高速公路路灯节能改造设计方案.docx
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高速公路路灯节能改造设计方案
山西省高速公路路灯节能改造方案
之LED绿色照明工程(EMC模式)
前言
在全球变暖的大背景下,低碳经济受到了越来越多的国家和政府领导的关注。
发展低碳经济已经成为一场涉及生产模式、生活方式、价值观念和国家权益的全球性革命。
因此,人们对于具有节能、环保特性的技术和项目的需求日益迫切。
而照明应用是全球第二大电力能源消耗领域,约占所有电力消耗的19%。
所以在照明领域积极开发节能、环保功能及可再生利用的新能源相结合的绿色照明产品具有非常重要的现实意义,并且正在得到越来越多的政府(如我国于2001年863计划开始在LED照明方面立项,2003年6月紧急起动了“国家半导体照明工程”)、科研单位、企业界的强烈关注。
高亮度白光LED集高光效、节能、低维护成本、小尺寸、强抗冲击和抗震能力、无线外线和紫外线辐、热量低等优良性能于一身,是一种非常理想的照明光源,可开发出真正具有节能、环保的系列绿色照明产品。
深圳市衡立能源管理有限公司作为首批绿色能源投资模式的创立者和践行者,拥有一批产业报国,敬业乐业的专精服务团队;公司持续领先LED光电领域,有过为东莞、北京、昆明等一大批环境优美、生态良好的环保城市LED路灯能源投资的不俗案例;背靠着国家对行业的正确引导和大力扶持,我们手中握有的高、精、尖的产品品质和上市公司的资本资源优势,是国家发改委中标企业,也是广东省绿色照明城市示范推荐企业。
我们不惧任何前路的险阻和挑战,我们为之自豪而献身一切的事业只为等您----给予一个共同回报绿色地球的希望。
一、投资项目背景
(一)国家相关政策的要求及目标
建设部在2006年7月印发的《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》中提出,2006到2010年累计节电要达到25%。
《规划纲要》要求,各地建设主管部门围绕城市照明5年实现节电25%的目标。
(二)节能减排所需
2009年12月,中国首个节能减排城市间宣言发布,该宣言倡议,所有城市在未来十年“单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%~45%”
2010年3月5日,中国国务院总理温家宝在十一届全国人大三次会议上所作的政府工作报告中,提出了2010年中国经济的10个关键数据:
其中一个数据就是“新增8000万吨标准煤的节能能力”。
(三)低碳生活的倡导、人类地球的责任
2009年,在人类经历了海啸、风暴、沙尘暴、气候变暖、南极冰山和喜马拉雅山每年开始以不同程度的溶化现象、有害气体的排放等自然灾害,给我们人类带来了惨痛的代价也敲响了人类应对气候变化的警钟。
提倡低碳生活成了人类生活的必然,节能减排更是对人类地球的责任。
(四)绿色环保的推广应用
如今,照明是人类日常生活中不可缺少的一部分,节能照明更是当今各地政府乃至世界各国纷纷制定相关政策进行扶持或是推广应用。
因此,被誉为21世纪最为节能环保、绿色照明的LED照明光源显现出极大的照明应用优势。
(五)减轻政府或使用单位的投资压力
考虑到政府或是使用单位的前期投资过高、压力过大,在互惠互利的前提下,拟采用EMC的合同能源管理模式,采用投资商(中间商)介入,实现政府(或使用单位)、投资商(中间商)和制造商的多赢。
二、项目简介
城市道路照明在美化城市照明的同时,也在消耗着宝贵的人力、物力和财力,吞噬着大量的宝贵资源,加大了环境和生态的压力。
如果将原有传统照明灯具全部改造成目前极为节能、降耗、环保的绿色LED路灯光源,其节能潜力巨大,社会意义深远:
一方面给当地政府带来经济效益的同时,也极大的缓解了本地区能源紧张的局面,符合国家建设可持续发展的节约型社会政策。
为落实党中央及省市政府节能减排目标任务的号召,深圳市衡立能源管理有限公司与山西省高速公路公司双方合作实施“高速公路LED道路照明节能改造工程”,对山西省高速公路公司管辖的原有传统道路照明路灯全部进行绿色环保的LED路灯照明改造。
本项目建设符合国家产业政策和行业发展规划,项目的开展能够促进山西省的能效提高,并减少污染物排放,有利于山西省经济社会的可持续发展和环境的改善,符合国家节能减排的相关政策。
达到促进节能减排、便于维护、加强交通安全、增加文明城市美观的目的。
本项目采用成熟的节能技术和产品,LED路灯由于其高效节能加上显色性好等特点,与高压钠灯相比,在同等亮度情况下可以节电65%以上。
据初步统计,山西省高速公路现有高压钠及普通节能灯具总数量为1万盏左右。
每天照明时间为11小时,每年用电量为10666431度。
电费817.1万元(按照平均每度电0.82元计算)。
用LED路灯代替,每年用电量是3454725度,节约7211706度电,节约533.9万电费。
节约燃煤2279.4吨,减排6512吨二氧化碳。
此外,项目的改造会增加当地的就业职位,降低劳动就业慌,带动当地的经济发展。
项目本身对环境不产生破坏,更换下来的的旧设备和器具亦将妥善处理,不会产生有毒有害及放射性污染物。
本项目不涉及征地、移民和拆迁。
具有良好的经济效益、社会效益和生态效益。
故得出结论:
本项目工程技术方案切实可行,建设条件良好,本项目符合国家发展需要,有利于民族长远生存之计。
是利国利民的好事。
三、项目改造方案
3-1改造建议(具体的数量及杆高按实际调整):
序号
改造前灯具
改造建议(LED)
数量
灯杆高度
备注
1
1600
12米
主道光源采用的是144瓦LED路灯。
2
2341
10米
辅道光源采用的是96瓦LED路灯。
3
4899
7米
辅道光源采用的是48瓦LED路灯。
3-2改造步骤:
本项目整体需改造的路灯数量为8840盏(具体数量按实际调整),我们用不同型号的LED路灯对原有路灯进行替换。
鉴于需改造路灯的数量较大,涉及的资金需求也较大,所以设计改造方式是由点及面逐步展开。
具体的改造步骤可以从长平高速路段开始,分期分批进行改造。
每期改造数量或安排进度可根据高速公路公司要求、衡立能源管理有限公司的投入情况、LED路灯光源的生产情况等做具体协商议定,安排改造规模,按照每35天一批的改造速度,大约分四批次左右完成全部LED路灯照明改造。
四、改造效益(仅供参考)
LED路灯照明改造的节能效益分析(金额单位:
人民币)
类别
产品
单位
数量
高压钠灯功率(W)
实际
功率
(W)
原传统灯具能耗(kWh/天)
原有灯具年耗电费(万元)
改造后LED灯具功率(W)
实际功率(W)
LED灯具能耗
(kWh/天)
LED光源年耗电费(万元)
进行LED光源改造后年节省电费(万元)
1
高压钠灯
盏
1600
400
509
8958.4
268.1
144
180
3168
94.8
173.3
2
高压钠灯
盏
2341
250
319
8214.6
245.8
96
119
3064
91.7
154.1
3
路压钠灯
盏
4899
150
188
10131
303.2
48
60
3233
96.7
251.6
合计
27307.6
817.1
9465
283.2
579
节能效益
节电
(度/年)
标准煤/吨
(0.35公斤/度)
纯净水/吨
(4公斤/度)
二氧化碳CO2/吨
(1公斤/度)
二氧化硫SO2/吨
(0.03公斤/度)
氮氧化合物Nox/吨
(0.002公斤/度)
粉尘微粒TSP/吨
(0.00335公斤/度)
植树/棵
(1棵/100度)
6512549
2279.4
26050
6512
195.37
13
21.8
65125
说明:
1、负载功率指光源额定功率,实际功率是指光源功率+整流器损耗+线损+变损后的总和功耗,按20%的损耗计算
2、路灯工作时间11h/天,电费按照0.82元/kWh(度)计算;
3、节能率达65.3%
五、改造模式
EMC模式(能源管理合同模式)
1、合同能源管理机制(EMC)是国际上比较先进的管理方式。
根据国际国内的EMC成功经验,主要采取以下模式:
一、设备租赁型。
如由高速公路路灯管理部门向深圳市衡立能源管理有限公司租赁LED路灯,租赁期到后LED路灯无偿转让给高速公路路灯管理部门。
高速公路路灯管理部门按月或者按季度向深圳市衡立能源管理有限公司支付LED路灯租金。
二、节能效益支付型。
如由高速公路路灯管理部门委托深圳市衡立能源管理有限公司进行路灯节能改造工程,先支付一定比例的预付款,余额用节能效益支付。
三、节能量保证型。
节能改造工程的资金全部由深圳市衡立能源管理有限公司先期提供,达到所承诺的节能量后,高速公路路灯管理部门支付节能改造工程费用。
四、节能效益分享型。
节能改造工程前期投入由深圳市衡立能源管理有限公司支付60%,高速公路公司支付40%。
合同期内深圳市衡立能源管理有限公司与高速公路路灯管理部门按比例分享由节能改造带来的降耗收益。
合同期满,节能设备及长期收益全部归高速公路公司所有。
五、能源费用长期托管型。
在保证高速公路照明能源成本降低的前提下,高速公路照明能源费用全部交由深圳市衡立能源管理有限公司管理和支付。
节能设备长期的运行管理维护、更新改造再投入均由深圳市衡立能源管理有限公司承担。
六、银行按揭型。
此方式类似于房地产按揭。
建议有关城市采用设备租赁型,或银行按揭型,或节能效益分享型,或能源费用长期托管型EMC方式。
最佳模式是节能效益分享型。
2、关于EMC的主要设想
有关高速公路路灯(EMC)节能改造建议采用以下方式:
(1)由深圳市衡立能源管理有限公司出资为山西省高速公路公司的路灯改造提供全过程的节能服务,包括项目设计、路灯生产、安装、调试、人员培训,在完成这项工作以后,交付使用;帮助高速公路公司解决钱从哪里来、技术从哪里来的问题。
(2)由深圳市衡立能源管理有限公司与山西省高速公路公司有关部门签订有关高速公路路灯(EMC)节能改造合同。
(3)项目实施后,由深圳市衡立能源管理有限公司从获得的节能收益比例中,按照一定的时间收取服务费,收取的时间为交付使用后的10年(建议最好为6年),这是一个互利多赢的合作机制。
3、EMC合作的主要流程
(1)首先由深圳市衡立能源管理有限公司与山西省高速公路公司有关管理部门商洽EMC模式,特别是节能效益分享型投资和回收方式。
(2)请山西省高速公路公司有关部门给深圳市衡立能源管理有限公司介绍路灯电费收费情况、路灯数量和功率分布情况等,以便计算投资回收周期,建议投资周期为6年。
(3)确认投资周期后,由深圳市衡立能源管理有限公司与省高速公路公司有关部门商洽EMC具体事宜。
(4)达成共识后,由省高速公路公司有关部门与深圳市衡立能源管理有限公司签订EMC投资协议。
由深圳市衡立能源管理有限公司提供专项改造资金,由深圳市衡立能源管理有限公司提供LED路灯产品,由高速公路路灯管理局进行安装,共同对高速公路路灯实行节能改造,并负责组织具体实施。
(5)请协调山西省政府有关部门根据国家相应的产业优惠政策,扶持和支持EMC路灯改造项目的顺利进行。
(6)或请高速公路公司有关部门与深圳市衡立能源管理有限公司签订类似于房地产按揭的协议书。
另按商定条件提供担保。
六、结论
1、以上节能计算是以改造的主体灯具为主,还有一部分线损耗没有计算进去(钠灯的耗电量远远大于LED路灯,所以线损耗要比LED路灯照明大)。
所以,实际节能效果要大于上面的预算结果。
2、以上价格是按照所有灯具每天照明11个小时的时间计算。
电的单价是按照人民币0.82元一度电计算。
3、通过计算得知道,“山西省高速公路LED道路照明节能改造工程项目”所有灯具全部更换成LED路灯后,每年可以节约电费533.9万元,减排6512吨二氧化碳,节约2279.4吨煤。
4、以上预算不包含灯具的维护费用,维护费用是指路灯安装后,光源损坏更换成本+人工费用+线路损耗+工程维护费用等,其维护费用按本省区域内的工程维护计算,由于传统钠灯使用年限比较短<5000小时,一年左右就要更换一批灯具,而LED光源是普通灯具使用寿命的十倍,这样每年可以节约一大笔的维护费(每年的维护费大概是350万元)。
5、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物、粉尘微粒是造成了地球大气层的变暖的元凶,世界各国政府已经积极采取对气候变化的行动,河南省进行节能改造,已经迈出了节能降耗、减少各种污染源排放的第一步。
6、由以上(1、2、3、4、5点)分析可以得出这样的结论:
节能、降耗、环保,一方面带来经济效益的同时,也极大地缓解了本地区能源紧张的局面。
符合企业和政府的可持续发展政策。
也促进了社会的稳定,为构建和谐社会、建设资源节约和环境友好型社会做贡献
附件1钠灯与LED灯的性能和品质比较
公共城市照明在照明市场上占有庞大的份额,根据统计,城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例,约439亿kwh,以平均电价0.65元/kwh计算,一年开支285亿元。
目前,广泛应用于城市公共照明的是高压钠灯,特别是在主干道上,高压钠灯可以提供120lm/W的发光效率。
但其本身的缺憾也很明显:
1、光源的光谱成分偏黄,显色指数极低;
2、灯具的寿命短,更换工作量大;
3、不便于对于灯的功率进行调节;
随着20世纪90年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现,近10年来LED技术取得了突飞猛进的发展。
白光LED的出现,以其特有的低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长(达5万小时以上)、耐振动、不易损坏、符合环保要求等优势,使半导体光源将成为城市道路照明理想的节能光源。
其显著的优点为:
★ 光效高。
目前商业化的白光LED光效已达到90-100lm/W左右,预计2年内能达到150lm/W以上,而这并非LED光效的上限,各国的专家都把其光效地目标定在200lm/W左右。
★ 寿命长。
理想的目标是10万小时,而目前商业化的白光LED寿命可到5万小时,比传统光源寿命要长10一20倍。
做成城市道路照明光源,则可以10年不换光源,大大节省了日常的维护费用。
便于对于灯的功率进行智能调节;可以附加二次光学系统,最大限度地利用LED的光能,满足各种应用场合特定的照度与光强分布。
近年来,常规化能源日趋紧张,石油、煤等常规能源价格不断攀升,特别国际油价更是达到历史高位,造成了能源供应的形势愈加严峻。
由于LED的显著优点和白光LED技术的日臻成熟,开发高效、长寿、绿色环保的半导体光源城市道路照明系统,具有十分重要的意义。
1、大功率LED路灯与传统路灯最终在路面上照度分布的比较
道路照明系统不同于一般的照明灯具,其被照明的场是一矩形区域。
表1和表2为国家路灯标准。
根据国家公路照明标准,主干道的平均照度是15lx,均匀性为0.35;次干道的平均照度是8lx,均匀性为0.35,其中均匀性为照射路面的最低照度/平均照度(Emin/Eav)。
表1国家道路照明标准CJJ45-2006
道路级别
道路类型
亮度
照度
眩光限制
诱导性
平均亮度
均匀度
平均照度
均匀度
LAV(Cd/m²)
Lmin/Lav
Eav(Lx)
Emin/Eav
Ⅰ
快速路
1.5
0.4
20
0.4
严禁采用非截光型灯具
很好
Ⅱ
主干道
1
0.35
15
0.35
严禁采用非截光型灯具
很好
Ⅲ
次干道
0.5
0.35
8
0.35
不得采用非截光型灯具
好
Ⅳ
支路
0.3
0.3
5
0.3
不宜采用非截光型灯具
好
Ⅴ
主供人行和非机动车通行的居住区
--
--
1~2
--
采用灯具不受限制
--
表2国家道路照明标准CJJ45-2006
灯具配光类型
截光型
半截光型
非截光型
布灯方式
安装高度H(m)
间距S(m)
安装高度H(m)
间距S(m)
安装高度H(m)
间距S(m)
单侧布置
H≥Weff
S≤3H
H≥1.2Weff
S≤3.5H
H≥1.4Weff
S≤4H
交错布置
H≥0.7Weff
S≤3H
H≥0.8Weff
S≤3.5H
H≥0.9Weff
S≤4H
对称布置
H≥0.5Weff
S≤3H
H≥0.6Weff
S≤3.5H
H≥0.7Weff
S≤4H
注:
Weff为路面有效宽度
按照国家道路照明标准要求,路灯在路面上理想照度分布示意图如图
(1)所示。
由于高压钠灯为全角360度发光,通常在光源背面加上一个反光装置使发出的光照射到路面上以提高能量利用。
但是由于高压钠灯光源庞大,如果缺乏有效的光学装置,高压钠灯在路面上形成的光斑通常是一个不均匀的圆斑:
中心处很亮,而在径向衰减很快。
故传统路灯在路面上照度分布示意图如图
(2)所示。
为了达到国家照明标准的均匀性要求,通常不得不提高输出功率使得周围暗斑的照度才能使主干道不小于15Lx,次干道不小于8Lx,然而大量的能量则浪费在路灯的正下方中心处和道路的外侧,从而降低了总的能量利用率。
虽然也有做配光的,但绝大部分传统路灯的配光达不到国家道路照明标准CJJ45-2006要求。
而现有的大功率LED发光源是光强分布近似朗伯源的点光源(或者由多颗晶片封装在一起,其光强分布近似面光源),而道路照明往往要求有特定形状的被照光场,如国家规定主干道路灯的照明区域为10x50平米的矩形区域。
因此要组成道路照明系统,就不能简单地将LED组合一起,这样形成的圆形光场将不利于光能的利用,无法满足国家标准对整个被照区域光照度均匀性的要求。
如果能够将LED芯片发出的光合理的分配道路面上面,在路面上面形成一个均匀照度的长方形区域,则可以在低的发光效率下实现高于高压钠灯的能量利用率。
大功率LED路灯通过合理的光学设计,最终在路面上的照度分布示意图如图(3)所示。
图(3)大功率LED路灯在路面上的照度分布市意图
2光源特性的比较照明工程师社区F_I,`F__9V_|
LED作为新型光源,具有寿命长、发光效率高、功耗低、启动时间短、显色指数高、工作温度低、结构牢固、不怕震动、方向性好、工作电压低、无紫外辐射、重量轻等众多优点,而这些恰恰又是传统路灯所存在的缺点。
1) 寿命方面的比较
LED属于半导体器件,是一种固态光源,发光原理完全有别于传统光源,它内部没有灯丝,而是通过半导体材料中不同载流子之间的交换发光,从而完全避免了常规光源由于灯丝损坏而造成光源报废的问题,也完全解决了常规光源在强震动环境下难以长时间工作的难题。
CREE、PHILIPS、SSC等国际著名LED生产商的大功率白光LED寿命都超过50000小时(光衰小于30%)。
如果按照每天使用10小时计算,一盏LED灯可以使用10年以上。
而传统路灯所用光源中平均寿命较长的也是20000h左右。
2)光效方面的比较
目前商业化的白光LED光效已达到90-100lm/W左右,预计2年内能达到150lm/W以上,而这并非LED光效的上限,各国的专家都把其光效地目标定在200lm/W左右。
且其显色性基本上不受光效高低的影响。
就现在市面上的光源的光效来说,高压钠灯应是较高的,也是道路照明经常用到的光源,其目前的光效约在120lm/W左右,但高压钠灯光效越高,其显色性也就越低;相反,低光效的高压钠灯,其显色性就高。
3)启动特性方面的比较
由于LED属半导体范畴,其发光原理是:
p区带有过量的正电荷(通常称为空穴),
n区带有过量的负电荷(通常称为电子),当正向导通的电压加在这个半导体材料的pn结上时,电子就会从n区向p区移动。
在p区和n区的交界处电子和空穴发生复合,复合过程中能量就会以光的形式从LED中发射出。
所以,只要有合适电压加在pn结上,在pn处就马上有光发出来,没有所谓的响应时间。
此外,它还可以完全调光。
传统路灯的光源在启动时,不是需要其它器件在灯泡两极上产生临时高压以激活相应气体才能点亮灯具;就是先要预热灯丝,使用其达到合适亮灯条件才能启动,并且是慢慢起动。
4)显色指数方面的比较
人类在长期的生产生活实践中,已经完全习惯于在日光下辨认颜色。
随着照明技术的发展,许多新光源的开发利用,人们开始需要经常在不同的环境下辨认物体颜色。
有些灯光的颜色与日光比较相似如荧光灯、金卤灯等,还有些灯光的颜色与日光有较大差异,如钠灯、装饰用的彩灯等,人们在这些光源下观察到的物体颜色与日光下看到的颜色是不同的,这就涉及到光源的显色性问题。
所谓光源的显色性,指光源照射到物体上,反映物体本身颜色的程度,也就是颜色逼真的程度。
光源的显色性是由显色指数Ra来表明,它表示物体在灯光下的颜色比在基准光(太阳光)下时颜色的偏离,能比较全面反映光源的颜色特性。
显色性高的光源对颜色表现较好,我们所见到的颜色也就接近自然色,显色性低的光源对颜色表现较差,我们所见到的颜色偏差也较大。
国际照明委员会CIE把太阳光的显色指数定为100,各类人造光源的显色指数各不相同,如:
高压钠灯显色指数Ra=20~25左右,荧光灯管显色指数Ra=60~80。
一般说来,光源的显色指数只要大于70以上,就能比较真实地反映出物体的颜色而不至于有较大的失真,显示效果较好;显色指数在30以下,则显色效果会较差。
LED灯具采用白色LED光源,显色指数可达到75~80,视觉效果要明显优于高压钠灯,因此在实际应用中,如果采用LED光源照明灯,只需要较低的亮度就可以达到比较满意的照明效果,从而降低了电源的功耗。
在同等视觉条件下,LED灯相对于高压钠灯可节电60~70%左右,相对于白炽灯,可节电80~90%左右。
5)抗震性能方面的比较
由上述LED发光原理可知,LED是用环氧树脂将晶片封装起来的固态光源,其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件。
LED是一种全固体结构,因此能够经受得住震动、冲击而不易引起损坏。
传统路灯上所用的光源中,均有玻璃泡和灯丝等易损坏的部件,所以在拿或运输这些光源时都要轻拿轻放,以免损坏灯泡。
6)色温方面的比较
LED光源的发光颜色和色温都可以灵活选择。
一般户外白光LED的色温可以在2700K~7000K之间无级自由选择。
传统路灯上所用光源的色温基本上固定死了的,也就是一种光源不管怎么制造,其色温基本是固定的,如高压钠灯的色
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