公路隧道節能方式探討

林芷行，簡 慧，韋 浩

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

0 引言

據《2016年交通運輸行業發展統計公報》統計，截止2016年，中國現有公路隧道為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，國務院公開發布《“十三五”節能減排綜合工作方案》，方案提出資源高效利用成為生態文明建設的重點，方案要求到2020年全國萬元國內生產總值能耗比2015年下降15%。在交通運輸節能方面，國家提出加快推進交通運輸體系建設。在“低碳經濟”發展和“節能減排”戰略背景下，如何在建立新隧道或改造舊隧道系統時，提出合理科學的節能方案是公路隧道節能的關鍵。本文通過分析當前公路隧道的耗能現狀，以及目前已開展的節能建設或改造措施，提出公路隧道節能方式的優化方案，以期為我國公路隧道節能提供參考，為國家“節能減排”戰略目標作出一定貢獻。

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施、通風設施和隧道監控設施等方面，尤其是在長隧道、特長隧道以及隧道群的運營管理中，隧道照明與通風設施的耗電量約占公路隧道總耗能的90%左右[1，2]。可以看出，公路隧道機電設備節能技術改造，是公路節能減排的重要組成部分。因此隧道節能的重點在改進并優化通風與照明設施的運營。公路交通行業目前運用的新能源技術，如光伏應用技術、風電應用技術和風光互補應用技術，這些技術能在很大程度上緩解因前期設計考慮不足造成的耗能成本增加[3]。供配電系統是公路隧道電能的源頭，消防及防災是保證公路隧道正常運營的必須系統，日常管理維護和安全監控是隧道安全運行的重要措施。與世界發達國家對比，我國隧道建設更加注重主體工程的安全性能，對運營管理中附屬設施的投入較少。由于規范陳舊、設計落后、照明通風等設施使用年限較短、高耗能、粗放管理等問題，目前并未能將“環保經濟”政策體現在我國公路隧道的運營管理，需要科學轉型，沿著“功能化-節能化-智能化”方向發展。

2 公路隧道能耗系統及節能方式

2.1 照明系統

隧道照明系統是隧道建設和運營中耗能耗資較高的系統，為保證安全運營基礎上實現節能的目標，各種高效、長壽命的新型照明光源在隧道照明系統中得到廣泛應用，隧道照明系統展現了巨大的節能環保潛力。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技術的發展，已經成為傳統照明的替代品。在設計技術方面，可通過準確測試洞外亮度、優化照明設計參數、選擇節能光源、升級智能照明控制、采用高效照明配光、合理布設照明燈具、使用新型照明節電設備等措施實現保障行車安全的同時，最大可能地降低照明成本[4]。在優化能源結構方面和管理方面，可選擇性地提高太陽能、風能等可再生能源在公路隧道照明系統中的比例。例如，應用和發展太陽能光伏發電技術、加強照明系統的維護管理及清潔。

2.1.1 LED照明系統節能核算

廣西靈峰(桂粵界)至八步公路項目四座隧道采用高效LED照明方案代替傳統的高壓鈉燈方案，通過燈具比選、配光設計、智能控制等技術措施極大地降低了隧道照明系統的能耗。路線起于賀州市八步區靈峰鎮靈峰村兩省(廣東、廣西)交界處，終止于賀州市八步區沙田鎮道石村，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

在項目建設過程中，隧道照明采用光顯色性和光效較好的新型節能光源-隧道LED燈，作為隧道內各種照明電光源，依據國《JTGJ D70/2-01-2014公路隧道照明設計細則》，按照隧道等級進行配光及布設設計。隧道照明按單洞單向交通方式布設照明燈具，分入口段、過渡段、中間段和出口段進行區段配置。LED照明方案功耗及數量如表2所示。

表2 優選LED規格及數量表

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

表3 傳統照明方案功耗及數量表

傳統方案共裝配4 942套燈具，光源消耗功率達985.40 kW，消耗總功率達1 145.47 kW，其中加強照明段855.50 kW基本照明段289.97 kW。見表3。在相同時間內，原設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，比高壓納燈節省664.69 kW。LED燈電能消耗量比高壓鈉燈節約58%。

2.1.2 運營及建設成本核算

加強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，營運期按30年計算，具體計算結果見表4。

表4 公路隧道照明系統運營成本核算表

相比傳統高鈉燈，新型LED燈、變壓器和線纜等建設成本略高，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 公路隧道傳統照明系統建設成本核算表

表6 公路隧道LED照明系統建設成本核算表

在維護成本方面，高壓鈉燈維護費用平均約150元/年/盞，而LED燈廠家一般承諾5年內保修包換，且LED燈一般壽命達10年之久。故傳統照明系統5年維護費用比LED照明系統高達337.8萬元。因此，以運營5年為期進行計算，初期建設多投入772萬元，但在營運期5年內可節約維護費337.8萬元，電費節約1 539.46萬元，共節約1 877.26萬元。營運期5年內，初期建設多投入的772萬元即可收回，并節約1 105.26萬元的營運收入。

在目前照明技術基礎上，如何通過合理配置和科學安裝照明燈具成為節能的隱形手段。如對靠近風機出風口的燈具進行加固防護(主要提高抗震動能力)，對風機出風口的朝向進行調整，避免對燈具造成威脅，減少燈具的劇烈震動。此外，公路隧道照明系統的布燈參數優化可進一步降低能耗，達到節能效果。智能化照明系統是目前設計的熱點，楊超等研究發現實行調光控制的照明系統電磁感應燈照明系統至少節能63.1%[5]。

2.2 通風系統

據估算，通風系統的投資占隧道總投資的15%～25%，通風系統的運營管理占隧道運營管理費用的70%～80%[6]。由此可見，通風系統在節能方面具有較大的可提升空間。

目前主要參考《公路隧道通風系統設計細則》為隧道選取合理設計參數，忽視了不同地區、不同地形的差別，雖然能夠滿足安全運行的大前提，但卻容易在一定程度上造成能源浪費和設備閑置等現象。自然風計算方法與節能研究為合理選擇通風方式提供了更佳的參考，合理計算自然通風對隧道系統的貢獻有助于減小通風系統運營成本和能源浪費。隧道通風風機配置應根據交通量增加分期安裝，并分為變頻控制和動力可調控制。在通風方式的選擇上，集中送入通風方式、豎井通風方式、靜電除塵通風方式、全橫向和半橫向通風方式五種通風方式需要加強推廣與應用[7]，因而我國現有隧道通風方式的技術層面有待加強與改進。總之，合理的通風系統參數選擇需要考慮以下幾個方面：交通量分析、車輛汽柴比、車輛基準排放量折減率、火災規模分析，選擇合理參數可為節能作出頗具成效的貢獻。

2.3 供配電系統

2.3.1 線路損耗

供配電系統是公路隧道節能的重要環節之一。目前公路隧道用電主要存在的問題有以下幾個方面：

(1)偏遠地區山區隧道以及早期設計的供配電線路，用電終端的電壓偏低且質量很差，導致供電過程中電能損耗大，產生持續性浪費。

(2)隧道用電具有周期性，每日用電負荷波動大。如白天開應急燈、全日燈和加強燈，下午隧道開風機通風，會造成階梯形用電負荷。但供配電系統的自動功率因數補償波動較大，功率因數運行一般為0.9～0.98。夜間只開應急燈，由于負荷很低，功率因數也非常低，無法運行有效的自動功率因數補償。

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——變壓器的負載率。

空載損耗和有載損耗與輸電線路的材質、距離、電壓、電流等都有直接關系。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，從而降低供電線路的功率損耗。在此基礎上可提高自動功率因數補償的靈敏度和適應能力。根據白天和夜間用電需求的不同進行針對性調整，分析公路隧道的用電規律，提高供配電系統的智能適應性。通過科學合理的技術改造，預計可減少電費支出約8.83%，從而實現節能經濟[8]。另外，采用這種絕緣穿刺連接器有助于提高系統穩定性，減少不必要的維修和對供配電系統的損耗，能夠起到對隧道供配電系統的整體優化，從而間接達到節能目標。

2.3.2 備用電源選擇

高速公路的配電設計人員參照或套用民用建筑電氣設計規范的時候，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中配置柴油發電機以滿足一、二級負荷的供電需求。一般情況下，需要柴油發電機在停電10～15 s內自動啟動，同時雙電源開關自動切換。實際上，目前國內現有大多數隧道已經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。在必須使用柴油發電機作為第二路或第三路備用電源的公路隧道系統中，應選擇合適的發電機組的功率，即發電機組的負荷不應低于機組額定輸出功率的30%[9]。由于無論用電需求的大小，柴油機的轉速必須保持持續高速運行，發證產生50 Hz的電能。因此對機組裝機負荷和機組數的選擇需要尤為注意，針對不同用電需求，應啟動相應的工作機組。如在同時使用通信、照明和通風等設備時，發電機組應達到相應功率，而停止通風后，應自動關閉一些發電機組以降低能源浪費。

2.4 消防及防災系統

根據《高速公路隧道監控系統模式》(GB/T 18567-2010)和《公路隧道設計規范第二冊交通工程與附屬設施》合理配置隧道火災報警系統(主要包括監控系統、通信系統、消防系統等)。合理設置各種信息標志和報警器，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信息。隧道內信息監測可以為隧道內通風、照明系統提供自動控制參數，確保車輛在隧道內安全行駛，從而避免通風、照明的過度使用，節約運營耗能和電力成本。

3 結語

我國現有的公路隧道耗能還存在許多弊端，通風系統運營成本居高不下大多由于設計優化不足，造成很大程度的能源浪費；照明系統中“按需照明”概念落實不到位，加強新能源的應用和智能管理系統的改進有助于進一步提高照明系統節能效率；消防及防災系統也應因地制宜，加強設計與管理，與公路隧道的其他系統協同發展。

現代公路隧道的設計應具備一定升級空間，注重全過程節能措施的設計，“從需求到供應，從整體到具體，從源頭到末端”，提出一整套節能方案才更能凸顯現代節能技術發展的優勢。結合不同用電系統的特點，在不同系統之間應用能源智能調配理念和技術，可將高效節能提升到新的層次。有了更加科學合理的公路隧道節能技術規范和標準，我國隧道系統必將邁進節能、綠色、健康發展的新時代。

[1]晁 峰，王明年，于 麗，等.特長公路隧道自然風計算方法和節能研究[J].現代隧道技術，2016，53(1)：111-118.

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