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LED绿色照明路灯节能效果及改造实例分析
发布时间:2013-2-8 来源:


 

                            LED绿色照明路灯节能效果及改造实例分析
                                             ◎叶素芳


    城市路灯是城市组成的元素之一,在满足道路照明的同时,实现了城市亮化,美化了城市形象,改善了城市环境。随着经济发展和人民生活水平的提高,我国城市化进程飞速发展,大量基础设施投入建设,新道路以及照明工程量与日俱增。目前城市道路照明多采用高压钠灯,照明管理部门也积极采取道路照明节能措施,但我国道路照明系统能源消耗量仍较大。在满足交通安全和城市美化的前提下,开展道路照明系统的节能降耗工作,推广“绿色照明”理念,已经成为各级政府高度关注的问题。
 

   一、城市路灯节能措施现状


    目前,我国城市道路照明采用的光源品种繁多,与城市规模及所处的区域位置、经济发展水平、人口等因素有关,据统计,在城市道路照明中,高压钠灯是目前道路、广场照明的主要照明工具,选用高压钠灯为光源的占70%以上。针对高压钠灯的使用原理和结构特点,以及常规使用情况,路灯科研和管理部门,采取了一系列的使用管理和技术管理措施,对延长路灯的使用寿命和节能起到了一定的作用。
    1、路灯使用管理节能措施
针对不同时段道路对照明需求采取的一种定时控制路灯使用数量的措施,即半夜灯措施,该措施节能效果直接有效。
    2、路灯光源结构的技术节能措施
一套路灯系统包括灯杆、灯具、光源、镇流器、控制开关等组成。高压钠灯作为城市路灯照明的主要光源,镇流器是高压钠灯的重要组成部分,减少镇流器的自身功耗,提高镇流器的工作效率和综合技术指标,对实现高压钠灯的节能效率具有十分重要的作用。高压钠灯镇流器节能的技术措施包括电容补偿式节能、调压式节能等。
    3、智能控制节能措施
智能化路灯控制措施的工作原理是:采集环境信息-微机计算出对应的路灯目标输出功率-执行机构调压稳压-实现调光。根据时间、空间参数的采集,采用微电脑控制系统,实时对采集输出、输入电压信号并与最佳照明电压比较,通过计算自动控制执行装置,调节自耦变压器抽头位置,使路灯输入功率与实际照度要求达到最佳匹配,获取最佳的照度效果。该措施技术上更为先进,节能效果更为有效。采用这种措施不仅节约电能,而且能够稳定电压,延长了路灯的使用寿命。

    二、LED光源的优势分析


    目前,城市照明系统中,选用了合理的、推荐使用的电光源,并根据当地社会的具体情况,采用了适合当地经济发展和社会活动的路灯控制系统,对节能降耗、降低运行成本发挥了积极的作用。但是我国照明电耗量大,仍是节能降耗的重要领域。现有城市路灯照明系统的节能潜力有限,因此转而选择新型电光源,才能更有效的实现节能的目的。随着LED灯具的散热、克服点光源的设计、成本等问题的逐步解决,LED灯具作为城市路灯照明使用,已突现其优越性,正在各地新建道路照明和路灯改造中选用。通过各地对LED路灯照明的试用情况来看,节能效果显著,运行成本大幅降低。
    1、LED路灯相对高压钠灯节能对比分析
高压钠灯光线分散,光场分布为一个中心亮的圆斑形状,大量的能量则浪费在路灯的正下方中心处和道路的外侧,利用率低。目前新型的LED路灯采用先进的配光设计,有效控制光线的分布,利用率高。
    高压钠灯的发光效率大约为120 lm/W(流明每瓦),但由于高压钠灯的光线是四面发散的,必须通过灯具反射光线使之达到路面,由于钠灯发光时温度很高,反射器设计难度大且效率低,因此灯具本身的光能损失就达35%,再加上从灯具里面出来的光线不能全部达到路面,一部分照射到了路面以外的区域,真正被路面利用的光能仅占钠灯总光能的30%,也就是最终被路面利用的光能效率(应用光效)为36 lm/W。LED的发光效率目前量产的水平在100 lm/W。LED是单向发光的,而且是冷光源,可以通过使用高效率的塑胶透镜来使光理想分配到路面,通常其灯具效率大于90%,最终被路面利用的光能效率(应用光效)为81 lm/W。不同光源的光效分析如下:
    高压钠灯:     120×30%=36 lm/W
    LED灯:       100×81%=81 lm/W
    由此可见,LED灯的光效比高压钠灯的光效提高56%。LED路灯与高压钠灯路灯技术参数对比如下表。
    表1   LED路灯与高压钠灯路灯的技术参数对比
 
    项    目 120W LED路灯 250W高压钠灯路灯   
    光源效率(1m/W) 100 120   
    驱动电源效率(含振流器) >87 % 85 %   
    灯具效率 >90 % 65 %   
    道路照明效率 90 % 46 %   
    维持系数(一年后) 97% 80 %   
    应用光效(1m/W) 81 36   
    照明耗电(W/1m) 0.0173 0.0328   
    相对于LED之耗电倍数 1 2.25   
    改换LED省电率 - 56 %   
    演色性CRI > 75 23   
    色温(K) 5000-6500 2300   
    寿命(hr) 50000 4000 hr(灯罩老化)   
    RoHS YES NO 

    2、大功率LED路灯的特点
    LED光源具有节能、环保、单色性好、光线柔和、发光效率高、无热辐射等特点。而大功率LED路灯除了具有上述一般LED路灯的特点外,还具有以下特点:
    (1)光电转换率高
    大功率LED光源是低电压微电子产品,光电转换效率高。据文献介绍,在同等亮度下,LED灯具耗电仅是白炽灯的十分之一,荧光灯的三分之一,而寿命却是白炽灯的50倍,荧光灯的20倍。
    (2)光的利用率高
    LED的发光角度通常情况下小于180度,且LED光源可以根据需要设计成定向发光的光源,光源发射出的光可以直接打到地面,灯具出光效率高,在设计合理的情况下,灯具的出光效率甚至能够达到90%以上。
    (3)初始照度设计低
    由于现有路灯寿命较短,光衰较大,在三年使用期内为了达到正常照明效果,初始照度设计值一般较高。而LED灯具在同样的使用周期内,光源几乎没有衰减,除考虑灯具污染带来的光衰外,初始照度与照度维持值基本相同,这样会进一步降低灯具的功率要求。
    (4)电源使用效率高
电源效率方面,目前普遍使用的高压钠灯镇流器的功率损失在20%,也就是说1个250W高压钠灯的实际功耗为300W。而LED路灯开关电源的效率可以做到90%以上,一个100W的LED路灯的实际功耗只有110W。
    (5)安全、可靠使用寿命长
    LED是利用固体半导体芯片作为发光材料做成的发光器,低电压、发热量低、可触摸、可承受高强度机械冲击和振动,不易破碎,重量轻,便于安装维护。具有绿色环保、使用寿命长等诸多优势。

    三、LED绿色照明案例分析


    1、节能效果分析
根据某市采用LED路灯改造试运行的数据,LED路灯的实际运行功率比灯具的功率提高10%,高压钠灯的实际运行功率比灯具的功率提高30%。改造前高压钠灯10067盏,总功率2525.2kW,改造后LED灯9068盏,总功率979.08kW,实际运行功率分别为:
    高压钠灯:     2525.2×1.3=3282.7kW
    LED灯:       979.08×1.1=1077kW
    按照该市路灯目前的运行情况,路灯平均每天运行时间为11小时,年运行365天,则改造后节约电量为:
    (3282.7-1077.0)×11×365=885.6万度 
    改造后节能效果达到67.1%。
    2、经济效益分析
    通过实施路灯节能改造,电费平均价格0.844元/kWh,节电部分可以节省运行费用如下:
    改造前年需要支付电费
    3282.7×11×365×0.844/10000=1112万元
    改造后年需要支付电费
    1077×11×365×0.844/10000=365万元
    改造前后节省电费747万元。
    3、减排效果分析
    进行路灯的节能改造,可有效的节约道路照明用电,从而节省发电燃煤消耗,在减少CO2、SO2、NOX、烟尘、灰渣等污染物排放上,起到积极的示范作用。
根据NREL(美国可再生能源实验室)有关数据,目前的火力发电厂CO2排放指数约为0.75kg/kW·h,SO2和NOX的排放指数约为0.006kg/kW·h和0.0045kg/kW·h;另根据中国电力企业联合会统计信息部发布的数据,全国供电标准煤耗为350g/kW·h。
    本案例每年平均可节约道路照明用电量约885.6万kW·h,按350克标煤产生1度电计算,本案例每年可以节省2803.5吨标准煤,约合3924.8吨原煤。每吨煤产生10000立方米的烟尘,3300立方米废气(主要是二氧化碳、一氧化碳等),按照目前煤电占发电总量的65%计算,每年可少排放2551.1万立方米的烟尘,841.9万立方米废气。同样,与火力发电厂平均能耗和排放情况对比,本案例改造完成后,预计每年可减排CO2 4317.3吨、SO2 34.5吨、NOX 25.9吨,具有较好的减排效益。

    四、路灯绿色照明推广效果分析


    根据文献报道,目前我国约660多座城市约有路灯400万盏,参照目前最常用的高压钠灯的指标,按照其中50%可进行绿色照明改造计算,则有200万盏可以进行改造,根据前面案例计算,改造1万盏路灯每年可节约用电量885.6万度,节省电费747万元,减少烟尘排放2551.1万立方米的烟尘,废气841.9万立方米。因此如果在全国范围内进行路灯的绿色照明改造,则可实现年节约用电177120亿度,减少烟尘510220.0亿立方米,减少废气排放168380.0亿立方米,节能减排效果显著。
    综上所述,LED路灯具有光电转换率高、光的利用率高、电源使用效率高、可靠性高、使用寿命长等特点。综合考虑各方面的因素,LED灯具的光效可比高压钠灯提高56%左右,用LED灯具替代目前常用的高压钠灯进行路灯的改造,已成为我国照明节能的一个重要发展方向。某市进行的LED路灯改造工程具有较好的节能效果,示范作用明显,如能在全国范围内推广,对我国节能减排目标将有较大的贡献。

  

 

                                                          (作者单位:江苏省工程咨询中心)

 

 

 

 

 

 


 

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