面向低碳經濟城市地下空間/軌交地鐵的節能減排與環保問題

孫 鈞

(1.同濟大學隧道與地下工程研究所，上海 200092;2.上海市城建集團院士工作研究室，上海 200122)

0 引言

地下建筑業(含功能各異的隧道、軌交地鐵與城市地下空間)的節能減排和環保問題是面向低碳經濟的重要方面，在該領域應該可以有所作為。地鐵是城市用電大戶，晝夜運行的電氣列車，地下車站通風、照明、空調、取暖和其他各種耗電設備與設施等，在節電、排污方面都有很大的效益空間。眾所周知，在地面交通中，汽車尾氣排放是城市空氣的重要污染源，交通擁堵而汽車不熄火時，其CO2和CO的排放量就更甚;改用軌交地鐵電氣列車后，地面交通的排污情況可在很大程度上得到改善。怎樣實現隧道和地鐵在低碳經濟社會中的節能?其中，有條件地逐步開發太陽能光伏發電、采用太陽光光纖導入照明系統的室內人工生態光源以及進一步推廣智能型LED節能照明燈具等都是重要方面。其在城市地下空間(如上海虹橋綜合交通樞紐)和公路與城市隧道(如崇明長江隧道)與其他處的成功范例將在文中后續介紹。

從目前建設力度十分迅猛的我國城市地下空間/軌道交通的發展看，采用低碳經濟的發展策略，將具有十分重大的意義。建立節能型的地下空間，是一項爭取逐步實現的遠大目標;而在初期，則需要投入一定的節能、減排資金以開發低碳經濟所需的各項新技術。要求從根本上實現能源體系的轉型，解決好傳統的自然能源資源(煤炭、石油)短缺的問題，大力降低地鐵車站內大客流溫室氣體排放量，改變地下環境高污染的現狀，促進節能、環保型地下空間在生態環境綜合平衡制約條件下一種新的發展模式——低碳生態的隧道、地鐵與地下空間建設，實現城市經濟的可持續發展，應該早日提上議事日程。

1 地下空間的節能減排與環保問題

城市地下空間和軌交地鐵/公路隧道的節能減排與環保問題已日益受到業界和廣大民眾的關注。

地下空間具有天然的低碳排放條件，在地下交通節能以及新能源利用等方面都較地面設施和地上建筑物更具獨特優勢。地下空間/軌道交通比地面建筑物和地上交通更為低碳，其主要效應在于:

1)降低建筑能耗——地下空間自身所獨具的基本恒溫和恒濕特點產生的節能低碳效應。

2)降低交通能耗——一方面，地鐵載客量大，且運行速度快、耗時少、排污小，因搭乘軌道交通代替地面交通而產生的低碳效應;另一方面，通行地鐵電氣列車因緩解地面道路交通擁堵、節約油耗而產生的低碳效應。

3)新型節能照明——推廣智能型LED新型誘導式節能燈具及其他。

4)新能源利用——在各類地下空間內爭取利用太陽能或視條件利用風能、地熱等可再生能源，代替化石燃料以減少碳排放。

5)碳匯新技術的應用——在地下利用吸碳裝置匯碳。

當前，上述的4)項和5)項亟待進一步實施推廣。

本文簡要介紹以下幾個問題:

1)積極穩妥而有步驟地視條件逐步開發太陽能光伏發電;

2)努力推廣智能型LED節能燈具和其他新型照明光源;

3)其他有關的節能、環保問題;

4)幾項有關的新技術的研究和開發。

2 光伏發電技術的開發和應用

2.1 建議

作為試點工程，可否先選擇地鐵車站1～2處，在其附近的廣大綠地內各類地下建筑物的上方及其出入口外側(或透光玻璃天棚的上方)以及地鐵車站內設置有“天窗”的地段，鋪放太陽能電池板，最好能建立供該地鐵車站和相鄰區間專用的小型光伏電網。在取得成效的前提下，日后再爭取并入城市大電網，使太陽能光伏發電系統(見圖1)能應用于整個地下空間。其裝機容量應當可以部分甚至全部滿足地下空間內部照明，甚至部分設備的供電量需求;與現用的火電相比，其預期的有效年減排量和節約的標煤或燃油量應當十分可觀。

圖1 2011年國際太陽能產業及光伏工程展覽會上展出的自動跟蹤式太陽能光伏發電設備Fig.1 Automatic-following solar energy power generating device

2.2 我國光伏太陽能發現技術的應用現狀

目前，我國生產的光伏太陽能電池板組件，已占全球的55%，名列世界前茅，但國內已享用的太陽能“綠電”卻不到5% 。我國太陽能光伏發電的裝機容量只合400MW，僅極少數已上輸至大電網(均屬政府示范工程，見圖2)。為此，除“綠電”的上網電價需早日制定外，各項政策細節均亟待明確到位，以激活“屋頂發電”，特別是對光照充足的我國內地廣大地區更是如此。

圖2 正在建設中的國家“金太陽”工程示范項目——江西省新余市瑞晶太陽能光伏電站Fig.2 Ruijing solar energy power generating station in Xinyu City，Jiangxi Province

2.3 當前我國太陽能光伏產業發展的一些“瓶頸”

1)尚停留在個別單位/家庭“自產自銷”階段，家庭太陽能還多只是供應熱水器用電，總體利用率極低，且普遍存在與城市建設、建筑景觀不協調以及在承重、防風和防雷等方面的不少安全隱患。

2)向城市大電網并網送電，在“開通”和“賣電”問題上還存在諸多困難。

3)太陽能“綠電”上網難以定價，現用的電表也不能識別太陽能“來電”，即使“綠電”上網依然被收電費，諸多問題均亟待解決。

本來，自家用電不花錢，富余的太陽電能還能“逆”向發電上網，獲得收益，況且國家鼓勵、支持(對新能源上網發電，我國政府規定電力部門有義務收購“綠電”)，卻由于單相電表只能記錄用戶用電量，“逆”向上網發電，電表不能識別。此事議論已多年，卻一直難以落實實施。

2.4 在可再生太陽能源的進一步開發和利用方面的建議

1)如能通過在城市的超高層建筑(高度超過100 m)的近1 000棟和一般高層建筑近20 000棟大樓的樓頂、光伏玻璃幕墻和不設窗、門與陽臺的外墻面(北向墻除外)(除大樓自用電量外，尚多有富余)，以及許多居民小區住宅的屋面(以居民自家用電為主)，廣大城市綠地、各類地下空間上方“天窗”的以上部分，甚至利用地鐵車站出入口的上方，鋪設太陽能電池板，構筑小型光伏發電系統，并逐步建成光伏專用電網，再爭取并入城市大電網，以供給地鐵的全部照明需要，有條件時還可兼顧部分地鐵車輛等各種耗電設施的配電。

2)日后，如能將大電站電網與太陽能光伏并網發電，將電站與太陽能用戶聯系為整體，則更是一種理想的前景。

2.5 國內外可借鑒的經驗

2.5.1 歐洲首座太陽能鐵路隧道

歐洲首座太陽能鐵路隧道在比利時投入運營，該隧道屬巴黎—荷蘭阿姆斯特丹高鐵的一部分，長約3.2 km，已于2011年6月第1列“綠色火車”經過比利時區段開始啟用。火車運行所需電力全部由16000塊太陽能電池板提供，電池板設置在隧道越嶺的山體表面。

2.5.2 無錫建成的全球最大光伏低能耗大樓

全球最大光伏低能耗大樓近日在無錫市建成，其有益經驗［1］應該可供借鑒:

1)該大樓是全球最大(總面積約1.8萬m2)的光伏低能耗生態建筑，首次將“低能耗、功能型、生態化”的概念引入建筑領域。整個辦公大樓使用光伏玻璃幕墻等太陽能光伏建筑一體化材料，通過光電效應將太陽能轉換為電能，直接為大樓提供綠色環保的太陽能電力。

2)整個工程設計容量為1 MW，預計全年發電量將超過100萬kWh。這一生態建筑的建成，展示了太陽能科技與現代建筑的完美融合。從主動節能的角度看，整個建筑現按最低使用壽命70a計算，共計可產生電量3 892萬kWh，預計每年可替代標準煤338 t，CO2減排605 t，70 a共可替代標準煤23 660 t，主動節能效果十分顯著，對推廣綠色能源、緩解城市峰電壓力起到很好的示范作用。

3)該大樓采用了光伏建筑一體化(BIPV)系統，除能保證自身建筑用電外，還可向電網供電，從而緩解高峰時城市的用電壓力。由于光伏陣列安裝在屋頂和墻壁等室外圍護結構上，將吸收的太陽能轉化為電能，一方面有效降低了室外屋頂和墻面的熱照溫度，減少了墻體蓄熱和室內空調冷負荷，既節省了能源，又保證了室內的空氣質量;此外，還避免了由于使用一般化石燃料發電所導致的空氣污染和廢渣污染，對于節能、減排和環保都十分有利。

4)該大樓在設計中還采用了地熱采集、空氣熱泵、水源收集與循環利用等先進技術，其潛在的節能效果非常顯著。

上述成果對在城市地下空間仿用方面可提供有益的參考。

3 上海市虹橋綜合交通樞紐的綠色策略與節能技術

1)虹橋交通樞紐開通運營已近2 a，它是地面、地下空間(地下部分共合50萬m2，東西向長2 km，南北最寬處600 m，開挖深度8～29 m不等，屬國內特大型城市地下空間之一)的有機結合，集航空、鐵道(含城際鐵路、動車、高鐵)、長途客運、市內公交、軌交地鐵和磁懸浮等多種換乘方式于一體，見圖3。這一現代化的綜合交通樞紐對“長三角城市圈”(2～3 h內可到達)的整合與發展將產生深遠的影響［2］。

圖3 上海城市發展新地標——虹橋綜合交通樞紐Fig.3 Hongqiao transit center

2)在綠色環保和節能減排方面，該交通樞紐已實施了以下主要內容:①對全年度交通樞紐整體的能耗分析與節能措施作了統籌安排;②充分利用自然通風和自然采光;③給排水系統的節水、節能，含高效率冷水機組、空調水系統溫差調控、水泵變頻、冷凍水直供、太陽能生活熱水系統等;④電氣設備和供配電設施的節能減排;⑤地上、地下照明配電密度自動調控;⑥節能材料與材料資源的有效利用。

3)在經濟、社會效益和創新性方面:①實現了以上各配套設施資源的集約化利用，提高了樞紐建設和運營的經濟性和適用性;②較傳統的習慣做法，與國家節能標準相比，達到了總體節能約65%(以西航站樓為例)的水平;③單就采用的空調冷水“直供系統”(以西航站樓為例)而言，與常規技術手段(“板交系統”)相比，減少了運行能耗約62.45萬kWh/a，系統綜合節能率達3.1%;④減少建筑能耗，強化了地面/地下空間的人性化設計，體現了建筑生態化的先進理念。

以上各項研究成果，正在推廣應用于浦東國際機場三期工程——衛星廳(約40萬m2)的建設，為該工程的建設提供了第一手的技術支持;且為進一步探求解決高能耗的癥結，深化節能環保和低碳、減排措施制定了理論依據。

4 隧道與城市地下空間/軌交地鐵的智能型LED光源照明及其節能環保技術

4.1 國內公路隧道和上海市崇明長江隧道的一些成功做法

在地下空間內采用綠色、高效、環保以及耐久性能好、使用壽命長的LED光源代替傳統的直管熒光燈和高壓鈉燈，并對洞內照度作現場總線網絡的無級自動調光控制，其應用前景良好。在崇明長江隧道采用這項新技術初步估算每年可節電近50%，經濟效益和節能減排、環保各方面效果也都顯著。

1)新型節能環保型照明——崇明長江隧道 LED調光可控照明技術的推廣采用。隧道和地鐵內24 h全天候照明，用電負荷大，節能潛力巨大。經研究認為，局部或全部改用上述節能環保型LED誘導光源照明是可行的。

2)在我國公路隧道建設中，基于天氣分級以及按洞外亮度、交通流量和車速等為參數的照明控制模式在不斷進步。其他如洞內裝飾面發光涂料的改進和隧道節能型供配電系統等，也都已有啟動，前景喜人，其隧道照明節能環保效果十分良好［3］。

3)近年來的實踐證明，采用LED照明的主要效益反映在:地下空間照明效果優良，照度和光均勻度均可達到使用要求;照明燈具可保證3萬h的使用壽命;照明節電(與傳統燈具比較)30%以上;人員對視覺感受和舒適性的反映均滿意。

4)一般隧道的用電負荷能耗約占隧道總能耗的40% ～50%，而采用LED光源照明，則可節能30% ～40%，因此，是大有作為的。

4.2 LED節能燈具應用、開發中存在的問題

1)目前在LED應用中仍存在光衰大、結溫高、燈具結構不盡合理、照明均勻性不足、驅動電源的壽命質量不穩定等問題，有待進一步解決，對燈具的各項技術要求亦待制定，以改進和完善節約隧道照明耗能的效果。

2)目前，我國的LED照明產業取得了前所未有的發展——從大功率LED芯片技術的研發突破到10億顆LED芯片點亮上海世博會的實際應用，從資本熱捧到政策給力，LED產業的繁榮已初步顯現。然而，在道、橋、隧各個照明領域，已投入使用的LED照明產品還存在一些制約其未來發展的亟待解決的問題。

3)自2009年始，我國政府加大了對LED道路照明的扶持和推廣力度，并在21個經濟較發達城市推行應用試點。然而，一些新安裝的LED燈具在產品質量和照明效果方面，存在如道路照明亮度不夠、眩光大且刺眼、產品使用一段時間后出現比較嚴重的光衰或根本不亮的現象。業內專家指出其癥結在于“在發展上急功近利，對節能路燈的理解存在誤區，過于單純和片面地追求系統光效的技術升級，而忽略了產品應用環境的制約”。

4.3 針對這些問題采取的措施

1)為生產符合節能標準的LED燈具，國內飛利浦公司率先提出“以采用滿足道路照明應用標準的功率密度(LPD)值來衡量LED燈具產品的照明效果和節能效果;系統光效只能是產品評價指標之一，不能全面衡量照明效果和節能效果的優劣。正確的評價標準首先是要滿足道路照明設計標準，節能也必須以滿足這一標準為前提，同時兼顧人們的視覺需求。”

2)近年來推出了一系列LED道路照明新產品。以飛利浦最新的Green vision LED系列為例，該產品以可實現照明功率密度值(LPD，W/m2)作為衡量指標，擁有4種系統光效以及專為我國道路條件設計的光學系統，不僅能通過足夠的亮度和照度來保證行車安全，還能以合適的色溫帶給人們舒適和安全的照明感受，使節能效果和用戶評價達到優化。

3)目前，據不完全統計，我國主要城市道路已擁有超過1 700萬盞路燈，未來LED道路照明的市場潛力十分巨大。我國“第十二個五年規劃”中，國家將把加速制定LED照明標準作為產業發展的重中之重，在建設資源節約型和環境友好型社會的前提下建立科學公正、與國際接軌的LED照明發展規劃，它是決定LED照明產業發展的關鍵。

5 采用隧道照明新技術的其他方面

1)基于數碼技術的洞外亮度測試技術，現已納入我國正在編制的《公路隧道照明設計細則》。此外，隧道照明節能成套技術的應用和示范也已在重慶、廣東和安徽等地采用并取得了很好的經濟和社會效益。

2)其他地下照明新技術和新工藝的研制，在地鐵照明中有望推廣應用的還有:①研發智能化的LED節能誘導燈具照明的新型無級調光技術，以應用于隧道和地鐵車站照明;②研究用電磁感應燈具、光纖照明、逆光照明、寬光帶照明等新型節能光源、燈具取代傳統燈具在地鐵中應用的可能性，以提高地下空間內的有效亮度;③研究電子鎮流器(與傳統電感鎮流器相比)和智能調壓設備等照明節電設施，探討其應用的適用性和經濟性。

3)除了采用上述幾種新型節能光源/燈具并合理應用外，在其他方面，如改進照明系統的自動化控制技術、照明節電設備的研制、運營管理的智能化和精細化以及合理選取有關的照明參數和新型照明系統的分期實施等，也都是當前不可或缺的重要節能環節。

6 其他幾項節能、環保新技術的研究和開發

6.1 室內人工生態光源的采用——太陽光光纖導入照明系統

建議在隧道/地鐵車站的天棚頂部嵌設巨大玻璃天窗，大面積吸收自然陽光，通過在天棚內裝置光導照明系統，用作地下空間范圍內的部分，甚至是全部人工照明。上海市虹橋交通樞紐對室內太陽光光纖導入照明的成功實踐可供借鑒。

6.2 一種新型超級節能燈具——熒光燈即將面世

這種節能燈具的耗電量僅為白熾燈的1/40，俄羅斯今年計劃生產出樣品。

1)原理。燈泡內有專門的熒光粉涂層，內置高照度發光的二極管，低電壓作用下，二極管先發出藍色光，藍光照射到燈泡內面的熒光粉涂層，涂層上則呈現高照度的白色光。顏色和照度的變化是由于熒光粉涂層的反光特性。

2)優點。解決了目前節能燈具的問題，不需要啟動放電維持系統。

6.3 自然采光技術的應用

日本和西歐一些城市地下空間和地鐵車站多考慮利用自然采光;國外(北歐、北美)還有利用陽光的反射和折射作用，用鏡面將陽光引入地下空間內作自然采光。這些方法均有創意，可供參考、借鑒。

6.4 智能照明技術的發展

1)智能照明是指利用無線通訊數據傳輸、擴頻電力網載波通訊、計算機智能化信息處理以及節能型電器控制等技術所組成的一種分布式的無線遙測、遙控、遙訊控制系統，它具有對燈光亮度調節、燈光軟啟動、定時控制、場景設置等全方位智能型功能。

2)在智能照明系統中，設有若干個基本情景。這些情景會按程序自動切換，并將照度自動調整到最適宜的水平;還可通過自動調節裝置來調控所采集的天然光，并使之與室內燈光系統進行聯動。

3)當天氣發生變化時，這種天然光系統能夠自動調節，保持合適的室內照度。照明設計師在對地下建筑物進行照明設計時，將按預先設置的標準亮度，保持恒定的照度，不受燈具效率降低和墻面反射率衰減的影響。

4)智能照明控制系統還可預先設置不同的場景模塊，只要在相應的控制面板上進行操作，即可調入所需的場景;此外，用戶還可通過可編程控制面板對場景進行實時調節，以滿足各種特定的要求和需要。

5)采用智能照明系統后，用戶能夠在運行過程中實現節能。智能照明控制系統對大多數燈具(白熾燈、日光燈、霓虹燈等)進行智能調光，不僅能夠降低用戶電費支出，也能減輕供電壓力。據悉，實現智能照明控制的用戶一年可節電20% ～40%。智能化與照明技術的結合，充分演繹了節能、耐久、以人為本等綠色和可持續照明的理念。這種節能、高效的智能照明方式，順應了節能減排和智能科技的發展趨勢，在城市地下空間有望獲得廣闊的發展［4］。

7 結束語

開發地下空間/軌交地鐵，是我國城市采取綠色低碳經濟發展策略的必然選擇。在積極探索地下空間/城市軌道交通發展新模式中，應采取措施從根本上實現能源體系的轉型，解決好傳統的自然資源短缺的問題，大力降低溫室氣體排放量，改變地下環境高污染的現狀，促進節能、環保型地下空間在生態環境綜合平衡制約條件下一種新的發展模式——低碳生態的隧道、地鐵與地下空間建設，實現城市經濟的可持續發展。有條件地逐步開發太陽能光伏發電、采用太陽光光纖導入照明系統的室內人工生態光源以及進一步推廣智能型LED節能照明燈具等都是重要方面。建立節能型的地下空間，是一項爭取逐步實現的遠大目標。

［1］ 過國忠.尚德光伏建筑并網發電［N］.科技日報，2009－01－09.

［2］ 上海機場(集團)有限公司.上海虹橋綜合交通樞紐地下工程關鍵技術綜合報告［R］.上海:上海機場(集團)有限公司，2010.

［3］ 馮守中.發光涂料在公路隧道節能照明中的應用技術研究［C］//面向低碳經濟的隧道及地下工程技術:中國土木工程學會隧道及地下工程分會隧道及地下空間運營安全與節能環保專業委員會第一屆學術研討會論文集.上海:中國土木工程學會，2010.

［4］ 李楊靜.智能照明將成智能家居市場主力軍［N］.中國建設報，2010－04－27.