“双碳”目标下城市路灯的改造以及性能分析

金 融

（上海市南电力集团有限公司, 上海 201801）

全球经济发展和气候环境问题之间的矛盾日益突出，越来越多的国家承诺实现碳达峰和碳中和（简称“双碳”）。中国作为二氧化碳排放大国，也郑重宣布，力争于2030年前实现碳达峰，争取于2060年前实现碳中和。实现“双碳”不仅是一场系统性变革，也是一场全球性竞技，需要推进创新驱动的绿色低碳高质量发展。目前，随着城市基础设施的完善和建设，我国照明工程数量与日俱增[1]，规模也越来越大，能耗体量也随之增加，达到全国耗电总量的10%[2]。因此，各级政府也以“绿色节能”为目标制定了详细的路灯改造措施，并将其纳入经济社会发展和生态文明建设整体布局，以确保“双碳”目标的实现[3-5]。在此背景下，2021年11月，上海市住建委制定《上海市推进道路照明设施节能改造三年行动计划（2021年-2023年）》（简称《三年行动计划》），将道路照明设施节能改造工作作为加快绿色发展、推动新旧动能转换、实现高质量发展的重要内容，逐步构建安全、舒适、智能、绿色的功能照明体系，上海将于2023年基本实现全市道路照明发光二极管（light-emitting diode，LED）灯具全覆盖。据统计，2021年上海道路照明设施总数约82.54万盏，其中70.14万盏的光源是高压钠灯。节能环保的LED路灯改造已成为未来城市照明发展主要趋势之一。新型LED灯具的使用可以有效降低道路照明故障率，减少道路照明报修率和投诉率，有效提高视觉清晰度，提升道路通行安全，减少交通事故的发生[6-9]。

本文以上海市南电力（集团）有限公司对嘉定区德富路路灯进行照明改造的项目为例，分析了原有高压钠灯的不足，简述了LED路灯的改造方案，详述了路灯改造后照度、均匀度等光照指标及低碳效益，凸显了LED路灯改造在“双碳”目标中的重要作用，为城市照明的低碳发展提供了应用案例，具有一定的指导意义和实用价值。

1 德富路路灯照明改造项目概况

德富路北起白银路，南至伊宁路，全长1.2 km。沿途有政府机关、居民区、商场和商务办公场所，人流量比较大。道路类型为次干道，平均道路宽度10 m，道路可设置3条车道，双向机动车道之间以交通线划分，机动车道与非机动车有隔离栏，非机动车道与人行道无明显分界设施。路面铺设材料为沥青，路灯灯杆为双向对称布置。路灯灯杆连接着单臂灯头，单臂灯头的延伸长度为1.5 m，灯头距路面距离为9 m，没有仰角。该路段路灯数量为330 个，功率均为130 W。原有的高压钠灯需要额外搭配20 W 整流器，每年消耗电量约为 6.57×105kW·h，每年支出电费约为 44万元。

1.1 当前路灯的不足

1.1.1 光源调压方式不合理

作为目前道路照明领域的主流光源，高压钠灯会随着两端电压的降低相应地降低功率和照度[10-12]。为了降低高压钠灯的电压，通常采用晶闸管斩波调压或自耦降压。然而，晶闸管斩波调压虽然成本低、速度快，但是这种方式会引起谐波污染，最终造成对电网的稳定性产生不利影响。自耦降压的原理是通过调节自耦变压器的抽头的方式来调节输出电压，但在用电高峰时，电网的电压较低可能导致输出电压过低，使高压钠灯无法点亮，从而影响道路照明系统的正常运行。

1.1.2 光源光色性能差

高压钠灯是利用钠蒸气放电、发光而制成的灯的总称。高压钠灯的光谱窄，其色温属于暖色温，显色指数低于50，显色性低，颜色失真度较大。与LED光源相比，高压钠灯不能有效提高能见度和清晰度，不能够帮助行人清楚地辨认具体的道路情况，影响驾驶安全。

1.1.3 路面照度分布不合理

根据《城市道路照明设计标准》CJJ45-2015的规定，对路灯的性能评估，要同时考虑照度、照度均匀性、亮度以及亮度均匀性等指标。因此，在选择光源时，需要同时满足这些重要的指标才能满足道路照明的需求。然而，高压钠灯的全向发光导致超过50%的光线需要经反射器反射才能照射到地面，这一反射过程中不可避免地会有光线损失，影响灯具的利用率。此外，高压钠灯的配光曲线受反射器的影响较大，具有一定局限性（见图1）。同时，由于路灯灯头被树木枝叶遮挡，影响路面照明效果。此路段为非机动车道和人行道共用区域，且堆积了大量共享单车，因此大多数非机动车辆选择在机动车道上行驶，这增加了交通事故的风险，进一步说明路面照明水平需要提高。

1.1.4 路灯有效光效低，使用寿命短

由于高压钠灯的光学特性，其有效光效（即灯具实际输出光通量与灯具功率之比）要低于LED灯具。除了考虑灯具本身功耗外，正常工作时还需考虑灯具的附件电耗。高压钠灯的镇流器、触发器和电控设备等附件耗能一般占灯具功率的20%以上，而LED灯具的附件功耗则小于灯具本身的10%[1]。另外，由于高压钠灯的光色指数较差，为了获得良好的照明效果，通常采用过度照明，导致钠灯的实际功率远高于灯泡的功率。这些因素导致高压钠灯温度过高，附件使用寿命缩短，从而使得高压钠灯的实际平均使用寿命只有5 000 h，增加了使用成本和运行维护成本。

1.2 路灯改造技术要求

1.2.1 道路照明需求

在设计城市道路照明时，路灯应以突出照明功能为主，兼顾装饰效果的原则。然而，当前在我国的许多城市道路照明设计施工中存在盲目追求视觉效果的现象。例如，一些道路的车行道外侧为绿化带，但路灯采用双悬臂布置方式，使得绿化带侧的路灯无效运行，从而增加了建设投资成本并浪费了能源。因此，道路照明设计应遵循《城市道路照明设计标准》[13]，确保照度和均匀度要求，并根据道路结构的不同设计路灯式样，使照明更加均匀。

1.2.2 道路照明LED灯具要求

上海市南电力（集团）有限公司以《三年行动计划》为指导，立足现状，坚持以效益为中心，本着“减少投入、系统可靠、节能环保、绿色高效”的原则，按照《上海市道路照明设施节能改造技术导则》以及《上海市道路照明LED灯具技术要求 (试行)》执行要求，对德富路（伊宁路-白银路）路灯的高压钠灯进行改造。在进行本段路灯改造时，严格遵守以下要求，以确保上海市城市道路照明设施的照明质量维持较高水平，并获得了住建部组织较好的评价。

（1） 采用单灯控制器加LED路灯的组合方式进行升级与改造；

（2） LED灯具的结构设计应为全模组化，每个LED模组必须具备独立的防水、散热和配光功能；

（3） 整灯光效必须大于160 lm/W，显色指数必须＞80，整灯功率因素必须＞0.95，光源使用寿命必须＞50 000 h；

（4） 所采用的LED芯片必须为欧司朗、科瑞、日亚、飞利浦原厂封装芯片；

（5） 配套电源必须为英飞特、明纬、茂硕、飞利浦品牌，并且必须具备可调光接口。

1.3 LED路灯改造技术方案

根据以上原则，本项目中用 100 W LED 路灯替换130 W高压钠灯，并取消20 W 整流器。路灯灯杆继续使用，只更换路灯灯头。原路灯高压钠灯型号为 SON-T，额定电压为220 V。LED 路灯灯具的型号为BRP131 ，额定电压为220 V。

1.4 路灯照明测试方案

1.4.1 路灯照明测试布点方法

按照《照明测量方法》（GB/T 5700-2008）的规定，通常情况下，现场道路照度测量区域会被划分成矩形网络，网络中的网格通常是正方形。在每个网格的中心点进行照度测量，这种方法被称为中心布点法。

1.4.2 检测项目

（1） 照度。按照此种方式测量的平均照度计算公式为：

式中：Eav为路面平均照度，单位为lx；Ei为第i个测点上的照度，单位为lx；M为纵向测点个数；N为横向测点个数。

照明均匀度（U）计算公式为：

式中：Emin为路面最小照度，单位为lx。

（2） 功率。其计算公式为：

式中：P为照明灯具的输入功率，单位为W；U为灯具的工作电压，单位为V；I为灯具的工作电压，单位为A。

（3）功率密度。其计算公式为：

式中：Pi为测量平面中第i个照明灯具的输入功率，单位为W；S为测量平面的面积，单位为m2。

1.4.3 选点原则

道路照明检测要考虑有效照射范围，被照路面不能有树荫、固定设施倒影、移动光源。测试区域的灯具不能存在短时间拆迁或改动的因数。测试位置要有多次复测，区域环境短期内不能有很大变化。

1.4.4 检测工具

道路照明检测工具主要包括照度计和功率记录器。照度计是一种测量环境光照强度的测量仪器，主要用来测量测试点处路灯的光照强度；数显功率计具有电流、电压、温度检测、功率、频率等功能，适用于 金卤灯、高压钠灯、LED 灯等灯具的开关和调光使用。

2 路灯性能的测量与对比分析

2.1 机动车道路灯改造前后性能对比

本文以上海德富路的路灯绿色照明改造为例进行分析，在路灯的改造过程中，将原有的高压钠灯替换为LED路灯，并将改造前后的路面照明情况进行对比，机动车道的照明效果测量如表1所示。

表1 机动车道测试结果汇总表Tab. 1 Summary table of motor vehicle lane test results

如表1所示，改造前的高压钠灯不仅无法满足所有的正常行车需求，而且有较高的能耗。改造之后的LED路灯在性能指标上均满足了国家标准的要求，照明效果更佳，且采用更低的能耗完成了较高均匀度的照明。

2.2 非机动车道路灯改造前后性能对比

非机动车道测量结果如表2所示。对于非机动车道，在路面照度的各项指标上，LED路灯的测试结果均好于高压钠灯，其中路面最小照度维持值是标准要求的5倍，最小垂直照度维持值是标准要求的4倍。

表2 非机动车道测试结果汇总表Tab. 2 Summary table of non motorized lane test resultslx

3 低碳路灯的效益分析

3.1 改造前后路灯耗电量

根据330个路灯实际测试数据，可以计算出德富路路灯改造前后的电能数据。

按每个路灯每天运行12 h 计算，改造前330个高压钠路灯的日用电量是594 kW·h；每年按运行365 d 计算，年用电量是2.17×105kW·h；每度电按0.67元计算，每年的电费约为14.5万元（见表3）。改造后，LED路灯日用电量是396kW·h，年用电量是1.45×105kW·h，每年的电费约为9.7万元，可以节省4.8万元的费用。改造后的LED路灯，年耗电量节省33%，而光照效果却显著提高，满足绿色节能，舒适照明的要求。

表3 德富路路灯改造前后耗电量对比表Tab. 3 Comparison of electricity consumption before and after the renovation of Defu Road street lights

3.2 路灯耗煤量和CO2排放量分析

二氧化碳是主要的温室气体之一，可能导致全球气温上升，对人类生存环境造成极大的负面影响。然而，基于我国的能源结构，通过化石燃料燃烧产生二氧化碳并将其释放到大气中是我国获取能源的途径之一。因此，低能耗技术是实现气候协议的主要方式之一[14]。根据GB/T 2589-2022《综合能耗计算通则》，1 kW·h=0.122 9×10-3t标煤。CO2排放量Q=2.47×M，其中M为标煤节约量，2.47为标煤CO2的排放因子。由表4可知，高压钠灯路灯的年耗标煤量为26.67 t，CO2年排放量为65.87 t；进行改造后，LED路灯的年耗标煤量为17.82 t，CO2年排放量为44.02 t。年耗标煤量减少了8.85 t，CO2年排放量减少了24.85 t，路灯改造项目显示出了良好的生态效益。

表4 德富路路灯1年核算期减排量计算Tab. 4 Calculation of emissions reduction during the 1 year accounting reriod of Defu Road street lights

3.3 上海LED路灯能效简析

按此计算方法来推算，《三年行动计划》完成，上海实现所有LED路灯改造后，年耗电量可以节省1.53×108kW·h，年电费节省9 564.54万元，年耗煤量减少1.89万t，CO2年排放量减少5.28万t。由此可知，将高压钠灯改造为LED路灯之后，其资源的消耗量和二氧化碳的排放量将比原来减少1/3。以农村居民人均年生活用电量702.63 kW·h为例进行估算[15]，采用LED路灯节省的电力资源可以满足约21.8万名农村居民的一年用电需求。这不但可以降低如煤炭、天然气等不可再生资源的消耗，而且可以减少碳排放，有利于社会的持续性发展，为中国实现双碳目标做出显著的贡献。

4 结语

本文研究了上海市嘉定区德富路LED路灯改造工程项目，发现改造完成后机动车道平均照度维持值由23.5 lx提升到42.4 lx，道路照明的光强和均匀度有了大幅度的提高。结合上海《三年行动计划》，上海全市完成LED路灯改造后，每年节约电量总额约1.53×108kW·h，每年共计标准煤节约量约 1.89万 t，CO2年排放量约减少5.28万 t，道路照明的节电率可达33%左右。这将起到节能减排和环境保护的效果，同时也将在助力实现碳达峰和碳中和目标方面起到一定作用。