城市照明節能及智慧化管控升級改造

文_劉友泉 杭州市容景觀發展中心

在“十四五”規劃中，城市照明節能及智慧化管控成為一項工作重點。路燈作為城市照明的重要組成部分，具有分布廣泛、數量眾多的特點，然而不論是光源選擇、還是系統控制，采用的技術均比較落后，不滿足節能環保的要求。伴隨著城市建設速度加快，人們對于照明系統提出更高要求，既要提高照明效果，又要降低能源損耗，必須走節能道路，推廣智慧化管控系統，大力開展升級改造工作，為節能型城市的建成貢獻一份力量。

1 城市照明控制系統的發展歷程

1.1 第一階段：傳統控制

該階段，照明控制使用強電回路開關，僅能對單個燈具或局部區域進行自動化控制，代表性控制系統如時鐘定時開關、PLC控制、光感回路控制。傳統控制方式的缺點非常明顯：①控制方式不聯動，不滿足實時操作要求；②設定亮燈狀態后，修改操作費時費力；③照明設備的工作狀態反饋不及時，影響監管效果。

1.2 第二階段：遠程控制

該階段，照明控制是利用3G網絡、電力載波技術，將照明設備和互聯網連接起來，可在控制中心對照明設備進行遠程控制。相比于傳統控制方式，遠程控制減少了人力成本，解決了不少問題。即便如此，依然存在一些缺點：①控制場景單一，場景內容本身不夠豐富；②控制系統和接口沒有統一標準，建設管理規范不健全，管控意識薄弱；③燈具廠商之間有技術壁壘，無法實現統一聯動控制。

1.3 第三階段：智能化控制

該階段，照明控制將新一代信息技術、物聯網相結合，實現了智能化控制，特征表現為多單元接入，區域聯動控制，場景演繹豐富多彩。智能化控制方式的應用，在保證運行穩定的前提下，兼顧精細化管理和信息安全，具備多種新型功能。總結起來，智能化控制的缺點有：①因協議、接口混亂，系統兼容性差，升級時有難度；②網絡信息技術的應用，使系統對互聯網的依賴性較強，存在一定的安全隱患。

2 城市照明能耗問題及節能技術

2.1 城市照明能耗問題

道路照明是城市照明的重要組成部分，過度追求豪華的照明效果，忽視了合理性、節能性，繼而造成能源浪費問題。

2.1.1 單純追求照明亮度

道路照明并非亮度越高越好，實際上平均照度是關鍵指標，滿足國家標準規范要求即可。亮度過高，炫光會干擾駕駛人員的視線，影響行車安全，造成電能浪費；亮度過低，不滿足夜間觀察需求，也容易引起安全事故。

2.1.2 忽視燈光配比效果

路燈設計時，往往將照明亮度、范圍放在首位，忽視了燈光配比效果。相關調查發現，城市照明系統中夜景照明占比較大，而功能性照明占比較小。實際上，功能性照明對人們的生活影響更大，夜景照明和功能性照明比例分配不合理，無法滿足實際照明需求。

2.1.3 存在運營安全隱患

道路照明費用主要來源于地方財政，在經濟效益驅使下，部分城市的運營單位未采用自動控制系統，以人工控制為主，根據季節、環境、天氣的變化人為控制照明亮度。相比于自動控制，人工控制雖然能節省成本，但運營過程中存在安全隱患：①道路上車流量不斷變化，外部環境不斷變化，人工控制并不能做到完全同步，這就導致照明該亮時不亮、該暗時不暗；②道路亮度均勻性降低，容易出現頻閃效應。

2.2 城市照明節能技術

針對以上問題，在城市照明中采用節能技術，主要從設計、光源、線路、控制4個方面入手，實現綜合節能效果。

2.2.1 設計節能

照明系統的節能，從設計階段就已經開始。①優化設計方案。設計人員應結合道路實際情況，對不同照明組合方案和效果進行分析比較，從而選擇出最優方案。要求路燈分布和間距合理，能提高照明利用率，保障夜間行車安全。②充分利用環境條件。有研究稱，將路燈設置在高反射的路面或建筑旁，能提高光能利用度，加強道路照明效果。

2.2.2 光源節能

城市道路建設中，合理選擇照明燈具，將光源分配到不同方向，避免炫光，提高光照利用度，實現光源上的節能。①燈具使用效率高低，和反光罩的質量有關系，要想發揮出反光罩的作用，就要對光源進行精準配合。反光罩的制作材料，一般選用高純鋁板，優點是透光性好、反射效率高。②高壓鈉燈的光通量高，不僅運行穩定，而且使用壽命長，在道路照明中應用廣泛。隨著生產工藝進步，LED燈的光效利用率不斷提高，使用壽命延長，電能消耗降低，是光源節能的一個重要方向。

2.2.3 線路節能

線路節能就是合理縮短供電距離，優化電力線路的設計方案，降低線路產生的電能損耗。①城市道路普遍較長，相應的供電線路也很長。導線的截面積越大電阻越小，相應的電能損失越小，因此電纜線選擇截面積較大的。②不少城市進入零點后，用電量明顯減小，特定時間內電壓增高，不僅消耗電能，還會影響燈具使用壽命。對此，可以安裝節能設備，根據電壓變化調整照明亮度，還能延長設備的使用壽命。

2.2.4 控制節能

控制節能就是采用智能化的控制系統，對道路照明進行精細化、動態化調控，在滿足照明需求的前提下，達到降低能耗的效果。①合理規劃路燈的開關時間，綜合考慮季節、天氣、不同區域位置等因素。②將新一代信息技術應用其中，基于無線網、互聯網、計算機等技術下，對路燈進行控制。③安裝固定調節器、節能型電子鎮流器，對燈光照度進行調節，降低使用功率。

3 城市照明智慧化管控系統

3.1 系統組成

該系統由運行、管理、功能三部分組成。①運行部分，包括執行設備、應用技術和功能設備。②管理部分，包括管理要素、管理方法、結果評估。③功能部分，功能設置具有獨立性和擴展性，包括開關管控功能、調光管控功能、單燈獨立控制功能、第三方接口協議控制功能等。

3.2 生態構架

該系統的生態構架見圖1，核心是智慧控制管理中心。該中心不僅對復雜的數據進行運算，還要下發實時操作指令，監測并反饋各個單元的運行狀態。一旦遇到異常情況，及時報警并應急響應，保證系統安全穩定運行。

圖1 照明智慧化管控系統的生態構架

縱向來看，基于光纖傳輸技術、TCP/IP協議、物聯網的支持，和智慧控制終端柜相連。智慧控制終端柜中的PAVT智能模塊，通過不同接口和底層應用連接，對功能照明、夜景燈光、3D投影、多媒體燈光、音樂噴泉、特效燈光、激光表演進行控制。

橫向來看，擴展出音頻輸出、視頻輸出功能，在光纖、以太網、4G網絡等技術支持下，可實現遠程控制。利用云平臺，可對大數據進行存儲和處理，通過整合數據、觸發現場指令和任務，提高系統運行靈活性。經云平臺接入智能終端，例如智慧照明APP，可以方便技術人員在現場進行功能調試，運營管理中也能進行場景編輯，不同場景可實現一鍵觸發。

4 城市照明節能及智慧化管控升級改造實踐

4.1 改造前現狀

以杭州市主城區為例，現有路燈13萬盞，其中高壓鈉燈7.4萬盞，LED及其他路燈5.6萬盞。城市建設發展中，路燈數量仍在增加。

財政支出方面。①高壓鈉燈，每年電費支出約7145萬元。②LED及其他路燈，每年電費支出約2698萬元。③路燈維護，每年支出約3000萬元。以上三項支出匯總，道路照明上的財政支出約為每年12840萬元。

路燈管理方面。通過調查分析，該城市路燈在運行管理中存在的問題有：①技術落后，管理部門無法準確掌握路燈運行狀況，不滿足精細化管理要求。②能耗較高，高壓鈉燈不能調節照度，造成能源浪費。③存在安全隱患，例如漏電、燈桿傾斜倒塌等。

4.2 改造方法

基于道路照明財政支出高、運行管理差的現狀，實施節能及智慧化管控升級改造方案。當地政府采用公開招標的方式，和中標單位簽訂能源管理合同，由中標單位負責升級改造和系統運行維護，期間人力、材料、設備的配置均由中標單位負責。升級改造完成后，道路照明系統在運行中，中標單位負責安全管理，從節能產生的收益、收回的管養費用中獲得利潤。

中標單位經過現場勘查和分析研究，決定將高壓鈉燈、老舊的LED燈，全部更換為新型LED燈，發揮出高光效、抗光衰、節能性優點，實現綠色照明、節能降耗的目標。①技術方面。如表1，分別使用220W、120W、60W LED燈，代替原來的400W、250W、150W高壓鈉燈。改造后，不僅光效和燈具效率提高，而且整燈功耗明顯降低，三種改造方案的節能率分別為47.8%、55.2%、61.2%。②管理方面。采用智慧路燈管控系統，對路燈的照明亮度進行控制。結合道路等級、夜間實際照度、交通流量、現場環境等，在零點后將路燈功率降低20%～30%，既滿足國家標準限值，又能實現節電效果。

表1 LED路燈代替高壓鈉燈方案

4.3 改造后效益分析

本次路燈節能及智慧化管控升級改造完成后，取得顯著綜合效益：①照明質量提高。改造后，道路照明質量高于國家標準的，保持原標準不變；低于國家標準的，提高至國家標準限值，更好地滿足道路照明需求。②管理水平提升。一方面，改造后的路燈系統一旦發生故障，能將故障位置和類型信息發送給維修人員，有助于及時開展維修作業。另一方面，智慧化管控系統中具有用電檢測、自動報警等功能，保證了路燈的使用安全，能避免發生人員傷害事件。③節能效果明顯。改造后，LED燈的節電率達到60%，對保護環境、實現“雙碳”目標具有推動作用。④運營成本降低。改造后，8年合同期內財政總支出16000萬元，見表2。相比于改造前的40000萬元，財政支出費用減少24000萬元。

表2 改造后財政支出統計表

5 結語

我國城市照明控制系統，經歷了傳統控制、遠程控制，目前向智能化控制的方向發展。針對當前照明系統能耗較高的現狀，文章從設計、光源、線路、控制4個方面提出節能技術，闡述了智慧化管控系統的應用。在未來，對城市照明系統進行節能及智慧化管控升級改造，才能實現節能效果，加快節能型城市的建設步伐。