高压钠灯在城市道路照明节电的应用

引言

　　当前，建设节约型社会已成为我国的一项重要国策，建设部颁发的《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》对城市道路照明要求年节电目标达5%，5年（2006~2010年）累计节电要达到25%，节电已成为城市道路照明管理单位当前一项重要的工作，同时也越来越被地方政府重视，加快了城市道路照明节电的建设。

　　目前城市道路照明节电工作更多以应用新技术为主，如对高压钠灯的调压节电技术、单灯调功率镇流器已经得到了较多的应用，而同时新光源如LED路灯、电磁感应灯、陶瓷金卤灯也作为节能产品以推广应用，城市道路照明节电方案呈现出百家齐放的局面，什么样的节点方案才真正适合道路照明？

　　根据《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》，节能设备、措施必须达到安全可靠、科学合理、经济使用、维护方便，保证城市照明系统功能达到各项技术指标和节能效果；应根据城市规模和经济实力、严格按标准设计、按规划建设；防止以牺牲照明效果单纯追求节能。因此城市道路照明节电已经不单纯是节电问题，同时要考虑投资成本、运行维护、设备管理以及道路的照明功能技术指标等问题，并在制定节电方案时予以解决，在制定方案时，首先要了解城市道路照明的现状，包括道路照明功率密度、道路亮（照）度、灯具光源。

　　1、城市道路照明基本现状分析

　　1.1、城市道路照明功率密度和照度

　　以广州市为例，曾经对部分道路的照明功率、照度状况进行检测，以其中24条主干道的照度测量值和功率消耗分析（见表1），其中：

　　照明功率密度（LPD）最大值为2.59，最小值为0.69，平均值为1.18，超过1.05标准的道路有17条（其中5条道路实际LPD值虽然低于1.05，但其现有照度换算成30lux时高于1.05，高于该值的视为不节能道路），占70.8%；

　　平均照度最大为99.62lux，最小为10.85lux，平均值为39.2lux，而其中30~40lux道路6条（占25%），低于30lux照度标准的道路有8条（占33.3%），

　　每单位LPD值平均照度最大为51.6，最小为15.07，平均为32.8，低于28.6（功率密度值为1.05、平均照度30lux）的道路有6条道路（占25%）；

表1 道路测量参数表

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32.8

　　1.2、LPD超标是我国城市道路照明普遍存在的问题

　　在对城市照明发展方向与节能降耗问题研究中，对全国10个城市22条道路照明情况的数据测试结果来看，路面平均照度为66lux，按设计标准主干道30lux，高出120%，属于照明严重超标，LPD值普遍超出设计标准，而其中部分是采用非截光灯具的，更是超标达到2.4以上。

　　1.3、从对相关测试的数据分析可以得出以下结论：

　　（1）、LPD超标是道路照明耗电量增加和浪费的主要原因；
　　（2）、即便都是高压钠灯，不同道路换算成单位LPD下的照度值差别较大，以上述数据为例，最低15.07，最高51.6，如此大的差别除了维护的原因，灯具、光源的效率也是不容忽视的，并已成为影响LPD值的重要因素。
　　（3）、各道路照度差别较大，其中三分之一道路平均照度低于国家标准、四分之一道路（平均照度30~40lux）可能在节电后低于国家标准；在进行道路照明节电同时，应充分考虑到对照明的各项功能指标的影响。

　　2、照明功率密度标准是城市道路照明节电改造的标准

　　从前面对道路照明电能消耗的调查来看，普遍存在亮（照）度过高、LPD超标的情况，而道路照明节电的实质就是降低LPD值，但LPD不是越低越好，还必须保证节电后的各项照明指标满足功能要求，因此在进行节电改造时应依据一定标准进行，以满足节电率和对照明质量的要求。

　　2007年7月1日实施的《城市道路照明设计标准（CJJ45-2006）》以LPD标准作为道路照明节电的评价指标，并作为强制性标准实施。 LPD值保证了在满足节能要求同时满足道路照明的照度要求，新建道路照明在设计时强制要求满足该项标准以达到节电效果。该标准同样适用于对旧有道路照明的节电改造，对超标LPD道路进行节电改造后LPD值、照度应同样满足表2的各项指标。

通常在后半夜，城市道路的行车交通、行人流量大量减少情况下，允许通过降低照明功能指标来达到节电效果，但对节电后的照明功能指标缺少相应的标准，为保证道路照明的基本功能，节电后的照明指标不应低于低一级的照明标准，参照表2，对不同等级的道路允许有2级LPD值和相应照度值，这对于实施下半夜照明节电的道路，可以分别作为节电前后的LPD值和照度值，以广州市为例，各等级道路的LPD、照度值设计均采用高值，如主干道设计平均照度不低于30lux，LPD不大于1.05，则节电后的平均照度不低于20lux，LPD不大于0.85，计算节电效果已达到19.0%。 [p]

　　为达到节电效果，更为保证道路照明功能指标，道路照明节电应以照明功率密度为标准设定节电后的能耗和道路照度。
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　　3、高压钠灯的节电方案

　　3.1高压钠灯的照明功率密度

　　高压钠灯是目前应用最广泛的道路照明光源，而高压钠灯及灯具技术已发展的较为成熟，高光效高压钠灯已普遍应用，光效最高可以达到150lm/W，而灯具的效率也提高75%、甚至80以上。以广州市的主干道为例，按平均照度不低于30lux时，LPD值不高于1.05，仅有25%道路因光源、灯具效率较低而难以达到此标准，因此现有高压钠灯是完全能满足照明功率密度标准要求的。

　　以主干道为例，按高光效400W高压钠灯（发光效率138lm/W）、75%灯具效率、维护系数0.7、利用系数0.5，主干道平均照度30lux，按利用系数公式计算：

从以上公式可以进一步推导出功率密度ρ和平均照度、光源发光效率、灯具利用系数、效率的关系：

　　即LPD为0.83时即可满足30lux的平均照度要求，比照明功率密度标准标准1.05低了21%，如果采用250W高压钠灯（光效为128lm/W），则该LPD值为0.89，由此得出高光效高压钠灯是完全可以满足节电标准、且作为道路照明节电方案实施的。

　　3.2、高压钠灯的节电方案

　　在对现有路灯节电改造中，即使是高效高压钠灯、灯具也要根据道路实际情况来确定实施方案，常用方案有：

　　3.2.1、对灯具老化残旧、灯罩破损、配光效果差、光源衰减严重、远达不到正常照明水平或采用非截光灯具的道路，可根据道路情况按设计标准进行光源、灯具的更换，在达到节电效果的同时提高原有道路的各项照明功能指标。

　　3.2.2、对主要因道路亮（照）过高而造成的LPD超标问题，应对道路的LPD、照度进一步核对，对灯具效率有效合理（比较其单位LPD的平均照度）情况下，可降低光源功率或通过节电设备（调压节电或单灯功率镇流器）节电。

　　如对使用400W高压钠灯（光通量55000lm）、平均照度大于50lux的主干道，可以更换为250W高压钠灯（33000lm）。

　　改造后照度降低为：50×33000/55000 =30lux，仍满足设计要求

　　改造后节电率：(400-250)/400 =37.5%

　　3.2.3、对于光源灯具参数、亮（照）度合理，符合道路照明功能指标的道路的节电改造从经济角度考虑不需要进行光源、灯具的改造，但可以根据道路的交通情况利用调压节电、可调功率镇流器等节电设备进行下半夜的节电，节电时注意照度的下降不能影响道路交通功能。

　　使用调压节电设备要根据路灯的工作电压、电压降、光源类型等来设定节电电压，避免节电时电压过低而造成熄灯，节电率易受影响，电压调整多采用多抽头变压器实现，切换处理不好易造成熄灯。

　　可调功率镇流器是通过改变阻抗参数而改变工作电流，从而改变光源的消耗功率，功率调整幅度较大，节电效果显著，而且对路灯运行影响小，是目前比较应用在高压钠灯上效果较好的节电方式。
4、LED路灯

　　在当前的路灯节电中，LED路灯的应用已成为城市道路照明节电的最热门话题，而且越来越有取代高压钠灯的趋势，按LED目前技术现状比较，LED路灯还不具备比高压钠灯节电应用的优势。 [p]

　　4.1、节电比较

　　LED路灯结构、配光特性和传统高压钠灯相比有很大的区别，在进行节电比较时综合考虑其灯具性能比较：

　　以常用的高光效250W高压钠灯为例，光源光通量为33000lm，灯具效率70%，镇流器功耗15%，灯具效能计算为：

　　33000×0.7/（250×1.15）=80.3 lm/W

　　光效为80 lm/W（量产芯片，结温Tj=250C，当Tj=750C，光通量下降15%）的LED路灯光学部件效率0.9、灯具防护罩透光率、驱动器效率0.9，灯具效能计算为：

　　80×0.85×0.9×0.9×0.9=49.6 lm/W

　　从能效计算数据比较，即使考虑灯具配光的差异，高压钠灯的灯具效能水平还是高于LED路灯的，因此认为目前LED路灯比高压钠灯节电是没有充分依据的。

　　但相对于低功率（100W及以下）高压钠灯的光效降低，LED的灯具效能已接近甚至超过传统路灯，这时使用LED路灯是要节电的，尤其在执行《城市道路照明设计标准（CJJ45-2006）》的功率密度标准时，人行道、广场道路、支路等的功率密度要求较低，这时使用LED路灯能显示相比传统路灯的优势。
目前LED芯片的发光效率虽然还远低于高压钠灯，但随着技术的发展，高于高压钠灯是完全可以的，LED路灯的节电效果将会越来越突出表现。

　　4.2、成本比较

　　虽然LED路灯价格在不断下降，当价格基本在4000元以上，是传统高压钠灯（含电器、光源、灯具）3倍以上，一个中型规模城市5、6万盏路灯更换成LED，其投入是相当大的，而采用更新高压钠灯的改造方式则要经济的多，尤其仅需更换光源、电器时，改造成本更低，高压钠灯节电改造是低投入、高回报，而在目前LED路灯现在还不能说是具备节电条件下，以LED路灯取代高压钠灯是难以获得投资回报的。

　　4.3、寿命和维护比较

　　对于LED路灯寿命一般要求为3.5万小时，但其实际寿命受芯片封装、散热影响较大，同时驱动电路、芯片内YAG荧光粉也是要影响寿命的因素；不同厂家的寿命差异也较大；高光效高压钠灯的标称寿命目前可以达到2.8~3.2万小时，在实际应用是达不到标称寿命的，电器一般保用5年。

　　LED路灯是发光芯片（一个灯具内有数十粒至上百粒）、驱动电路、灯具（具有散热设计结构）一体化的设备，灯具内电气线路、结构复杂，其中的任何一个环节出现故障，都可能需要更换整套灯具来进行维护，即便在保质期内，更换灯具的人工成本也是不低的，而超出保质期外的LED路灯维护成本更高；同时目前LED处在高速发展阶段，更新快，在缺少统一标准前提下，不同厂家不能互换，因此维护配件成为不易解决的问题。
高压钠灯日常维护主要是光源和电器，在故障时易于维修，产品标准统一，不同厂家光源、电器可以互换，维护成本低。相比之下，对LED路灯的维护难度要大的多，维护周期也要长的多，对道路照明的亮灯率有影响。

　　4.4、LED路灯目前还不能作为主要的节电光源在道路照明中应用

　　比较节电效果、成本、维护，LED路灯目前还不具备高压钠灯的优势，还不能成为城市道路照明节电改造的主要技术，但高压钠灯具有功率配置灵活的优点在需要低功率照明的人行道、广场、支路，低功率高压钠灯效率低，相比之下，LED路灯可以达到节电效果，同时还可以应用在隧道照明，配合太阳能路灯的应用。

　　目前LED技术还在不断发展中，随着其在路灯应用的二次配光、散热、驱动电路等关键技术的成熟稳定、成本的下降、灯具工艺的改善、相关标准的完善，LED路灯的应用会是越来越广泛，并将成为主要的道路照明灯具之一。

　　5、结束语

　　近年来，各地都在积极推进城市道路照明的节电工作，更多的新技术、新产品应用到道路照明中，如近年来的LED路灯的应用已成为很多路灯节电的主要方案甚至是唯一方案，不少城市在制定节电方案时，忽略了对道路照明现状的分析和高压钠灯的高效性，片面追求新技术、新设备，不但难以达到实际的节电效果，也会造成浪费，如LED路灯，目前正处在高速发展阶段，产品更新快，成本也在不断的降低；现阶段高投入的LED路灯将随着LED技术的发展很快成为过时产品而马上处于淘汰的边缘，同时不合适的光源或设备也会影响到道路照明的功能指标。理智的分析城市照明现状，以有效实现节电目标、降低成本、保证照明功能指标、维护便利为目标，高压钠灯节电是最简单、直接有效的节电方式。