高速公路營運期節能計算與分析

楊 婧 苗 壯

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著高速公路規模逐漸擴大，高速公路節能成為重要課題。從實際情況來看，我國高速公路節能專項報告，尚處于不成熟階段，目前還沒有統一、系統、規范的節能分析體系可參考。

總體來看，我國在高速公路節能方面進行了一些初步的探索，主要側重于服務區[1]、路面材料[2]、節能措施[3]、建筑[4]、隧道照明[5]等單項節能的分析，對高速公路整體能源消耗分析評價較少，本文從高速公路節能分析評價依據、用能系統、能源種類等方面做全面闡述，重點對電能消耗的計算方法做詳細介紹，并以貴州省某高速公路為例進行電能消耗節能分析。

1 分析評價依據

高速公路節能報告，主要分析評價項目營運20年的情況。分析評價的依據主要是以下幾類：相關法律、法規、規劃和產業政策；能源類、交通類、建筑類相關標準及規范；產業結構政策以及該項目的工程可行性研究資料。其中，《固定資產投資項目節能評估和審查工作指南》(2014年版本)、《固定資產投資項目節能審查辦法》(中華人民共和國國家發展和改革委員會令第44號)為重要指導文件。

2 主要用能系統

主要用能系統包括隧道機電系統(照明、通風、監控)和附屬設施系統(收費站、服務區、管理中心、管養工區、隧道管理所等)。

3 能源消耗種類

高速公路作為公益性的基礎設施建設，為來往行駛車輛提供服務，在此過程中主要消耗的能源種類為電能、燃料油、液化石油氣、耗能工質(水)。

4 建設方案的節能分析

國家發改委《固定資產投資項目節能評估和審查工作指南》(2014年版本)中指出，機場、港口、公路等類項目結合不同的特點，針對能源使用的主要環節、主要能耗設備等方案展開節能分析。

高速公路主要為所經車輛提供運輸服務，此部分重點可從項目選線、主要筑路材料利用、主要耗能系統和設備等方面進行分析。側重于主要用能系統方案的提出，如隧道全線LED燈方案，隧道照明、通風方案的設備布置方式，以及變配電系統的電源接入，變壓器選型，耗能設備選型及數量的統計，為下一步工作打好基礎。

5 節能措施

針對主要用能系統，提出對應的節能措施，見表1。

表1 高速公路節能措施一覽表

6 能源利用狀況核算及能效水平分析

報告應對項目營運期消耗的電能、燃料油、液化石油氣、耗能工質(水)做詳細核算及能效水平分析，本文側重于用電能耗的計算與分析。

6.1 計算方法

消耗電能的主要區域為隧道機電系統(照明、通風、監控)、收費站與收費廣場、管理中心、服務區、管養工區、隧道管理所、員工生活區，計算方法如下。

1) 分類指標法。即每類設備的數量與功率及其開機時間的乘積

(1)

式中：QT為項目營運期隧道與收費站等1年所消耗的電能，kW·h；qi為第i類耗能設備的數量,臺；wi為第i類耗能設備的功率,W/臺；ti為第i類耗能設備平均1 d的運行時間,h；i為隧道的監控、照明、通風等系統中耗能設備的類型數。

養護工區主要是路面養護的機械設備耗電(大修時瀝青混合料拌和設備)，營運期20年，總共大修2次(按路面總面積的1/3計)，按每平米路面需要0.038臺設備，每臺班耗電量為606.06 kW·h進行估算；生活區電耗主要是熱水器、空調、電視等，按照設備臺數、日均工作時間(平均取6 h)、設備功率的乘積計算能耗。

2) 總體類比法。對于服務區、隧道管理等，因耗能設備瑣細，在工可階段難以統計，固可采用總體類比法進行計算，即在其他服務區與停車區平均用電統計的基礎上，通過服務區與停車區1 d的平均耗電量與1年天數的乘積來計算其1年的能耗

(2)

式中：Q為項目服務區與停車區一年的能源消耗量，kW·h；qi1為第i個服務區1 d的能源消耗量，kW·h/d；qj2為第j個停車區1 d的能源消耗量，kW·h/d；n為項目服務區數量,個；m為項目停車區的數量，個。

3) 其他。因附屬設施有收費站、服務區等建筑，插座耗電也應做相應估算，根據《全國民用建筑工程設計技術措施——節能專篇：電氣》可查得建筑中辦公室、零售區、衛生間、會議室等的照明和插座負荷密度。根據負荷密度和建筑面積估算，可得到插座能耗。

7 算例分析

7.1 算例

以貴州省凱里環城高速公路北段為例，該項目地處貴州省黔東南州境內，全長71.697 km，設計車速100 km/h，路基寬度26 m，隧道23 045 m/28條，有2條特長隧道，隧道占路線總長的32.14%，II類服務區1處，停車區2處，管養工區2處，隧道管理所8處，交警用房2處，管理分中心1處。該項目營運期能耗計算如下：

1) 隧道機電系統、收費站、管理中心、員工生活區耗電量采用分類指標法式(1)計算，重點詳細展開隧道照明耗電計算，采用全線LED燈方案。

本項目設計標準為100 km/h車速，4車道，按照JTG/T D70/2-01-2014 《公路隧道照明設計細則》 計算原則，本項目隧道各照明段照明標準見表2。

表2 高速公路隧道照明布置表

按照 JTG/T D70/2-01-2014 《公路隧道照明設計細則》要求，長度大于200 m的公路隧道要求配備照明裝置；長度為100～200 m的高速公路光學長隧道應設置照明。根據上述隧道各照明段照明標準及布置方式，得到本項目隧道照明共需要的燈具數量見表3。

表3 隧道LED 燈照明燈具統計匯總表

參考貴州省其他高速公路營運情況，估算本項目照明燈具每日的開燈時間為：基本照明燈具0～6：00時為半開，其余18 h全開；加強照明燈具開12 h。查閱貴州省相關天氣資料，考慮到貴州晴天、云天、陰天、重陰天的天氣狀況比例，按晴天165 d，云天100 d，陰天50 d，重陰天50 d估算，綜合考慮加強照明燈具的年耗電折減系數為0.703。計算結果見表4。

表4 隧道照明結果表 kW·h/年

同類方法，得到隧道機電、收費站、管理中心等耗電量見表5。

表5 項目營運期隧道機電、收費站、管理中心年用電量匯總表

2) 服務區、隧道管理所等采取總體類比法進行耗電計算，通過調研貴州省大多數高速公路單個附屬設施的耗能情況，取一個II類服務區的能耗為666 kW·h/d；一個停車區的能耗為299 kW·h/d；隧道管理所能耗為410.45 kW·h/d。

同類方法計算得到本項目服務區、管養工區等附屬設施的耗電量見表6。

表6 服務區、管養工區等附屬設施營運期用電量表

綜上，本項目項目年耗電量約為1 769.40萬 kW·h。

7.2 結果分析

1) 以貴州省凱里環城高速公路北段為例，計算了高速公路營運期電能消耗，從分析結果來看，隧道機電能消耗占了總電能消耗的84.89%。

2) 據調研貴州省同類項目，如貴州省雷山至榕江高速公路(長73.938 km，隧道比為32.92%，有2條特長隧道，附屬設施設置與本項目相差不大；采用設計車速80 km/h，24.5 m路基寬建設標準)耗電能達到約1 501.13萬 kW·h/年，隧道機電能消耗占總電能消耗的81.03%；本項目耗電比雷榕高速公路略高，隧道機電電耗占比較該高速略高，主要原因是采用不同的建設標準，隧道燈具功率選擇、布設有所不同。因此，隧道占比、建設標準，都是影響電能消耗的重要因素，但高建設標準也有利于節約行駛汽車燃油，因此在以后研究中可做進一步對比論證。

8 高速公路節能的建議

1) 隧道節能是公路能源節約的主要方面，應進一步挖掘相關潛力，優化路線方案，盡可能地減小隧道規模。

2) 在保證安全、高效的前提下，結合高速公路節能因素，合理選擇高速公路建設標準。

3) 加強新技術的推廣利用。如隧道內安裝反光環[6-7]、車輛超限超載不停車預檢管理系統、高性能混凝土、溫拌瀝青混凝土技術等。

4) 建議在服務區、停車區預留充電樁、加氣站等設施的建設用地，促進新能源和清潔能源車輛的推廣應用。

5) 項目運營單位就節能管理制訂具體制度，落實具體責任管理人員，完善相關節能制度及措施，確保政策落地。

9 結語

本文根據國家發展和改革委員會2016年第44號令《固定資產投資項目節能審查辦法》指示精神，結合高速公路實際，介紹了高速公路節能分析包含的主要內容，重點闡述了電能消耗的計算和分析方法。以貴州省凱里環城高速公路北段為例，計算了營運期電能消耗，得出高速公路能耗以隧道機電耗能占比最多的結論；與同類項目比較后發現高速公路電能消耗與隧道比例、高速公路建設標準都有一定關系，提出了高速公路節能的具體措施與建議，可為高速公路整體營運節能分析評價提供參考 。

[1] 王煒.高速公路服務區營運管理研究[D].岳陽：湖南理工學院，2008.

[2] 秦用春，黃頌昌，徐劍等.溫拌瀝青混合料節能減排效果的測試與分析[J].公路交通科技，2009,26(8)：33-37.

[3] 馬書紅,牛方方,向前忠.高速公路營運期節能措施及其效果評價研究[J].公路,2014(10):177-182.

[4] 陳鵬.高速公路服務區及收費站建筑節能研究：針對夏熱冬冷地區[D]. 長沙：中南大學，2006.

[5] 涂耘,王少飛,張琦,等.西漢高速公路隧道照明系統評估研究[J].照明工程學報，2010(5)：15-21.

[6] 武超群,裴玉龍,高敬鵬,等.城市軌道交通網絡交通供需調節能力分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2017,41(1):22-26,31.

[7] 貴州省交通運輸廳.貴州省交通運輸廳關于在高速公路隧道內全面增設反光環的通知[Z].貴陽：貴州省交通運輸廳，2016.