高速公路營運(yùn)期節(jié)能計(jì)算與分析

楊 婧 苗 壯

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著高速公路規(guī)模逐漸擴(kuò)大，高速公路節(jié)能成為重要課題。從實(shí)際情況來看，我國高速公路節(jié)能專項(xiàng)報(bào)告，尚處于不成熟階段，目前還沒有統(tǒng)一、系統(tǒng)、規(guī)范的節(jié)能分析體系可參考。

總體來看，我國在高速公路節(jié)能方面進(jìn)行了一些初步的探索，主要側(cè)重于服務(wù)區(qū)[1]、路面材料[2]、節(jié)能措施[3]、建筑[4]、隧道照明[5]等單項(xiàng)節(jié)能的分析，對高速公路整體能源消耗分析評價(jià)較少，本文從高速公路節(jié)能分析評價(jià)依據(jù)、用能系統(tǒng)、能源種類等方面做全面闡述，重點(diǎn)對電能消耗的計(jì)算方法做詳細(xì)介紹，并以貴州省某高速公路為例進(jìn)行電能消耗節(jié)能分析。

1 分析評價(jià)依據(jù)

高速公路節(jié)能報(bào)告，主要分析評價(jià)項(xiàng)目營運(yùn)20年的情況。分析評價(jià)的依據(jù)主要是以下幾類：相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)政策；能源類、交通類、建筑類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策以及該項(xiàng)目的工程可行性研究資料。其中，《固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能評估和審查工作指南》(2014年版本)、《固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能審查辦法》(中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會令第44號)為重要指導(dǎo)文件。

2 主要用能系統(tǒng)

主要用能系統(tǒng)包括隧道機(jī)電系統(tǒng)(照明、通風(fēng)、監(jiān)控)和附屬設(shè)施系統(tǒng)(收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、管理中心、管養(yǎng)工區(qū)、隧道管理所等)。

3 能源消耗種類

高速公路作為公益性的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為來往行駛車輛提供服務(wù)，在此過程中主要消耗的能源種類為電能、燃料油、液化石油氣、耗能工質(zhì)(水)。

4 建設(shè)方案的節(jié)能分析

國家發(fā)改委《固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能評估和審查工作指南》(2014年版本)中指出，機(jī)場、港口、公路等類項(xiàng)目結(jié)合不同的特點(diǎn)，針對能源使用的主要環(huán)節(jié)、主要能耗設(shè)備等方案展開節(jié)能分析。

高速公路主要為所經(jīng)車輛提供運(yùn)輸服務(wù)，此部分重點(diǎn)可從項(xiàng)目選線、主要筑路材料利用、主要耗能系統(tǒng)和設(shè)備等方面進(jìn)行分析。側(cè)重于主要用能系統(tǒng)方案的提出，如隧道全線LED燈方案，隧道照明、通風(fēng)方案的設(shè)備布置方式，以及變配電系統(tǒng)的電源接入，變壓器選型，耗能設(shè)備選型及數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，為下一步工作打好基礎(chǔ)。

5 節(jié)能措施

針對主要用能系統(tǒng)，提出對應(yīng)的節(jié)能措施，見表1。

表1 高速公路節(jié)能措施一覽表

6 能源利用狀況核算及能效水平分析

報(bào)告應(yīng)對項(xiàng)目營運(yùn)期消耗的電能、燃料油、液化石油氣、耗能工質(zhì)(水)做詳細(xì)核算及能效水平分析，本文側(cè)重于用電能耗的計(jì)算與分析。

6.1 計(jì)算方法

消耗電能的主要區(qū)域?yàn)樗淼罊C(jī)電系統(tǒng)(照明、通風(fēng)、監(jiān)控)、收費(fèi)站與收費(fèi)廣場、管理中心、服務(wù)區(qū)、管養(yǎng)工區(qū)、隧道管理所、員工生活區(qū)，計(jì)算方法如下。

1) 分類指標(biāo)法。即每類設(shè)備的數(shù)量與功率及其開機(jī)時(shí)間的乘積

(1)

式中：QT為項(xiàng)目營運(yùn)期隧道與收費(fèi)站等1年所消耗的電能，kW·h；qi為第i類耗能設(shè)備的數(shù)量,臺；wi為第i類耗能設(shè)備的功率,W/臺；ti為第i類耗能設(shè)備平均1 d的運(yùn)行時(shí)間,h；i為隧道的監(jiān)控、照明、通風(fēng)等系統(tǒng)中耗能設(shè)備的類型數(shù)。

養(yǎng)護(hù)工區(qū)主要是路面養(yǎng)護(hù)的機(jī)械設(shè)備耗電(大修時(shí)瀝青混合料拌和設(shè)備)，營運(yùn)期20年，總共大修2次(按路面總面積的1/3計(jì))，按每平米路面需要0.038臺設(shè)備，每臺班耗電量為606.06 kW·h進(jìn)行估算；生活區(qū)電耗主要是熱水器、空調(diào)、電視等，按照設(shè)備臺數(shù)、日均工作時(shí)間(平均取6 h)、設(shè)備功率的乘積計(jì)算能耗。

2) 總體類比法。對于服務(wù)區(qū)、隧道管理等，因耗能設(shè)備瑣細(xì)，在工可階段難以統(tǒng)計(jì)，固可采用總體類比法進(jìn)行計(jì)算，即在其他服務(wù)區(qū)與停車區(qū)平均用電統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過服務(wù)區(qū)與停車區(qū)1 d的平均耗電量與1年天數(shù)的乘積來計(jì)算其1年的能耗

(2)

式中：Q為項(xiàng)目服務(wù)區(qū)與停車區(qū)一年的能源消耗量，kW·h；qi1為第i個(gè)服務(wù)區(qū)1 d的能源消耗量，kW·h/d；qj2為第j個(gè)停車區(qū)1 d的能源消耗量，kW·h/d；n為項(xiàng)目服務(wù)區(qū)數(shù)量,個(gè)；m為項(xiàng)目停車區(qū)的數(shù)量，個(gè)。

3) 其他。因附屬設(shè)施有收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等建筑，插座耗電也應(yīng)做相應(yīng)估算，根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——節(jié)能專篇：電氣》可查得建筑中辦公室、零售區(qū)、衛(wèi)生間、會議室等的照明和插座負(fù)荷密度。根據(jù)負(fù)荷密度和建筑面積估算，可得到插座能耗。

7 算例分析

7.1 算例

以貴州省凱里環(huán)城高速公路北段為例，該項(xiàng)目地處貴州省黔東南州境內(nèi)，全長71.697 km，設(shè)計(jì)車速100 km/h，路基寬度26 m，隧道23 045 m/28條，有2條特長隧道，隧道占路線總長的32.14%，II類服務(wù)區(qū)1處，停車區(qū)2處，管養(yǎng)工區(qū)2處，隧道管理所8處，交警用房2處，管理分中心1處。該項(xiàng)目營運(yùn)期能耗計(jì)算如下：

1) 隧道機(jī)電系統(tǒng)、收費(fèi)站、管理中心、員工生活區(qū)耗電量采用分類指標(biāo)法式(1)計(jì)算，重點(diǎn)詳細(xì)展開隧道照明耗電計(jì)算，采用全線LED燈方案。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 km/h車速，4車道，按照J(rèn)TG/T D70/2-01-2014 《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》 計(jì)算原則，本項(xiàng)目隧道各照明段照明標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 高速公路隧道照明布置表

按照 JTG/T D70/2-01-2014 《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》要求，長度大于200 m的公路隧道要求配備照明裝置；長度為100～200 m的高速公路光學(xué)長隧道應(yīng)設(shè)置照明。根據(jù)上述隧道各照明段照明標(biāo)準(zhǔn)及布置方式，得到本項(xiàng)目隧道照明共需要的燈具數(shù)量見表3。

表3 隧道LED 燈照明燈具統(tǒng)計(jì)匯總表

參考貴州省其他高速公路營運(yùn)情況，估算本項(xiàng)目照明燈具每日的開燈時(shí)間為：基本照明燈具0～6：00時(shí)為半開，其余18 h全開；加強(qiáng)照明燈具開12 h。查閱貴州省相關(guān)天氣資料，考慮到貴州晴天、云天、陰天、重陰天的天氣狀況比例，按晴天165 d，云天100 d，陰天50 d，重陰天50 d估算，綜合考慮加強(qiáng)照明燈具的年耗電折減系數(shù)為0.703。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 隧道照明結(jié)果表 kW·h/年

同類方法，得到隧道機(jī)電、收費(fèi)站、管理中心等耗電量見表5。

表5 項(xiàng)目營運(yùn)期隧道機(jī)電、收費(fèi)站、管理中心年用電量匯總表

2) 服務(wù)區(qū)、隧道管理所等采取總體類比法進(jìn)行耗電計(jì)算，通過調(diào)研貴州省大多數(shù)高速公路單個(gè)附屬設(shè)施的耗能情況，取一個(gè)II類服務(wù)區(qū)的能耗為666 kW·h/d；一個(gè)停車區(qū)的能耗為299 kW·h/d；隧道管理所能耗為410.45 kW·h/d。

同類方法計(jì)算得到本項(xiàng)目服務(wù)區(qū)、管養(yǎng)工區(qū)等附屬設(shè)施的耗電量見表6。

表6 服務(wù)區(qū)、管養(yǎng)工區(qū)等附屬設(shè)施營運(yùn)期用電量表

綜上，本項(xiàng)目項(xiàng)目年耗電量約為1 769.40萬 kW·h。

7.2 結(jié)果分析

1) 以貴州省凱里環(huán)城高速公路北段為例，計(jì)算了高速公路營運(yùn)期電能消耗，從分析結(jié)果來看，隧道機(jī)電能消耗占了總電能消耗的84.89%。

2) 據(jù)調(diào)研貴州省同類項(xiàng)目，如貴州省雷山至榕江高速公路(長73.938 km，隧道比為32.92%，有2條特長隧道，附屬設(shè)施設(shè)置與本項(xiàng)目相差不大；采用設(shè)計(jì)車速80 km/h，24.5 m路基寬建設(shè)標(biāo)準(zhǔn))耗電能達(dá)到約1 501.13萬 kW·h/年，隧道機(jī)電能消耗占總電能消耗的81.03%；本項(xiàng)目耗電比雷榕高速公路略高，隧道機(jī)電電耗占比較該高速略高，主要原因是采用不同的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，隧道燈具功率選擇、布設(shè)有所不同。因此，隧道占比、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，都是影響電能消耗的重要因素，但高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也有利于節(jié)約行駛汽車燃油，因此在以后研究中可做進(jìn)一步對比論證。

8 高速公路節(jié)能的建議

1) 隧道節(jié)能是公路能源節(jié)約的主要方面，應(yīng)進(jìn)一步挖掘相關(guān)潛力，優(yōu)化路線方案，盡可能地減小隧道規(guī)模。

2) 在保證安全、高效的前提下，結(jié)合高速公路節(jié)能因素，合理選擇高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

3) 加強(qiáng)新技術(shù)的推廣利用。如隧道內(nèi)安裝反光環(huán)[6-7]、車輛超限超載不停車預(yù)檢管理系統(tǒng)、高性能混凝土、溫拌瀝青混凝土技術(shù)等。

4) 建議在服務(wù)區(qū)、停車區(qū)預(yù)留充電樁、加氣站等設(shè)施的建設(shè)用地，促進(jìn)新能源和清潔能源車輛的推廣應(yīng)用。

5) 項(xiàng)目運(yùn)營單位就節(jié)能管理制訂具體制度，落實(shí)具體責(zé)任管理人員，完善相關(guān)節(jié)能制度及措施，確保政策落地。

9 結(jié)語

本文根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會2016年第44號令《固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能審查辦法》指示精神，結(jié)合高速公路實(shí)際，介紹了高速公路節(jié)能分析包含的主要內(nèi)容，重點(diǎn)闡述了電能消耗的計(jì)算和分析方法。以貴州省凱里環(huán)城高速公路北段為例，計(jì)算了營運(yùn)期電能消耗，得出高速公路能耗以隧道機(jī)電耗能占比最多的結(jié)論；與同類項(xiàng)目比較后發(fā)現(xiàn)高速公路電能消耗與隧道比例、高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)都有一定關(guān)系，提出了高速公路節(jié)能的具體措施與建議，可為高速公路整體營運(yùn)節(jié)能分析評價(jià)提供參考 。

[1] 王煒.高速公路服務(wù)區(qū)營運(yùn)管理研究[D].岳陽：湖南理工學(xué)院，2008.

[2] 秦用春，黃頌昌，徐劍等.溫拌瀝青混合料節(jié)能減排效果的測試與分析[J].公路交通科技，2009,26(8)：33-37.

[3] 馬書紅,牛方方,向前忠.高速公路營運(yùn)期節(jié)能措施及其效果評價(jià)研究[J].公路,2014(10):177-182.

[4] 陳鵬.高速公路服務(wù)區(qū)及收費(fèi)站建筑節(jié)能研究：針對夏熱冬冷地區(qū)[D]. 長沙：中南大學(xué)，2006.

[5] 涂耘,王少飛,張琦,等.西漢高速公路隧道照明系統(tǒng)評估研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010(5)：15-21.

[6] 武超群,裴玉龍,高敬鵬,等.城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)交通供需調(diào)節(jié)能力分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2017,41(1):22-26,31.

[7] 貴州省交通運(yùn)輸廳.貴州省交通運(yùn)輸廳關(guān)于在高速公路隧道內(nèi)全面增設(shè)反光環(huán)的通知[Z].貴陽：貴州省交通運(yùn)輸廳，2016.