关于城市道路照明节能的技术、理念与体会

在城市道路照明节能中，出于对照明灯具的不了解，对照明理念的创新需要时间，对控制以及电力电源产品技术需要完善，因此，在照明节能事业中出现一些误导，甚至是错误的观点观念，也是正常的。

除采用高效节能灯具外，在控制节能方面，由于新技术与传统路灯控制需要科学衔接，实际工程中也存在许多观念的冲突，这也需要参与各方，从发展角度，理解“以人为本，情景节能”的重要内涵，从而协商一个合理解决方案。

对发展过程中的误导或错误，不管是有意或无意，都必须及时加以纠正和引导，否则会导致照明节能走上弯路，甚至会严重影响节能的积极性和市场的发展。

本文收集来自路灯照明节能工程中的技术信息，有许多技术细节理念、观点，对城市道路照明节能十分重要。

一、 关于照明节能技术

(一) 突变/闪断调压对灯具的影响
    在商场中应用的电子镇流器节能灯，由于有滤波电容，电压闪断和突变，影响不明显，但对电路的冲击依然存在。在商店中，如果电脑以及ＩＴ设备，如收银机、ＰＯＳ机，接入照明网，将引起设备死机及硬盘损坏等情况发生。
    在路灯上，目前大部分是HID和金卤灯，电流的切断不仅会使设备拉弧损坏，灯具熄灭，而且会严重缩短灯具寿命。
    钠灯在不切断电流时电压突变５Ｖ以上将引起电弧漂移而熄灭，金卤灯在３Ｖ突变时电弧不稳而导致熄灭。
    因此，早期的电磁换档的商业运作，已经产生了严重的不良后果。在经济条件比较好的江浙一带，大面积上的电磁节能产品逼迫拆除，江西某南部城市也出现类似现象。
    为了解决闪断突变，目前国内有几个节能公司，推出“进口”碳刷的自耦调压器，面对大电流和感性负载，以及灰尘潮湿，产品存在安全问题。
    采用“高频ＰＷＭ交流稳压调压器”技术的路灯节电器，由于使用高频电力电子控制，无触点连续纯正弦电压调节，精密稳定输出电压，是目前最理想的城市道路照明节能产品。
    (二)电磁固定降压节能的危害　
    传统电磁调压节电器一般分为：①三相统一调零换档；②三相独立调零换档；③三相独立补偿换档；④碳刷自耦变压器调节补偿调压，这些产品都有调压功能，但由于电磁换档或碳刷闪断冲击，出现输出故障，灯具熄灭，设备冲击，电网浪涌，商场电脑损坏等现象，因此实际使用时都在固定调压位置。　
    （1）固定降压节电器，节电不节钱，灯具寿命缩短，换灯成本和工程费高：固定降压产品节能产品，如果固定降５Ｖ，节电率太低，固定降１０Ｖ，节电率也不高，如果开灯就降２０Ｖ，开灯时就有许多灯亮不起来。即使全部换上新灯，用上３个月也会变成旧灯，这些灯在２００Ｖ下难以点燃，为了节能就得换下，其实这些灯在正常电压范围内可继续使用。
    （2）开灯就降压，影响交通、社会治安、城市繁荣：傍晚需要高亮度照明时，灯光昏暗，交通事故增加，犯罪率上升，同时影响城市形象和居民生活，群众和公安投诉严重。
    （3）无法按需照明，浪费严重：上半夜电网负荷重，需要照明时灯光暗，下半夜电压高，不需要照明时，灯光反而更亮。　
    （4）不符合环保和可持续发展：耗用大量高能耗且稀有铜材和矽钢，被盗和破坏严重，同时大量使用，将导致更大的环境污染和能源浪费。
    (三) 碳刷调节补偿调压以及ＳＣＲ数控补偿调压面临的挑战
    照明节能尤其是路灯节能，固定降压目前已经表现出许多不能接受的弊端（有时新灯在低压下也无法启动），电磁换档也出现灯灭和设备的损毁。
    因此，有些节能企业将碳刷补偿无级调压用于照明节能，用伺服电机带动链式碳刷，实现调压稳压，专家对其可靠性存在质疑，以至于厂家在注意事项中也作描述：“每月至少维护一次，用极细砂纸打磨铜柱表面如新，密切注意，如有异味或冒烟，立即切断电源，并通知厂家”。而且每个路灯配电柜派一个人值班，是不现实的。
    可控硅代替接触器，实现无触点补偿调压，这种技术称为“数控式调压”，在通讯基站和电台等ＩＴ　行业有大量应用（后端整流桥电路，无电流滞后），但在路灯方面，由于负载为感性，电流电压相位复杂，容易换相失败，需要大功率电阻吸收短路电流，电阻功耗大，设计困难，功率难做大，档位调节还存在电压突变现象。尽管经过十多年的发展和节能公司的努力，但目前国内数控式调压稳压技术在路灯方面的应用还不成熟。
    二、 关于照明节能理念
    (一) “以人为本”节能和“情景照明”节能的重要性
    如果照明节能使学生视力下降，工厂次品增加，产量下降，商场销售下滑，道路交通事故增加，社会治安变坏，节能带来的一点点收益，将远远抵消不了它的负面作用，其它成本在不知不觉中猛增，甚至是更大的浪费。但是，当我们离开现场或按情景，无人在照明现场时，高亮度的照明就是极大的浪费。因此，我们必须清醒，节能必须是在不影响正常照明的同时，极大限度地节约能源，保护灯具和延长灯具使用寿命。对不同场合，制定出相应“以人为本”，“按需调亮”，“情景控制”的节能模式，节能技术要保证实现的可行性，这样，才能消除照明节能的负面影响或使影响极小化。 既然照明是以人的感受为目的，根据生物效应，傍晚人眼瞳孔还没张开，所以需要高亮照明，商场人少时可以降低亮度，人多的晚上和节假日，需要保证照度，路灯是城市文明的象征，同时也要保证交通安全和社会治安，但人少的前半夜和没人的后半夜，就不必要那么亮，路灯隔盏亮和半夜灯，将导致４０多米的阴影，难以保障交通安全和社会治安，是得不偿失的节能方法 面对照明节能的新挑战，有许多自身的客观规律，而这些规律可能我们一时还难以理解，但却是科学的。比如高速公路隧道白天需要高亮度照明，商场白天也要少节能或不节能，路灯傍晚最需要高亮度照明（据医院统计，此时交通事故最多）等。
    总之，照明节能大有可为，节能从业人员，可以想出许多好的节能控制模式，能保障照明又能极大限度地节能。
    (二)“无条件保障照明”理念
    “无条件保障照明功能”对路灯管理部门非常重要。 我们在多年的节能工程实践中，在与路灯部门的相互学习中了解到：“照明节能是锦上添花，不能由于节能，导致路灯故障，尤其是灭灯现象。”  因此，在系统设计路灯节能产品时，必须考虑，设备任何部件损坏时，将自动系统旁路，该亮灯时出现灯熄灭现象，系统自动旁路，实现无条件保障照明。
    (三)ＨＩＤ和金卤灯预热问题
    有人曾希望将HID灯的预热时间调到１min，理由是哪怕半分钟的节能，都将影响到节电率，这样胜算的可能性就是对手。而路灯管理部门是不会听你讲什么预热的好处问题的。
    我们知道，ＨＩＤ灯的启动分为２个过程，点火时不稳定的“辉光”放电和１０min后的“弧光”放电，“辉光”放电严重影响灯具寿命，而“弧光”放电的电弧，不影响灯管寿命。因此，希望“辉光”时间越短越好。为减少“辉光”放电时间，点灯后必须维持足够长时间的额定预热电压。外部看，如果灯电流开始下降到稳定运行电流，则开始结束“辉光放电”，从温度看，如果灯管温度达到稳定温度，则开始结束“辉光放电”，为使“辉光”尽快结束，必须维持比较高的电压，发出更多的热快速加热灯管。有些公司把充分预热说成是如“煲汤”，需要“急火”烧开，然后“文火”长时间炖，可节省能量，这种比喻也不妥帖。开灯时钠灯或金卤灯，在额定电压或全电压下充分预热１０~２０min，对灯管寿命极为有利，对节电率损失却可忽略不计（路灯照明时间一般平均每天11h）。

(四)照明节能的“慢斜坡软启动”危害
    我们知道电机启动时，由于电网电源频率为５０Ｈz，而此时电机从静态开始，电机转速频率为０，因此瞬间形成频率短路，启动电流高达额定电流的３~８倍，持续时间直达电机正常运转（最长达１０s以上），对配电线路、设备和电网都造成危害。因此，需要电机软启动、变频启动和星三角启动，减少电网冲击。ＨＩＤ灯启动，由于补偿电容的原因，合闸瞬间（２毫秒，０．００２秒），有很大启动尖峰电流，与电机启动堵转不一样的是，这种尖峰电流不会因为降低电压启动而减小许多，因为这是电容电压突变引起的电容充电电流。如果没有补偿电容，这种启动电流也就不存在，如果补偿电容存在，降到１００Ｖ启动也会有这种短路瞬间电流存在。应该说ＨＩＤ灯存在启动电流，但不是像电机那样额定值的许多倍，只是１．２~１．３倍，而且这种电流是与灯温度相关，必须１０min以上加热到稳定温度，电流才会下降。开灯前期的辉光过渡阶段，影响灯具寿命，充分点燃后稳定的弧光放电，不影响灯具的寿命。因此，ＨＩＤ灯要在足够电压下充分预热２０min，然后将电压缓慢降低节能，稳定电弧，降低灯管温度，延长灯具寿命。采用“高频ＰＷＭ交流稳压调压器”技术的路灯节电器，由于电压的高速无级连续调节，如果软启动是科学的，将很容易实现。希望节能公司秉着科学态度，认真考虑这个问题。

(五)城市道路照明，需要保障的四个方面
    （1）城市形象：当前我国各地政府为了政治或民生需要，大力推进城市建设，扩大城市影响力和竞争力，着重城市规划和基础设施建设，城市规模和城市化率不断提升。而道路照明和景观照明是城市品味的重要方面，如果一个城市，一开灯就节能，亮度不足，将使这个城市没有生气，形象将不言而喻。因此建议，在人流活动的前半夜，少节能或不节能，将亮度提高。
    （2）繁荣经济：政府财政的一大部分来自商业税收，如果傍晚灯光灰暗，将影响大家上街购物休闲的积极性，如果没有销售，财政税收将下降，政府可支配收入将出现问题。建议傍晚开灯将亮度提高，直到群众回家后，逐步将亮度缓慢降低，到大家回家睡觉后，再做深度节能。
    （3）交通安全：由于人体生物“瞳孔效应”，在旁晚，强烈的太阳光将人体瞳孔缩得很小，保障视网膜不被烧伤。但太阳刚下山时，光线立即变暗，而人体的瞳孔，由于生物效应，需要时间张开，此时，再亮的灯光都觉得暗。因此，需要高亮度照明（太阳光强是路灯的几千倍），在医院工作的人都知道，傍晚汽车交通事故最多。当然在后半夜，由于道路车辆很少，行人也少，交通事故不容易发生，可做比较深度节能，但严禁采用半夜隔盏亮灯方式节能，这种方式形成斑马效应，使司机很难看清在阴影区是否有人存在。
    （4）社会治安：按现代化城市要求，有路就要有灯，有灯就要亮。如果哪个地方路灯不够亮，小偷小摸就多。各地路灯部门常接到公安部门由于有路无灯或大面积无灯的投诉。当然，道路照明节能，不能影响灯具寿命，严禁采用固定降压等方式节能，和闪断突变调压方式节能，这些方式将大大缩短灯具寿命。

三与传统思维观念、技术规范的冲突

(一)照明线路末端电压
    在以往不节能的时代，路灯设计需要考虑末端电压，其电压值要保证灯具额定电压的下限以上（２２０Ｖ－220V×１０％＝１９８Ｖ）。照明线路末端电压应大于或等于１９８V，这是保障灯能点燃的必须条件。但是，采用“高频ＰＷＭ交流稳压调压器"技术的路灯节电器，在开灯时总是全电压预热２０分钟，在灯温、电弧、电流稳定后精密连续调压，在需要时将电压调到钠灯１３０Ｖ，金卤灯１５０Ｖ，不管是节电率还是延长灯具寿命，都是非常满意的。另外，灯充分点燃后逐步降压节能，随着导线电流的减小，末端压降由不节能时的２０Ｖ，变得可能只有压降５Ｖ。因此，采用“高频ＰＷＭ交流稳压调压器”技术的路灯节电器产品，由于电压精密无级下调，前端电压降低明显，末端电压降低反而不明显。但需要说明的是：“开灯预热电压必须在１９８Ｖ以上”，进入节能后电压可以在１９８Ｖ以下。

(二)一味追求节电率
    如果一味追求节电率，那么关灯是最好的节能。节能同时需要保障照明的基本功能，即不影响正常照明同时，极大限度地节约能源，延长灯具使用寿命。遗憾的是有些部门一味追求节电率，在招标中单纯将节电率看成主要指标（不考虑照度情景需求），这样招标的结果是，事后工程完工，市民投诉，不得不将节电设备旁路运行，实在是得不偿失。尽管采用“高频ＰＷＭ交流稳压调压器”技术的路灯节电器，是所有照明节能产品中，节电率最高的，但并不主张一味追求节电率。如果一味追求节电率，将使城市/商业综合经营成本上升，因为这将使犯罪率上升，交通事故增加，居民消费下降，税收减少，商场营业额下滑，工厂次品率上升以及生产效率下降。

(三)关于照明节能中的“照度损失问题”
    目前，没有人因为调光台灯，损失照度，而将调光台灯说成是不科学的东西。调光台灯提供的仅仅是一种调光工具，当你需要的时候，可以调到最亮，当你在看电视时适当调暗，制造温馨的环境，同时还可节约能源。调光台灯对病人或产妇特别重要，因为常亮导致人难以入睡，关灯，半夜起床要摸黑，有摔伤的危险。采用降压节能的技术中，节能是以降低照明输出功率为代价的。因此，照度必然会有损失。恰恰是由于照明节能牺牲（节约）有功功率，照明节能才是科学并且是可行的。在工程实际中，经测量以及人工观测，当电压在２２０Ｖ附近小范围下降时（２２０Ｖ~１９５Ｖ），电压下降，功率成平方快速下降，此时照度只是轻微下降，节电率在１５％以内。在１９５Ｖ继续下降，照度出现比较大的下降幅度。因此，建议对照度要求比较高的场所，控制电压在１９５Ｖ以上，如果对照度没有要求，可以将电压控制在１９５Ｖ－１７０Ｖ的程度，节电率可达３０％或更高。另外，照明是与人感受相关的概念，一味机械地强调照度是没有实际意义的，也是不科学的，需要将人眼的生物效应，心理效应，实际工况对照明分时段的需求等结合起来考虑。比如人的瞳孔会根据外界光线自动调节，人瞳孔生物调节是需要时间的，也是有一定范围的，在暗环境下会自适应。作为早期从事照明节能的工作者，开始时遇到要求“牺牲照度节能不算本事，不允许牺牲照度节能”，然后是“照度不得降低１０％”。而现在倡导的是“以人为本，情景节能”，如果深夜无人，还要求照度只下降不得超过１０％，那是对纳税人极不负责的行为。所做的单灯控制和集中控制试验表明：ＨＩＤ灯具有非常好的宽范围调光特性，理想功率（亮度）调节范围为１００％~１０％，在全亮到微亮时，电弧十分稳定，即根据需要，在微亮时，节能高达９０％，灯具寿命极大延长。
    (四)路灯节能改造与路灯管理水平提高
    全国路灯管理由于地域差别，以及领导风格不同，各地路灯控制线路差别很大，有些地方甚至可以说“技术和管理十分落后”。住建部颁发的《城市道路照明工程施工及验收规程》（CJJ89），对某些路灯工程的验收没有制约，基本采用工程公司“节省成本”的方案施工验收，加上路灯后期工程的改扩建，这样就导致路灯工程质量参差不齐，有许多不合理和不规范。比如“半夜灯控制”，国家规定必须采用“双回路”控制方式，保障前半夜和后半夜，线路都能做到“三相平衡”，这需要多出一倍的电缆用量（当然，线经可减少一半），工程接线相对复杂。因此，大多路灯工程公司，采用单回路节省成本，导致前后半夜电流均不平衡，零线电流非常大，灯具电压波动严重。　　再比如个别城市路灯还在使用单相变压器供电，这完全违背“三相就近平衡”原则。由于开灯电流较高，对高压电网，以及输配发电，冲击较大，在路灯工程中，路灯电网电压偏离是常见的，从２０５Ｖ~２４０Ｖ不等，主要原因有“路灯三相不平衡”，“低压大电流长距离传输”，“路灯公变供电”等因素引起。但也有一些电压高达２６０~２８０Ｖ，在我国西南小水电多的地区。路灯节能是新技术在传统线路上的改造，这就需要对传统路灯控制进行一些“科学革新”，尤其是引入“以人为本，情景节能”理念，需要科学合理的技术方案，对传统控制进行“改造”。多数路灯管理部门对改造满意，这样“在保障照明的同时，最大限度节约能源，保护照明灯具”。　　

四、其它

(一)路灯节能招标书中的各种丑陋评分标准及对策
    国家倡导照明节能，实际上照明节能不可能是纯技术问题，一般是以工程形式出现，在商业环境下，必然出现许多丑陋的问题，包括操纵“标书”，围标，“黑箱操作”等问题。但作为节能技术服务公司或甲方，还是希望采用尽可能好的技术和产品。因此，作为节能产品经销商或产品制造方，市场还是公平的，找准自己的定位，潜心做好自己的工作，总会有丰厚的回报的。

(二)ＨＩＤ灯的有趣现象
    在对金卤灯、钠灯的研究中发现，许多有趣的现象。对ＨＩＤ灯进行无级精密调压时，如果调压速度过快，灯闪烁严重，如果不断流突变调压，３Ｖ突变，很大可能导致金卤灯熄灭，５Ｖ突变可能导致钠灯熄灭。在作精密较快连续调压时，如果电压逐步升高，电流尾随上升很快，调压停止，电流继续增加，不变，然后电流回落。同样如果电压下调，电流急剧下降，不变，然后回升。对金卤灯、钠灯的节能控制，特别要关注灯管温度、电压、电流、压强的平衡，过快的调节，使这种平衡遭到破坏，因而引起灯的闪烁，甚至熄灭。

(三)“城市路灯节能工程”初见曙光
    我国“路灯节能”工作从２００２年首次“电荒”至今，产品技术大致经历以下阶段：（1）“日本”电抗变压器时期；（2）节电器技术迷茫时期；（3）三相独立补偿变压器时期；（4）电力电子“无级无触点连续调节”时期。大约２００３年，全国除早期出现的几家专业节能公司外，开始涌现一大批新的节能公司，大多购买或仿制日本20世纪７０年代电荒时的“电抗变压器”路灯节电器（省电机），以及类似“电机软启动”可控硅降压节电器。２００４~２００５年，大量路灯节电器在不同城市“免费”测试，节电器大量在路上“烧毁”，其原因不详，这阶段产品主要技术是成本低廉的“调零自耦变压器”等日本电抗降压技术。由于技术问题，以至于“热情”的路灯部门开始“厌倦”这种测试，路灯部门往往说：“不用测试了，我们测试过不少１０家产品，都失败”。行业开始“迷茫”，有部分早期启动的路灯节能工程，也在这阶段“失败”。路灯节能受到影响。２００６~２００８年，路灯节能公司开始寻求技术解决方案，出现“碳刷无级调节”技术，“补偿变压器＋调压变压器＋接触器换挡”技术，“补偿变压器＋调压变压器＋可控硅换挡”技术，“调零自耦变压器”改型为“过渡抽头调零自耦变压器”技术。期间许多节能公司难以维持而推出节能市场。２００９年后，有少数几家技术原创的节能设备制造公司，出现成功的城市路灯节能改造，并以“成功工程案例”开始逐步推广和复制。其中获得科技部创新基金支持的：Ｍｎｉ智能电感照明节能设备（电力电子高频化ＰＷＭ交流稳压电源），已成功用于多个城市路灯节能，路灯管理部门也开始采用前期样机长时间运行方式，来检验厂商提供的节能产品，市场开始出现务实的节能行动，路灯节能由初期市场的“盲目兴奋”到目前的“理性务实”，“城市路灯节能工程”曙光初现。
    五、结束语
    我国城市道路照明规模十分庞大，同时，城市道路照明非常适合“情景节能”，与此相关的新技术也将不断出现。作为地方政府，城市道路照明节能改造，既是节能形势所需，也是对“节能减排”最好的示范。通过大家对照明节能技术的研究和相关理念的探索，城市道路照明节能工作一定会得到很大的发展。