剛果(金)道路照明中的節(jié)能與控制設(shè)計

楊天平,薛豫中,安文秀

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計院，鄭州 450052)

1 概述

剛果(金)位于非洲中部,自然資源豐富。但是由于長期戰(zhàn)亂,國家經(jīng)濟(jì)貧困,社會凋敝,基礎(chǔ)設(shè)施殘破。在2006年新政府成立時,新總統(tǒng)在選舉中提出了旨在實現(xiàn)國家重建的“五個工程”,得到民眾的廣泛支持。2008年4月,中鐵集團(tuán)、中國水電建設(shè)集團(tuán)和中國進(jìn)出口銀行等企業(yè)與剛果(金)簽署了一項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程和礦業(yè)合作協(xié)議。中國企業(yè)聯(lián)合體在協(xié)議中計劃為剛果(金)修建鐵路、公路、居民住宅、醫(yī)院、學(xué)校和市政設(shè)施,并承諾向剛果(金)提供技術(shù)轉(zhuǎn)讓,中剛合作項目全力配合了“五個工程”。

剛果(金)全國98.7%的電力來自水電,總裝機(jī)容量約為2 516 MW,主要由英加水電站供應(yīng),該電站有14臺機(jī)組共1 774 MW。近年來,由于電力設(shè)施年久失修,英加水電站機(jī)組損壞大半(目前實際發(fā)電僅為700 MW),輸變電線路嚴(yán)重老化,全國電力供應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重不足,剛果(金)政府雖采取減少電力出口、從周邊國家進(jìn)口電能,但依然無法滿足生產(chǎn)和生活的基本需要,再加上工程技術(shù)人員匱乏,管理落后導(dǎo)致供電故障高發(fā)。因此,在進(jìn)行剛果(金)道路建設(shè)項目中,照明工程中的節(jié)能與控制設(shè)計就顯得尤為重要。

2 道路照明中的節(jié)能措施

2.1 合理確定照明標(biāo)準(zhǔn)

適宜的道路照明的平均亮度值或平均照度值是路燈節(jié)能的關(guān)鍵。因此,首先應(yīng)根據(jù)道路類別、所在環(huán)境及在城市路網(wǎng)中的重要性等,確定所設(shè)計道路各個區(qū)域合適的照度值或亮度值(參照《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ45—2006)表3.3.1機(jī)動車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)值,表3.4.1交會區(qū)照明標(biāo)準(zhǔn)值,表3.5.1人行道路照明標(biāo)準(zhǔn)值)[1],在選取標(biāo)準(zhǔn)時,要注意防止因取定的照明標(biāo)準(zhǔn)值過高而增大耗能。

2.2 合理選擇光源

光源的合理選擇,對節(jié)約電能影響很大,如選擇不當(dāng),電能損失可高達(dá)30%～40%,反之,就可以大大節(jié)約資金[2]。道路照明中所使用的光源主要是氣體放電燈,主要有熒光燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈、無極熒光燈、發(fā)光二極管(LED)、太陽能路燈等。

選擇高效率光源有利于減少照明電能的消耗,同時從人類功效學(xué)的分析和研究以及實踐經(jīng)驗看,合適的色溫和高顯色指數(shù)的光源能有效提高能見度和清晰度。

目前道路照明中普遍采用的是高壓鈉燈和金鹵燈,高壓鈉燈的光效一般為69～130 lm/W,顯色指數(shù)23,色溫1 950 K；金鹵燈的光效一般為68～94.5 lm/W,顯色指數(shù)65,色溫4 500 K[3]。在相同的電功率下,高壓鈉燈光能量要比金鹵燈高40%左右,且鈉燈的透霧性能比較好；而在同樣照度標(biāo)準(zhǔn)的道路照明要求下,金鹵燈光源的電耗則多于高壓鈉燈。但在相同的照度等指標(biāo)下,光效高的高壓鈉燈因光線中含有較多的紅、黃成分,視覺度不夠好,反而不及光線含較多藍(lán)、綠成分的金鹵燈視覺效果[4]。在經(jīng)濟(jì)方面,高壓鈉燈價格低、壽命長、發(fā)光效率高,金屬鹵燈相對較差。

因此,在道路照明光源選擇上要綜合考慮光效率、顯色性、色溫及成本等多種因素。

2.3 合理選擇燈具

工程設(shè)計要根據(jù)道路寬度選擇配光曲線合理的燈具：快速路、主干路必須采用截光型或半截光型燈具；次干路應(yīng)采用半截光型燈具；支路應(yīng)采用半截光型燈具。一般燈具效率、防水防塵等級越高對節(jié)能越好,依據(jù)《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,常規(guī)道路照明燈具效率要選用70%以上,泛光燈效率不得低于65%,質(zhì)量好的燈具不易被污染,維護(hù)系數(shù)高,獲得同樣的照明效果只需較小功率的光源。

因此,在設(shè)計中選用燈具要著重考慮其品質(zhì)和功能,同時要求選用的燈具帶有補償電容器進(jìn)行無功補償.可將單燈功率因數(shù)提高到0.85～0.90。這樣既減少了線路無功功率,降低了線路電流,同時也降低線損和壓降。

2.4 合理確定燈具的安裝高度和安裝間距

一般燈桿高些,路面得到的照度均勻度好,燈具的安裝間距可以適當(dāng)加大,這樣燈具總量減少,耗能也少一些。但是,同樣的燈具安裝高度越高,在同一個路面有效寬度內(nèi)得到的平均亮度值(或照度值)就越低,所以在計算時需反復(fù)比較,必須在滿足道路照明規(guī)范指標(biāo)(亮度、照度、均勻度等)的前提下.確定照明功率密度值最小的方案,確定燈具的安裝間距與安裝高度的最佳值[5]。

2.5 合理確定供電電源和配電線路

在供電電源的設(shè)置上,照明配電箱應(yīng)設(shè)置在照明供電區(qū)域中央位置,這樣每個供電回路的線路較短,線損小,且便于分支回路負(fù)荷平衡分配。

考慮到電網(wǎng)晝夜電壓變化幅度較大,通常情況下,上半夜電網(wǎng)負(fù)荷處于高峰時段,此時電網(wǎng)電壓偏低；下半夜電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷,線路供電電壓一般要高出正常值5%以上。此時運行的光源功率超過其額定值10%,導(dǎo)致能耗加大,長期運行會導(dǎo)致燈泡使用壽命縮短,因此在配電系統(tǒng)設(shè)計上可以采用自動調(diào)壓裝置,根據(jù)系統(tǒng)電壓變化,調(diào)節(jié)輸出電壓在穩(wěn)定的范圍。

同時配電系統(tǒng)要安裝集中補償電容,使得系統(tǒng)功率因數(shù)220/380 V系統(tǒng)不小于0.95,10 kV系統(tǒng)不小于0.9,減少系統(tǒng)線路損耗。

2.6 采用智能照明調(diào)控裝置

道路照明的控制與管理主要是根據(jù)時間、天氣、交通流量等信息,合理控制道路照明的運行和停止。道路照明運行時間的長短,一般與各地的緯度有關(guān),隨著季節(jié)和天氣的不同而改變。因此在設(shè)計中,可根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度所確定的晝夜時刻同時輔以光控裝置來設(shè)置道路照明的點亮與熄滅。

3 剛果(金)道路照明中節(jié)能與智能控制方案設(shè)計

3.1 設(shè)計道路概述

以剛果(金)首都金沙薩的某條市政道路為例,該條市政道路位于市中心,為城市主干道,全長3.7 km,設(shè)計為雙向6車道,車行道寬為25 m,人行道寬為5 m。

3.2 道路照明標(biāo)準(zhǔn)的選定

根據(jù)該段道路的重要性質(zhì),參照《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》表3.3.1、表3.4.1及表3.5.1的規(guī)定,選擇該段道路車行道路面平均照度為30 lx,交會區(qū)平均照度為50 lx,人行道平均照度為15 lx。

3.3 光源及燈具的選擇

根據(jù)上述道路照明光源的特點,在該條道路上主要選用高壓鈉燈,而在道路交叉口、立交等需要明顯改善視覺環(huán)境的場合,則采用金鹵燈。同時路燈燈具的防護(hù)等級須達(dá)到IP65以上,燈具效率要大于70%,實行單燈補償,單燈功率因數(shù)要大于0.85。

3.4 安裝間距及高度的選擇

在滿足道路照明規(guī)范指標(biāo)(亮度、照度、均勻度等)的前提下，通過選擇不同光源、安裝高度和安裝間距,最后確定照明功率密度值最小的方案。確定燈具的安裝間距與安裝高度的最佳值為：燈桿距離為31 m,車行道燈選擇300 W高壓鈉燈,安裝高度為12 m,吊桿角度為10°,懸挑長度為2 m,人行道選擇150 W高壓鈉燈,安裝高度為8 m,吊桿角度為10°,懸挑長度為2 m,光源布置方式如圖1所示。

注：(1)安裝高度；(2)懸挑長度；(3)吊桿角度

通過道路照明軟件計算得到的等照度曲線結(jié)果如圖2所示。

圖2 等照度曲線(單位：lx)

通過道路照明軟件計算得到的偽色表現(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 偽色表現(xiàn)圖

從圖2可以看出,路面的平均照度達(dá)到31 lx,符合設(shè)計要求。從圖3的偽色表現(xiàn)圖看來,路面照度值分布在20～40 lx,照度相對比較均勻,不會產(chǎn)生對比眩光。

3.5 供電電源及配電線路設(shè)計

為減小線路損耗,設(shè)計中將照明供電半徑控制在500～800 m,將新設(shè)道路照明劃分為3處,每處供電電源設(shè)置于負(fù)荷中心處,在道路照明箱變內(nèi),裝設(shè)節(jié)能控制系統(tǒng),變壓器選擇帶7檔調(diào)壓變壓器,實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)電壓變化調(diào)節(jié)輸出電壓,箱變內(nèi)裝設(shè)有補償電容器組,對系統(tǒng)無功進(jìn)行集中補償。減小系統(tǒng)線路損耗,配電系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 配電系統(tǒng)原理

3.6 路燈回路的智能控制

為了合理設(shè)置路燈開啟和關(guān)閉時間,該路段路燈采用時間控制加光電控制相結(jié)合的控制方式,其中時控采用經(jīng)緯度控制技術(shù),光控采用光控元器件組成,對道路照明的每一回路進(jìn)行控制。經(jīng)緯度控制裝置基本功能是輸入當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度后,控制器即可根據(jù)經(jīng)度及緯度和日期自動算出當(dāng)?shù)厝章浜腿粘鰰r間進(jìn)而確定開燈和關(guān)燈時間。主要控制方式見圖5。

圖5 經(jīng)緯度控制方式

本工程中對道路兩側(cè)的兩控制回路一路設(shè)置為A方式即全夜燈控制方式,另一路設(shè)置為B方式即半夜燈控制方式,在后半夜自動關(guān)閉道路一側(cè)路燈。同時也可以根據(jù)實際運行情況,靈活調(diào)整每一回路自動開關(guān)燈時間。如果遇到陰雨天氣需要提前開燈時,控制器將根據(jù)光控探頭的作用調(diào)整開關(guān)時間,系統(tǒng)裝置如圖6所示。

圖6 時控加光控系統(tǒng)裝置

4 結(jié)論

本文通過對道路照明設(shè)計中節(jié)能措施的綜合分析,并將其綜合運用在剛果(金)市政道路上。在道路照明設(shè)計中,在確保符合道路照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下,應(yīng)采用綜合節(jié)能措施及科學(xué)的控制方案,才能實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能。

[1]CJJ45—2006,城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[2]朱 悅.淺談城市道路照明與節(jié)能[J].廣東科技,2009(4)．

[3]李鐵楠.城市道路照明設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007．

[4]羅 宇.城市道路照明節(jié)能措施[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報,2009(6)．

[5]陳正義.城市道路照明與節(jié)能設(shè)計[J].建筑電氣,2008(8)．