高壓鈉燈在城市道路照明節(jié)電的應(yīng)用

引言

　　當(dāng)前，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)已成為我國的一項(xiàng)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(duì)城市道路照明要求年節(jié)電目標(biāo)達(dá)5%，5年（2006~2010年）累計(jì)節(jié)電要達(dá)到25%，節(jié)電已成為城市道路照明管理單位當(dāng)前一項(xiàng)重要的工作，同時(shí)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(duì)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(shí)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(diǎn)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(dá)到安全可靠、科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)使用、維護(hù)方便，保證城市照明系統(tǒng)功能達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和節(jié)能效果；應(yīng)根據(jù)城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)實(shí)力、嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、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(shí)要考慮投資成本、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備管理以及道路的照明功能技術(shù)指標(biāo)等問題，并在制定節(jié)電方案時(shí)予以解決，在制定方案時(shí)，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(duì)部分道路的照明功率、照度狀況進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的道路有17條（其中5條道路實(shí)際LPD值雖然低于1.05，但其現(xiàn)有照度換算成30lux時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)是我國城市道路照明普遍存在的問題

　　在對(duì)城市照明發(fā)展方向與節(jié)能降耗問題研究中，對(duì)全國10個(gè)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)主干道30lux，高出120%，屬于照明嚴(yán)重超標(biāo)，LPD值普遍超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而其中部分是采用非截光燈具的，更是超標(biāo)達(dá)到2.4以上。

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

　?。?）、LPD超標(biāo)是道路照明耗電量增加和浪費(fèi)的主要原因；
　　（2）、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(hù)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(biāo)準(zhǔn)、四分之一道路（平均照度30~40lux）可能在節(jié)電后低于國家標(biāo)準(zhǔn)；在進(jìn)行道路照明節(jié)電同時(shí)，應(yīng)充分考慮到對(duì)照明的各項(xiàng)功能指標(biāo)的影響。

　　2、照明功率密度標(biāo)準(zhǔn)是城市道路照明節(jié)電改造的標(biāo)準(zhǔn)

　　從前面對(duì)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(biāo)的情況，而道路照明節(jié)電的實(shí)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(xiàng)照明指標(biāo)滿足功能要求，因此在進(jìn)行節(jié)電改造時(shí)應(yīng)依據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以滿足節(jié)電率和對(duì)照明質(zhì)量的要求。

　　2007年7月1日實(shí)施的《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（CJJ45-2006）》以LPD標(biāo)準(zhǔn)作為道路照明節(jié)電的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并作為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。 LPD值保證了在滿足節(jié)能要求同時(shí)滿足道路照明的照度要求，新建道路照明在設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)制要求滿足該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)以達(dá)到節(jié)電效果。該標(biāo)準(zhǔn)同樣適用于對(duì)舊有道路照明的節(jié)電改造，對(duì)超標(biāo)LPD道路進(jìn)行節(jié)電改造后LPD值、照度應(yīng)同樣滿足表2的各項(xiàng)指標(biāo)。

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(biāo)來達(dá)到節(jié)電效果，但對(duì)節(jié)電后的照明功能指標(biāo)缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，為保證道路照明的基本功能，節(jié)電后的照明指標(biāo)不應(yīng)低于低一級(jí)的照明標(biāo)準(zhǔn)，參照表2，對(duì)不同等級(jí)的道路允許有2級(jí)LPD值和相應(yīng)照度值，這對(duì)于實(shí)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(jí)道路的LPD、照度值設(shè)計(jì)均采用高值，如主干道設(shè)計(jì)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(jì)算節(jié)電效果已達(dá)到19.0%。

　　為達(dá)到節(jié)電效果，更為保證道路照明功能指標(biāo)，道路照明節(jié)電應(yīng)以照明功率密度為標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(shí)，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(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，因此現(xiàn)有高壓鈉燈是完全能滿足照明功率密度標(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(jì)算：

從以上公式可以進(jìn)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(shí)即可滿足30lux的平均照度要求，比照明功率密度標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)、且作為道路照明節(jié)電方案實(shí)施的。

　　3.2、高壓鈉燈的節(jié)電方案

　　在對(duì)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(shí)際情況來確定實(shí)施方案，常用方案有：

　　3.2.1、對(duì)燈具老化殘舊、燈罩破損、配光效果差、光源衰減嚴(yán)重、遠(yuǎn)達(dá)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行光源、燈具的更換，在達(dá)到節(jié)電效果的同時(shí)提高原有道路的各項(xiàng)照明功能指標(biāo)。

　　3.2.2、對(duì)主要因道路亮（照）過高而造成的LPD超標(biāo)問題，應(yīng)對(duì)道路的LPD、照度進(jìn)一步核對(duì)，對(duì)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(duì)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(jì)要求

　　改造后節(jié)電率：(400-250)/400 =37.5%

　　3.2.3、對(duì)于光源燈具參數(shù)、亮（照）度合理，符合道路照明功能指標(biāo)的道路的節(jié)電改造從經(jīng)濟(jì)角度考慮不需要進(jìn)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(jìn)行下半夜的節(jié)電，節(jié)電時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)路燈運(yùn)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(dāng)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(jìn)行節(jié)電比較時(shí)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(jì)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(dāng)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(hù)罩透光率、驅(qū)動(dòng)器效率0.9，燈具效能計(jì)算為：

　　80×0.85×0.9×0.9×0.9=49.6 lm/W

　　從能效計(jì)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(rèn)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(duì)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(shí)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)（CJJ45-2006）》的功率密度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，人行道、廣場道路、支路等的功率密度要求較低，這時(shí)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(yuǎn)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(huì)越來越突出表現(xiàn)。

　　4.2、成本比較

　　雖然LED路燈價(jià)格在不斷下降，當(dāng)價(jià)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(gè)中型規(guī)模城市5、6萬盞路燈更換成LED，其投入是相當(dāng)大的，而采用更新高壓鈉燈的改造方式則要經(jīng)濟(jì)的多，尤其僅需更換光源、電器時(shí)，改造成本更低，高壓鈉燈節(jié)電改造是低投入、高回報(bào)，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(bào)的。

　　4.3、壽命和維護(hù)比較

　　對(duì)于LED路燈壽命一般要求為3.5萬小時(shí)，但其實(shí)際壽命受芯片封裝、散熱影響較大，同時(shí)驅(qū)動(dòng)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(biāo)稱壽命目前可以達(dá)到2.8~3.2萬小時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用是達(dá)不到標(biāo)稱壽命的，電器一般保用5年。

　　LED路燈是發(fā)光芯片（一個(gè)燈具內(nèi)有數(shù)十粒至上百粒）、驅(qū)動(dòng)電路、燈具（具有散熱設(shè)計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都可能需要更換整套燈具來進(jìn)行維護(hù)，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(hù)成本更高；同時(shí)目前LED處在高速發(fā)展階段，更新快，在缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)前提下，不同廠家不能互換，因此維護(hù)配件成為不易解決的問題。
高壓鈉燈日常維護(hù)主要是光源和電器，在故障時(shí)易于維修，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，不同廠家光源、電器可以互換，維護(hù)成本低。相比之下，對(duì)LED路燈的維護(hù)難度要大的多，維護(hù)周期也要長的多，對(duì)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(hù)，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(diǎn)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(dá)到節(jié)電效果，同時(shí)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的完善，LED路燈的應(yīng)用會(huì)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(jìn)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(shí)，忽略了對(duì)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(dá)到實(shí)際的節(jié)電效果，也會(huì)造成浪費(fèi)，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(shí)產(chǎn)品而馬上處于淘汰的邊緣，同時(shí)不合適的光源或設(shè)備也會(huì)影響到道路照明的功能指標(biāo)。理智的分析城市照明現(xiàn)狀，以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)電目標(biāo)、降低成本、保證照明功能指標(biāo)、維護(hù)便利為目標(biāo)，高壓鈉燈節(jié)電是最簡單、直接有效的節(jié)電方式。