关于道路照明碳达峰、碳中和路径的探讨

陈壬贤，赵弘昊

（北京市道路照明管理中心，北京 丰台 100078）

0 引言

2020年9月，中国在第75届联合国大会上提出“双碳”目标。在照明行业“双碳”行动方面，2022年6月，住房和城乡建设部、国家发展改革委《关于印发（建标〔2022〕53号）要求，“提高基础设施运行效率，推进城市绿色照明，加强道路照明规划、设计、建设运营全过程管理，控制过度亮化和光污染，到2030年LED等高效节能灯具使用占比超过80%，30%以上城市建成照明数字化系统。”2022年7月，住房和城乡建设部、国家发展改革委印发《“十四五”全国城市基础设施建设规划》，要求“促进城市生产生活方式绿色转型，积极发展绿色照明，加快道路照明节能改造，防治城市光污染。

1 碳排放核算边界

道路照明运行过程的碳排放，包括道路照明设施运行中消耗外购电力的碳排放，以及设施维护过程中化石燃料燃烧、消耗外购热力产生的碳排放。其中道路照明灯具年运行时间超过4 100 h，其消耗外购电力所产生的碳排放，是道路照明碳排放的主体，也是道路照明领域实现碳达峰、碳中和的关键，因此本文对此进行重点分析。

2 碳排放的影响因素

道路照明双碳目标的实现，受到道路照明需求增长与碳减排双重条件的约束。其中道路照明的需求本质上是对夜间能见度的需求，进而是对可见光的需求，这是开展能耗及碳排放管理的源头和基础。受到2方面因素的影响，未来道路照明整体光需求仍然处于增长的态势。 根据住房和城乡建设部《城市照明管理规定》，新建、改建城市道路项目的功能照明装灯率应当达到100%。随着城镇化率的持续提升、城市路网密度的提升，城市道路总里程仍将持续增长，相应地道路照明设施数量也将持续增加。根据《“十四五”全国城市基础设施建设规划》中城市建成区路网密度7.07 km/km2的基数，以及8 km/km2的规划目标，在不考虑建成区范围增长的情况下，道路里程仍将有13%的增长。 人民群众对宜居照明环境更高的向往、对照明质量要求的提高，也将促使道路照明设施的数量、总功率有所增长。《“十四五”全国城市基础设施建设规划》要求，开展城市照明“有路无灯、有灯不亮”专项整治，消除城市照明的盲点暗区，照明照（亮）度、均匀度不达标的城市道路或公共场所增设或更换路灯。

为此，围绕城市生产生活对于可见光的本质需求，可根据道路里程、路宽、装灯率、照度值、各调光等级调光率及运行时长、光利用率、灯具光效、线损率、电网碳排放因子测算道路照明设施自身运行产生的年度碳排放，各等级道路分别计算后加总得到总体的碳排放。

3 道路照明低碳转型路径

道路照明是城市重要的基础设施，关系到人民群众夜间出行交通安全、治安环境和社会稳定，是城市正常运行的刚性需求。道路照明低碳转型的关键在节能。具体地可以分为碳达峰、深度低碳、碳中和3个阶段。

3.1 碳达峰路径

道路照明碳达峰的主要措施，就是对存量设施进行节能改造。照明设施的电力消耗包括供配电环节的损耗和终端用能设备即路灯灯具的能耗。一方面，灯具自身的能耗是电力消耗主体，因此灯具节能改造的投入产出比最大，节能效果最明显。另一方面，近几年LED路灯技术快速进步，无论是灯具光效还是使用寿命，都有了巨大的提升，这也给灯具的节能改造提供了绝好的条件。

以60 W以上、色温3 000 K路灯为例，GB/T 31832-2015《LED城市道路照明应用技术要求》要求的光效是90 lm/W，GB 37478-2019 《道路和隧道照明用LED灯具能效限定值及能效等级》中一级能效的要求是130 lm/W，《重点用能产品设备能效先进水平、节能水平和准入水平（2022年版）》中先进水平的要求是160 lm/W，能效标准不断提升。目前存量的高压钠灯等气体放电灯，灯具整体光效平均在80～85 lm/W，按GB 37478-2019 中一级能效标准，维持灯具光通量不变来进行改造，可实现节能35%。对早期安装的存量LED路灯（光效90 lm/W）进行节能改造，可实现节能31%。

《城乡建设领域碳达峰实施方案》要求，到2030年LED等高效节能灯具使用占比超过80%。由于LED路灯正常使用寿命（光通维持寿命）一般在10年以内，随着存量灯具运行时间的增加，有必要逐步进行更新改造，并结合设施更新实现节能。

当前LED路灯应用中，使用较广泛的是GB 37478-2019 中一级能效标准的路灯（光效130 lm/W）。按此标准，老旧路灯节能改造的平均节电率按30%保守估计，到2030年照明设施数量增长率按13%计，并完成 50%存量设施的节能改造，则届时照明能耗为当前的94.1%。以上结果的测算，一方面受到城市道路实际里程增长速度不确定性的影响，另一方面也取决于照明节能改造的实际节电率，以及改造项目实际开展情况。

3.2 深度低碳路径

道路照明碳减排，需要以满足正常照明需求为前提，借助常规的节能改造可实现道路照明碳达峰，但深度减碳，则需要更加严格和极致的节能措施，以达到更高的节电率。主要包括推广高能效灯具，以及消除光在空间和时间上的一切浪费。

3.2.1 提升灯具光效标准

由于节能改造采用的路灯光效与节电率成正比，光效标准的提高将显著提升节能效果、降低碳排放。中国市政工程协会团体标准T/CMEA 37-2023《道路照明用LED灯具评价标准》中规定60 W以上、色温 <3500K 路灯的1级能效标准是175 lm/W。以此替换90 lm/W的LED路灯，节电率可达到49%。当采用60 W以上、色温3 500～5 000 K的灯具时，光效和节电率还可进一步提升。

3.2.2 消除光在空间上的浪费

传统的气体放电灯，其利用系数在0.4～0.5，也就是说有50%～60%的光并未照射到需要的表面。通过配光的精准设计，LED路灯的利用系数可以达到0.5～0.7，将利用系数从平均0.45提高到平均0.6，光的空间利用率得到提高，相应地能耗可以进一步降低。

灯具光效和利用系数的大幅度提升，综合起来就能够实现道路照明功率密度值（LPD）的显著下降。表1对节能改造前后的LPD值进行了对比。其中节能改造前的LPD值参照CJJ 45-2015《城市道路照明设计标准》的规定。

表1 机动车道的照明功率密度值的前后对比

消除光在空间上的浪费，还有很重要的一点是解决灯树矛盾的问题。在建成区的道路中，树木对道路照明遮挡的问题较为普遍。这不仅带来交通安全隐患，也带来能源的浪费。因此在规划建设环节，需要科学设置灯和树的空间关系，防止树木生长后对照明造成严重遮挡。在运行环节，应由相关部门及时修剪遮挡照明的枝叶，消除因树木遮挡带来的无效照明，避免能源的浪费。

3.2.3 消除光在时间上的浪费

光的需求要以人的活动、开展的作业为基础，低的作业水平、低的人流车流，甚至是无人、无车活动的情况下，仍保持高水平的照明，带来极大的浪费。“按需照明”是进一步实现照明领域深度减排的有效途径。当前信息通信基础设施、数字化技术的发展，为消除照明用光在时间维度上的浪费，精准地、最低能耗地满足照明需求带来了可能性。

CJJ 45-2015明确，宜根据所在道路的照明等级、夜间路面实时照明水平以及不同时间段的交通流量、车速、环境亮度的变化等因素，确定相应时段需要达到的照明水平，通过智能控制方式，调节路面照度或亮度。但经过调节后的快速路、主干路、次干路的平均照度不得低于10 lx，支路的平均照度不得低于8 lx。

根据GB/T 51328-2018《城市综合交通体系规划标准》，干线道路（快速路、主干路）、集散道路（次干路）、支线道路（支路）规划占比平均约为2∶1∶7。按此测算未来各级城市道路里程、道路面积，再根据不同等级道路照明的照度要求，测算需要的总光通量需求，结果如表2所示。

根据不同道路等级的LPD限值的均值（照度取高档），测算节能改造前、节能改造后及实施调光后3种场景的总用电量。其中年运行时间按4 100 h计算。实施调光后，快速路、主干路、次干路每天夜间调光5 h（23:00-04:00），平均照度调整到10 lx。根据CJJ 45-2015，支路调光不得低于8 lx。但由于许多支路夜间车流、人流稀少，持续维持8 lx的照度水平仍存在能源的浪费。充分利用视频监控、红外传感等设备，在支路无行人行车时将照度调到极低水平（3 lx），在感应到行人行车时将照度恢复到高水平，将消除光在时间上的浪费，实现深度的节能降碳。按此测算道路照明改造以及实施调光后的能耗情况，结果如表3所示。

表3 城市道路照明运行的总体能耗测算

由表3可知，实施高标准的节能改造后，综合考虑灯具能效和光利用率的提升，节能平均可达到56%。采用深度的调光策略，节能效果叠加后，总节电率可达到69%。由此，在不考虑电网碳排放下降的情况下，通过极致的节能手段，大约可实现70%的节能。以上节能效果，需要以传感技术、单灯调光及通信技术进步和全面推广为前提方可实现。

3.3 碳中和路径

在完成碳达峰、深度碳减排的基础上，道路照明行业要实现碳中和，深度参与新型电力系统构建是必由之路。一方面，随着电网碳排放因子的下降，道路照明的碳排放将随之降低。另一方面，可充分发挥道路照明的优势，在碳中和中主动作为。

3.3.1 谷段充分消纳清洁能源

道路照明用电有相当一部分时间处于谷段，在电力供应上可以充分使用绿电。在道路照明各终端用电设备通过单灯监控技术充分实现在线化的基础上，可以提供全面精准的实时电力需求侧数据。以这些数据为基础，可形成精准的道路照明分时电量预测，能够更好地参与电网清洁能源消纳。

3.3.2 从电力消费到电力生产

由于路灯设施具备高耸灯杆、白天轻载设备和线路的优势条件，随着智慧多功能灯杆的推广，灯杆上加载的监控、通信基站、充电桩等日间负荷不断增加。可以利用灯杆加装分布式光伏发电设备，为本地负荷就近提供清洁能源，最大程度地减少清洁能源的输配损耗，具体分为并网型和离网型2类。

并网型光伏路灯，安装于灯杆上的光伏设备发电后，可直接供给日间用电负荷，也可通过电池存储，在尖峰时段、高峰时段放电，起到削峰填谷的作用。在不增加电网投资的前提下实现分布式电源全额就地消纳。

离网型光伏路灯，通过综合考虑冬季环境温度低、太阳能辐射量低、负载日工作时间长等多种约束条件，改进光伏路灯配置及运行控制策略，使得光伏路灯能够离网运行，实现能源自给自足，同时确保高可靠性。在离网型光伏路灯中配备单灯通讯模块，纳入道路照明监控平台进行管控，以确保开关灯控制的统一性和准确性，并能够根据不同天气情况采取灵活的运行控制策略。由此解决时控在运行一段时间后发生时间误差、在恶劣天气下无法根据天然光照度变化进行人性化的开关灯问题，以及光控由于受到环境污染等因素，导致同一条路的亮灯时间不一致的问题。

3.3.3 为自动需求响应创造条件

道路照明中的智慧多功能灯杆在深化运行监控系统建设基础上，可通过智慧照明监控平台与电网对接，建立自动需求响应机制，在安全范围内实现分钟级的调光，配合削峰填谷，使得负荷调度真正成为可能。利用路灯设施白天负载率低甚至空载的条件，为电动汽车V2G调峰填谷提供便利条件。路灯设施从传统的纯电力消费用户，变为了参与分布式光伏发电、V2G调峰填谷的电力双向设备，深入参与到新型电力系统构建当中。

3.4 低碳转型进度

道路照明低碳转型的进度，须考虑几方面因素。

技术成熟度。在灯具能效方面，目前市场上产品的能效水平参差不齐。能效的先进水平与准入水平相差达到60%，给节能效果带来较大不确定性。目前高光效灯具技术相对成熟，进一步提升能效准入标准，有助于推动节能减排加快进度。在调光控制方面，按时间段调光技术相对成熟，可通过单灯监控终端的普及、调光运行方式的推广实现深度节能。根据人流车流数据深度调光节能效果显著，适合后半夜人流车流稀少的支线道路，其技术方案需要尽快开展试验和落地应用。

政策落地和标准配套。目前国家对于照明低碳转型有明确的政策支持，需要加快节能改造的落地实施。同时随着强制性工程建设规范的实施，原来作为行业标准强制性条文的能耗控制指标，也需要加快修订，并考虑将道路照明能耗控制指标纳入全文强制性规范中。

节能的经济和社会效益。在经济效益方面，由于电力供应成本近中期波动上升，中远期先进入平台期然后逐步下降[1]，及早实施节能改造能够实现较好的经济效益。随着电价市场化改革的推进，夜间的谷段电价有所上升，也为社会资本参与节能改造提供了更强的激励。在社会效益方面，随着清洁能源发电比例的逐步提升，电网碳排放因子将持续下降。在近期加快开展深度的节能改造，对于减少累积碳排放量有较好的效果。