關(guān)于道路照明碳達(dá)峰、碳中和路徑的探討

陳壬賢，趙弘昊

（北京市道路照明管理中心，北京 豐臺 100078）

0 引言

2020年9月，中國在第75屆聯(lián)合國大會上提出“雙碳”目標(biāo)。在照明行業(yè)“雙碳”行動方面，2022年6月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)展改革委《關(guān)于印發(fā)（建標(biāo)〔2022〕53號）要求，“提高基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行效率，推進(jìn)城市綠色照明，加強(qiáng)道路照明規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)運(yùn)營全過程管理，控制過度亮化和光污染，到2030年LED等高效節(jié)能燈具使用占比超過80%，30%以上城市建成照明數(shù)字化系統(tǒng)?！?022年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)展改革委印發(fā)《“十四五”全國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，要求“促進(jìn)城市生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型，積極發(fā)展綠色照明，加快道路照明節(jié)能改造，防治城市光污染。

1 碳排放核算邊界

道路照明運(yùn)行過程的碳排放，包括道路照明設(shè)施運(yùn)行中消耗外購電力的碳排放，以及設(shè)施維護(hù)過程中化石燃料燃燒、消耗外購熱力產(chǎn)生的碳排放。其中道路照明燈具年運(yùn)行時間超過4 100 h，其消耗外購電力所產(chǎn)生的碳排放，是道路照明碳排放的主體，也是道路照明領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵，因此本文對此進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2 碳排放的影響因素

道路照明雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，受到道路照明需求增長與碳減排雙重條件的約束。其中道路照明的需求本質(zhì)上是對夜間能見度的需求，進(jìn)而是對可見光的需求，這是開展能耗及碳排放管理的源頭和基礎(chǔ)。受到2方面因素的影響，未來道路照明整體光需求仍然處于增長的態(tài)勢。 根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《城市照明管理規(guī)定》，新建、改建城市道路項(xiàng)目的功能照明裝燈率應(yīng)當(dāng)達(dá)到100%。隨著城鎮(zhèn)化率的持續(xù)提升、城市路網(wǎng)密度的提升，城市道路總里程仍將持續(xù)增長，相應(yīng)地道路照明設(shè)施數(shù)量也將持續(xù)增加。根據(jù)《“十四五”全國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中城市建成區(qū)路網(wǎng)密度7.07 km/km2的基數(shù)，以及8 km/km2的規(guī)劃目標(biāo)，在不考慮建成區(qū)范圍增長的情況下，道路里程仍將有13%的增長。 人民群眾對宜居照明環(huán)境更高的向往、對照明質(zhì)量要求的提高，也將促使道路照明設(shè)施的數(shù)量、總功率有所增長?！丁笆奈濉比珖鞘谢A(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》要求，開展城市照明“有路無燈、有燈不亮”專項(xiàng)整治，消除城市照明的盲點(diǎn)暗區(qū)，照明照（亮）度、均勻度不達(dá)標(biāo)的城市道路或公共場所增設(shè)或更換路燈。

為此，圍繞城市生產(chǎn)生活對于可見光的本質(zhì)需求，可根據(jù)道路里程、路寬、裝燈率、照度值、各調(diào)光等級調(diào)光率及運(yùn)行時長、光利用率、燈具光效、線損率、電網(wǎng)碳排放因子測算道路照明設(shè)施自身運(yùn)行產(chǎn)生的年度碳排放，各等級道路分別計(jì)算后加總得到總體的碳排放。

3 道路照明低碳轉(zhuǎn)型路徑

道路照明是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)系到人民群眾夜間出行交通安全、治安環(huán)境和社會穩(wěn)定，是城市正常運(yùn)行的剛性需求。道路照明低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在節(jié)能。具體地可以分為碳達(dá)峰、深度低碳、碳中和3個階段。

3.1 碳達(dá)峰路徑

道路照明碳達(dá)峰的主要措施，就是對存量設(shè)施進(jìn)行節(jié)能改造。照明設(shè)施的電力消耗包括供配電環(huán)節(jié)的損耗和終端用能設(shè)備即路燈燈具的能耗。一方面，燈具自身的能耗是電力消耗主體，因此燈具節(jié)能改造的投入產(chǎn)出比最大，節(jié)能效果最明顯。另一方面，近幾年LED路燈技術(shù)快速進(jìn)步，無論是燈具光效還是使用壽命，都有了巨大的提升，這也給燈具的節(jié)能改造提供了絕好的條件。

以60 W以上、色溫3 000 K路燈為例，GB/T 31832-2015《LED城市道路照明應(yīng)用技術(shù)要求》要求的光效是90 lm/W，GB 37478-2019 《道路和隧道照明用LED燈具能效限定值及能效等級》中一級能效的要求是130 lm/W，《重點(diǎn)用能產(chǎn)品設(shè)備能效先進(jìn)水平、節(jié)能水平和準(zhǔn)入水平（2022年版）》中先進(jìn)水平的要求是160 lm/W，能效標(biāo)準(zhǔn)不斷提升。目前存量的高壓鈉燈等氣體放電燈，燈具整體光效平均在80～85 lm/W，按GB 37478-2019 中一級能效標(biāo)準(zhǔn)，維持燈具光通量不變來進(jìn)行改造，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能35%。對早期安裝的存量LED路燈（光效90 lm/W）進(jìn)行節(jié)能改造，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能31%。

《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》要求，到2030年LED等高效節(jié)能燈具使用占比超過80%。由于LED路燈正常使用壽命（光通維持壽命）一般在10年以內(nèi)，隨著存量燈具運(yùn)行時間的增加，有必要逐步進(jìn)行更新改造，并結(jié)合設(shè)施更新實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

當(dāng)前LED路燈應(yīng)用中，使用較廣泛的是GB 37478-2019 中一級能效標(biāo)準(zhǔn)的路燈（光效130 lm/W）。按此標(biāo)準(zhǔn)，老舊路燈節(jié)能改造的平均節(jié)電率按30%保守估計(jì)，到2030年照明設(shè)施數(shù)量增長率按13%計(jì)，并完成 50%存量設(shè)施的節(jié)能改造，則屆時照明能耗為當(dāng)前的94.1%。以上結(jié)果的測算，一方面受到城市道路實(shí)際里程增長速度不確定性的影響，另一方面也取決于照明節(jié)能改造的實(shí)際節(jié)電率，以及改造項(xiàng)目實(shí)際開展情況。

3.2 深度低碳路徑

道路照明碳減排，需要以滿足正常照明需求為前提，借助常規(guī)的節(jié)能改造可實(shí)現(xiàn)道路照明碳達(dá)峰，但深度減碳，則需要更加嚴(yán)格和極致的節(jié)能措施，以達(dá)到更高的節(jié)電率。主要包括推廣高能效燈具，以及消除光在空間和時間上的一切浪費(fèi)。

3.2.1 提升燈具光效標(biāo)準(zhǔn)

由于節(jié)能改造采用的路燈光效與節(jié)電率成正比，光效標(biāo)準(zhǔn)的提高將顯著提升節(jié)能效果、降低碳排放。中國市政工程協(xié)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CMEA 37-2023《道路照明用LED燈具評價標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定60 W以上、色溫 <3500K 路燈的1級能效標(biāo)準(zhǔn)是175 lm/W。以此替換90 lm/W的LED路燈，節(jié)電率可達(dá)到49%。當(dāng)采用60 W以上、色溫3 500～5 000 K的燈具時，光效和節(jié)電率還可進(jìn)一步提升。

3.2.2 消除光在空間上的浪費(fèi)

傳統(tǒng)的氣體放電燈，其利用系數(shù)在0.4～0.5，也就是說有50%～60%的光并未照射到需要的表面。通過配光的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，LED路燈的利用系數(shù)可以達(dá)到0.5～0.7，將利用系數(shù)從平均0.45提高到平均0.6，光的空間利用率得到提高，相應(yīng)地能耗可以進(jìn)一步降低。

燈具光效和利用系數(shù)的大幅度提升，綜合起來就能夠?qū)崿F(xiàn)道路照明功率密度值（LPD）的顯著下降。表1對節(jié)能改造前后的LPD值進(jìn)行了對比。其中節(jié)能改造前的LPD值參照CJJ 45-2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。

表1 機(jī)動車道的照明功率密度值的前后對比

消除光在空間上的浪費(fèi)，還有很重要的一點(diǎn)是解決燈樹矛盾的問題。在建成區(qū)的道路中，樹木對道路照明遮擋的問題較為普遍。這不僅帶來交通安全隱患，也帶來能源的浪費(fèi)。因此在規(guī)劃建設(shè)環(huán)節(jié)，需要科學(xué)設(shè)置燈和樹的空間關(guān)系，防止樹木生長后對照明造成嚴(yán)重遮擋。在運(yùn)行環(huán)節(jié)，應(yīng)由相關(guān)部門及時修剪遮擋照明的枝葉，消除因樹木遮擋帶來的無效照明，避免能源的浪費(fèi)。

3.2.3 消除光在時間上的浪費(fèi)

光的需求要以人的活動、開展的作業(yè)為基礎(chǔ)，低的作業(yè)水平、低的人流車流，甚至是無人、無車活動的情況下，仍保持高水平的照明，帶來極大的浪費(fèi)?！鞍葱枵彰鳌笔沁M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)照明領(lǐng)域深度減排的有效途徑。當(dāng)前信息通信基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，為消除照明用光在時間維度上的浪費(fèi)，精準(zhǔn)地、最低能耗地滿足照明需求帶來了可能性。

CJJ 45-2015明確，宜根據(jù)所在道路的照明等級、夜間路面實(shí)時照明水平以及不同時間段的交通流量、車速、環(huán)境亮度的變化等因素，確定相應(yīng)時段需要達(dá)到的照明水平，通過智能控制方式，調(diào)節(jié)路面照度或亮度。但經(jīng)過調(diào)節(jié)后的快速路、主干路、次干路的平均照度不得低于10 lx，支路的平均照度不得低于8 lx。

根據(jù)GB/T 51328-2018《城市綜合交通體系規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》，干線道路（快速路、主干路）、集散道路（次干路）、支線道路（支路）規(guī)劃占比平均約為2∶1∶7。按此測算未來各級城市道路里程、道路面積，再根據(jù)不同等級道路照明的照度要求，測算需要的總光通量需求，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)不同道路等級的LPD限值的均值（照度取高檔），測算節(jié)能改造前、節(jié)能改造后及實(shí)施調(diào)光后3種場景的總用電量。其中年運(yùn)行時間按4 100 h計(jì)算。實(shí)施調(diào)光后，快速路、主干路、次干路每天夜間調(diào)光5 h（23:00-04:00），平均照度調(diào)整到10 lx。根據(jù)CJJ 45-2015，支路調(diào)光不得低于8 lx。但由于許多支路夜間車流、人流稀少，持續(xù)維持8 lx的照度水平仍存在能源的浪費(fèi)。充分利用視頻監(jiān)控、紅外傳感等設(shè)備，在支路無行人行車時將照度調(diào)到極低水平（3 lx），在感應(yīng)到行人行車時將照度恢復(fù)到高水平，將消除光在時間上的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)深度的節(jié)能降碳。按此測算道路照明改造以及實(shí)施調(diào)光后的能耗情況，結(jié)果如表3所示。

表3 城市道路照明運(yùn)行的總體能耗測算

由表3可知，實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能改造后，綜合考慮燈具能效和光利用率的提升，節(jié)能平均可達(dá)到56%。采用深度的調(diào)光策略，節(jié)能效果疊加后，總節(jié)電率可達(dá)到69%。由此，在不考慮電網(wǎng)碳排放下降的情況下，通過極致的節(jié)能手段，大約可實(shí)現(xiàn)70%的節(jié)能。以上節(jié)能效果，需要以傳感技術(shù)、單燈調(diào)光及通信技術(shù)進(jìn)步和全面推廣為前提方可實(shí)現(xiàn)。

3.3 碳中和路徑

在完成碳達(dá)峰、深度碳減排的基礎(chǔ)上，道路照明行業(yè)要實(shí)現(xiàn)碳中和，深度參與新型電力系統(tǒng)構(gòu)建是必由之路。一方面，隨著電網(wǎng)碳排放因子的下降，道路照明的碳排放將隨之降低。另一方面，可充分發(fā)揮道路照明的優(yōu)勢，在碳中和中主動作為。

3.3.1 谷段充分消納清潔能源

道路照明用電有相當(dāng)一部分時間處于谷段，在電力供應(yīng)上可以充分使用綠電。在道路照明各終端用電設(shè)備通過單燈監(jiān)控技術(shù)充分實(shí)現(xiàn)在線化的基礎(chǔ)上，可以提供全面精準(zhǔn)的實(shí)時電力需求側(cè)數(shù)據(jù)。以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可形成精準(zhǔn)的道路照明分時電量預(yù)測，能夠更好地參與電網(wǎng)清潔能源消納。

3.3.2 從電力消費(fèi)到電力生產(chǎn)

由于路燈設(shè)施具備高聳燈桿、白天輕載設(shè)備和線路的優(yōu)勢條件，隨著智慧多功能燈桿的推廣，燈桿上加載的監(jiān)控、通信基站、充電樁等日間負(fù)荷不斷增加?？梢岳脽魲U加裝分布式光伏發(fā)電設(shè)備，為本地負(fù)荷就近提供清潔能源，最大程度地減少清潔能源的輸配損耗，具體分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型2類。

并網(wǎng)型光伏路燈，安裝于燈桿上的光伏設(shè)備發(fā)電后，可直接供給日間用電負(fù)荷，也可通過電池存儲，在尖峰時段、高峰時段放電，起到削峰填谷的作用。在不增加電網(wǎng)投資的前提下實(shí)現(xiàn)分布式電源全額就地消納。

離網(wǎng)型光伏路燈，通過綜合考慮冬季環(huán)境溫度低、太陽能輻射量低、負(fù)載日工作時間長等多種約束條件，改進(jìn)光伏路燈配置及運(yùn)行控制策略，使得光伏路燈能夠離網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能源自給自足，同時確保高可靠性。在離網(wǎng)型光伏路燈中配備單燈通訊模塊，納入道路照明監(jiān)控平臺進(jìn)行管控，以確保開關(guān)燈控制的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性，并能夠根據(jù)不同天氣情況采取靈活的運(yùn)行控制策略。由此解決時控在運(yùn)行一段時間后發(fā)生時間誤差、在惡劣天氣下無法根據(jù)天然光照度變化進(jìn)行人性化的開關(guān)燈問題，以及光控由于受到環(huán)境污染等因素，導(dǎo)致同一條路的亮燈時間不一致的問題。

3.3.3 為自動需求響應(yīng)創(chuàng)造條件

道路照明中的智慧多功能燈桿在深化運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)基礎(chǔ)上，可通過智慧照明監(jiān)控平臺與電網(wǎng)對接，建立自動需求響應(yīng)機(jī)制，在安全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)分鐘級的調(diào)光，配合削峰填谷，使得負(fù)荷調(diào)度真正成為可能。利用路燈設(shè)施白天負(fù)載率低甚至空載的條件，為電動汽車V2G調(diào)峰填谷提供便利條件。路燈設(shè)施從傳統(tǒng)的純電力消費(fèi)用戶，變?yōu)榱藚⑴c分布式光伏發(fā)電、V2G調(diào)峰填谷的電力雙向設(shè)備，深入?yún)⑴c到新型電力系統(tǒng)構(gòu)建當(dāng)中。

3.4 低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)度

道路照明低碳轉(zhuǎn)型的進(jìn)度，須考慮幾方面因素。

技術(shù)成熟度。在燈具能效方面，目前市場上產(chǎn)品的能效水平參差不齊。能效的先進(jìn)水平與準(zhǔn)入水平相差達(dá)到60%，給節(jié)能效果帶來較大不確定性。目前高光效燈具技術(shù)相對成熟，進(jìn)一步提升能效準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，有助于推動節(jié)能減排加快進(jìn)度。在調(diào)光控制方面，按時間段調(diào)光技術(shù)相對成熟，可通過單燈監(jiān)控終端的普及、調(diào)光運(yùn)行方式的推廣實(shí)現(xiàn)深度節(jié)能。根據(jù)人流車流數(shù)據(jù)深度調(diào)光節(jié)能效果顯著，適合后半夜人流車流稀少的支線道路，其技術(shù)方案需要盡快開展試驗(yàn)和落地應(yīng)用。

政策落地和標(biāo)準(zhǔn)配套。目前國家對于照明低碳轉(zhuǎn)型有明確的政策支持，需要加快節(jié)能改造的落地實(shí)施。同時隨著強(qiáng)制性工程建設(shè)規(guī)范的實(shí)施，原來作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文的能耗控制指標(biāo)，也需要加快修訂，并考慮將道路照明能耗控制指標(biāo)納入全文強(qiáng)制性規(guī)范中。

節(jié)能的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在經(jīng)濟(jì)效益方面，由于電力供應(yīng)成本近中期波動上升，中遠(yuǎn)期先進(jìn)入平臺期然后逐步下降[1]，及早實(shí)施節(jié)能改造能夠?qū)崿F(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著電價市場化改革的推進(jìn)，夜間的谷段電價有所上升，也為社會資本參與節(jié)能改造提供了更強(qiáng)的激勵。在社會效益方面，隨著清潔能源發(fā)電比例的逐步提升，電網(wǎng)碳排放因子將持續(xù)下降。在近期加快開展深度的節(jié)能改造，對于減少累積碳排放量有較好的效果。