公路隧道節(jié)能方式探討

林芷行，簡 慧，韋 浩

(1.廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

據(jù)《2016年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》統(tǒng)計，截止2016年，中國現(xiàn)有公路隧道為15 181處、1 403.97萬m，增加1 175處、135.58萬m，其中特長隧道815處、362.27萬m，長隧道3 520處、604.55萬m。2016年12月，國務(wù)院公開發(fā)布《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》，方案提出資源高效利用成為生態(tài)文明建設(shè)的重點，方案要求到2020年全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015年下降15%。在交通運(yùn)輸節(jié)能方面，國家提出加快推進(jìn)交通運(yùn)輸體系建設(shè)。在“低碳經(jīng)濟(jì)”發(fā)展和“節(jié)能減排”戰(zhàn)略背景下，如何在建立新隧道或改造舊隧道系統(tǒng)時，提出合理科學(xué)的節(jié)能方案是公路隧道節(jié)能的關(guān)鍵。本文通過分析當(dāng)前公路隧道的耗能現(xiàn)狀，以及目前已開展的節(jié)能建設(shè)或改造措施，提出公路隧道節(jié)能方式的優(yōu)化方案，以期為我國公路隧道節(jié)能提供參考，為國家“節(jié)能減排”戰(zhàn)略目標(biāo)作出一定貢獻(xiàn)。

1 公路隧道耗能分析

公路隧道的用電消耗主要集中在照明設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施和隧道監(jiān)控設(shè)施等方面，尤其是在長隧道、特長隧道以及隧道群的運(yùn)營管理中，隧道照明與通風(fēng)設(shè)施的耗電量約占公路隧道總耗能的90%左右[1，2]?？梢钥闯?，公路隧道機(jī)電設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造，是公路節(jié)能減排的重要組成部分。因此隧道節(jié)能的重點在改進(jìn)并優(yōu)化通風(fēng)與照明設(shè)施的運(yùn)營。公路交通行業(yè)目前運(yùn)用的新能源技術(shù)，如光伏應(yīng)用技術(shù)、風(fēng)電應(yīng)用技術(shù)和風(fēng)光互補(bǔ)應(yīng)用技術(shù)，這些技術(shù)能在很大程度上緩解因前期設(shè)計考慮不足造成的耗能成本增加[3]。供配電系統(tǒng)是公路隧道電能的源頭，消防及防災(zāi)是保證公路隧道正常運(yùn)營的必須系統(tǒng)，日常管理維護(hù)和安全監(jiān)控是隧道安全運(yùn)行的重要措施。與世界發(fā)達(dá)國家對比，我國隧道建設(shè)更加注重主體工程的安全性能，對運(yùn)營管理中附屬設(shè)施的投入較少。由于規(guī)范陳舊、設(shè)計落后、照明通風(fēng)等設(shè)施使用年限較短、高耗能、粗放管理等問題，目前并未能將“環(huán)保經(jīng)濟(jì)”政策體現(xiàn)在我國公路隧道的運(yùn)營管理，需要科學(xué)轉(zhuǎn)型，沿著“功能化-節(jié)能化-智能化”方向發(fā)展。

2 公路隧道能耗系統(tǒng)及節(jié)能方式

2.1 照明系統(tǒng)

隧道照明系統(tǒng)是隧道建設(shè)和運(yùn)營中耗能耗資較高的系統(tǒng)，為保證安全運(yùn)營基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，各種高效、長壽命的新型照明光源在隧道照明系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，隧道照明系統(tǒng)展現(xiàn)了巨大的節(jié)能環(huán)保潛力。2010年，就主流高壓鈉燈和LED燈相比，LED燈比高壓鈉燈節(jié)能約37%；維修費僅為高壓鈉燈的1/25。但LED造價高，初期一次性投資是高壓鈉燈的1.3～1.5倍。目前隨著LED技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)成為傳統(tǒng)照明的替代品。在設(shè)計技術(shù)方面，可通過準(zhǔn)確測試洞外亮度、優(yōu)化照明設(shè)計參數(shù)、選擇節(jié)能光源、升級智能照明控制、采用高效照明配光、合理布設(shè)照明燈具、使用新型照明節(jié)電設(shè)備等措施實現(xiàn)保障行車安全的同時，最大可能地降低照明成本[4]。在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)方面和管理方面，可選擇性地提高太陽能、風(fēng)能等可再生能源在公路隧道照明系統(tǒng)中的比例。例如，應(yīng)用和發(fā)展太陽能光伏發(fā)電技術(shù)、加強(qiáng)照明系統(tǒng)的維護(hù)管理及清潔。

2.1.1 LED照明系統(tǒng)節(jié)能核算

廣西靈峰(桂粵界)至八步公路項目四座隧道采用高效LED照明方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高壓鈉燈方案，通過燈具比選、配光設(shè)計、智能控制等技術(shù)措施極大地降低了隧道照明系統(tǒng)的能耗。路線起于賀州市八步區(qū)靈峰鎮(zhèn)靈峰村兩省(廣東、廣西)交界處，終止于賀州市八步區(qū)沙田鎮(zhèn)道石村，接桂梧高速公路賀州支線終點，路線全長76.42 km。全線共設(shè)有4座隧道，單洞長度11 479 m，如表1所示。

表1 全線隧道一覽表

在項目建設(shè)過程中，隧道照明采用光顯色性和光效較好的新型節(jié)能光源-隧道LED燈，作為隧道內(nèi)各種照明電光源，依據(jù)國《JTGJ D70/2-01-2014公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》，按照隧道等級進(jìn)行配光及布設(shè)設(shè)計。隧道照明按單洞單向交通方式布設(shè)照明燈具，分入口段、過渡段、中間段和出口段進(jìn)行區(qū)段配置。LED照明方案功耗及數(shù)量如表2所示。

表2 優(yōu)選LED規(guī)格及數(shù)量表

共計裝配6 146套LED燈，消耗總功率為480.78 kW，其中加強(qiáng)照明段353.12 kW，基本照明段127.66 kW。

表3 傳統(tǒng)照明方案功耗及數(shù)量表

傳統(tǒng)方案共裝配4 942套燈具，光源消耗功率達(dá)985.40 kW，消耗總功率達(dá)1 145.47 kW，其中加強(qiáng)照明段855.50 kW基本照明段289.97 kW。見表3。在相同時間內(nèi)，原設(shè)計方案采用高壓鈉燈作隧道照明光源，消耗功率為1 145.47 kW；采用LED燈作隧道照明光源，消耗功率為480.78 kW，比高壓納燈節(jié)省664.69 kW。LED燈電能消耗量比高壓鈉燈節(jié)約58%。

2.1.2 運(yùn)營及建設(shè)成本核算

加強(qiáng)段照明按照每天工作12 h計算，基本照明按照每天工作24 h計算，電費按照0.85元/度計算，營運(yùn)期按30年計算，具體計算結(jié)果見表4。

表4 公路隧道照明系統(tǒng)運(yùn)營成本核算表

相比傳統(tǒng)高鈉燈，新型LED燈、變壓器和線纜等建設(shè)成本略高，該項目中初期投資成本LED燈比高壓鈉燈高772.22萬元。具體成本核算見表5、表6。

表5 公路隧道傳統(tǒng)照明系統(tǒng)建設(shè)成本核算表

表6 公路隧道LED照明系統(tǒng)建設(shè)成本核算表

在維護(hù)成本方面，高壓鈉燈維護(hù)費用平均約150元/年/盞，而LED燈廠家一般承諾5年內(nèi)保修包換，且LED燈一般壽命達(dá)10年之久。故傳統(tǒng)照明系統(tǒng)5年維護(hù)費用比LED照明系統(tǒng)高達(dá)337.8萬元。因此，以運(yùn)營5年為期進(jìn)行計算，初期建設(shè)多投入772萬元，但在營運(yùn)期5年內(nèi)可節(jié)約維護(hù)費337.8萬元，電費節(jié)約1 539.46萬元，共節(jié)約1 877.26萬元。營運(yùn)期5年內(nèi)，初期建設(shè)多投入的772萬元即可收回，并節(jié)約1 105.26萬元的營運(yùn)收入。

在目前照明技術(shù)基礎(chǔ)上，如何通過合理配置和科學(xué)安裝照明燈具成為節(jié)能的隱形手段。如對靠近風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的燈具進(jìn)行加固防護(hù)(主要提高抗震動能力)，對風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的朝向進(jìn)行調(diào)整，避免對燈具造成威脅，減少燈具的劇烈震動。此外，公路隧道照明系統(tǒng)的布燈參數(shù)優(yōu)化可進(jìn)一步降低能耗，達(dá)到節(jié)能效果。智能化照明系統(tǒng)是目前設(shè)計的熱點，楊超等研究發(fā)現(xiàn)實行調(diào)光控制的照明系統(tǒng)電磁感應(yīng)燈照明系統(tǒng)至少節(jié)能63.1%[5]。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)

據(jù)估算，通風(fēng)系統(tǒng)的投資占隧道總投資的15%～25%，通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)營管理占隧道運(yùn)營管理費用的70%～80%[6]。由此可見，通風(fēng)系統(tǒng)在節(jié)能方面具有較大的可提升空間。

目前主要參考《公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計細(xì)則》為隧道選取合理設(shè)計參數(shù)，忽視了不同地區(qū)、不同地形的差別，雖然能夠滿足安全運(yùn)行的大前提，但卻容易在一定程度上造成能源浪費和設(shè)備閑置等現(xiàn)象。自然風(fēng)計算方法與節(jié)能研究為合理選擇通風(fēng)方式提供了更佳的參考，合理計算自然通風(fēng)對隧道系統(tǒng)的貢獻(xiàn)有助于減小通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)營成本和能源浪費。隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)配置應(yīng)根據(jù)交通量增加分期安裝，并分為變頻控制和動力可調(diào)控制。在通風(fēng)方式的選擇上，集中送入通風(fēng)方式、豎井通風(fēng)方式、靜電除塵通風(fēng)方式、全橫向和半橫向通風(fēng)方式五種通風(fēng)方式需要加強(qiáng)推廣與應(yīng)用[7]，因而我國現(xiàn)有隧道通風(fēng)方式的技術(shù)層面有待加強(qiáng)與改進(jìn)?？傊?，合理的通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)選擇需要考慮以下幾個方面：交通量分析、車輛汽柴比、車輛基準(zhǔn)排放量折減率、火災(zāi)規(guī)模分析，選擇合理參數(shù)可為節(jié)能作出頗具成效的貢獻(xiàn)。

2.3 供配電系統(tǒng)

2.3.1 線路損耗

供配電系統(tǒng)是公路隧道節(jié)能的重要環(huán)節(jié)之一。目前公路隧道用電主要存在的問題有以下幾個方面：

(1)偏遠(yuǎn)地區(qū)山區(qū)隧道以及早期設(shè)計的供配電線路，用電終端的電壓偏低且質(zhì)量很差，導(dǎo)致供電過程中電能損耗大，產(chǎn)生持續(xù)性浪費。

(2)隧道用電具有周期性，每日用電負(fù)荷波動大。如白天開應(yīng)急燈、全日燈和加強(qiáng)燈，下午隧道開風(fēng)機(jī)通風(fēng)，會造成階梯形用電負(fù)荷。但供配電系統(tǒng)的自動功率因數(shù)補(bǔ)償波動較大，功率因數(shù)運(yùn)行一般為0.9～0.98。夜間只開應(yīng)急燈，由于負(fù)荷很低，功率因數(shù)也非常低，無法運(yùn)行有效的自動功率因數(shù)補(bǔ)償。

配電變壓器的功率損耗可表示為：

P=P0+P1β

其中，P——變壓器有功功率損耗(kW)；

P0——變壓器的空載損耗(kW)；

P1——變壓器的有載損耗；

β——變壓器的負(fù)載率。

空載損耗和有載損耗與輸電線路的材質(zhì)、距離、電壓、電流等都有直接關(guān)系。目前主要的解決辦法是提高線路電壓，合理配置變壓器的分級開關(guān)，從而降低供電線路的功率損耗。在此基礎(chǔ)上可提高自動功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)撵`敏度和適應(yīng)能力。根據(jù)白天和夜間用電需求的不同進(jìn)行針對性調(diào)整，分析公路隧道的用電規(guī)律，提高供配電系統(tǒng)的智能適應(yīng)性。通過科學(xué)合理的技術(shù)改造，預(yù)計可減少電費支出約8.83%，從而實現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)[8]。另外，采用這種絕緣穿刺連接器有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少不必要的維修和對供配電系統(tǒng)的損耗，能夠起到對隧道供配電系統(tǒng)的整體優(yōu)化，從而間接達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

2.3.2 備用電源選擇

高速公路的配電設(shè)計人員參照或套用民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范的時候，會在難以選擇兩路獨立電源供電的情況下，采用外接10 kV電源作為主電源，同時在低壓配電系統(tǒng)中配置柴油發(fā)電機(jī)以滿足一、二級負(fù)荷的供電需求。一般情況下，需要柴油發(fā)電機(jī)在停電10～15 s內(nèi)自動啟動，同時雙電源開關(guān)自動切換。實際上，目前國內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)隧道已經(jīng)采用變電所的低壓配電柜中增加了ATS柜，只需一路電源即可滿足需求。在必須使用柴油發(fā)電機(jī)作為第二路或第三路備用電源的公路隧道系統(tǒng)中，應(yīng)選擇合適的發(fā)電機(jī)組的功率，即發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷不應(yīng)低于機(jī)組額定輸出功率的30%[9]。由于無論用電需求的大小，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速必須保持持續(xù)高速運(yùn)行，發(fā)證產(chǎn)生50 Hz的電能。因此對機(jī)組裝機(jī)負(fù)荷和機(jī)組數(shù)的選擇需要尤為注意，針對不同用電需求，應(yīng)啟動相應(yīng)的工作機(jī)組。如在同時使用通信、照明和通風(fēng)等設(shè)備時，發(fā)電機(jī)組應(yīng)達(dá)到相應(yīng)功率，而停止通風(fēng)后，應(yīng)自動關(guān)閉一些發(fā)電機(jī)組以降低能源浪費。

2.4 消防及防災(zāi)系統(tǒng)

根據(jù)《高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)模式》(GB/T 18567-2010)和《公路隧道設(shè)計規(guī)范第二冊交通工程與附屬設(shè)施》合理配置隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)(主要包括監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等)。合理設(shè)置各種信息標(biāo)志和報警器，為管理者提供多種措施實施交通管制，還可以為道路使用者提供實時直觀的誘導(dǎo)信息。隧道內(nèi)信息監(jiān)測可以為隧道內(nèi)通風(fēng)、照明系統(tǒng)提供自動控制參數(shù)，確保車輛在隧道內(nèi)安全行駛，從而避免通風(fēng)、照明的過度使用，節(jié)約運(yùn)營耗能和電力成本。

3 結(jié)語

我國現(xiàn)有的公路隧道耗能還存在許多弊端，通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)營成本居高不下大多由于設(shè)計優(yōu)化不足，造成很大程度的能源浪費；照明系統(tǒng)中“按需照明”概念落實不到位，加強(qiáng)新能源的應(yīng)用和智能管理系統(tǒng)的改進(jìn)有助于進(jìn)一步提高照明系統(tǒng)節(jié)能效率；消防及防災(zāi)系統(tǒng)也應(yīng)因地制宜，加強(qiáng)設(shè)計與管理，與公路隧道的其他系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展。

現(xiàn)代公路隧道的設(shè)計應(yīng)具備一定升級空間，注重全過程節(jié)能措施的設(shè)計，“從需求到供應(yīng)，從整體到具體，從源頭到末端”，提出一整套節(jié)能方案才更能凸顯現(xiàn)代節(jié)能技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢。結(jié)合不同用電系統(tǒng)的特點，在不同系統(tǒng)之間應(yīng)用能源智能調(diào)配理念和技術(shù)，可將高效節(jié)能提升到新的層次。有了更加科學(xué)合理的公路隧道節(jié)能技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，我國隧道系統(tǒng)必將邁進(jìn)節(jié)能、綠色、健康發(fā)展的新時代。

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