交通基础设施照明节能技术研究与示范

1、一、 项目的背景和必要性1.1项目背景随着我国交通基础设施建设的快速发展和不断完善，与之配套的照明设施的规模和数量也随之增加，照明耗电量越来越大，运营的电力费用也越来越高。以隧道照明为例：截至到2008年我国公路隧道总里程已经超过3190公里，根据对各地高速公路隧道照明的费用调查，每月的费用在24万元/公里之间，个别超过5万元/公里，按上述标准估算，一年的照明费用约为13亿元，相当于消耗约57万吨标准煤，排放二氧化碳约160万吨。因此，隧道照明能源消耗及费用支出已经成为公路运营过程中的巨大负担。此外，高速公路的互通立交照明、桥梁景观照明、服务区照明、收费广场照明等高额运营费用也已经成为管理者头

2、痛的难题！同时，港口照明运营中存在着大量电能浪费的现象，安全生产和运营节能的矛盾也比较突出。截至2008年底，全国港口数量为413个，初步估算全国港口照明灯具约320万盏，总功率约为 230万KW。按每天照明10个小时，电费0.8元/度计算，一年电费约为67亿元，相当于消耗280万吨标准煤，排放二氧化碳量740万吨。因此，高额照明费不仅给港口运营造成很大的经济负担，同时也造成了大量的能源浪费和环境污染。综上所述，交通基础设施照明中高负荷的用电量以及高额的运营费用已成为交通行业面临的现实问题，如何降低照明费用，节约能源，保护生态环境是目前亟待解决的问题。照明灯具能耗指标同时与光源效率和灯具效率有

3、关，而光源效率和灯具效率分别取决于光源和灯具核心部件-反射器。目前，国内外科研人员主要致力于光源的研究来解决节能降耗问题，诸如无极灯、LED灯等，但是这些光源还处于试用阶段，性价比低，还不具备大规模推广使用的条件。而在灯具反射器方面，国内外仍然大量采用铝板反射器，光效仅有60%左右，光源发出的光能大部分被损失，能量利用率不高，在反射器新材料新工艺从原理上没有本质意义上的突破。在我国的十一五规划中明确提出：“建设资源节约、环境友好型社会”的发展目标。2010年4月28日，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，部署进一步加大工作力度确保实现“十一五”节能减排目标，并提出实行严格问责制。交通运输部

4、李盛霖部长也提出了“推进现代交通运输业发展和建设资源节约型、环境友好型行业”，并在2010年全国交通运输工作会议上强调进一步加强节能减排工作。同时，今年3月中国节能协会交通运输节能专业委员会在京正式成立。由此可见党中央以及交通行业对节能工作高度重视。因此，在当前交通系统大力开展节能降耗工作的关键时期，以新型发射器的研制为突破口，开展交通基础设施照明节能技术研究是十分必要和及时的。本项目依托军转民用专利技术，将开发具有自主知识产权的高效节能灯具替代进口大功率照明产品，具有重要的学术意义与实用价值。新型节能灯具预计节能效果在30%以上，按此计算，仅隧道和港口照明一年就能节省电费约24亿元，相当于节

5、约用煤100万吨，减少二氧化碳排放量270万吨，节能潜力巨大。研究成果不仅对我国交通行业节能减排工作具有重要的实际意义，同时对其它行业的照明节能也有很大的参考价值。 1.2 研究目的依据交通基础设施对光照的特殊要求，通过开发应用高效节能灯具与高效光源匹配，同时合理规划布局，采用智能控制技术调控光照强度，可以很大程度上提高照明效能，实现互通立交、桥梁景观、服务区、收费广场、隧道、港口等区域照明节能降耗，切实推进节能减排工作。二、项目前期科研及工作基础2.1国外研究现状国外从20世纪40、50年代就开始进行交通基础设施照明技术的研究，技术相对成熟。西方发达国家进行了大量研究，包括灯具的外观、结构、

6、外壳材料、传统反射器材料性能改进以及人工智能控制等等，并取得了一定得研究成果。如美国通用、德国欧司朗、荷兰飞利浦、英国索恩等都非常重视照明的系统研究，拥有自己的研究中心和试验中心，基本与工业照明技术进步同步。在交通基础设施照明方面，光源从白炽灯、汞灯过渡到大量使用金属卤化物灯和高压钠灯，直至现在逐渐被人们采用的无极灯和发光二极管。在灯具方面除了从结构、外观质量、功能和重量轻化作了大量工作，也对灯具的外壳材料、传统反射器材料、密封材料，包括灯具的光学特性、灯具和隧道的匹配进行了大量的研究，从而使这些国家生产出来的隧道灯具不仅能提高隧道照明质量，保证行车安全性和舒适性，而且灯具造型美观，重量轻，光

7、效高，互换性好。但是，对灯具核心部件即反射器新材料新工艺从原理上没有本质意义上的突破，仍然大量采用铝板反射器，只是在铝板材质性能，表面工艺处理上有所提高。2.2国内研究现状近年来，随着我国交通基础设施建设的大发展，照明设施的规模及数量越来越大，照明质量和照明运营电费也成为公路运营的一个重要问题。为了提高照明质量，降低照明能耗，最近几年我国科研人员开始尝试采用节能灯诸如无极灯、LED灯等光源具替代传统的高压钠灯。例如：云南省昆安高速公路小河边隧道和江西九景高速公路隧道中采用的无极灯，重庆渝遂高速公路某隧道和沪蓉国道主干线支线分水岭(鄂渝界) 至忠县高速公路上的望天堡隧道采用的LED灯。目前在城市

8、景观照明等领域得到了广泛应用。但LED、无极灯照明灯具仍属于新型产品，还没有相应的国家或行业标准对其质量进行规范，各企业生产的产品性能指标参差不齐，其产品的光通量、灯具的配光性能、发光效率、光源衰减特性、电源可靠性等指标的节能可靠性有待进一步完善。另外目前该类灯具的初装成本还比较高，并不具备大规模推广使用的条件。因此，目前高压钠灯仍是公路、港口照明的主要光源。在灯具方面， 我国对照明灯具的研制起步晚，基础差，设计、制造出来的灯具与国外相比存在着较大的差距。除哈尔滨工业大学、复旦大学、重庆交通科研设计院等少数单位拥有研究条件和一定的试验设备，大部分灯具厂家缺乏研究条件和试验设备，技术、工艺和装备

9、落后，自主开发灯具能力差，目前主要以仿制为主，缺乏自主知识产权。此外，灯具反射器仍然大量采用铝板反射器，在新材料新工艺上缺乏深入研究。综上所述，从目前情况看，国内外研究都致力于光源的研究来解决节能降耗问题，但依然采用灯具效率只有60%左右的铝板反射器。缺乏通过反射器的新材料新工艺的研发来降低照明能耗的研究。我国对交通基础设施灯具的特殊要求缺乏深入的研究，尤其缺少优化灯具反射器材料及灯具面型方面的研究。因此，在以高压钠灯为主要光源的现实情况下，本项目希望研制新型灯具反射器与高光效节能灯具，通过提高灯具效率达到节能降耗的目的。同时，新型灯具的研制可以与LED、无极灯等新型光源最佳匹配，最终从整体层

10、面上降低照明能耗，实现绿色照明并造福人类社会。参考文献1 Dubberley M, Agogino AM, Horvath A. Life-cycle assessment of an intelligent lighting system using a distributed wireless mote network. Digital objeet Identifier. 2004, 122-127.2 Miki M, Hiroyasu T, Imazato K. Proposal for an intelligent lighting system and verification o

11、f control method effectiveness. Digital Objeet Identifier. 2004, (1): 520-525.3 Tae Jin Park, Seung Ho Hong. Development of an experimental model of BACnet-based lighting control system. Digital Objeet Identifier. 2006, 114-119.4 陈颜华. 公路隧道照明灯具的现状与发展趋势. 照明工程学报, 2002, 13(9): 55-61.5 陈仲林. 高速公路隧道照明节能研究.

12、 灯与照明, 2008, 32(3): 6-306 陈彦华. 公路隧道照明灯具的现状与发展趋势. 照明工程学报, 2002, (9): 55-587 刘宝川. 隧道照明技术. 中国照明电器, 2000, 3: 9-10.8 涂酝. 公路隧道节能照明设计探讨. 灯与照明, 2007, 2: 37-39.9 夏永旭. 公路隧道照明问题及对策. 西部交通科技, 2008, (1): 5-6.10 赵忠杰. 高等级公路隧道照明技术设计与研究. 西安公路交通大学学报, 1999, 4: 55-57.11 张惠玲，王晓雯. 城市道路照明设置与节能探讨. 重庆交通大学学报( 自然科学版), 2007, 26

13、: 106-109. 2.3前期的科研工作基础申请单位科研实力雄厚交通运输部科学研究院是交通运输部直属的一所综合性科研机构，其在交通节能环保、智能交通系统开发、交通信息化工程设计和交通IT硬件与应用软件开发方面具有雄厚的科技实力，经过多年的发展已成为该领域重要的研发和科技创新基地。长期以来承担了大量类似的研究项目，取得了多项科研成果。截至2009年底，全院共有事业编制职工约400人，企业编制职工约200人，正高级职称人员26人，副高级职称人员约80人，国务院参事1人，享受政府特殊津贴10人，国家级有突出贡献专家2人，入选国家“百千万”人才工程2人，交通运输部“十百千”工程4人，获“交通青年科技

14、英才”称号5人。科研队伍整体层次高、专业覆盖面广、实力雄厚，完全可以完成本研究的内容。哈尔滨工业大学光学目标仿真与测试技术研究所是宇航技术国家试验室（国家最高级别实验室，全国总共有20个）的重要组成部分，并有空军、二炮、海军军代表常驻，主要从事光学目标仿真与测试技术的研究。为武器系统的研制提供设计、测试、试验、评估、演示手段，为光学成像导引系统的研制提供保障技术，开展光学成像导引新技术的研究及相关系统的开发。拥有一支以光学专家为核心、综合光机电三个领域的科研开发队伍。具有独立的科研开发生产能力。目前研究所在职员工138人，其中教授6人，副教授（含高工）17人，博士12人，硕士学位38人，直接从

15、事研发工作的人员有86人，全部是本科以上的学历。有10多年研发、生产高效节能照明灯具的经验，已经在工业照明领域实现产业化，大批量产出，获得多项专利，具备完成研发隧道照明灯具和港口照明灯具的的优势和条件。申请单位具备较好的前期工作基础目前，交科院和哈工大光学所针对高效节能灯具的研制及试验已经开展，实验室研制工作已经初显成效，并且已经在港口高杆灯上进行了小试试验，节电率达到了30%以上，取得了很好的节能效果，为公路、港口照明节能灯具的研制和应用工作的开展奠定了坚实的基础。现将高效灯具在铁路照明中的初步试验结果表述如下：试验时设置两组灯具进行比对，每组8套灯具，第一组是250W高压钠灯高效节能灯具，

16、第二组是400W普通高压钠灯灯具，分别进行不同距离（100、150、200、250米）处垂直照度的测定，结果见图1。通过技术指标的比较表明：在满足照度要求的前提下，高效节能灯具节电效果显著，节电率为（400W-250W）/400W37.5%。同时高效灯具还将照度提高2-4倍，在节能降耗的基础上提高了照明质量。250w钠灯高效节能灯具 400w钠灯普通灯具图1 不同灯具照度比较三、项目实施方案3.1研究内容高效灯具反射器的研发通过采用新型材料、改进表面工艺处理等手段，按几何光学理论，包括光反射可控的原理，镜面反射原理，根据材料的光学性能和灯具的面形，结合交通基础设施照明的特殊使用条件，研究开发出

17、高光效、低光衰的高效照明灯具反射器。 公路照明节能灯具的研制（1）隧道节能灯具的开发和应用研究由于安全行车对不同隧道区域段的光照亮度有不同要求，在结构设计中应用计算程序，分析优化各种非对称非常规复杂光学系统，研究开发适用于高速公路隧道入口段、过渡段、基本段、出口段等不同隧道区段的照明灯具面形，研制高效节能灯具。（2）高速公路附属设施节能照明灯具面型研究在满足现行的城市道路照明设计标准的前提下，针对公路服务区、互通区以及收费站等照明区域，开发不同面型的高光效节能高杆灯具和路灯灯具，以达到节能降耗目的。3.1.3港口照明节能灯具的研制根据港口不同区域段的光照亮度要求，研制港口内不同照明区域的灯具，

18、包括港口枢纽区码头、堆场、作业区、铁路灯桥和路灯等的照明灯具。同时针对港口枢纽区内照明的恶劣工况，如粉尘大、风力大、湿度大、腐蚀性强等特点，进一步展开港口枢纽区照明灯具性能改进的应用研究。灯具与不同光源匹配研究探索高效节能灯具与新兴光源如LED、无极灯的匹配，通过配光选型和配光设计，以达到灯具最佳配光性能，以期灯具与新兴光源优势互补，最终从整体层面上降低照明能耗。3.1.5交通基础设施照明节能技术示范 研究成果在依托工程上应用示范，解决依托工程照明节能问题。3.2技术路线首先，对目前灯具面型及结构的合理性、光学玻璃和复合材料反射器和灯具初步智能控制理论等做调研和分析，并提出相应的优缺点分析论证

19、；其次，从优化复杂光学系统和优化照明灯具面形、新型反射器的研制、灯具智能控制器研制等几个角度展开相应的研究工作，并提出部分研究成果；最后，将部分研究成果用于示范工程节能照明中，并开展相关设备的现场测试，进行实际验证。本项目的主要技术路线见图2交通基础设施照明节能技术研究总报告资料查阅现场调查理论分析室内测试现场实验专家咨询指南示范工程高速公路照明节能灯具的研制反射器的优劣、灯具面型结构合理性分析港口照明节能灯具的研制新型反射器的研制优化照明灯具面形灯具和不同光源的匹配研究图2技术路线图3.3研究期限本项目研究期限从2011年7月至2013年6月，共24个月，具体的项目进度安排如下：2011.7

20、-2011.9 进行相关的技术调研，确定技术路线，完成大纲评审。2011.10-2012.7 完成与研制产品密切相关的计算程序、产品研制，编制照明灯具及控制设计参数指南。2012.8-2012.10 进行实验室内灯具测试。2012.11-2013.2 进行现场比对试验，编制灯具定型及控制模式手册。2013.3-2013.7 进行课题结项，完成验收工作。本项目研究时间需24个月。研究进度计划见图3。进度内容1171181191110-12121-7128-101211-12131-2133-7制定项目工作计划资料收集、实地调研确定技术路线，完成大纲评审反射器镀层研究、优化公路照明节能灯具开发港口

21、照明节能灯具开发灯具室内试验灯具/控制系统现场试验提交研究报告召开专家鉴定会图3 研究进度计划3.4 本项目主要创新点（1）高光效灯具反射器的研制（2）公路隧道内不同照明段的专用系列灯具的研制（3）特殊三防要求的港口高效照明系列灯具的研制（4）高效节能灯具与不同光源的最佳匹配四、项目依托工程情况及其他必要支撑条件（1）大保高速公路处于大理州和保山市境内，路线起于漾濞县平坡镇，止于保山大官市，全长165.84千米，西与正在建设的保山至龙陵高速公路相接，东与楚大高速公路相连， 1998年9月开工建设，2002年9月全线建成投入使用。项目总投资70.4亿元，双向四车道，拥有12座隧道，单洞总长22.

22、354千米。（2）楚大高速公路位于楚雄彝族自治州和大理白族自治州境内，路线起于楚雄市达连坝，止于漾濞县平坡镇，全长179.279千米。 楚大高速公路东接安楚高速公路，西接大保高速公路，1995年11月8日开工建设，1999年5月全线建成投入使用。工程总投资52.92亿元，双向四车道，拥有九顶山、大风坝两座隧道，单洞总长7.858千米。（3）广西钦州港位于我国南海北部湾中部的钦州湾内，年货物吞吐量约为2100万吨，现有泊位39个，其中10万吨级泊位2个、7万吨级泊位2个、5万吨级泊位5个，5000吨以下级泊位26个。港口基础设施依然在不断完善，钦州港目前在建泊位14个，其中10万吨级泊位2个、5万吨级泊位1个、5000吨级以下泊位9个。从依托工程实际情况综合来看，本项目的研究内容不仅能依托实际工程开展，解决工程中的高能耗问题，而且能很好的指导实体工程建设。本项目时间计划也能与依托工程施工进度很好的吻合。从依托工程实际情况综合来看，两条高速公路都需要进