公路隧道机电体系节能策略研究

本文作者：包左军、朱立伟 单位：交通运输部公路科学研究院

1引言

隧道节能是公路运营节能的首要关注点，其节能对策的研究必然要对系统能耗的构成进行客观分析，从而确定削减低效、甚至是无效能耗的综合方案。目前，评判节能对策恰当与否，存在着纵向节能率与横向效能比2个环比指标体系，两者的核心都是围绕设备、设施和系统的功能与性能需求，对实际发生的静态和动态过程能耗所进行的平抑性研究与效果评价。其中，通过自身比对的纵向评价模式可参照《国际节能效果测量和验证规程》(EVO10000－1:2007)给定的测量方法。纵向评价方式具有效果直观、可度量直接效益的优点;而横向评价则具有同类技术或同行业水平总体类比的优势。两者的应用，分别从微观和宏观角度予以评判，并以此指导更加客观的节能应用对策。总之，节能措施的着力点是在保障设施关键功能健全的前提下，依据系统各环节能耗的组成，通过降低损耗的技术性与管理性方法，获取最终的节能效果，该结果通常是以经济效益予以衡量。

2公路隧道机电能耗构成

常规的隧道机电系统包括照明、通风、监控、火灾报警、消防、应急策略、供配电测控等功能子系统，每个子系统均依照设计规程完成其预定的操作并消耗着相应的电能，因此是节能对策研究的重点对象。通过分析其正常与合理冗余的功能需求，对能耗进行系统化和可控化的管理，是实现节能目标的主要方法。因此，使用较低的能耗维持合理可靠的系统功能，就是本文研究节能对策的基本观点。实际上，即便都是依据相同的设计规范，但不同规模和型式的隧道，其机电系统的能耗情况仍然存在着较大差异。通常，简捷的节能措施就是更换掉高耗低效的用电设备，或减少非功能性损耗占用时序，甚至限制、关闭某些时段内非必要设施的开启时间。然而，由于设施和系统的多样性和复杂性，以及系统工作与待机期间持电的波动性等问题，使真正更优的节能措施变得并非如此简单，节能效果也会由此呈现为一条动态起伏的曲线，评价其效果时应计取测量时段内的计量值，或计算负荷平均值，而不是局部峰值和非代表性量值。

隧道的能耗与交通量、行驶车速、隧道长度、隧道平纵线、隧道断面、洞口特征、交通组成、所在地气候和自然环境等因素均存在着较强的关联性，最终决定了诸如照明、通风、交通监控、火灾报警、消防等隧道机电系统的组成及其特有功能，也就产生了相应的设备负荷功率、负荷持续率等需求，形成了一系列稳态或瞬时的能耗。正因为上述因素的制约，每个隧道的能耗构成并非完全相同。比如一些中短隧道对火灾自动报警要求较低或在低交通量情况下并不做要求，因而也就不存在能耗问题。而越是长大隧道，随着配套系统复杂程度的提高，设备种类和数量会大幅增加，子系统类型与耗电问题也会随之凸现。此时，就应依据系统与设备的本体特性，针对不同系统、不同功能、不同工况、不同时序的能耗构成情况，系统地设计节能降耗方案。

如图1所示，各子系统的功能与能耗组被描绘成支撑公路隧道机电系统功能的归纳塔结构，作为构筑多级塔基的各子系统确保了隧道安全通行等多项功能，通过削减各子系统非关键冗余的能耗就成为实现系统节能的有效途径。一般情况下，隧道照明和通风系统占据了能耗的绝大部分，其中照明负荷达到65%～90%以上，尤其是中短隧道所占比率会越高;而在长大隧道中，通风系统能耗比重则会显著增加，但与基本处于常开状态的照明系统相比，通风系统的负荷持续时间相对有限，因此，在以年度为核算范围的能耗计量时段内，通风系统所占总能耗比率并不高。此外，节能措施不应以损坏隧道系统的功能健全为代价，需要在功效与能耗、效益与投放之间寻求一条以减少过度冗余和技术更新为支撑点的平衡线，使之在实现节能目标时，依然能确保隧道机电系统的正常工作。因而，越是能够充分的解析机电系统的各部分能耗分布，就越有可能拓宽节能的空间尺度，并且可使方案行之有效。

3公路隧道机电节能措施

如图1所示，节能措施的提出应立足于现有能耗基础上的二次挖潜工作。原本高能耗的系统挖掘潜力会非常明显，纵向评价成效显著;而在既有技术下，已实现功效与能耗基本匹配的系统，若继续进行挖掘节能的努力，则其效益与投入比会逐渐趋向不合理，因为从同类系统横向评价角度看，该系统现有节能措施已趋于完善。倘若需要持续扩大节能力度，就必须依赖新技术、新材料、新工艺的进步和应用才有可能得以实现。因此，一项完整节能对策的提出，需要从与系统自身的纵向比较以及与同类系统的横向比较两个方面进行比照、分析，确定其可行性。即，可以通过建立节能减排效果成熟度模型(EnergySavingandEmissionReduction－CapabilitymaturityModel)，参见图2ESER－CMM示意图进行系统性评判，从而实现深入优化节能措施的目标。

为了标准和流程化地判别系统节能降耗最终成效的“成熟度”，首先，需要制定具体目标，并确立节能效果的标志性参数或参数组;进而分析、划定系统节能的几个关键环节(也称为关键过程域)，例如，一般机电系统的电源、供配电、用电设备、操作控制等四个系统耗能关键域，并根据各子系统共同的能耗特性实现节能措施的约束与规范化;最后是通过评判执行约定、执行能力、执行活动、测量分析、验证实施等个关键实践过程中各因素的重要程度，以及实践标度和能力标度的阀值(＞80%的满意度)，核定该系统节能对策的成熟度等级，并以此判定系统是否仍有可持续挖掘的潜能。如图3所示，“初始级”是分析、确定某一个子系统的节能目标与技术方案，实现相关因素的平衡与约束;“可重复级”则通过技术与管理措施的规范化过程，确保总系统的集成化与节能目标的完整性;“已定义级”是完成了系统的全面设计与实施，并能预测投入与节能收益的初步成效;“已管理级”代表系统运行阶段的实际操作与数据衡量，可以结合实际情况做出必要的调整与改进，进一步优化系统的节能降耗操作，并使之更趋向理想目标，即达到“优化级”。从中可以看出，节能措施是一项管理性任务，系统地完善节能优化目标需要经历五个阶段过程。即，落实技术与管理相结合的节能措施，是一个规范化与逐层深入化的递进过程。其中，就体现了每项具体措施中均蕴含着同类横向约束与自身纵向挖掘双重改进的指导思想，并籍此判别实际系统节能努力的成熟度，实现效益与投入的内在平衡，达到系统功效与能耗的最优化。

从宏观层面看待公路隧道机电系统节能措施的优化与实施，应当立足于同业整体能耗水平和自身可挖掘潜力的基本背景之下，通过分析现有能耗机制、能耗结构、能耗监控技术、能耗优化方案的一般性方法和专门举措等对策，从设备选型、系统优化、运行管理等方面提出综合性节能措施，是持续改进能耗状况的基本途径。如果脱离具体的系统去谈论任何单一节能措施，可能会造成某些偏失，因为能耗情况反映了现有能源结构、能源供给与能耗技术等基础性产业问题，是合乎既有规范要领的进一步优化举措，而不是无限可为和无代价而为之的单纯惟一目标举动。

4结语

面向公路隧道机电系统节能对策的研究，需要从实际微观角度与行业宏观角度进行多方位统筹分析，进而平抑各种制约因素，针对性地提出降耗改进方案。其目标是实现机电系统功效与能耗配置的最优化，是利用节能新技术落实技术革新与技术进步，是合理平衡资金投入与效益产出的经济活动，是兼顾技术与管理措施的系统性实践活动。