效率低、运维成本高。故障排查方式以人工巡检为主，需要投入的人力物力时间成本较高，容易出现故障发现和处理不及时、存在检查盲区等问题。

③设施安全难以保障。主要依靠人工线下监管，无法做到对照明电缆等设施设备的实时监管。如遇被盗或损坏等情况，不仅导致道路照明的运营管理单位有直接经济损失，还会影响到城市照明的正常工作运行，同时也会给市民带来安全风险。

④节能减排不足。无法实现“按需照明、绿色照明”，与提倡的“节能减排、绿色环保”的发展理念不一致，节能力度有待提高。

⑤信息化的智能管理手段匮乏。由于不清楚已建成设施的具体数量，其状态也不够明确，因此很难实现自主服务、确保现有设施的照明质量。

2）路灯节能改造的意义

①管理提升，保障服务。路灯节能改造将实现城市照明精细化监控管理，将繁琐复杂的工作简单化、流程化；通过分析预测，做到真正的事前预知，消除安全隐患；按照故障的级别选择对应的处理预案，协同办公，有效提高企业管理技术效率，切实保障照明系统运行环境质量和服务发展水平。

②定向维修，降本增效。路灯节能改造通过实施系统全面“在线巡测”代替人工巡检、热线报修的运维方式，定向维护设施设备，提高运维人员的工作效率，大幅缩短运维响应时间，降低运维成本。

③按需照明，节能减排。在确保照明质量的前提下，采用LED照明节能灯源与精准化节能管理手段，制定响应的调光策略，真正实现按需照明、绿色照明，深化节能减排，为建设美丽城市、助力解决环境污染做出贡献。

④提升形象，改善人居。路灯节能改造将会提高城市的夜景管理水平，以适应城市日新月异的现代化面貌，将提升城市整体形象；可体现并提高政府公共服务水平，促进夜间经济发展。

⑤智能感知，智慧发展。路灯节能改造将为智慧城市提供信息接入点、城市大数据监测采集与传输等服务，加快城市智慧化发展步伐。

⑥激活新动能，积极探索物联网技术应用。路灯节能改造会吸引物联网产业链上下游企业应用推广和孵化创业，推进本地制造型企业逐步发展升级为智能型制造企业，并大力发展新产业、新业态、新模式，助力实现产业化，产业智能化、智慧化引领打造高端品牌，激活社会经济发展的新动能。

二、灯源分析

作为城市基础设施极为重要的组成部分，城市道路照明系统具有美化和保障城市居住环境的重要功能，具有提高群众生活和工作水平的重要作用，也能够体现社会的科技进步和经济发展。亮度适宜、美观大方的城市夜景不仅能够给群众的夜生活带来更好的环境，而且能够促进地方经济良性循环、建立并突出城市的景观形象，还能够提高城市居民的归属感、提高城市文化氛围的品位。

LED光源是一类新型的绿色节能环保型的半导体型光源，具有光谱接近自然光、光线较为柔和、视觉较为清晰、启动快的特点。其功率较小，频闪不明显，不易导致视觉疲劳，因此更有利于保护用户的视力，更有助于人们集中注意力并改善工效和安全性。因LED光源是绿色节能型光源，是环境友好型光源，是构建节能减排型社会的重要推动力，因此是现阶段取代传统照明光源的首要升级替代品。

改造项目的现状路灯为高压钠灯灯头，灯具老化严重，镇流器及光源损耗增加，光源及镇流器等也即将到达使用寿命，拟将现状高压钠灯灯头更换为目前道路工程中广泛使用的LED节能型灯头，可以节约大量能源，更加环保。LED灯显色指数更高，能很好的还原物体的实际色彩，色温范围广，能起到美化城市景观作用，并具有光输出和工作电流成正比的优秀调光性能，使用寿命约50000h，约为高压钠灯两倍以上。

1）能效分析

①省电比较，高压钠灯功耗高，发热量大；有效光效（综合效率按0.55计）约为45-55Lm/W。高钠灯在正常使用时，灯腔内的温度会大于150摄氏度，在熄灯时由于降温所致的低压会吸进大气中的尘埃和小型飞虫，因此会降低灯具的发光效率和正常使用年限。

LED光源的能耗只有高压钠灯的30%～40%，有效光效可达到90-130Lm/W，发热量只有高压钠灯的30%。

现状道路使用250W高压钠灯，如果采用LED达到相同照度功率仅为120W，按2000盏路灯计算，每年可预计节省电能0.7×2000×(0.25-0.12)KW×8h×365d=531440KWh（65.3吨标准煤）。电费按0.4元/KWh计算，每年可节约电费21.3万元。若替换为光效更高且亮度适宜的LED光源，并配以更加高效的路灯专用电源，实现相同照明效果，经测试比目前道路使用的高压钠灯综合节能50%-60%，技术进步空间依然很大。

②光通量损失比较，高压钠灯是全向型的发光光源，须使用反射器将光线集中至需要照明的方向以提高光效，而反射器存在一定的吸收可见光的问题。高压钠灯电源效率仅为75%左右。

LED灯光源的光通量损失小，为半空间发光的光源，电源效率在90%左右。

③利用率比较，高压钠灯光源利用率仅为55%—60%。

LED灯光源利用率在90%左右，由于LED光源是半空间型发光，因此光能的利用率明显高于高压钠灯。

④启动时间比较，高压钠灯启动时间5-10分钟，不允许连续启动，需要间隔几分钟。传统的气体放电灯如高压钠灯在启动时有一个预热过程，消耗了更多电能的同时难于实现智能化控制。

LED灯瞬间启动，无延时，允许连续启动；LED光源与高压钠灯光源的发光原理迥然不同，因此LED光源不存在额外的启动时间，通电就能实现发光，故易于实现智能化控制和节能控制。

常见LED路灯灯头图片如下图所示：

2）照明效果分析

①显色指数。高压钠灯光源的色温在2000-2500K之间，显色指数20-30(感觉昏暗)，色差较大，因此在高压钠灯下观察物体时偏色较严重，不利于交通参与者精确地判断周围环境的情况，使用时需要增加光线过滤系统。

LED灯光源的色温在3500-7000K之间，显色指数在80-93（比较接近于自然光，人眼更易辨别事物，有利于行车安全。路面明亮，感觉舒适），显色指数高，显色性好，色差较小，因此在LED灯下观察物体时更加接近自然光，有利于交通参与者更准确地判断周围环境的情况。LED灯具光效要优于钠灯，无须光线过滤系统。

LED灯色温可选，可以通过选择适当的色温以满足不同情况下的色温需求，从而能够避免钠灯光源的低色温以及汞灯的高色温导致人们的压抑心情，新光源使观察者倍感舒适，可在不同场合中应用，也是提高效率、降低成本的一个重要途径。

光源的反射器决定了传统高压钠灯光源路灯的配光曲线，故传统路灯光源存在一定的局限性。而LED照明光源是由多灯珠构成的分布式光源，可以适当调整各个点光源及其布局，制造出较为理想的蝙蝠翼形照明光源，从而更加合理地实现光源的光分布，在光源有效的照射范围内令路面光斑呈长方形，最终实现更均匀的照度。

新产品LED改变了光形设计方案，使得灯具的发光产生偏转角，从而提升市政道路的光源利用效率。呈现长宽比为2：1的无阴影光斑，更加遵循最新的围绕城市道路照明设计的一些规定。所以不用增加灯杆的高度就能够达到照射范围宽度增加的效果，使得照明的功率密度有所降低，却能够做到提高照明效果的目的，真正起到环保、绿色的示范作用。

②调光功能，高压钠灯光调光相对比较困难，且对灯具损伤比较大，加速灯具老化。

LED灯具有较完善的调光性能。灯具输出光和工作电流成正比，能够通过调节工作电流和调节脉冲宽度的方式达到调节亮度的目的。经实验证实频繁开关动作对LED灯没有太大的损伤。

③使用寿命比较，由于发光机制不同，钠灯的主要附件是光源、镇流器、触发器、灯具，平均寿命约为2万小时。例如高压钠灯合理使用寿命为20000h，工程中受到电压、电流变化的影响，通常只能使用4000h，假定每天工作10h，则只能正常照明400天，使用一年多就要更换。

由于LED材质为半导体，没有灯丝等其它附件，因此它的抗震性能较好。当光通量衰减到30%时，其寿命约为5万小时，部分厂家产品可达8万小时。例如大功率超量LED路灯的整灯寿命为30000h，例如使用10h/天，能够正常照明7-8年维修即可，大幅度节省了维护资金。

传统路灯光源发光机制依靠汞蒸汽放电产生亮光，伴随带来废旧光源的处理问题。废弃灯管中的汞会通过空气进入人体呼吸系统，导致人体健康疾病；传统光源工作运行一定寿命后也会发出对人体有害的紫外线。钠灯中含有汞、氙等化学元素，电子镇流器对周围环境也会产生电磁干扰。LED光源是固态照明，光源中没有污染元素如铅、汞等，光线较健康；光线也没有辐射光如紫外线、红外线，因此对环境几乎没有污染。使用过程中不产生电磁干扰，对电网亦无污染，其功率因数不小于0.9，谐波失真不大于20%。所以我们说LED是一种绿色环保产品。

三、节能改造的效果

市政道路采用照明措施的最佳效果就是为了给驾驶者和行人打造一个适宜的视觉环境，让使用者安全并且快速地到达目标场所；进而降低侵害人身财产类的犯罪率。因此，实现良好照明环境，不是通过降低照明水平的方式来实现的，而是在不同场所特定照明使用要求下，拟定对应的照明节能方案。城市道路照明设计首先就得确定使用环境的性质及特殊要求，再依据相关规范、参考案例的总结数据等应用在具体工程实践中。在前期设计阶段，针对具体的道路照明内容，根据道路的等级特性合理确定不同等级道路的设计标准，正确选择主要设计参数，如光源功率、灯杆高度、间距等。

本工程实践内容如下：LED光源的显色指数要求不小于60，光源的色温要求不高于5000K。根据相关标准，标况下灯具连续运转3000小时后光源光通量维持率不小于96％；标况下灯具连续运转6000小时后光源光通量维持率不小于92％。灯具防护等级不低于IP65，维护系数达到0.7。城市次干道平均设计照度15LX，照明功率密度为0.7W/平方米；支路平均设计照度10LX，道路照明功率密度为0.6W/平方米。十字路口交汇区平均照度30/50LX。眩光限制为不得采用非截光型灯具，并应具有良好的诱导性。

现状路灯控制终端不能实现跟随天气的变化及时调校每天的开关灯时间、时控器走时误差较大，人工调校时间周期长，道路照明设施分布广，管理人员有限，这给路灯运维造成很大难度。路灯控制终端与控制后台不能实时传递电流、电压等参数，使得照明设施的故障排查困难，管理工作成效低；缺乏实时监控和预警手段，难以掌控停电、缺相、跳闸、线路漏电、断路、设施被盗等故障信息。

采用智能化的管理系统，对于城市公共部位照明系统，是实现开源节流、减少不必要的资源浪费、满足人们优质生活水平的要求、彰显现代化城市风景线的科学解决方法。改造后路灯控制终端可实现：照明设施数据的记录、维护和管理；照明设施的实时监控；照明开关灯预案的制定与发布；根据监测数据评估路灯设施运行状况，及时预测各类故障的发生，降低故障带来的风险；从多角度、多范围、多层次实现业务考核，包括针对故障处理及时率、亮灯率、设施完好率。通过管控软件实现城市照明设施的实时集中监控和视频监控，通过提高路灯科学化管理手段，提高巡灯和故障诊断效率，保障城市照明质量，实现照明节电与用电科学管理。

四、结束语

道路照明工程是城市（绿色照明）光环境建设的主要组成部分。随着社会经济建设的高速健康发展，使得人们生活环境和生活品质不断进步，作为城市景观在时间和空间上的延伸，夜景景观塑造已成为城市发展的趋势和必然。随着经济的繁荣、城市的更新，配套市政基础设施的建设要求相应进行大幅提升。街道是城市最具生活气息的代言名片，网红道路形象也成为城市整体形象最具有感召力的旅游代言地。因此，街道的美化工程与城市的整体形象息息相关。

参考文献：

[1]赖常华.浅谈城市道路照明的节能管理与控制[J].城市照明，2017，46-48.

[2]王素英、蓝娟.工业与民用供配电设计手册[E].中国电力出版社，2017，1523-1635.

作者简介：刘晓娟、女、汉族、1980.10、宁夏、本科、高级工程师、给排水工程

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