城市照明节能及智慧化管控升级改造

2022-06-02刘友泉杭州市容景观发展中心

节能与环保 2022年5期

文_刘友泉杭州市容景观发展中心

在“十四五”规划中，城市照明节能及智慧化管控成为一项工作重点。路灯作为城市照明的重要组成部分，具有分布广泛、数量众多的特点，然而不论是光源选择、还是系统控制，采用的技术均比较落后，不满足节能环保的要求。伴随着城市建设速度加快，人们对于照明系统提出更高要求，既要提高照明效果，又要降低能源损耗，必须走节能道路，推广智慧化管控系统，大力开展升级改造工作，为节能型城市的建成贡献一份力量。

1 城市照明控制系统的发展历程

1.1 第一阶段：传统控制

该阶段，照明控制使用强电回路开关，仅能对单个灯具或局部区域进行自动化控制，代表性控制系统如时钟定时开关、PLC控制、光感回路控制。传统控制方式的缺点非常明显：①控制方式不联动，不满足实时操作要求；②设定亮灯状态后，修改操作费时费力；③照明设备的工作状态反馈不及时，影响监管效果。

1.2 第二阶段：远程控制

该阶段，照明控制是利用3G网络、电力载波技术，将照明设备和互联网连接起来，可在控制中心对照明设备进行远程控制。相比于传统控制方式，远程控制减少了人力成本，解决了不少问题。即便如此，依然存在一些缺点：①控制场景单一，场景内容本身不够丰富；②控制系统和接口没有统一标准，建设管理规范不健全，管控意识薄弱；③灯具厂商之间有技术壁垒，无法实现统一联动控制。

1.3 第三阶段：智能化控制

该阶段，照明控制将新一代信息技术、物联网相结合，实现了智能化控制，特征表现为多单元接入，区域联动控制，场景演绎丰富多彩。智能化控制方式的应用，在保证运行稳定的前提下，兼顾精细化管理和信息安全，具备多种新型功能。总结起来，智能化控制的缺点有：①因协议、接口混乱，系统兼容性差，升级时有难度；②网络信息技术的应用，使系统对互联网的依赖性较强，存在一定的安全隐患。

2 城市照明能耗问题及节能技术

2.1 城市照明能耗问题

道路照明是城市照明的重要组成部分，过度追求豪华的照明效果，忽视了合理性、节能性，继而造成能源浪费问题。

2.1.1 单纯追求照明亮度

道路照明并非亮度越高越好，实际上平均照度是关键指标，满足国家标准规范要求即可。亮度过高，炫光会干扰驾驶人员的视线，影响行车安全，造成电能浪费；亮度过低，不满足夜间观察需求，也容易引起安全事故。

2.1.2 忽视灯光配比效果

路灯设计时，往往将照明亮度、范围放在首位，忽视了灯光配比效果。相关调查发现，城市照明系统中夜景照明占比较大，而功能性照明占比较小。实际上，功能性照明对人们的生活影响更大，夜景照明和功能性照明比例分配不合理，无法满足实际照明需求。

2.1.3 存在运营安全隐患

道路照明费用主要来源于地方财政，在经济效益驱使下，部分城市的运营单位未采用自动控制系统，以人工控制为主，根据季节、环境、天气的变化人为控制照明亮度。相比于自动控制，人工控制虽然能节省成本，但运营过程中存在安全隐患：①道路上车流量不断变化，外部环境不断变化，人工控制并不能做到完全同步，这就导致照明该亮时不亮、该暗时不暗；②道路亮度均匀性降低，容易出现频闪效应。

2.2 城市照明节能技术

针对以上问题，在城市照明中采用节能技术，主要从设计、光源、线路、控制4个方面入手，实现综合节能效果。

2.2.1 设计节能

照明系统的节能，从设计阶段就已经开始。①优化设计方案。设计人员应结合道路实际情况，对不同照明组合方案和效果进行分析比较，从而选择出最优方案。要求路灯分布和间距合理，能提高照明利用率，保障夜间行车安全。②充分利用环境条件。有研究称，将路灯设置在高反射的路面或建筑旁，能提高光能利用度，加强道路照明效果。

2.2.2 光源节能

城市道路建设中，合理选择照明灯具，将光源分配到不同方向，避免炫光，提高光照利用度，实现光源上的节能。①灯具使用效率高低，和反光罩的质量有关系，要想发挥出反光罩的作用，就要对光源进行精准配合。反光罩的制作材料，一般选用高纯铝板，优点是透光性好、反射效率高。②高压钠灯的光通量高，不仅运行稳定，而且使用寿命长，在道路照明中应用广泛。随着生产工艺进步，LED灯的光效利用率不断提高，使用寿命延长，电能消耗降低，是光源节能的一个重要方向。

2.2.3 线路节能

线路节能就是合理缩短供电距离，优化电力线路的设计方案，降低线路产生的电能损耗。①城市道路普遍较长，相应的供电线路也很长。导线的截面积越大电阻越小，相应的电能损失越小，因此电缆线选择截面积较大的。②不少城市进入零点后，用电量明显减小，特定时间内电压增高，不仅消耗电能，还会影响灯具使用寿命。对此，可以安装节能设备，根据电压变化调整照明亮度，还能延长设备的使用寿命。

2.2.4 控制节能

控制节能就是采用智能化的控制系统，对道路照明进行精细化、动态化调控，在满足照明需求的前提下，达到降低能耗的效果。①合理规划路灯的开关时间，综合考虑季节、天气、不同区域位置等因素。②将新一代信息技术应用其中，基于无线网、互联网、计算机等技术下，对路灯进行控制。③安装固定调节器、节能型电子镇流器，对灯光照度进行调节，降低使用功率。

3 城市照明智慧化管控系统

3.1 系统组成

该系统由运行、管理、功能三部分组成。①运行部分，包括执行设备、应用技术和功能设备。②管理部分，包括管理要素、管理方法、结果评估。③功能部分，功能设置具有独立性和扩展性，包括开关管控功能、调光管控功能、单灯独立控制功能、第三方接口协议控制功能等。

3.2 生态构架

该系统的生态构架见图1，核心是智慧控制管理中心。该中心不仅对复杂的数据进行运算，还要下发实时操作指令，监测并反馈各个单元的运行状态。一旦遇到异常情况，及时报警并应急响应，保证系统安全稳定运行。

图1 照明智慧化管控系统的生态构架

纵向来看，基于光纤传输技术、TCP/IP协议、物联网的支持，和智慧控制终端柜相连。智慧控制终端柜中的PAVT智能模块，通过不同接口和底层应用连接，对功能照明、夜景灯光、3D投影、多媒体灯光、音乐喷泉、特效灯光、激光表演进行控制。

横向来看，扩展出音频输出、视频输出功能，在光纤、以太网、4G网络等技术支持下，可实现远程控制。利用云平台，可对大数据进行存储和处理，通过整合数据、触发现场指令和任务，提高系统运行灵活性。经云平台接入智能终端，例如智慧照明APP，可以方便技术人员在现场进行功能调试，运营管理中也能进行场景编辑，不同场景可实现一键触发。

4 城市照明节能及智慧化管控升级改造实践

4.1 改造前现状

以杭州市主城区为例，现有路灯13万盏，其中高压钠灯7.4万盏，LED及其他路灯5.6万盏。城市建设发展中，路灯数量仍在增加。

财政支出方面。①高压钠灯，每年电费支出约7145万元。②LED及其他路灯，每年电费支出约2698万元。③路灯维护，每年支出约3000万元。以上三项支出汇总，道路照明上的财政支出约为每年12840万元。

路灯管理方面。通过调查分析，该城市路灯在运行管理中存在的问题有：①技术落后，管理部门无法准确掌握路灯运行状况，不满足精细化管理要求。②能耗较高，高压钠灯不能调节照度，造成能源浪费。③存在安全隐患，例如漏电、灯杆倾斜倒塌等。

4.2 改造方法

基于道路照明财政支出高、运行管理差的现状，实施节能及智慧化管控升级改造方案。当地政府采用公开招标的方式，和中标单位签订能源管理合同，由中标单位负责升级改造和系统运行维护，期间人力、材料、设备的配置均由中标单位负责。升级改造完成后，道路照明系统在运行中，中标单位负责安全管理，从节能产生的收益、收回的管养费用中获得利润。

中标单位经过现场勘查和分析研究，决定将高压钠灯、老旧的LED灯，全部更换为新型LED灯，发挥出高光效、抗光衰、节能性优点，实现绿色照明、节能降耗的目标。①技术方面。如表1，分别使用220W、120W、60W LED灯，代替原来的400W、250W、150W高压钠灯。改造后，不仅光效和灯具效率提高，而且整灯功耗明显降低，三种改造方案的节能率分别为47.8%、55.2%、61.2%。②管理方面。采用智慧路灯管控系统，对路灯的照明亮度进行控制。结合道路等级、夜间实际照度、交通流量、现场环境等，在零点后将路灯功率降低20%～30%，既满足国家标准限值，又能实现节电效果。

表1 LED路灯代替高压钠灯方案

4.3 改造后效益分析

本次路灯节能及智慧化管控升级改造完成后，取得显著综合效益：①照明质量提高。改造后，道路照明质量高于国家标准的，保持原标准不变；低于国家标准的，提高至国家标准限值，更好地满足道路照明需求。②管理水平提升。一方面，改造后的路灯系统一旦发生故障，能将故障位置和类型信息发送给维修人员，有助于及时开展维修作业。另一方面，智慧化管控系统中具有用电检测、自动报警等功能，保证了路灯的使用安全，能避免发生人员伤害事件。③节能效果明显。改造后，LED灯的节电率达到60%，对保护环境、实现“双碳”目标具有推动作用。④运营成本降低。改造后，8年合同期内财政总支出16000万元，见表2。相比于改造前的40000万元，财政支出费用减少24000万元。