公路隧道機(jī)電體系節(jié)能策略研究

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本文作者：包左軍、朱立偉 單位：交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院

1引言

隧道節(jié)能是公路運(yùn)營節(jié)能的首要關(guān)注點(diǎn)，其節(jié)能對策的研究必然要對系統(tǒng)能耗的構(gòu)成進(jìn)行客觀分析，從而確定削減低效、甚至是無效能耗的綜合方案。目前，評判節(jié)能對策恰當(dāng)與否，存在著縱向節(jié)能率與橫向效能比2個環(huán)比指標(biāo)體系，兩者的核心都是圍繞設(shè)備、設(shè)施和系統(tǒng)的功能與性能需求，對實(shí)際發(fā)生的靜態(tài)和動態(tài)過程能耗所進(jìn)行的平抑性研究與效果評價。其中，通過自身比對的縱向評價模式可參照《國際節(jié)能效果測量和驗(yàn)證規(guī)程》(EVO10000－1:2007)給定的測量方法?？v向評價方式具有效果直觀、可度量直接效益的優(yōu)點(diǎn);而橫向評價則具有同類技術(shù)或同行業(yè)水平總體類比的優(yōu)勢。兩者的應(yīng)用，分別從微觀和宏觀角度予以評判，并以此指導(dǎo)更加客觀的節(jié)能應(yīng)用對策?？傊?，節(jié)能措施的著力點(diǎn)是在保障設(shè)施關(guān)鍵功能健全的前提下，依據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)能耗的組成，通過降低損耗的技術(shù)性與管理性方法，獲取最終的節(jié)能效果，該結(jié)果通常是以經(jīng)濟(jì)效益予以衡量。

2公路隧道機(jī)電能耗構(gòu)成

常規(guī)的隧道機(jī)電系統(tǒng)包括照明、通風(fēng)、監(jiān)控、火災(zāi)報警、消防、應(yīng)急策略、供配電測控等功能子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)均依照設(shè)計規(guī)程完成其預(yù)定的操作并消耗著相應(yīng)的電能，因此是節(jié)能對策研究的重點(diǎn)對象。通過分析其正常與合理冗余的功能需求，對能耗進(jìn)行系統(tǒng)化和可控化的管理，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的主要方法。因此，使用較低的能耗維持合理可靠的系統(tǒng)功能，就是本文研究節(jié)能對策的基本觀點(diǎn)。實(shí)際上，即便都是依據(jù)相同的設(shè)計規(guī)范，但不同規(guī)模和型式的隧道，其機(jī)電系統(tǒng)的能耗情況仍然存在著較大差異。通常，簡捷的節(jié)能措施就是更換掉高耗低效的用電設(shè)備，或減少非功能性損耗占用時序，甚至限制、關(guān)閉某些時段內(nèi)非必要設(shè)施的開啟時間。然而，由于設(shè)施和系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性，以及系統(tǒng)工作與待機(jī)期間持電的波動性等問題，使真正更優(yōu)的節(jié)能措施變得并非如此簡單，節(jié)能效果也會由此呈現(xiàn)為一條動態(tài)起伏的曲線，評價其效果時應(yīng)計取測量時段內(nèi)的計量值，或計算負(fù)荷平均值，而不是局部峰值和非代表性量值。

隧道的能耗與交通量、行駛車速、隧道長度、隧道平縱線、隧道斷面、洞口特征、交通組成、所在地氣候和自然環(huán)境等因素均存在著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，最終決定了諸如照明、通風(fēng)、交通監(jiān)控、火災(zāi)報警、消防等隧道機(jī)電系統(tǒng)的組成及其特有功能，也就產(chǎn)生了相應(yīng)的設(shè)備負(fù)荷功率、負(fù)荷持續(xù)率等需求，形成了一系列穩(wěn)態(tài)或瞬時的能耗。正因?yàn)樯鲜鲆蛩氐闹萍s，每個隧道的能耗構(gòu)成并非完全相同。比如一些中短隧道對火災(zāi)自動報警要求較低或在低交通量情況下并不做要求，因而也就不存在能耗問題。而越是長大隧道，隨著配套系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，設(shè)備種類和數(shù)量會大幅增加，子系統(tǒng)類型與耗電問題也會隨之凸現(xiàn)。此時，就應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)與設(shè)備的本體特性，針對不同系統(tǒng)、不同功能、不同工況、不同時序的能耗構(gòu)成情況，系統(tǒng)地設(shè)計節(jié)能降耗方案。

如圖1所示，各子系統(tǒng)的功能與能耗組被描繪成支撐公路隧道機(jī)電系統(tǒng)功能的歸納塔結(jié)構(gòu)，作為構(gòu)筑多級塔基的各子系統(tǒng)確保了隧道安全通行等多項(xiàng)功能，通過削減各子系統(tǒng)非關(guān)鍵冗余的能耗就成為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的有效途徑。一般情況下，隧道照明和通風(fēng)系統(tǒng)占據(jù)了能耗的絕大部分，其中照明負(fù)荷達(dá)到65%～90%以上，尤其是中短隧道所占比率會越高;而在長大隧道中，通風(fēng)系統(tǒng)能耗比重則會顯著增加，但與基本處于常開狀態(tài)的照明系統(tǒng)相比，通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)荷持續(xù)時間相對有限，因此，在以年度為核算范圍的能耗計量時段內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)所占總能耗比率并不高。此外，節(jié)能措施不應(yīng)以損壞隧道系統(tǒng)的功能健全為代價，需要在功效與能耗、效益與投放之間尋求一條以減少過度冗余和技術(shù)更新為支撐點(diǎn)的平衡線，使之在實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)時，依然能確保隧道機(jī)電系統(tǒng)的正常工作。因而，越是能夠充分的解析機(jī)電系統(tǒng)的各部分能耗分布，就越有可能拓寬節(jié)能的空間尺度，并且可使方案行之有效。

3公路隧道機(jī)電節(jié)能措施

如圖1所示，節(jié)能措施的提出應(yīng)立足于現(xiàn)有能耗基礎(chǔ)上的二次挖潛工作。原本高能耗的系統(tǒng)挖掘潛力會非常明顯，縱向評價成效顯著;而在既有技術(shù)下，已實(shí)現(xiàn)功效與能耗基本匹配的系統(tǒng)，若繼續(xù)進(jìn)行挖掘節(jié)能的努力，則其效益與投入比會逐漸趨向不合理，因?yàn)閺耐愊到y(tǒng)橫向評價角度看，該系統(tǒng)現(xiàn)有節(jié)能措施已趨于完善。倘若需要持續(xù)擴(kuò)大節(jié)能力度，就必須依賴新技術(shù)、新材料、新工藝的進(jìn)步和應(yīng)用才有可能得以實(shí)現(xiàn)。因此，一項(xiàng)完整節(jié)能對策的提出，需要從與系統(tǒng)自身的縱向比較以及與同類系統(tǒng)的橫向比較兩個方面進(jìn)行比照、分析，確定其可行性。即，可以通過建立節(jié)能減排效果成熟度模型(EnergySavingandEmissionReduction－CapabilitymaturityModel)，參見圖2ESER－CMM示意圖進(jìn)行系統(tǒng)性評判，從而實(shí)現(xiàn)深入優(yōu)化節(jié)能措施的目標(biāo)。

為了標(biāo)準(zhǔn)和流程化地判別系統(tǒng)節(jié)能降耗最終成效的“成熟度”，首先，需要制定具體目標(biāo)，并確立節(jié)能效果的標(biāo)志性參數(shù)或參數(shù)組;進(jìn)而分析、劃定系統(tǒng)節(jié)能的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)(也稱為關(guān)鍵過程域)，例如，一般機(jī)電系統(tǒng)的電源、供配電、用電設(shè)備、操作控制等四個系統(tǒng)耗能關(guān)鍵域，并根據(jù)各子系統(tǒng)共同的能耗特性實(shí)現(xiàn)節(jié)能措施的約束與規(guī)范化;最后是通過評判執(zhí)行約定、執(zhí)行能力、執(zhí)行活動、測量分析、驗(yàn)證實(shí)施等個關(guān)鍵實(shí)踐過程中各因素的重要程度，以及實(shí)踐標(biāo)度和能力標(biāo)度的閥值(＞80%的滿意度)，核定該系統(tǒng)節(jié)能對策的成熟度等級，并以此判定系統(tǒng)是否仍有可持續(xù)挖掘的潛能。如圖3所示，“初始級”是分析、確定某一個子系統(tǒng)的節(jié)能目標(biāo)與技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)相關(guān)因素的平衡與約束;“可重復(fù)級”則通過技術(shù)與管理措施的規(guī)范化過程，確?？傁到y(tǒng)的集成化與節(jié)能目標(biāo)的完整性;“已定義級”是完成了系統(tǒng)的全面設(shè)計與實(shí)施，并能預(yù)測投入與節(jié)能收益的初步成效;“已管理級”代表系統(tǒng)運(yùn)行階段的實(shí)際操作與數(shù)據(jù)衡量，可以結(jié)合實(shí)際情況做出必要的調(diào)整與改進(jìn)，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的節(jié)能降耗操作，并使之更趨向理想目標(biāo)，即達(dá)到“優(yōu)化級”。從中可以看出，節(jié)能措施是一項(xiàng)管理性任務(wù)，系統(tǒng)地完善節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)需要經(jīng)歷五個階段過程。即，落實(shí)技術(shù)與管理相結(jié)合的節(jié)能措施，是一個規(guī)范化與逐層深入化的遞進(jìn)過程。其中，就體現(xiàn)了每項(xiàng)具體措施中均蘊(yùn)含著同類橫向約束與自身縱向挖掘雙重改進(jìn)的指導(dǎo)思想，并籍此判別實(shí)際系統(tǒng)節(jié)能努力的成熟度，實(shí)現(xiàn)效益與投入的內(nèi)在平衡，達(dá)到系統(tǒng)功效與能耗的最優(yōu)化。

從宏觀層面看待公路隧道機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能措施的優(yōu)化與實(shí)施，應(yīng)當(dāng)立足于同業(yè)整體能耗水平和自身可挖掘潛力的基本背景之下，通過分析現(xiàn)有能耗機(jī)制、能耗結(jié)構(gòu)、能耗監(jiān)控技術(shù)、能耗優(yōu)化方案的一般性方法和專門舉措等對策，從設(shè)備選型、系統(tǒng)優(yōu)化、運(yùn)行管理等方面提出綜合性節(jié)能措施，是持續(xù)改進(jìn)能耗狀況的基本途徑。如果脫離具體的系統(tǒng)去談?wù)撊魏螁我还?jié)能措施，可能會造成某些偏失，因?yàn)槟芎那闆r反映了現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、能源供給與能耗技術(shù)等基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)問題，是合乎既有規(guī)范要領(lǐng)的進(jìn)一步優(yōu)化舉措，而不是無限可為和無代價而為之的單純惟一目標(biāo)舉動。

4結(jié)語

面向公路隧道機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能對策的研究，需要從實(shí)際微觀角度與行業(yè)宏觀角度進(jìn)行多方位統(tǒng)籌分析，進(jìn)而平抑各種制約因素，針對性地提出降耗改進(jìn)方案。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)功效與能耗配置的最優(yōu)化，是利用節(jié)能新技術(shù)落實(shí)技術(shù)革新與技術(shù)進(jìn)步，是合理平衡資金投入與效益產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)活動，是兼顧技術(shù)與管理措施的系統(tǒng)性實(shí)踐活動。