“双碳”背景下智能灯杆全生命周期节能降碳技术应用探究

李白玉

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

引言

第75届联合国大会上，中国向国际社会作出郑重承诺：力争2030年前达到CO2排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。实现“碳达峰”“碳中和”既是一场社会经济结构的系统性变革，也是一场关于新技术新市场的全球竞技，为我们工程设计领域带来了新的思考和挑战。

构建智能城市是优化能源格局、实现绿色低碳城市的重要途径。在“双碳”背景下，智能路灯作为城市的基础设施，可集成智能照明、视频监控、环境监测、信息发布和共享充电等一系列城市公共服务设施，实现杆体资源共建共享，有效减少重复建设、提升设施利用率，是降低碳排放的重要举措之一。围绕智能灯杆展开全生命周期的节能降碳技术可行性应用探究，成为照明工程设计的关键。

1 “双碳”背景智能灯杆节能降碳意义

随着各种基础设施的不断完善，各类杆件如照明灯杆、交通信号灯杆、交通标识牌杆、道路指示牌、电子监控杆等传统设施必将面临多杆林立的设置情况。在满足行业标准、功能要求、安全性的前提下，路灯杆以其覆盖范围广、分布均匀、供电路径可靠等优势，与道路上其他设施杆件遵循“能少则少、能合则合”的总原则，搭载其他智慧设施，形成智能合杆。同时，综合杆为车路协同等设施预留安装位置和通信接口，实现资源集约利用，节约城市建设成本。

据相关统计数据显示，我国城市公共基础设施之一的路灯用电量约占全国发电总量的9%～10%，城市道路照明灯具的数量预计到2025年将达到3 923.4万盏[2]。通过智能灯杆的建设，对项目周边多种设施进行整合，将无序的各种设施集成到智能综合杆中，一方面可以美化道路周边环境，避免不同步建设与重复建设；另一方面可以节约投资，降低维护资源投入，做到资源整合、管理集约及系统可拓展，对实现节能降碳具有重要意义。

据波士顿咨询公司研究数据显示，2030年前通过人工智能(AI)应用有望减少全球26亿～53亿吨CO2排放量，约占全球总排放量的5%～10%[2]。智能灯杆有专门的供电线路，并采用高性能的工业级以太网交换机，为现场各种智能应用装置扩展提供了基础电源和通讯条件，形成城市公共区域全覆盖的重要交互端。智能灯杆以照明灯杆为载体，整合多个智能交通设施终端，对城市碳足迹、碳汇等领域信息进行收集，有效促进相关区域的能源形态深度融合，通过管理平台系统运算、预测和评估，优化及快速反应而提升管理效率，大幅提升城市公共设施的能源使用效率，直接或间接地降低能源行业碳排放量。

2 智能灯杆全生命周期节能降碳技术应用

2.1 供电方面——采用太阳能、风能发电

太阳能、风能发电是一种绿色、环保、高效、可再生的发电技术，照明工程设计中可根据实际情况应用，从而节省能源，省去随路电缆敷设，从源头上降低能量供给消耗。

智能灯杆采用太阳能、风能供电，太阳能光伏组件、风力发电所收集的电能通过储能管理或直接用于智能灯杆搭载的各类智能设施运行，减少了发电厂燃料供电所产生的CO2，实现碳抵消及达到碳平衡[1]。通过双向电力传输及储能技术的应用，优化及降低智能灯杆搭载功能模块能耗，补充自身用电需求而减少碳排放，并配备储能设备以备阴雨天使用，为远期提供接入电路的可能性及条件。

2.2 布设方面——采用合理灯杆布置

智能灯杆首先应能满足低碳照明设计标准，需要按照《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015—2021)，明确城市照明的发展方向、灯光的空间结构与布置[3]。在照明设计中，应根据道路等级确定照度或亮度等要求，严格遵循《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)来布置灯杆。

城市道路照明形式包括单侧、双侧交错、对称、中心对称、横向悬挂等形式。要根据被照物的特性和需要，选用最节能的照明形式，同时满足照明设计节能的标准(即功率密度不超限值)。在满足标准下合理布置灯杆，减少不必要的灯杆建设，从而降低生产成本、资源投入及使用时的能源损耗、环境污染、处理损耗等，减少碳排放。

以一条18 m横断面的支路为例。方案一采用单杆双臂照明方式，机动车道照明灯具容量为60 W、高度8.5 m；人行步道照明灯具容量为40 W、高度6.5 m。灯杆双侧对称布置，灯杆间距约为25 m，灯杆安装在设施带内，如图1所示。

图1 照明横断面布置图(方案一)Fig.1 Lighting cross section layout (Scheme 1)

方案二在支路道路标准段采用单杆单臂照明方式，机动车道照明灯具容量为120 W、高度12 m。灯杆单侧布置，灯杆间距约为35 m(为避免照度均匀度不好，局部间距可缩短至30 m)，灯杆安装在设施带内，如图2所示。

图2 照明横断面布置图(方案二)Fig.2 Lighting cross section layout (Scheme 2)

2.2.1 智能灯杆数量精简

就工程范围1 km来说，方案一及方案二均能满足支路照明设计标准，且机动车道照明功率密度值均满足规范要求。方案一双侧对称布置，灯杆设置数量大约80个；方案二单侧布置，灯杆设置数量大约32个，灯杆数量上方案二减少60%。

2.2.2 智能灯杆排管及线缆缩短

为满足远期智慧设施供电及通信需求，以及为后期穿线预留条件，防止二次开挖埋管敷设，现有工程智能灯杆管道需随路设置9根PE100DN110排管(其中2根用于敷设供电电缆，1根用于敷设通信光缆，6根为预留)。就工程范围1 km来说，方案一道路两侧均需敷设排管及电缆，方案二仅需一侧敷设，排管数量及电缆长度至少减少50%。

2.2.3 智能灯杆综合井及基础减少

每处智能灯杆处均需设置一个路段综合井用于管道续接，以便后期穿线及检修。方案一双侧对称综合井及基础设置数量大约80个，单侧布置综合井及基础设置数量大约32个，数量上减少60%。

综上分析可知，通过合理的灯杆布置，可以优化智能灯杆排布方式，减少杆柱林立、电缆及排管敷设长度、综合井及基础工程量，从根本上减少碳生产，相对节省投资成本约56%(表1)。在节能降碳大背景下，显然照明方案二更为合理。

表1 方案一与方案二投资对比Table 1 Comparison of investment between Plan 1 and Plan 2 单位：万元

2.3 光源方面——采用高效低耗LED灯

原国家道路一般采用高压钠灯作为道路照明光源，在实际应用中取得很好的照明效果。伴随着新光源和节能技术的推广，以及响应国家节能减排的号召，道路照明积极推广新的节能光源和新的照明技术，LED作为新兴的高光效照明光源，被广泛应用在道路、广场和隧道照明等工程设计中。

相比于高压钠灯，LED路灯的功耗可降低35%以上[4]，节电效率至少可达47%[5]。高压钠灯使用寿命为4 000 h左右，而LED路灯使用寿命为50 000 h以上，损坏率极低，电源效率高。另外，LED为无汞光源，对生态环境无污染，后期维护成本也更低。在光的控制及参数调整方面，高压钠灯不具备可控性，但 LED 灯具却具备高可控性，LED照明的节能性提升到70%～80%，能更好地实现按需照明[6]。表2为LED灯与高压钠灯综合性能对比。

表2 LED灯与高压钠灯性能对比Table 2 Performance comparison between LED lamp and high pressure sodium lamp

2.4 材料方面——采用低碳高强度GR65材质

现工程中智能灯杆结构件材料多采用Q345材质，虽然结构性较好，但环保性较差。GR65高强钢相比Q345钢板，具有低碳低硅、高强度、高韧性的特点。通过对微量元素的控制，增强了镀锌锌层的附着力，长期使用不发黑，完全保证了热浸镀锌的质量，降低了更换率，并可进行各种表面特殊加工，例如：热镀锌阳极氧化、环保喷塑等。

GR65相比常用的低合金钢Q345，GR65屈服强度大于450 MPa，Q345屈服强度小于345 MPa，GR65屈服强度较Q345高30%以上，因此在杆件设计时，同样的强度可以节约10%～18%的成本钢材。此外，GR65热镀锌效果较好、防腐效果好、钢板厚度的级差也较细，为优化设计提供了宽泛的选择性。灯杆使用强度不变，GR65相对重量轻，运输成本也可降低。而且通过对材料进行可回收、再利用，可降低不可降解材料对环境的影响。表3为GR65与Q345材料的综合性能对比。

表3 GR65与Q345材料对比Table 3 Material Comparison between GR65 and Q345

2.5 应用方面——采用智能灯杆搭载智能设施

交通运输行业CO2排放占全国总排放量的近9%[1]，通过智能灯杆搭载环境监测设施，能有效收集和监测覆盖区域中的CO2含量、SO2含量、扬尘浓度、PM2.5浓度等气象环境信息，用于智能监管平台综合分析与对比，从而发出优化及调整指令，发挥智能灯杆搭载环境监测设施在减碳达标中的作用。

常见的操作模式为当检测到CO2含量通过道路绿植无法实现碳中和时，将数据发送至监管平台，通过系统管理平台观测及分析道路交通占比情况，从而对道路交通进行实时调整疏导，为人员提供优化通行路线，进而减少车辆因道路拥堵、停留而产生的CO2排放量。

2.6 控制方面——采用智能照明控制系统

智能照明着眼于节能减排、绿色环保，着力于不同情况下智能照明的亮度调节和开关控制。一是根据环境的明暗程度，自动开启照明；二是根据日落日出时间进行开关控制；三是根据声音控制，根据红外线自动捕捉声音，实现人及车辆通过时自动开启。

针对不同道路，根据道路等级确定调光最低值，接入智能照明管控平台、杆柱控制器、照明集中控制器等设备，即可根据季节变化、车流量、人流量、光照等不同场景，结合路段所在区域自动执行节能策略，实现单灯照明控制、分组控制、定时计划任务等智能控制功能，进而实现真正的按需照明、节能降碳。

2.7 管维方面——采用智能灯杆碳中和监管平台

建立一个智能灯杆碳中和监管平台，平台通过智能灯杆(搭载有智能设施终端)构建物联网，收集大数据、碳排放量等信息来预测模型，对工程碳排放、碳汇分析、碳足迹、碳吸收等综合维度进行智能监测及管理。通过神经网络预测控制算法等技术手段进行模型优化，构建“碳中和”预测模型来提供优化策略，提出切实可行的建议和实现途径。

同时，智能灯杆碳中和监管平台，也可改变传统巡修模式，工作人员通过终端，可远程监控城区每一盏路灯的工作状态、每一条道路的照明效果。系统还可实现设备故障主动报警、能耗统计等功能，可大幅度减少人机投入的能源，降低维护成本，达成精准运维、动态运维。

3 结语

我国经济发展的能源增长需求与减排降碳的目标同时存在，这对实际工程中智能灯杆的设计是个考验。智能灯杆作为智慧城市的基础设施及技术跨界融合的新兴行业，在“双碳”目标背景下应首当其冲做出应对。通过无碳能源、低碳能源和新能源应用，结合科技创新和再利用等技术，把绿色发展理念贯穿智能灯杆设计的全生命周期，对于落实节能减碳有一定的推动作用。

本文浅从智能灯杆生产、供电、布设、实施、运营管理等多维度探究了可实施的降碳点，基于智能杆的多功能性以及一体化搭载与管理，将单一的道路照明功能向综合城市管理功能方向转变，为加速我国节能降碳进程，在2060年前实现“碳中和”目标助力。