基于节能减排和太阳能利用的德州市城区路灯调研报告doc.docx
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基于节能减排和太阳能利用的德州市城区路灯调研报告doc
基于节能减排和太阳能利用的德州市城区路灯调研报告
李云龙谭俊涛
(德州学院地理系地理科学专业)
摘要:
随着城市化的的快速发展,能源的利用越来越成为影响城市发展的重要因素之一。
基于节能减排与太阳能利用的理念,参照国家相关标准,对德州市城区路灯现状进行实地调查测量,结合相关物理知识以及电气学知识并以计算机软件编程为辅对测量数据进行定量分析,并将太阳能路灯路段与普通钠灯路段进行对比,利用数学模型进行优化,提出了德州市城区路灯布局及节能的合理建议。
关键词:
模型优化;平均照度;眩光控制等级;德州市
引言
随着经济的发展和社会的进步,城市建设的现代化己经成为各大城市进行城市规划的首选课题,道路照明的现代化进程也随着城市建设的现代化发展而被提到了日益重要的位置。
城市的快速发展使道路照明的规模不断扩大,而越来越高的安全性要求也对道路照明的亮度设计提出了更高的要求,这些都将导致道路照明的用电量急剧增加。
据不完全统计,目前我国城市道路照明的总数约400万只(套),加上高速公路、工矿企业、机场、码头等非市政照明灯具约100万只(套),总数超过500多万只,并且每年以10%以上的速度递增。
道路照明中城市公共照明在我国照明耗电中占30%,年用电量约为439亿kwh,以平均电价0.65元/kwh计算,1年开支达285亿元,成为各地财政部门的一大负担。
寻找降低能耗节约能源的途径已经成为道路照明设计的首选,通过对路灯布局进行优化设计,有利于对路灯照明的节能潜力的挖掘,也符合国家节能减排的相关政策。
1调查范围及主要参数
德州市城区主要路段:
湖滨北路银座西,湖滨北路银座南,湖滨中大道美食城,德兴北路天衢工业园,德兴路,康博大道华宇职业技术学院,康博大道奥体,晶华大道,大学西路,大学西路学院段,大学东路华宇,大学东路东段,天衢东路,天衢西路,三八西路,三八东路,东方红路新湖段,东方红路东,东风中路;
道路状况:
主路宽,车道数,人行道宽;
路灯参数:
灯高,灯距,路灯类型,功率以及路灯布局状况。
调查结果见表1。
2数据计算
2.1条件假设
由于在实际测量过程中存在一些不确定因素和个体之间的差异我们首先对一些参数按照一般标准进行假设:
a.假设所有路灯仰角均为10度;
b.假设路面干燥,即测量不受天气影响,实际路面亮度系数为0.1;
c.忽略花坛宽,只计算主路宽和人行道宽;
d.假设夜晚所有路灯都正常工作,不存在损坏路灯;
e.假设道路是笔直的,不考虑交叉路口。
2.2计算及求解结果
根据《城市道路照明设计标准》中道路照明评价指标。
选取路面平均亮度、路面平均照度、眩光限制、照明功率密度等作为评价指标。
表1:
测量道路路况信息
测量地点
主路宽(m)
人行道宽(m)
花坛宽/路灯马路间距(m)
车道数(条)
道路
类型
灯高(m)
等距
(m)
路灯功率
(W)
灯型
湖滨北路(银座西)
15
5.5
2/1
4
主干道
11.5
55
400
高压
钠灯
湖滨大道(银座南)
13
5.5
2/1
4
主干道
11.5
40
400
高压
钠灯
湖滨中大道(美食城西)
13
5.5
2/1
4
主干道
11.5
55
400
高压
钠灯
德兴北路(天衢工业园)
18
\
2/1
6
主干道
11
40
400
高压
钠灯
德兴路
13
6
2/1
4
104国道
8
40
158
太阳能
康博大道(华宇东)
22
7
8/2
6
次干道
10/8
40
250
高压钠灯
康博大道(奥体中心东)
28
7
7/3
6
次干道
13
40
190
太阳能
晶华大道
22
7
8/2
6
104国道
10/10
40
400
高压
钠灯
大学西路(农信南)
24
6
3/1.5
6
104国道
8
45
250
高压
钠灯
大学西路(学院段)
24
6
2.5/1
6
主干道
12
50
400
高压
钠灯
大学东路(华宇段)
24
\
2/1
6
主干道
8
50
250
高压
钠灯
大学东路(工业区)
24
\
2/1
6
主干道
8
40
250
高压
钠灯
天衢西路
36
\
2/1
10
主干道
12/6
40
400
高压
钠灯
天衢东路
24
7
8/4
6
104国道
8
50
250
高压
钠灯
三八西路
16
6
2/1
4
主干道
12
30
140
太阳能
三八东路
22
6
2/1
6
主干道
13
30
140
太阳能
东方红西路
22
6
3/1.5
6
主干道
8
30
250
高压
钠灯
东方红东路
22
7
8/4
6
主干道
8
40
250
高压
钠灯
东方中路
38
\
2/1
8
主干道
15
40
400
高压
钠灯
2.2.1路面平均亮度(averageroadsurfaceluminance)
按照国际照明委员会(简称CIE)有关规定在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点亮度的平均值。
在道路上行驶时驾驶员观察路面障碍物的背景主要是驾驶员前方的路面,因此,障碍物本身的表面和路面之间至少要有一定的、最低限度的亮度对比,驾驶员才能观察到障碍物。
路面平均亮度越高则眼睛的对比灵敏度越高,驾驶员觉察路面障碍物的可靠性越高。
路面平均亮度水平也直接影响到驾驶员的视觉舒适程度。
平均亮度越高(但需限制在产生眩光的亮度水平以下),驾驶员就越舒适。
计算一段长度有限的直路段上的平均亮度,借助使用亮度产生曲线,计算公式如下:
式中,
—光源光通量;k—系数;q—的路面平均亮度系数;
—亮度产生系数;s—间距;w—路宽。
计算结果见附表一,根据计算结果绘制折线图如图1。
图1道路路面平均亮度
2.2.2路面平均照度(averageroadsurfaceilluminance)
按照CIE有关规定在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点照度的平均值。
目前在道路照明设计中对于道路照度的计算,采用“利用系数法”,即使用利用系数可以计算一段直路上的平均照度,道路照明的利用系数是指,落在一条无限长的平知道路上的光通量与照明器中光源总光通量之比它与灯具的效率和道路的宽度有关。
使用利用系数计算平均照度公式如下:
式中,CU—系数;
—光通量;K—系数;N—具内的光源数目;W—宽度;S—杆间距。
计算结果见附表一,根据计算结果绘制折线图,如图2所示。
图2路面平均照度
2.2.3眩光计算
眩光的形成是由于视场中有极高的亮度或亮度对比存在,而使视功能下降或眼睛感到不适极亮的部分就形成眩光源,眩光分为失能眩光和不舒适眩光两种,本文只计算不舒适眩光。
道路使用者在观察障碍物的时候,由于眩光源的存在,其在眼睛中的一部分散射光线产生视感,就好像在视场中蒙上一层亮幕,人所感受到的就是障碍物的亮度和亮幕亮度的总和,从而使人对障碍物辨认能力下降,容易造成交通事故。
眩光等级计算公式如下:
式中:
表示在平行道路的轴线的垂直平面内,从灯具最下点起算,80度方向上的光强,表示C=0
为80度的绝对光强与C=0
为88度的绝对光强的比值,钜直正下方起76度方向上所看到的灯具表面的发光面积,以F表示;平均路面宽度从眼睛水平线到灯具的垂直距离,以h'表示;每千米灯具数,以p表示。
计算结果见附表一,并根据结果绘制柱状图(图3)。
图3:
眩光控制等级
表2眩光控制等级和主观评价的对应关系,此表将非常概念化的数字(眩光控制等级G)与人的感受相联系,使人们更容易理解。
表2眩光控制等级和主观评价的对应关系
G
眩光
主观评价
1
无法忍受的眩光
感觉很坏
3
有干扰的眩光
感觉心烦
5
刚好容忍的眩光
可以接受
7
能令人满意的眩光
感觉好
9
几乎感觉不到眩光
感觉非常好
2.2.4照明功率密度(LPD)
LPD限值是国家依据节能方针从宏观上作出的规定。
因此要求照明设计中实际的LPD值应小于或等于标准规定的LPD最大限值。
如果相等,说明是“合格”的设计;如超出,则是“不合理”设计。
因此要求设计师努力优化方案,力求降低实际LPD值,使之小于,甚至大大小于规定的LPD值,做到“良好”或“优秀”的节能设计。
各路段LDP计算结果见附表一,并作出折线图,如图4。
图4:
照明功率密度
3结果与分析
3.1计算结果分析
(1)城市各路段的路灯布局配置相差很大,有的路段的各项指标基本上都符合国家标准,如晶华大道;而大部分路段则与国家标准相差很大,甚至个别路段与国标相差甚远,如湖滨北路(银座南)的路面平均亮度远超过国家标准。
(2)城市繁华路段以及临近居民区地段,路灯的各项指标普遍比较高,而远离市中心的宽阔路段往往各项指标很低,如大学东路(华宇段)的路面平均照度仅为4.348lx,远低于国家标准的10lx。
(3)道路平均亮度差异巨大。
部分路段严重超过国家照明标准造成不必要的浪费,而半数路面平均照度却达不到国家最低标准,容易造成交通秩序混乱,发生意外交通事故。
(4)路面平均照度严重达不到国家标准,只有三分之一达标,这说明德州路灯照明现状不容乐观
(5)眩光控制等级波动在六左右,是令人满意的眩光,让人感觉舒服,照明功率密度也比较符合国家标准,但这种符合是建立在路面照度严重不足的基础之上的。
(6)太阳能路灯在主干道的照明效果不是很理想,虽然路灯密度比较大,但是由于太阳能路灯的光通量不是很高,所以道路平均照度和平均亮度达不到国家标准,在此我们建议在次干道应用太阳能路灯。
3.2太阳能路段与普通钠灯路段的比较分析
3.2.1总体分析
通过计算结果可以发现,太阳能路段的路面平均照度与平均亮度均低于高压钠灯,高压钠灯路灯中比较好的配光形式可以达到短投射水平,更好的可以达到中投射水平。
与传统高压钠灯路灯相比,大多数LED路灯的投射距离偏近。
主要原因太阳能路灯目前处于萌芽阶段很多理论还不成熟,为此我们通过对三八路进行模拟分析,以显示太阳能与高压钠灯的优势。
三八路是德州市的一条主要道路,通过上述计算可以看出,作为太阳能路段的三八路道路平均照度与平均亮度要比国家标准低的很多,这是由于面前国内LED路灯的光效应较差,大部分低于80lx/w,而高压钠灯则基本上处于100lx/w,对此我们将三八路由主路换到次干道上,其他配置不变,通过计算发现,当换到次干道上时,不管是照度还是亮度都能很好的满足国家标准,计算结果见表3。
表3:
测量
地点
主道宽
(m)
灯高
(m)
灯距
(m)
道路平均照度维持值Eav(lx)
平均亮度
三八西路(主干道)
16
12
30
9.333
3.85728062
三八西路(次干道)
13
12
30
11.487
0.9129
由此结合附表一中所计算的钠灯数据可知,在次干道以及支路上太阳能路灯具有良好的节能效果,而且平均照度与平均亮度均符合国家标准的要求,而太阳能目前还不适合应用于快速主干道,因此快速主干道仍以钠灯为主。
3.2.2太阳能路灯的优缺点
优点:
(1)太阳能路灯是使用太阳能光伏电池提供电能,太阳能作为一种绿色环保的新能源,“取之不竭、用之不尽”;
(2)太阳能路灯的安装简单、方便,无需像普通路灯那样做铺设电缆等大量基础工程,只需要有一个基座固定和安装蓄电池井外,所有的线路和控制部分均放置在灯架之中,形成一个独立的整体,特别适用于城乡道路及边远无电源到达的高远山区;(3)太阳能路灯的运行维护成本低廉。
太阳能路灯使用太阳能供电,除前期投入成本外,运行成本几乎为零且整个系统运行均为自动控制,无需人为干预。
缺点:
(1)太阳能理论及应用试验等方面尚需进一步研究;
(2)太阳能灯具的使用已经日渐广泛,但目前太阳能路灯在功率、光效和使用寿命上还仍然存在一些技术问题;(3)太阳能电池板的转换效率和使用寿命问题也制约着太阳能路灯的推广使用。
太阳能路灯如果要更加广泛地应用,除考虑太阳能电池板光电转换效率外,安装地的太阳能辐射时间、大气灰尘等,也是影响太阳能路灯正常使用的主要问题;(4)低和成本高,现阶段,太阳能路灯相对于普通路灯而言,初期投资较大,同时维护费用也比较高。
4结论与建议
4.1结论
(1)城市路灯布局还不够规范造成不必要的能源浪费。
(2)太阳路灯的使用尚未成熟,没有充分发挥太阳能路灯的优势,而将太阳能路灯使用在主干道上,造成照明指标达不到国家标准。
(3)经过计算分析太让能路灯在次干道、支干道上更具有优势,而在主干道上仍用使用传统路灯才能达到国家标准,更有利于节能减排工作的深入展开
4.2城市路灯布局的建议
(1)能路灯光线覆盖范围窄,亮度不够均匀的特点,我们建议在现阶段太阳能路灯暂不宜安装在城市主干道上,但可将其安装在对照度及亮度要求不高的支道、城乡道路及边远山区。
(2)据使用地的实际情况,采取市电互补的形式安装太阳能路灯,在确保路灯正常使用的情况下,节约能源。
(3)德州作为中国的阳谷在太阳能路灯的普及上应把握住太阳能路灯的优缺点,趋利避害,使太阳路灯真正成为现在大都市开展节能减排的有力工具。
参考文献:
[1]周太明,皇甫炳炎,周莉等.电气照明设计[M],复旦大学出版社,2001.
[2]《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006).
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