高壓鈉燈在城市道路照明節(jié)電的應(yīng)用

引言

　　當前，建設(shè)節(jié)約型社會已成為我國的一項重要國策，建設(shè)部頒發(fā)的《“十一五”城市綠色照明工程規(guī)劃綱要》對城市道路照明要求年節(jié)電目標達5%，5年（2006~2010年）累計節(jié)電要達到25%，節(jié)電已成為城市道路照明管理單位當前一項重要的工作，同時也越來越被地方政府重視，加快了城市道路照明節(jié)電的建設(shè)。

　　目前城市道路照明節(jié)電工作更多以應(yīng)用新技術(shù)為主，如對高壓鈉燈的調(diào)壓節(jié)電技術(shù)、單燈調(diào)功率鎮(zhèn)流器已經(jīng)得到了較多的應(yīng)用，而同時新光源如LED路燈、電磁感應(yīng)燈、陶瓷金鹵燈也作為節(jié)能產(chǎn)品以推廣應(yīng)用，城市道路照明節(jié)電方案呈現(xiàn)出百家齊放的局面，什么樣的節(jié)點方案才真正適合道路照明？

　　根據(jù)《“十一五”城市綠色照明工程規(guī)劃綱要》，節(jié)能設(shè)備、措施必須達到安全可靠、科學(xué)合理、經(jīng)濟使用、維護方便，保證城市照明系統(tǒng)功能達到各項技術(shù)指標和節(jié)能效果；應(yīng)根據(jù)城市規(guī)模和經(jīng)濟實力、嚴格按標準設(shè)計、按規(guī)劃建設(shè)；防止以犧牲照明效果單純追求節(jié)能。因此城市道路照明節(jié)電已經(jīng)不單純是節(jié)電問題，同時要考慮投資成本、運行維護、設(shè)備管理以及道路的照明功能技術(shù)指標等問題，并在制定節(jié)電方案時予以解決，在制定方案時，首先要了解城市道路照明的現(xiàn)狀，包括道路照明功率密度、道路亮（照）度、燈具光源。

　　1、城市道路照明基本現(xiàn)狀分析

　　1.1、城市道路照明功率密度和照度

　　以廣州市為例，曾經(jīng)對部分道路的照明功率、照度狀況進行檢測，以其中24條主干道的照度測量值和功率消耗分析（見表1），其中：

　　照明功率密度（LPD）最大值為2.59，最小值為0.69，平均值為1.18，超過1.05標準的道路有17條（其中5條道路實際LPD值雖然低于1.05，但其現(xiàn)有照度換算成30lux時高于1.05，高于該值的視為不節(jié)能道路），占70.8%；

　　平均照度最大為99.62lux，最小為10.85lux，平均值為39.2lux，而其中30~40lux道路6條（占25%），低于30lux照度標準的道路有8條（占33.3%），

　　每單位LPD值平均照度最大為51.6，最小為15.07，平均為32.8，低于28.6（功率密度值為1.05、平均照度30lux）的道路有6條道路（占25%）；

表1 道路測量參數(shù)表

 
32.8

　　1.2、LPD超標是我國城市道路照明普遍存在的問題

　　在對城市照明發(fā)展方向與節(jié)能降耗問題研究中，對全國10個城市22條道路照明情況的數(shù)據(jù)測試結(jié)果來看，路面平均照度為66lux，按設(shè)計標準主干道30lux，高出120%，屬于照明嚴重超標，LPD值普遍超出設(shè)計標準，而其中部分是采用非截光燈具的，更是超標達到2.4以上。

　　1.3、從對相關(guān)測試的數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：

　?。?）、LPD超標是道路照明耗電量增加和浪費的主要原因；
　?。?）、即便都是高壓鈉燈，不同道路換算成單位LPD下的照度值差別較大，以上述數(shù)據(jù)為例，最低15.07，最高51.6，如此大的差別除了維護的原因，燈具、光源的效率也是不容忽視的，并已成為影響LPD值的重要因素。
　?。?）、各道路照度差別較大，其中三分之一道路平均照度低于國家標準、四分之一道路（平均照度30~40lux）可能在節(jié)電后低于國家標準；在進行道路照明節(jié)電同時，應(yīng)充分考慮到對照明的各項功能指標的影響。

　　2、照明功率密度標準是城市道路照明節(jié)電改造的標準

　　從前面對道路照明電能消耗的調(diào)查來看，普遍存在亮（照）度過高、LPD超標的情況，而道路照明節(jié)電的實質(zhì)就是降低LPD值，但LPD不是越低越好，還必須保證節(jié)電后的各項照明指標滿足功能要求，因此在進行節(jié)電改造時應(yīng)依據(jù)一定標準進行，以滿足節(jié)電率和對照明質(zhì)量的要求。

　　2007年7月1日實施的《城市道路照明設(shè)計標準（CJJ45-2006）》以LPD標準作為道路照明節(jié)電的評價指標，并作為強制性標準實施。 LPD值保證了在滿足節(jié)能要求同時滿足道路照明的照度要求，新建道路照明在設(shè)計時強制要求滿足該項標準以達到節(jié)電效果。該標準同樣適用于對舊有道路照明的節(jié)電改造，對超標LPD道路進行節(jié)電改造后LPD值、照度應(yīng)同樣滿足表2的各項指標。

通常在后半夜，城市道路的行車交通、行人流量大量減少情況下，允許通過降低照明功能指標來達到節(jié)電效果，但對節(jié)電后的照明功能指標缺少相應(yīng)的標準，為保證道路照明的基本功能，節(jié)電后的照明指標不應(yīng)低于低一級的照明標準，參照表2，對不同等級的道路允許有2級LPD值和相應(yīng)照度值，這對于實施下半夜照明節(jié)電的道路，可以分別作為節(jié)電前后的LPD值和照度值，以廣州市為例，各等級道路的LPD、照度值設(shè)計均采用高值，如主干道設(shè)計平均照度不低于30lux，LPD不大于1.05，則節(jié)電后的平均照度不低于20lux，LPD不大于0.85，計算節(jié)電效果已達到19.0%。

　　為達到節(jié)電效果，更為保證道路照明功能指標，道路照明節(jié)電應(yīng)以照明功率密度為標準設(shè)定節(jié)電后的能耗和道路照度。
中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·燈具
　　3、高壓鈉燈的節(jié)電方案

　　3.1高壓鈉燈的照明功率密度

　　高壓鈉燈是目前應(yīng)用最廣泛的道路照明光源，而高壓鈉燈及燈具技術(shù)已發(fā)展的較為成熟，高光效高壓鈉燈已普遍應(yīng)用，光效最高可以達到150lm/W，而燈具的效率也提高75%、甚至80以上。以廣州市的主干道為例，按平均照度不低于30lux時，LPD值不高于1.05，僅有25%道路因光源、燈具效率較低而難以達到此標準，因此現(xiàn)有高壓鈉燈是完全能滿足照明功率密度標準要求的。

　　以主干道為例，按高光效400W高壓鈉燈（發(fā)光效率138lm/W）、75%燈具效率、維護系數(shù)0.7、利用系數(shù)0.5，主干道平均照度30lux，按利用系數(shù)公式計算：

從以上公式可以進一步推導(dǎo)出功率密度ρ和平均照度、光源發(fā)光效率、燈具利用系數(shù)、效率的關(guān)系：

　　即LPD為0.83時即可滿足30lux的平均照度要求，比照明功率密度標準標準1.05低了21%，如果采用250W高壓鈉燈（光效為128lm/W），則該LPD值為0.89，由此得出高光效高壓鈉燈是完全可以滿足節(jié)電標準、且作為道路照明節(jié)電方案實施的。

　　3.2、高壓鈉燈的節(jié)電方案

　　在對現(xiàn)有路燈節(jié)電改造中，即使是高效高壓鈉燈、燈具也要根據(jù)道路實際情況來確定實施方案，常用方案有：

　　3.2.1、對燈具老化殘舊、燈罩破損、配光效果差、光源衰減嚴重、遠達不到正常照明水平或采用非截光燈具的道路，可根據(jù)道路情況按設(shè)計標準進行光源、燈具的更換，在達到節(jié)電效果的同時提高原有道路的各項照明功能指標。

　　3.2.2、對主要因道路亮（照）過高而造成的LPD超標問題，應(yīng)對道路的LPD、照度進一步核對，對燈具效率有效合理（比較其單位LPD的平均照度）情況下，可降低光源功率或通過節(jié)電設(shè)備（調(diào)壓節(jié)電或單燈功率鎮(zhèn)流器）節(jié)電。

　　如對使用400W高壓鈉燈（光通量55000lm）、平均照度大于50lux的主干道，可以更換為250W高壓鈉燈（33000lm）。

　　改造后照度降低為：50×33000/55000 =30lux，仍滿足設(shè)計要求

　　改造后節(jié)電率：(400-250)/400 =37.5%

　　3.2.3、對于光源燈具參數(shù)、亮（照）度合理，符合道路照明功能指標的道路的節(jié)電改造從經(jīng)濟角度考慮不需要進行光源、燈具的改造，但可以根據(jù)道路的交通情況利用調(diào)壓節(jié)電、可調(diào)功率鎮(zhèn)流器等節(jié)電設(shè)備進行下半夜的節(jié)電，節(jié)電時注意照度的下降不能影響道路交通功能。

　　使用調(diào)壓節(jié)電設(shè)備要根據(jù)路燈的工作電壓、電壓降、光源類型等來設(shè)定節(jié)電電壓，避免節(jié)電時電壓過低而造成熄燈，節(jié)電率易受影響，電壓調(diào)整多采用多抽頭變壓器實現(xiàn)，切換處理不好易造成熄燈。

　　可調(diào)功率鎮(zhèn)流器是通過改變阻抗參數(shù)而改變工作電流，從而改變光源的消耗功率，功率調(diào)整幅度較大，節(jié)電效果顯著，而且對路燈運行影響小，是目前比較應(yīng)用在高壓鈉燈上效果較好的節(jié)電方式。
4、LED路燈

　　在當前的路燈節(jié)電中，LED路燈的應(yīng)用已成為城市道路照明節(jié)電的最熱門話題，而且越來越有取代高壓鈉燈的趨勢，按LED目前技術(shù)現(xiàn)狀比較，LED路燈還不具備比高壓鈉燈節(jié)電應(yīng)用的優(yōu)勢。

　　4.1、節(jié)電比較

　　LED路燈結(jié)構(gòu)、配光特性和傳統(tǒng)高壓鈉燈相比有很大的區(qū)別，在進行節(jié)電比較時綜合考慮其燈具性能比較：

　　以常用的高光效250W高壓鈉燈為例，光源光通量為33000lm，燈具效率70%，鎮(zhèn)流器功耗15%，燈具效能計算為：

　　33000×0.7/（250×1.15）=80.3 lm/W

　　光效為80 lm/W（量產(chǎn)芯片，結(jié)溫Tj=250C，當Tj=750C，光通量下降15%）的LED路燈光學(xué)部件效率0.9、燈具防護罩透光率、驅(qū)動器效率0.9，燈具效能計算為：

　　80×0.85×0.9×0.9×0.9=49.6 lm/W

　　從能效計算數(shù)據(jù)比較，即使考慮燈具配光的差異，高壓鈉燈的燈具效能水平還是高于LED路燈的，因此認為目前LED路燈比高壓鈉燈節(jié)電是沒有充分依據(jù)的。

　　但相對于低功率（100W及以下）高壓鈉燈的光效降低，LED的燈具效能已接近甚至超過傳統(tǒng)路燈，這時使用LED路燈是要節(jié)電的，尤其在執(zhí)行《城市道路照明設(shè)計標準（CJJ45-2006）》的功率密度標準時，人行道、廣場道路、支路等的功率密度要求較低，這時使用LED路燈能顯示相比傳統(tǒng)路燈的優(yōu)勢。
目前LED芯片的發(fā)光效率雖然還遠低于高壓鈉燈，但隨著技術(shù)的發(fā)展，高于高壓鈉燈是完全可以的，LED路燈的節(jié)電效果將會越來越突出表現(xiàn)。

　　4.2、成本比較

　　雖然LED路燈價格在不斷下降，當價格基本在4000元以上，是傳統(tǒng)高壓鈉燈（含電器、光源、燈具）3倍以上，一個中型規(guī)模城市5、6萬盞路燈更換成LED，其投入是相當大的，而采用更新高壓鈉燈的改造方式則要經(jīng)濟的多，尤其僅需更換光源、電器時，改造成本更低，高壓鈉燈節(jié)電改造是低投入、高回報，而在目前LED路燈現(xiàn)在還不能說是具備節(jié)電條件下，以LED路燈取代高壓鈉燈是難以獲得投資回報的。

　　4.3、壽命和維護比較

　　對于LED路燈壽命一般要求為3.5萬小時，但其實際壽命受芯片封裝、散熱影響較大，同時驅(qū)動電路、芯片內(nèi)YAG熒光粉也是要影響壽命的因素；不同廠家的壽命差異也較大；高光效高壓鈉燈的標稱壽命目前可以達到2.8~3.2萬小時，在實際應(yīng)用是達不到標稱壽命的，電器一般保用5年。

　　LED路燈是發(fā)光芯片（一個燈具內(nèi)有數(shù)十粒至上百粒）、驅(qū)動電路、燈具（具有散熱設(shè)計結(jié)構(gòu)）一體化的設(shè)備，燈具內(nèi)電氣線路、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都可能需要更換整套燈具來進行維護，即便在保質(zhì)期內(nèi)，更換燈具的人工成本也是不低的，而超出保質(zhì)期外的LED路燈維護成本更高；同時目前LED處在高速發(fā)展階段，更新快，在缺少統(tǒng)一標準前提下，不同廠家不能互換，因此維護配件成為不易解決的問題。
高壓鈉燈日常維護主要是光源和電器，在故障時易于維修，產(chǎn)品標準統(tǒng)一，不同廠家光源、電器可以互換，維護成本低。相比之下，對LED路燈的維護難度要大的多，維護周期也要長的多，對道路照明的亮燈率有影響。

　　4.4、LED路燈目前還不能作為主要的節(jié)電光源在道路照明中應(yīng)用

　　比較節(jié)電效果、成本、維護，LED路燈目前還不具備高壓鈉燈的優(yōu)勢，還不能成為城市道路照明節(jié)電改造的主要技術(shù)，但高壓鈉燈具有功率配置靈活的優(yōu)點在需要低功率照明的人行道、廣場、支路，低功率高壓鈉燈效率低，相比之下，LED路燈可以達到節(jié)電效果，同時還可以應(yīng)用在隧道照明，配合太陽能路燈的應(yīng)用。

　　目前LED技術(shù)還在不斷發(fā)展中，隨著其在路燈應(yīng)用的二次配光、散熱、驅(qū)動電路等關(guān)鍵技術(shù)的成熟穩(wěn)定、成本的下降、燈具工藝的改善、相關(guān)標準的完善，LED路燈的應(yīng)用會是越來越廣泛，并將成為主要的道路照明燈具之一。

　　5、結(jié)束語

　　近年來，各地都在積極推進城市道路照明的節(jié)電工作，更多的新技術(shù)、新產(chǎn)品應(yīng)用到道路照明中，如近年來的LED路燈的應(yīng)用已成為很多路燈節(jié)電的主要方案甚至是唯一方案，不少城市在制定節(jié)電方案時，忽略了對道路照明現(xiàn)狀的分析和高壓鈉燈的高效性，片面追求新技術(shù)、新設(shè)備，不但難以達到實際的節(jié)電效果，也會造成浪費，如LED路燈，目前正處在高速發(fā)展階段，產(chǎn)品更新快，成本也在不斷的降低；現(xiàn)階段高投入的LED路燈將隨著LED技術(shù)的發(fā)展很快成為過時產(chǎn)品而馬上處于淘汰的邊緣，同時不合適的光源或設(shè)備也會影響到道路照明的功能指標。理智的分析城市照明現(xiàn)狀，以有效實現(xiàn)節(jié)電目標、降低成本、保證照明功能指標、維護便利為目標，高壓鈉燈節(jié)電是最簡單、直接有效的節(jié)電方式。