楊天平,薛豫中,安文秀

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，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)濟貧困,社會凋敝,基礎(chǔ)設施殘破。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、中國水電建設集團和中國進出口銀行等企業(yè)與剛果(金)簽署了一項基礎(chǔ)設施建設工程和礦業(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、學校和市政設施,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,總裝機容量約為2 516 MW,主要由英加水電站供應,該電站有14臺機組共1 774 MW。近年來,由于電力設施年久失修,英加水電站機組損壞大半(目前實際發(fā)電僅為700 MW),輸變電線路嚴重老化,全國電力供應出現(xiàn)嚴重不足,剛果(金)政府雖采取減少電力出口、從周邊國家進口電能,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,管理落后導致供電故障高發(fā)。因此,在進行剛果(金)道路建設項目中,照明工程中的節(jié)能與控制設計就顯得尤為重要。

2 道路照明中的節(jié)能措施

2.1 合理確定照明標準

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《城市道路照明設計標準》(CJJ45—2006)表3.3.1機動車交通道路照明標準值,表3.4.1交會區(qū)照明標準值,表3.5.1人行道路照明標準值)[1],在選取標準時,要注意防止因取定的照明標準值過高而增大耗能。

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,電能損失可高達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；而在同樣照度標準的道路照明要求下,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、綠成分的金鹵燈視覺效果[4]。在經(jīng)濟方面,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；次干路應采用半截光型燈具；支路應采用半截光型燈具。一般燈具效率、防水防塵等級越高對節(jié)能越好,依據(jù)《城市道路照明設計標準》,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比較,必須在滿足道路照明規(guī)范指標(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

在供電電源的設置上,照明配電箱應設置在照明供電區(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)負荷處于高峰時段,此時電網(wǎng)電壓偏低；下半夜電網(wǎng)負荷處于低谷,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%,導致能耗加大,長期運行會導致燈泡使用壽命縮短,因此在配電系統(tǒng)設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。因此在設計中,可根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)緯度所確定的晝夜時刻同時輔以光控裝置來設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計

3.1 設計道路概述

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 道路照明標準的選定

根據(jù)該段道路的重要性質(zhì),參照《城市道路照明設計標準》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等級須達到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(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,路面的平均照度達到31 lx,符合設計要求。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計

為減小線路損耗,設計中將照明供電半徑控制在500～800 m,將新設道路照明劃分為3處,每處供電電源設置于負荷中心處,在道路照明箱變內(nèi),裝設節(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)裝設有補償電容器組,對系統(tǒng)無功進行集中補償。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行控制。經(jīng)緯度控制裝置基本功能是輸入當?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?shù)厝章浜腿粘鰰r間進而確定開燈和關(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置為A方式即全夜燈控制方式,另一路設置為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。在道路照明設計中,在確保符合道路照明標準的前提下,應采用綜合節(jié)能措施及科學的控制方案,才能實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能。

[1]CJJ45—2006,城市道路照明設計標準[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.城市道路照明設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007．

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

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