道路照明节能改造检测及分析

张来军 王平 何欣

上海时代之光照明电器检测有限公司, 上海201114

国家灯具质量监督检验中心, 上海201114

0 引言

合同能源管理（Energy Performance Contracting,EPC 或Energy Management Contract, EMC），是指节能服务公司与用能单位以契约形式约定节能项目的节能目标，节能服务公司为实现节能目标向用能单位提供必要服务，用能单位以节能效益支付节能服务公司的投入及合理利润的节能服务机制[1]。在合同期内，节能服务公司对项目进行免费监测、改造、维护及技术升级。合同能源管理模式的道路照明节能改造工程近几年在各地兴起，如何推进项目的开展，提供专业化的服务，需要一个权威的、资质强大的、中立的第三方检测机构来参与评估、衡量、检测所实施的节能改造工程，提供确切的数据，从而计算节能率和改造后的照明质量指标，确保符合双方的相关利益。没有确切的节能率，节能服务公司前期支出的费用就不能保证按期收回，也无法产生相关效益。文章以第三方检测机构的身份，对参与检测节能改造项目的过程、方法进行阐述，指出了改造后尚存的一些问题，总结分析，并给出建议。

1 道路照明节能改造检测

现阶段道路照明设备还在使用高强度气体放电灯（HID）光源，其耗电性高、寿命使用短、光衰大、灯具悬挂负载大及废弃物污染等问题突出。在国家提倡节能减排，推广绿色照明之际，道路照明节能改造显得尤为紧迫，以合同能源管理模式引入的LED 道路照明节能改造工程值得借鉴、推广。

2018 年期间，本中心受苏州市吴江区市政管理中心委托，对合同能源管理模式（EPC）合同内吴江区所处G318、江城大道、苏同黎公路、苏州湾大道等共计16 条道路上39 个路段，测试其路面平均照度及节能率。选取相应的路灯控制箱测试其改造前后的用电节能率（改造前路灯为高压钠灯，改造后使用LED 路灯）。按照要求，待测线路内非路灯用电的设备均在电量检测中暂时断开，个别线路涉及公安探头等不宜断电的设备在报告中另外描述；节能改造前后的电量测试，数据均在“全夜灯”模式下采集。电量测试在路灯控制箱进行，如图1 所示。

图1 路灯控制箱

通常，节能率检测会选取不同区域道路上灯杆，以相同型号规格的灯具，连续5 根灯杆以上，运行稳定后所形成回路的改造前后实际消耗功率之比来确定。当然，根据道路长短，可以有比例地增减检测灯杆的数量[1]。但实际上，由于供电电压的波动、灯具的稳定性，以及人为的节能手段调压或是切换灯具等，某时段检测的消耗功率不能完全代表整个路段的使用消耗量。因此，对检测的路段使用一整晚的消耗功率之比来衡量改造前后的节能率，检测虽比较耗时，但较完整。使用的节电检测设备配备了JCYJ-96W3Y 型液晶显示多功能仪表，集合全面的三相电量测量、显示、能量累计、数字输入、输出与网络通讯与一身。使用前，将设备清零，包括计时器；使用时，设备运行稳定，可以随时检测三相电压、电流、频率、功率因数、有功功率及使用时间，能完全正确地检测、记录电力负载，如图2 和图3 所示。

图2 电力检测设备

图3 检测仪表显示界面

选取相应路段的路灯控制箱进行检测，路灯控制箱现其供电系统基本均为TN-S 系统。TN-S 系统就是三相五线制，也就是供电系统电网提供的低压系统380 V/220 V，线电压380 V，相电压220 V，频率50 Hz。相线和零线、接地线独立运行，是比较理想的供电形式。近阶段的路灯照明供电路线基本以这种方式运行，如图4 所示。

图4 TN-S 供电系统（三相五线制）

在路灯开启之前，把检测设备接入配电箱中，并人为手动上电一次，来检查路灯的亮灯情况，接入设备接线是否正确，仪表的三相相序是否一致，可以根据仪表显示的电参数初步估算大致的路灯总功率是否在范围之内，并记录相应的电压、电流、功率因数等参数。上电之前，需联系市政管理中心，排除此路段有维修施工等指令后，方可上电操作，以防止上电后出现触电等危险的相关事故。路灯开启之前，人为上电检查，这个步骤非常重要：

（1）检查该控制箱控制的路灯亮灯率，避免改造前后路灯亮灯数的不一致，导致的节能率计算误差；

（2）通过仪表显示的数据，检查设备的接线是否正确、相序是否一致，避免造成设备统计错误；

（3）初步计算运行的路灯总功率，一个配电箱控制多少路灯，每个路灯多少瓦，总功率是否在正负偏差内，可以知晓、排除有其他非路灯用电设备的接入，为正确计量节能率奠定基础；

（4）检查结束后，设备仪表、计时器复位，再关闭电源，切换到自动状态。路灯的开启和关闭，是以配电箱中的经纬时控器自行动作。经纬度时间控制器只要校正好控制器的时钟，输入所在地的经度、纬度，控制器即可根据地球自转和公转的规律，自动计算不同季节每天的日出日落，实现对路灯及相关设备的全自动开关控制，如图5 所示。次日上午路灯关闭后，再取出设备，记录有功功率、运行时间等。检测时，设备接入在同一个配电箱中，同一条“全夜”线路中，同一处接入点上，力争使改造前后检测一致，把误差降到最低。

图5 经纬时控器

CJJ/T 261—2017《城市照明合同能源管理技术规程》中节能率的计算公式[2]如下：

式中：

节电效益的计算公式为：

式中：

根据节能改造前后实测数据及上述计算方法，给出确切的节能率，供节能、用能双方确认认可。图6列举了部分道路改造前后实测能耗值的对比和节能率。节能服务公司应与用能单位约定节能效益分享比例、分享期限，并应明确支付方式。[1]

图6 节能改造前后用电量对比图

2 智慧照明助力二次节能

随着道路照明节能改造工程逐渐深入，智慧照明逐渐受到更多关注。对部分要更换的LED 路灯增加了单灯控制器，使得部分路段能够通过ZigBee 或NBIoT 等通信手段，将这部分路段的路灯进行信息化管理，提升公共管理水平，节省维护成本，如图7 和图8所示。2019 年期间，在对苏州市吴江区盛泽镇委托的合同能源项目中，除了把高压钠灯用LED 路灯替换外，还专门试制了一条智慧路灯路段，在更换带有NBIoT 控制器的LED 路灯基础上，采用智慧照明管理平台，来检验其对路灯的管理，实现每盏路灯点对点开关灯、调光、调功率、故障自动报警、巡检等功能。设置时间点，路灯到相应时间自动进行调光、调功率，使得此道路在不同时间点提供不同的照明，既满足道路运行照明的基本需求，又使得其耗电在合理最小范围内。在更换LED 路灯平均节能57%基础上，再次节能10%以上，实现真正意义上的二次节能。当然，这仅仅是智慧照明的初级阶段，智慧灯杆的运用，使其微基站、视频监控、多媒体屏、紧急呼叫、传感器、充电桩等，多领域的交叉融和，使得智慧照明进入了一个崭新的发展阶段，是后期推广运用的方向。[3]

图7 单灯控制器

图8 带单灯控制器的智慧灯具

3 改造后问题总结分析及建议

改造后，LED 道路照明和智慧照明在节能方面还是很明显的，但在实际中尚存一些问题值得去分析、思考。道路照明改造不能只片面注重追求节能率的表现，节能、用能双方都必须高度重视改造后照明控制系统的安全、整体公共照明的质量，并持续完善监测系统。

(1) 由于只是把高压钠灯更换成LED 灯具，对于更换后LED 灯具与现有的灯杆高度、间距、悬挑长度、安装仰角及步灯位置是否匹配，LED 路灯是否安装在最佳位置，有待考量。因为在对新道路进行布灯前，都需要照明设计师进行优化比对，根据路灯实际的配光曲线及道路模拟利用系数来确定安装数据及相关照明质量指标。

(2) 现有的部分路段灯杆与周围绿化树木位置过近，树枝遮挡了大部分光线，虽然更换了LED 灯具，在节电方面比较突出，但是在路面照度均匀度、亮度均匀度方面还不尽如意，许多地方明暗对比突出，斑马效应显现，极易造成驾驶员视觉疲劳，后续需采取措施进行改进，如图9 所示。

图9 树叶遮挡，造成路面照度、亮度均匀度差

(3) 仅仅更换LED 路灯，其连接线路、配电器件及保护元件未跟换，存在部分接触器空开，保险丝老化、锈蚀、开裂、接头松动等隐患，可能会造成一定的负载及能源损耗；部分配电箱电流分配不均，造成A、B、C 三相负载不一致，增加线路损耗等。

(4) 由于之前的灯杆，从地面敷设电线到灯杆最上面的灯具安装，只是一根相线L 和一根零线N，没有专用的接地线，靠灯杆当作接地引线存在不可靠、不确定等问题。受材质和灯杆固定程度的影响，LED灯具输入端预留的地线悬置未接，开启灯具时浪涌和雷电对灯具存在冲击，要求更换的灯具需具备良好的SPD 功能进行保护。

(5) 合同能源项目按照之前相关协议要求，在不改变照度的前提下，节能率达到55%以上。在更换LED 灯具后，实测下来基本能够达到所规定的要求。但是对于不改变照度的要求，对此提出相关建议。由于改造前照度值部分路段已高出标准，造成一定的资源浪费。改造后，可因地制宜，对于交通运输频繁的路段保持之前的照度值或是高于标准，对于交通量不是很大的部分道路，只要保证照度在标准范围内即可。CJJ 45——2015《城市道路照明设计标准》要求，机动车主干路平均照度维持最小值为20 lx，次干路平均照度维持最小值为15 lx，支路平均照度维持最小值为8 lx。[4]按照此标准，在跟换LED 灯具后，对照度超出范围的道路可再次更换小一级功率的灯具，使节能改造达到最高效。

(6) 更换成LED 灯具后，对灯具的维护、检测应定期进行。LED 灯具的光性能受限于LED 的加工工艺、LED 的发热、散热状况、使用环境及与之配套的LED 控制装置的性能等。所以，合同能源项目特别提到，每年进行的光照度、节能率复测很有必要，这有利于评估LED 灯具的可靠性和光衰程度等。

4 结束语

时代变革，顺应节能低碳环保趋势，完善人性化的照明理念，提倡绿色照明、智慧照明，加快建设绿色照明信息监管系统，使得道路照明改造步伐不止步。后续将继续跟踪道路照明节能改造的相关项目，也希望节能部门在路灯改造的同时，不但在节能方面有所成效及改进，在智慧照明、照明质量等领域有更一步的提升和突破。在制定相关协议上增加改造评价指标，增加验收检测的相关手段，使得道路照明节能改造项目真正惠于城市，造福于民。