隧道與地下工程節(jié)能減排低碳環(huán)保的研究和實(shí)踐

中國(guó)科學(xué)院院士 孫鈞

0 前 言

世界盛贊中國(guó)減排新承諾：聯(lián)合國(guó)全球氣候變化條約巴黎會(huì)議（2015/11/30～12/11日）召開。前夕，李克強(qiáng)總理訪歐在會(huì)見法國(guó)總統(tǒng)奧朗德時(shí)，莊嚴(yán)宣布：在2030年之前，中國(guó)將停止碳排放量增長(zhǎng)，2030年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的CO2排放量比2005年下降60%～65%；屆時(shí)低碳與可再生能源在全部能源消費(fèi)中所占比重將提高到20%。這一文件并已正式提交給聯(lián)合國(guó)。該項(xiàng)重大承諾，反映了中國(guó)應(yīng)對(duì)全球氣候變暖、深度參與全球環(huán)境治理、推動(dòng)全人類共同發(fā)展的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

1 中國(guó)實(shí)現(xiàn)低碳減排目標(biāo)

大力減少對(duì)煤、油等化石燃料的依賴；增加對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹拈_發(fā)和利用；多方面提高能源利用效率；改進(jìn)城市規(guī)劃和進(jìn)一步發(fā)展公共交通，等等。為了貫徹落實(shí)總理的上述承諾，我們要為政府的決心和魄力大聲叫好!同時(shí)，業(yè)界人仕要做到“各行各業(yè)努力以赴，盡自己的一份綿薄之力，加強(qiáng)宣傳、呼吁，盡到我們不容推卸的責(zé)任”。對(duì)此，以下想闡明一點(diǎn)自己的淺識(shí)：在當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)條件下，構(gòu)建資源節(jié)約、環(huán)境友好型的各類隧道與地下空間，對(duì)減少環(huán)境污染、促進(jìn)地下工程建設(shè)事業(yè)全面協(xié)調(diào)地可持續(xù)發(fā)展、降低施工和運(yùn)營(yíng)管理成本，具有重大而積極的推動(dòng)作用。

1.1 對(duì)地下空間節(jié)能環(huán)保的理解

就發(fā)展城市地鐵和地下道路而言，主要體現(xiàn)在：在相當(dāng)程度上由于可大范圍地疏解地面人流和車流，使地面道路汽車尾氣排放導(dǎo)致的城市空氣污染、人車噪聲污染和入夜后的光污染等，均可得到大幅度改善而起到巨大的環(huán)保效應(yīng)；此外，由于地下冬暖夏涼、相對(duì)地面而言的溫、濕度變化幅度都比較小而起到顯著的節(jié)能效應(yīng)等兩大方面。這方面的節(jié)能環(huán)保效益十分可觀，但目前的有效發(fā)揮卻還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，亟待進(jìn)一步開展和完善。

1.2 對(duì)隧道照明方面的節(jié)能

主要是采用具有高功率因數(shù)的照明燈具，有如：智能LED（配置高效電子鎮(zhèn)流器）、在隧道兩側(cè)鋪設(shè)反射率高的裝修材料、盡量縮短供電電纜長(zhǎng)度以減少線路損耗、合理布置配電房的位置、集中自動(dòng)化調(diào)光控制、減少洞內(nèi)外亮度差等等方法；為了進(jìn)一步節(jié)能，將長(zhǎng)大隧道內(nèi)的燈具分為全日燈、黃昏燈、白日燈和應(yīng)急燈等幾個(gè)回路進(jìn)行人工或自動(dòng)控制，等等。但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中進(jìn)一步做好節(jié)約電能的同時(shí)，還要研究如何解決好照明節(jié)能與行車安全以及與隧道監(jiān)控三者之間的矛盾統(tǒng)一等問(wèn)題。如上所述，地下空間具有天然賦給的低碳屬性，它在建筑節(jié)能、交通節(jié)能和新能源利用等各方面都具有地面建（構(gòu)）筑物無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)?？梢哉J(rèn)為，城市低碳化水平的提高，與進(jìn)一步開發(fā)與利用城市地下空間的節(jié)能減排、低碳環(huán)保的發(fā)展水平關(guān)系密切，不可分割；有文章認(rèn)為，城市地下空間的低碳效應(yīng)是實(shí)際可定量測(cè)讀得到的。其量化衡量指標(biāo)在于：各類地下空間的開發(fā)利用將帶來(lái)城市碳排放量的幾多減少，據(jù)此可建立地下空間節(jié)能減排的量化體系和量化方法；進(jìn)一步加快建立城市軌道交通能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，推動(dòng)低碳技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用推廣，深化節(jié)能設(shè)計(jì)的改進(jìn)與完善，實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能；此外，還要加強(qiáng)節(jié)能管理落實(shí)節(jié)能管理措施，充分發(fā)揮軌道交通節(jié)能環(huán)保的天賦優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展，這是一項(xiàng)當(dāng)務(wù)之急。

2 我國(guó)工程建設(shè)節(jié)能減排工作中的若干問(wèn)題（以公路隧道為例）

我國(guó)公路隧道在洞內(nèi)照明、機(jī)械通風(fēng)、供配電和給排水等幾大項(xiàng)節(jié)能減排方面，諸如：降低照明能耗、節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤、油等化石燃料以及減少碳排放與環(huán)境污染等領(lǐng)域，成績(jī)巨大，收益卓著。但當(dāng)前存在的主要問(wèn)題，反映在：在節(jié)能方案實(shí)施中，成本投入往往高出產(chǎn)出效益“節(jié)能不節(jié)錢”矛盾突出，因而出現(xiàn)是否值得投資的困惑；市場(chǎng)上充斥打著節(jié)能旗號(hào)的偽劣產(chǎn)品，不少節(jié)能技術(shù)/產(chǎn)品未經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)論證，巨額投資得不到投資回報(bào)的切實(shí)保證；節(jié)能統(tǒng)計(jì)指標(biāo)體系尚未規(guī)范化，節(jié)能減排專項(xiàng)資金投入缺失，相關(guān)政策法規(guī)支持不落實(shí)，節(jié)能減排工作仍停留在政府一般號(hào)召和企業(yè)自發(fā)行為的低層面，嚴(yán)格貫徹執(zhí)行力度不足，等等。

2.1 影響節(jié)能減排的主要因素

公路隧道根據(jù)其功能定位、安全等級(jí)，所配備的通風(fēng)、照明、消防、供配電、監(jiān)控等機(jī)電設(shè)施，是公路隧道最主要的運(yùn)營(yíng)能耗；而其中，尤以通風(fēng)、照明設(shè)施的能源消耗最多。在交通特點(diǎn)方面，包括交通流量、行車速度、交通組成、運(yùn)輸管理等，其對(duì)公路隧道機(jī)電設(shè)施的近、遠(yuǎn)期配置也有著重要影響，而且與運(yùn)營(yíng)安全密切相關(guān)。我國(guó)不同區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異比較大，對(duì)交通運(yùn)輸節(jié)能減排的認(rèn)識(shí)程度也不盡相同、統(tǒng)一，這在相當(dāng)程度上對(duì)公路隧道的節(jié)能減排也產(chǎn)生不利影響；自然條件在一定程度上影響公路隧道的節(jié)能減排，包括日照強(qiáng)度、海拔高度、自然風(fēng)等等，其對(duì)公路隧道節(jié)能減排的影響分析，可請(qǐng)另見有關(guān)專門論述；此外，隧道土建結(jié)構(gòu)，包括平縱線形、斷面尺寸、洞門特征，甚至洞內(nèi)裝飾、路面材料等等，其不僅直接決定了土建工程總量，也會(huì)在一定程度上影響機(jī)電設(shè)施配置，從而對(duì)公路隧道節(jié)能減排產(chǎn)生影響。

2.2 提出并實(shí)施隧道節(jié)能減排的工程措施與相關(guān)技術(shù)

提高公路隧道“綠色能源”的應(yīng)用比例：煙臺(tái)市利用太陽(yáng)能照明，采用節(jié)能燈具修建國(guó)內(nèi)首座太陽(yáng)能隧道——通世路隧道，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤120t以上；安徽六潛高速公路獅子尖隧道，首次采用太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電，設(shè)計(jì)了“風(fēng)光互補(bǔ)”離網(wǎng)供電系統(tǒng)，既節(jié)約了電能，又降低了發(fā)電設(shè)備配置成本；公路隧道照明及供配電節(jié)能成套關(guān)鍵技術(shù)取得突破，有如：洞外亮度L20(S)精確測(cè)試方法及洞口減光措施、基于中間視覺理論的照明設(shè)計(jì)方法、智能化照明控制技術(shù)、高效照明方式、節(jié)能光源應(yīng)用、照明及供配電系統(tǒng)分期實(shí)施等等，并在示范工程建設(shè)中得到了應(yīng)用實(shí)踐；通風(fēng)節(jié)能減排手段主要有：前饋式通風(fēng)控制技術(shù)、雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)技術(shù)、污染空氣靜電除塵技術(shù)、污染空氣土壤凈化技術(shù)等，不一而足；給排水節(jié)能減排措施主要有：應(yīng)用消防水泵智能控制技術(shù)、使用高效節(jié)能水泵、選用強(qiáng)度高和摩阻小的熱鍍鋅鋼管等等；加強(qiáng)并完善節(jié)能管理，對(duì)于指導(dǎo)公路隧道節(jié)能減排具有極其重要的引導(dǎo)作用。

3 近年來(lái)城市軌交地鐵節(jié)能低碳成效卓著

城市地鐵運(yùn)營(yíng)成本居高不下，在票價(jià)不容調(diào)整的制約下，入不敷出，已成為地方財(cái)政的一項(xiàng)長(zhǎng)期負(fù)擔(dān)。但為使其今后發(fā)展為節(jié)能環(huán)保的綠色地下交通線，前景喜人，值得期待；地鐵是用電負(fù)荷巨大的一頭“電老虎”，其電能耗費(fèi)約占全部運(yùn)營(yíng)成本的20%以上。其中，牽引電耗和動(dòng)力照明與冷暖空調(diào)電耗是大頭，而主控中心、線損和其它各種電耗也是一筆不小的數(shù)目。以上是其節(jié)能減排的重中之重；應(yīng)用新技術(shù)以引領(lǐng)高效節(jié)能的低碳發(fā)展模式，以更好控制用電成本，并帶來(lái)新的業(yè)務(wù)拓展與整合機(jī)遇，為企業(yè)帶來(lái)新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，效益空間不容小覷，是一項(xiàng)亟待開展的研究方向。

3.1 各地城市軌交地鐵節(jié)能減排措施取得的主要成效

在車輛系統(tǒng)方面車輛輕量化正在實(shí)現(xiàn)，減少車體重量后較老年型的約可節(jié)能50%；在全電制動(dòng)停車控制系統(tǒng)、再生制動(dòng)能量利用等方面進(jìn)行探索，建立在生電能吸收系統(tǒng)，有效利用地鐵車輛制動(dòng)能量，節(jié)約的能源占線路總能耗的5%～10%或以上；減小非必要的機(jī)電設(shè)備數(shù)量并控制設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，如控制變壓器容量、減少非運(yùn)行時(shí)段照明數(shù)量等。采用自動(dòng)優(yōu)化控制，節(jié)能減排效果十分顯著；大面積采用LED照明等節(jié)能產(chǎn)品，應(yīng)用和研發(fā)新型節(jié)能通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)備，大大降低了能耗；有條件的城市，應(yīng)改用新能源替代電能和化石燃料，如以太陽(yáng)能、風(fēng)能為照明能源、以地?zé)崮転榭照{(diào)提供動(dòng)力等，可有效減少碳排放，利用以上各種可再生能源節(jié)約電能（這方面，部分城市地鐵視條件和可能，正在探索中）；在進(jìn)、出站口設(shè)置節(jié)能坡，合理設(shè)計(jì)地鐵營(yíng)運(yùn)線路和行車密度，可最大程度地有效節(jié)約能源。以上這些措施的應(yīng)用，已使一些城市軌道交通的能耗水平有了明顯提高，顯示出城軌節(jié)能的可行性和有效性，為今后進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 城市軌交低碳發(fā)展的創(chuàng)新方向

逐步建立和完善能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，有針對(duì)性地推動(dòng)各項(xiàng)低碳節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新和推廣應(yīng)用；在牽引系統(tǒng)、變頻空調(diào)、動(dòng)力通風(fēng)、相控光源等方面深化節(jié)能設(shè)計(jì)的技術(shù)改造；加強(qiáng)并完善節(jié)能技術(shù)管理，落實(shí)各項(xiàng)節(jié)能管理具體政策、措施等等。以上各點(diǎn)，網(wǎng)上稍作搜索，均見有專文詳細(xì)論述，這里限于篇幅，就不贅述了。

4 隧道和各類地下空間運(yùn)營(yíng)期的節(jié)能減排現(xiàn)狀

4.1 洞內(nèi)照明

隧道洞口段、棚洞和埡口部位，設(shè)計(jì)“天窗”以引入自然光，利用各種反射、折射光鏡將日光引入洞內(nèi)，使盡多取代白天的地下人工照明；在洞內(nèi)每隔若干燈具安裝“漫反射”鏡片，利用之前被四周吸收的光線，利用吸光、感光材料提供在晚間車輛進(jìn)出洞的流量少時(shí)或應(yīng)急時(shí)的發(fā)光照明，等等；隧道中段普遍采用高智能化LED燈，已普遍取代了早前傳統(tǒng)采用的高壓鈉燈和熒光燈照明；在隧洞出入口加強(qiáng)照明段，采用無(wú)極全自動(dòng)調(diào)光技術(shù)，可以視外界亮度和車流量多少，作高智能化自動(dòng)調(diào)整LED燈具的照度變化；必要時(shí)與高壓鈉燈構(gòu)成組合光源，解決冷熱光源對(duì)隧道入口段的影響；應(yīng)用無(wú)極燈后，設(shè)備的使用壽命可大幅增加、耗能減小，新型照明節(jié)能燈具產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)近年來(lái)已呈多樣化，但光衰、質(zhì)量和壽命的進(jìn)一步完善，仍有許多改進(jìn)要做；光纖導(dǎo)入照明，是一種引入自然光的好手段，在不須進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的情況下，經(jīng)聚光元件高效采集，由傳光光纖傳輸，將太陽(yáng)光直接引入地下（上海市虹橋交通樞紐和其它多處均已成功采用）。

4.2 地鐵和隧道的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)

分別早晚高峰期、夜間和正常運(yùn)行3個(gè)時(shí)間段，采用BAS方式對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)進(jìn)行監(jiān)控，并設(shè)定不同的通風(fēng)方式；通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定程序作隧道通風(fēng)智能控制，在突發(fā)事故和洞內(nèi)塞車等特殊路段，用人工干預(yù)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，以調(diào)節(jié)洞內(nèi)通風(fēng)，執(zhí)行不同的通風(fēng)運(yùn)行模式；不只限于鐵路隧道，公路縱向通風(fēng)模式也可以有效利用活塞風(fēng)使洞內(nèi)空氣（進(jìn)、排風(fēng)）得到更經(jīng)濟(jì)合理、有效地自動(dòng)交換，達(dá)到節(jié)能風(fēng)量的最大效果。

5 減少地下工程施工和運(yùn)營(yíng)期碳廢與其它污染物排放對(duì)環(huán)境的影響

5.1 隧道盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)節(jié)能減排和環(huán)保新技術(shù)的應(yīng)用

以上海市人民路盾構(gòu)掘進(jìn)例，盾構(gòu)泥漿廢棄物的回收利用，以減少環(huán)境污染；改用天然土造漿，作泥漿處理；設(shè)備系統(tǒng)的可移植技術(shù)；計(jì)算機(jī)智能化漿液管理；泥漿回收綜合治理；泥水處理系統(tǒng)的隔音防噪、全封閉取水排泥，等等。

5.2 礦山法隧道施工開挖節(jié)能環(huán)保新技術(shù)的采用

以歌樂(lè)山、大河灣等越嶺隧道例，節(jié)能環(huán)保的“水壓爆破”工法——在裝藥結(jié)構(gòu)內(nèi)增設(shè)了“水袋”，它與“炸藥”和“炮泥”三者構(gòu)成了復(fù)合裝藥堵塞結(jié)構(gòu)，除增大爆破效率、節(jié)約炸藥量外，并可減少粉塵和噪聲。

5.3 隧道施工期減小對(duì)水環(huán)境的不利影響

隧道口設(shè)有蓄水、沉淀和過(guò)濾用小池子，施工廢水經(jīng)處理后再用；施工中的滲、涌水嚴(yán)禁排放到地表和下水道；如洞內(nèi)滲涌水和突泥，影響當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活，要采取注漿封堵和二襯封閉，減少水土流失。

5.4 城市隧道施工的噪聲控制（≤90db）和外部環(huán)境保護(hù)

軸流風(fēng)機(jī)前后設(shè)置消聲器和減震器；在洞內(nèi)運(yùn)營(yíng)用射流風(fēng)機(jī)的前后設(shè)置消聲筒；對(duì)洞內(nèi)污染、汽車尾氣作集中式高空排放，洞口和風(fēng)井周邊的CO、CO2、NO2等廢氣濃度要滿足環(huán)境空氣質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)塔內(nèi)加裝靜電除塵設(shè)備；側(cè)線隧道內(nèi)加裝除塵器和換氣與補(bǔ)充新風(fēng)裝置，等等。

6 對(duì)隧道與地下空間照明節(jié)能技術(shù)的再認(rèn)識(shí)

6.1 國(guó)內(nèi)當(dāng)前在地下空間運(yùn)營(yíng)照明中存在的一些主要問(wèn)題

照明節(jié)能理念存在一定誤區(qū)：隧道照明節(jié)能并非簡(jiǎn)單地選用和定時(shí)開關(guān)某些燈具，所要求的是建立在行車安全基礎(chǔ)上的最大限度節(jié)能，決不能以犧牲交通安全為代價(jià)。如片面追求節(jié)電、省錢致一些隧道照明控制方案的隨意性、主觀性很大，節(jié)能與安全間矛盾突出；現(xiàn)有的一些隧道照明控制，使?fàn)I運(yùn)中節(jié)能與隧道日常交通監(jiān)控間矛盾增大（如：后半夜關(guān)閉全部洞內(nèi)燈具）；諸多照明設(shè)計(jì)參數(shù)有待改進(jìn)和完善；照明控制方式仍較西方落后；要求有更經(jīng)濟(jì)合理、功效高、耐久性又好的新型節(jié)能光源——最近，經(jīng)國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)辦公室專家委員會(huì)初評(píng)：硅襯底高光效GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管項(xiàng)目，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)！

6.2 在隧道照明節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用方面

6.2.1 使用照明節(jié)能控制器以開發(fā)照明節(jié)能控制系統(tǒng)

根據(jù)交通參數(shù)（車流量、車速）和洞外環(huán)境參數(shù)（洞外亮度），自適應(yīng)調(diào)節(jié)燈具亮度；特別將進(jìn)出口加強(qiáng)照明段的自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)與洞外光照強(qiáng)度及車流量多少相對(duì)應(yīng)，設(shè)置信號(hào)反饋裝置，在保證行車安全條件下實(shí)現(xiàn)燈具照明度的最優(yōu)控制。

6.2.2 設(shè)置洞內(nèi)燈光分區(qū)（出入口段、過(guò)渡段、中間段）控制系統(tǒng)

特別當(dāng)節(jié)假日和夜間車流量增多或減少時(shí)，作自動(dòng)數(shù)據(jù)采集并能以跟蹤篩選，分時(shí)段自動(dòng)調(diào)整照明燈具亮度及開關(guān)燈盞數(shù)，以減少照明能耗。

6.2.3 選擇合適燈具及合理的安裝角度

優(yōu)化處理增大頂棚和墻壁的光反射比，使隧道頂棚、墻壁和路面之間能產(chǎn)生多次反折射作用，可使隧道照明反射光增量系數(shù)比之未處理的約增大20%，達(dá)到節(jié)電20%以上。

6.2.4 管理維護(hù)操作規(guī)程應(yīng)制定長(zhǎng)效機(jī)制

對(duì)光源和附件進(jìn)行檢修尤其是檢查氣體放電光源的無(wú)功補(bǔ)償電容有無(wú)擊穿；此外，還需對(duì)照明控制裝置進(jìn)行調(diào)整，提高照明燈具維護(hù)系數(shù)，使照明系統(tǒng)始終處于良好工作狀態(tài)。

7 總 結(jié)

現(xiàn)今，將多種相變材料摻加入建筑材料中，已在地面建筑物中制成具有一定相變功能的墻體、地板、天花板等，其蓄熱性能佳好。借用這種相變儲(chǔ)能材料于地下建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可有效增強(qiáng)其隔熱和儲(chǔ)熱功能，提高能源利用率。其特色是：有利于減弱地下結(jié)構(gòu)與巖土介質(zhì)間的熱流波動(dòng)幅度，延遲作用時(shí)間，從而降低向地下空間內(nèi)供暖、供冷等空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷，節(jié)約能源成本；合理采用光纖導(dǎo)入照明，使密閉地下空間可獲得自然光的補(bǔ)充；對(duì)設(shè)計(jì)有“下廣場(chǎng)”的地下空間，通過(guò)陽(yáng)光直接照射產(chǎn)生溫室效應(yīng)和熱壓作用，并有利于廢氣排泄，可設(shè)計(jì)為兼作輔助排風(fēng)風(fēng)井使用。提高圍護(hù)墻體蓄熱能力，減少地下空間的熱負(fù)荷和年、月溫差變化波動(dòng)，改善室內(nèi)環(huán)境舒適度，有利于節(jié)約地下能耗。

[1]我國(guó)近中期（～2020年）科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（討論稿）[Z].

[2]中國(guó)科學(xué)院學(xué)部辦公室.中國(guó)科學(xué)家思想錄（收錄近10年來(lái)中國(guó)科學(xué)院“院士建議”文稿）[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[3]中國(guó)科學(xué)院.歷年來(lái)中國(guó)科學(xué)發(fā)展動(dòng)態(tài)（輯錄）[Z].

[4]中國(guó)科學(xué)院.中國(guó)科技前沿年鑒（2005～）[Z].

[5]譚儀忠,等.地下工程節(jié)能減排研究進(jìn)展[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2010(S2).

[6]戴華明,等.軌道交通的節(jié)能低碳發(fā)展[J].設(shè)備監(jiān)理，2014(2).

[7]王少飛.論公路隧道節(jié)能減排[J].船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2011(1).

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