公路隧道节能方式探讨

林芷行，简 慧，韦 浩

(1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

据《2016年交通运输行业发展统计公报》统计，截止2016年，中国现有公路隧道为15 181处、1 403.97万m，增加1 175处、135.58万m，其中特长隧道815处、362.27万m，长隧道3 520处、604.55万m。2016年12月，国务院公开发布《“十三五”节能减排综合工作方案》，方案提出资源高效利用成为生态文明建设的重点，方案要求到2020年全国万元国内生产总值能耗比2015年下降15%。在交通运输节能方面，国家提出加快推进交通运输体系建设。在“低碳经济”发展和“节能减排”战略背景下，如何在建立新隧道或改造旧隧道系统时，提出合理科学的节能方案是公路隧道节能的关键。本文通过分析当前公路隧道的耗能现状，以及目前已开展的节能建设或改造措施，提出公路隧道节能方式的优化方案，以期为我国公路隧道节能提供参考，为国家“节能减排”战略目标作出一定贡献。

1 公路隧道耗能分析

公路隧道的用电消耗主要集中在照明设施、通风设施和隧道监控设施等方面，尤其是在长隧道、特长隧道以及隧道群的运营管理中，隧道照明与通风设施的耗电量约占公路隧道总耗能的90%左右[1，2]。可以看出，公路隧道机电设备节能技术改造，是公路节能减排的重要组成部分。因此隧道节能的重点在改进并优化通风与照明设施的运营。公路交通行业目前运用的新能源技术，如光伏应用技术、风电应用技术和风光互补应用技术，这些技术能在很大程度上缓解因前期设计考虑不足造成的耗能成本增加[3]。供配电系统是公路隧道电能的源头，消防及防灾是保证公路隧道正常运营的必须系统，日常管理维护和安全监控是隧道安全运行的重要措施。与世界发达国家对比，我国隧道建设更加注重主体工程的安全性能，对运营管理中附属设施的投入较少。由于规范陈旧、设计落后、照明通风等设施使用年限较短、高耗能、粗放管理等问题，目前并未能将“环保经济”政策体现在我国公路隧道的运营管理，需要科学转型，沿着“功能化-节能化-智能化”方向发展。

2 公路隧道能耗系统及节能方式

2.1 照明系统

隧道照明系统是隧道建设和运营中耗能耗资较高的系统，为保证安全运营基础上实现节能的目标，各种高效、长寿命的新型照明光源在隧道照明系统中得到广泛应用，隧道照明系统展现了巨大的节能环保潜力。2010年，就主流高压钠灯和LED灯相比，LED灯比高压钠灯节能约37%；维修费仅为高压钠灯的1/25。但LED造价高，初期一次性投资是高压钠灯的1.3～1.5倍。目前随着LED技术的发展，已经成为传统照明的替代品。在设计技术方面，可通过准确测试洞外亮度、优化照明设计参数、选择节能光源、升级智能照明控制、采用高效照明配光、合理布设照明灯具、使用新型照明节电设备等措施实现保障行车安全的同时，最大可能地降低照明成本[4]。在优化能源结构方面和管理方面，可选择性地提高太阳能、风能等可再生能源在公路隧道照明系统中的比例。例如，应用和发展太阳能光伏发电技术、加强照明系统的维护管理及清洁。

2.1.1 LED照明系统节能核算

广西灵峰(桂粤界)至八步公路项目四座隧道采用高效LED照明方案代替传统的高压钠灯方案，通过灯具比选、配光设计、智能控制等技术措施极大地降低了隧道照明系统的能耗。路线起于贺州市八步区灵峰镇灵峰村两省(广东、广西)交界处，终止于贺州市八步区沙田镇道石村，接桂梧高速公路贺州支线终点，路线全长76.42 km。全线共设有4座隧道，单洞长度11 479 m，如表1所示。

表1 全线隧道一览表

在项目建设过程中，隧道照明采用光显色性和光效较好的新型节能光源-隧道LED灯，作为隧道内各种照明电光源，依据国《JTGJ D70/2-01-2014公路隧道照明设计细则》，按照隧道等级进行配光及布设设计。隧道照明按单洞单向交通方式布设照明灯具，分入口段、过渡段、中间段和出口段进行区段配置。LED照明方案功耗及数量如表2所示。

表2 优选LED规格及数量表

共计装配6 146套LED灯，消耗总功率为480.78 kW，其中加强照明段353.12 kW，基本照明段127.66 kW。

表3 传统照明方案功耗及数量表

传统方案共装配4 942套灯具，光源消耗功率达985.40 kW，消耗总功率达1 145.47 kW，其中加强照明段855.50 kW基本照明段289.97 kW。见表3。在相同时间内，原设计方案采用高压钠灯作隧道照明光源，消耗功率为1 145.47 kW；采用LED灯作隧道照明光源，消耗功率为480.78 kW，比高压纳灯节省664.69 kW。LED灯电能消耗量比高压钠灯节约58%。

2.1.2 运营及建设成本核算

加强段照明按照每天工作12 h计算，基本照明按照每天工作24 h计算，电费按照0.85元/度计算，营运期按30年计算，具体计算结果见表4。

表4 公路隧道照明系统运营成本核算表

相比传统高钠灯，新型LED灯、变压器和线缆等建设成本略高，该项目中初期投资成本LED灯比高压钠灯高772.22万元。具体成本核算见表5、表6。

表5 公路隧道传统照明系统建设成本核算表

表6 公路隧道LED照明系统建设成本核算表

在维护成本方面，高压钠灯维护费用平均约150元/年/盏，而LED灯厂家一般承诺5年内保修包换，且LED灯一般寿命达10年之久。故传统照明系统5年维护费用比LED照明系统高达337.8万元。因此，以运营5年为期进行计算，初期建设多投入772万元，但在营运期5年内可节约维护费337.8万元，电费节约1 539.46万元，共节约1 877.26万元。营运期5年内，初期建设多投入的772万元即可收回，并节约1 105.26万元的营运收入。

在目前照明技术基础上，如何通过合理配置和科学安装照明灯具成为节能的隐形手段。如对靠近风机出风口的灯具进行加固防护(主要提高抗震动能力)，对风机出风口的朝向进行调整，避免对灯具造成威胁，减少灯具的剧烈震动。此外，公路隧道照明系统的布灯参数优化可进一步降低能耗，达到节能效果。智能化照明系统是目前设计的热点，杨超等研究发现实行调光控制的照明系统电磁感应灯照明系统至少节能63.1%[5]。

2.2 通风系统

据估算，通风系统的投资占隧道总投资的15%～25%，通风系统的运营管理占隧道运营管理费用的70%～80%[6]。由此可见，通风系统在节能方面具有较大的可提升空间。

目前主要参考《公路隧道通风系统设计细则》为隧道选取合理设计参数，忽视了不同地区、不同地形的差别，虽然能够满足安全运行的大前提，但却容易在一定程度上造成能源浪费和设备闲置等现象。自然风计算方法与节能研究为合理选择通风方式提供了更佳的参考，合理计算自然通风对隧道系统的贡献有助于减小通风系统运营成本和能源浪费。隧道通风风机配置应根据交通量增加分期安装，并分为变频控制和动力可调控制。在通风方式的选择上，集中送入通风方式、竖井通风方式、静电除尘通风方式、全横向和半横向通风方式五种通风方式需要加强推广与应用[7]，因而我国现有隧道通风方式的技术层面有待加强与改进。总之，合理的通风系统参数选择需要考虑以下几个方面：交通量分析、车辆汽柴比、车辆基准排放量折减率、火灾规模分析，选择合理参数可为节能作出颇具成效的贡献。

2.3 供配电系统

2.3.1 线路损耗

供配电系统是公路隧道节能的重要环节之一。目前公路隧道用电主要存在的问题有以下几个方面：

(1)偏远地区山区隧道以及早期设计的供配电线路，用电终端的电压偏低且质量很差，导致供电过程中电能损耗大，产生持续性浪费。

(2)隧道用电具有周期性，每日用电负荷波动大。如白天开应急灯、全日灯和加强灯，下午隧道开风机通风，会造成阶梯形用电负荷。但供配电系统的自动功率因数补偿波动较大，功率因数运行一般为0.9～0.98。夜间只开应急灯，由于负荷很低，功率因数也非常低，无法运行有效的自动功率因数补偿。

配电变压器的功率损耗可表示为：

P=P0+P1β

其中，P——变压器有功功率损耗(kW)；

P0——变压器的空载损耗(kW)；

P1——变压器的有载损耗；

β——变压器的负载率。

空载损耗和有载损耗与输电线路的材质、距离、电压、电流等都有直接关系。目前主要的解决办法是提高线路电压，合理配置变压器的分级开关，从而降低供电线路的功率损耗。在此基础上可提高自动功率因数补偿的灵敏度和适应能力。根据白天和夜间用电需求的不同进行针对性调整，分析公路隧道的用电规律，提高供配电系统的智能适应性。通过科学合理的技术改造，预计可减少电费支出约8.83%，从而实现节能经济[8]。另外，采用这种绝缘穿刺连接器有助于提高系统稳定性，减少不必要的维修和对供配电系统的损耗，能够起到对隧道供配电系统的整体优化，从而间接达到节能目标。

2.3.2 备用电源选择

高速公路的配电设计人员参照或套用民用建筑电气设计规范的时候，会在难以选择两路独立电源供电的情况下，采用外接10 kV电源作为主电源，同时在低压配电系统中配置柴油发电机以满足一、二级负荷的供电需求。一般情况下，需要柴油发电机在停电10～15 s内自动启动，同时双电源开关自动切换。实际上，目前国内现有大多数隧道已经采用变电所的低压配电柜中增加了ATS柜，只需一路电源即可满足需求。在必须使用柴油发电机作为第二路或第三路备用电源的公路隧道系统中，应选择合适的发电机组的功率，即发电机组的负荷不应低于机组额定输出功率的30%[9]。由于无论用电需求的大小，柴油机的转速必须保持持续高速运行，发证产生50 Hz的电能。因此对机组装机负荷和机组数的选择需要尤为注意，针对不同用电需求，应启动相应的工作机组。如在同时使用通信、照明和通风等设备时，发电机组应达到相应功率，而停止通风后，应自动关闭一些发电机组以降低能源浪费。

2.4 消防及防灾系统

根据《高速公路隧道监控系统模式》(GB/T 18567-2010)和《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》合理配置隧道火灾报警系统(主要包括监控系统、通信系统、消防系统等)。合理设置各种信息标志和报警器，为管理者提供多种措施实施交通管制，还可以为道路使用者提供实时直观的诱导信息。隧道内信息监测可以为隧道内通风、照明系统提供自动控制参数，确保车辆在隧道内安全行驶，从而避免通风、照明的过度使用，节约运营耗能和电力成本。

3 结语

我国现有的公路隧道耗能还存在许多弊端，通风系统运营成本居高不下大多由于设计优化不足，造成很大程度的能源浪费；照明系统中“按需照明”概念落实不到位，加强新能源的应用和智能管理系统的改进有助于进一步提高照明系统节能效率；消防及防灾系统也应因地制宜，加强设计与管理，与公路隧道的其他系统协同发展。

现代公路隧道的设计应具备一定升级空间，注重全过程节能措施的设计，“从需求到供应，从整体到具体，从源头到末端”，提出一整套节能方案才更能凸显现代节能技术发展的优势。结合不同用电系统的特点，在不同系统之间应用能源智能调配理念和技术，可将高效节能提升到新的层次。有了更加科学合理的公路隧道节能技术规范和标准，我国隧道系统必将迈进节能、绿色、健康发展的新时代。

[1]晁 峰，王明年，于 丽，等.特长公路隧道自然风计算方法和节能研究[J].现代隧道技术，2016，53(1)：111-118.

[2]王少飞，涂 耘，邓 欣.公路隧道节能减排对策[J].铁道工程学报，2011，8(5)：71-75.

[3]储诚赞，刘玉新，燕 凌.公路隧道节能方式探究[J].现代隧道技术，2016，53(1)：23-27.

[4]王少飞，涂 耘，邓 欣，等.论公路隧道照明节能[J].照明工程学报，2012，(3)：106-112.

[5]杨 超，程 翠，徐一航.基于布灯参数优化的隧道照明节能控制[J].华东交通大学学报，2017，34(2)：128-133.

[6]朱祝龙，田 峰.特长公路隧道运营通风节能分析[J].建筑热能通风空调，2016，35(3)：86-88.

[7]李广平，李志远，邢薇薇.公路隧道通风节能技术研究[J].公路，2011(9)：265-267.

[8]何 挺.高速公路低碳隧道节能减排实践[J].公路隧道，2015(3)：57-59.

[9]黄 林.浅谈高速公路供配电工程的建设管理[J].广东科技，2012(23)：166-167.