地下工程低碳理論與應用 課件 -第1章 緒論

西南交通大學土木工程學院地下工程系本科生課程《隧道工程》2025年1月2日西南交通大學土木工程學院地下工程系第8章地下工程新能源利用技術本章內容提要本章教學目標：了解新能源機械對地下工程施工和運營的影響掌握各類新能源技術的應用場景及技術手段地下工程建設期新能源利用1其他能源技術利用技術利用案例地下工程運營期新能源利用本章內容提要本章小結2345隧道的概念及分類一提問：1.地下工程利用能源類型包括哪些？2.傳統(tǒng)燃油施工機械排放污染物的類型有哪些？3.地下工程中利用太陽能有哪幾種形式？地下工程建設期新能源利用1地下工程建設期新能源利用一1.1政策導向綠色發(fā)展成為世界主要城市發(fā)展的核心戰(zhàn)略。建市〔2020〕60號提出了智能、綠色和裝配式建造的指導意見；2021年政府工作報告中將“做好碳達峰、碳中和各項工作”列為重點任務；“十四五”規(guī)劃：加快推動綠色低碳發(fā)展。2022年世界經濟論壇國家主席習近平提到“實現碳達峰碳中和，不可能畢其功于一役。中國將破立并舉、穩(wěn)扎穩(wěn)打，在推進新能源可靠替代過程中逐步有序減少傳統(tǒng)能源，確保經濟社會平穩(wěn)發(fā)展”。地下工程建設期新能源利用一1.2現狀分析2021年，非道路移動源排放二氧化硫（SO2）、HC、NOx、PM分別為16.8萬噸、42.9萬噸、478.9萬噸、23.4萬噸，如圖所示。其中，工程機械、農業(yè)機械、船舶、鐵路內燃機車、飛機排放的HC分別占非道路移動源排放總量的26.5%、47.8%、22.6%、1.9%、1.2%；排放的NOx分別占非道路移動源排放總量的30.0%、34.9%、30.9%、2.8%、1.4%；排放的PM分別占非道路移動源排放總量的32.1%、39.3%、25.6%、2.1%、0.9%。工程機械HC排放量構成工程機械NOx排放量構成工程機械PM排放量構成地下工程建設期新能源利用一1.2現狀分析機械類型HC（萬噸）NOx（萬噸）PM（萬噸）挖掘機4.252.23.9推土機0.32.00.1裝載機5.060.42.7叉車1.119.50.7壓路機0.57.90.02攤鋪機0.20.80.1平地機0.11.10.02地下工程建設期新能源利用一1.3發(fā)展狀況針對這些新生產的工程機械的排放標準實施進度也在不斷更新交通運輸部印發(fā)的《綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》等，都提出了構建市場導向的綠色技術創(chuàng)新體系，支持工程機械新能源裝備和設施設備等應用研究。地下工程建設期新能源利用一1.3發(fā)展狀況中國工程機械的數量在不斷增長，其中電動工程機械不斷推進著工程機械行業(yè)電氣化的進程。預計到2025年底，電動工程機械的銷量將達60萬輛。地下工程建設期新能源利用一1.3發(fā)展狀況地下工程運營期新能源利用2地下工程運營期新能源利用二2.1現狀分析汽車在隧道等地下工程內行駛過程中，由于空間較為封閉，燃料不充分燃燒，導致汽車排出一些有毒有害的化學物質如一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）。為保障隧道的運營安全和隧道內人員的健康，在整個運營期內需設置通風系統(tǒng)降低污染物的濃度。以燃油機動車為例，隨著機動車保有量的不斷增加，其排放污染物越多，濃度也越高，大大危害了人員健康和交通安全。地下工程運營期新能源利用二2.1現狀分析中國已經是全球汽車保有量和新能源汽車保有量最多的國家，新能源汽車銷量占全球銷量的55%。如今的新能源汽車主要包括純電動汽車(BatteryElectricVehicle)、混合動力汽車(HybridElectricVehicle)、插電式混合動力汽車(Plug-inHybridElectricVehicle)、增程式電動汽車(RangeExtendedElectricVehicle)、燃料電池電動車(FuelCellElectricVehicle)等。其中，純電動汽車保有量占中國新能源汽車保有量的75%-80%。地下工程運營期新能源利用二2.1現狀分析目前，我國純電動汽車的車型以客車和小微型貨車為主，中型和重型純電動貨車還存在著行駛里程較短（平均里程大概為300千米左右，2025年有望突破400千米），能源利用率低等問題。因此，在發(fā)展規(guī)模上，中型和重型貨車上不如客車和小微型貨車。地下工程運營期新能源利用二2.1現狀分析截至2021年底，全國機動車保有量達3.953億輛；汽車保有量達3.02億輛，同比增長7.5%；全國新能源汽車保有量達784萬輛，占汽車總量的2.6%，比2020年增加292萬輛，增長59.2%。其中，純電動汽車保有量640萬輛，占新能源汽車總量的81.6%。地下工程運營期新能源利用二2.1現狀分析柴油車排放的NOx占汽車排放總量的80%以上，PM占90%以上；汽油車排放的CO占汽車排放總量的80%以上，HC占70%以上。

不同燃料類型汽車的污染物排放量分攤率地下工程運營期新能源利用二2.1現狀分析汽油車CO、HC、NOx排放量分別為567.3萬噸、138.8萬噸、28.6萬噸，占汽車排放總量的81.8%、76.2%、5.0%；柴油車CO、HC、NOx、PM排放量分別為118.7萬噸、18.3萬噸、502.1萬噸、6.4萬噸，占汽車排放總量的17.1%、10.1%、88.3%、99%以上；燃氣車CO、HC、NOx排放量分別為7.5萬噸、24.9萬噸、37.8萬噸，占汽車排放總量的1.1%、13.7%、6.7%。地下工程運營期新能源利用二2.2標準升級我國新生產機動車環(huán)境管理范圍包括輕型汽車、重型汽車、車用發(fā)動機、摩托車、輕便摩托車和三輪汽車等，其排放標準也在不斷更新。地下工程運營期新能源利用二2.3排放處理技術機內技術機內技術包括電控燃油噴射(EFI)、廢氣再循環(huán)（EGR）、增壓中冷、缸內直噴（GDI）、曲軸箱強制通風（PCV）等技術。與2012年相比，2021年新銷售輕型客車渦輪增壓與機械增壓技術使用比例由11%增加到62%，汽油GDI使用比例由8%增加到49%。后處理技術后處理技術包括三元催化轉化（TWC）、汽油機顆粒捕集（GPF）、車載加油油氣回收(ORVR)等技術。2021年新銷售輕型客車使用TWC、ORVR技術達到100%，GPF技術達到60%。其他能源技術利用3其他能源技術利用三3.1太陽能技術太陽能的利用方式主要分為直接照明和光伏發(fā)電。直接照明通過光學元件直接輸送太陽光到需要照明的地方，如光纖傳導技術和投射照明技術，光伏發(fā)電將太陽能轉化為電能，為隧道照明系統(tǒng)進行供電。公路隧道洞口減光技術——太陽能薄膜光伏遮光棚公路隧道洞口減光技術是通過不同結構進行遮光，適當降低隧道洞口的亮度，以降低隧道洞內外的亮度差異，減少隧道洞口段落的照明，并通過太陽能光伏發(fā)電維持隧道設備運行，同時還可以作為隧道洞口的景觀設施。其他能源技術利用三3.1太陽能技術太陽能薄膜光伏遮光棚利用太陽能供電，滿足隧道內機電設備運行需求，實現隧道節(jié)能降碳；其結構簡單，容易搭建，對地形的要求低；適應性極強，頂部的太陽能薄膜能抵御暴雨、冰雹、暴風雪等惡劣災害的襲擊。太陽能光伏遮光棚初期投入可能會比傳統(tǒng)遮光棚大，但從長遠角度來看，太陽能光伏遮光棚運營期間費用遠小于傳統(tǒng)遮光棚。其他能源技術利用三3.1太陽能技術太陽能煙囪包含集熱棚和煙囪兩部分，通過在公路隧道的通風口上方布設太陽能接收器，直接加熱使得太陽能風泵系統(tǒng)內部因受熱而形成空氣的上升動能，煙囪用來排出或收集空氣。太陽能煙囪系統(tǒng)主要應用在隧道上方太陽能資源充足的環(huán)境下，有效提升了公路隧道的自然通風能力，達到公路隧道的高效節(jié)能、減排目的。其他能源技術利用三3.2風能技術為了減少化石能源消耗，綠化環(huán)境，人們迫切需求可持續(xù)發(fā)展的綠色能源，而風能就是一種綠色能源，目前被廣泛地應用在風力資源豐富的野外。在公路建設中有大量隧道，車輛經過時，會產生活塞風?？衫盟淼里L能發(fā)電以節(jié)約隧道照明的用電量。其他能源技術利用三3.3地熱能技術截至2020年底，全世界地熱直接利用的總裝機容量為107.7GW，是地熱能發(fā)電裝機量的6.8倍，比2015年增加了52.0%，年增長率為8.7%；年利用量為1020887TJ（283580GWh），比2015年增加72.3%，過去5年間，地熱能年利用量已翻倍發(fā)展，充分說明了地熱能在可再生能源利用中的重要地位。1995-2020年地熱直接利用的裝機容量和年利用量其他能源技術利用三3.3地熱能技術目前，世界已開發(fā)利用的地熱田主要分布在高溫地熱帶上，其發(fā)電產業(yè)發(fā)展迅猛，2020年世界地熱發(fā)電達15.95GW，較2015年增長了3.70GW，5年增速為27.7%，超過了2011–2015年25.7%的增速。地熱發(fā)電裝機容量超過1GW的國家有7個，分別是美國、印度尼西亞、菲律賓、土耳其、肯尼亞、新西蘭和墨西哥。其他能源技術利用三3.3地熱能技術我國淺層地熱利用遍布中東部地區(qū)，重點分布于華北和長江中下游地區(qū)。根據國家地熱能中心報道，截至2019年底，我國重點城市淺層地熱能供暖（制冷）建筑面積約6.65億平方米。北京世界園藝博覽會、北京城市副中心辦公區(qū)、北京大興國際機場、江蘇南京江北新區(qū)等項目充分利用了重大淺層地熱能。其他能源技術利用三3.3地熱能技術目前的熱泵技術多以巷道乏風或井下涌水中的余熱為熱源，利用熱管系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)相結合的復合深井熱害控制系統(tǒng)正在試驗研究階段。1）礦井乏風余熱利用礦井乏風余熱利用技術主要有以下三種：“噴淋式取熱+水源熱泵”技術、“取熱與分體熱泵”技術、“深焓取熱”與“高溫及大溫差供熱”技術；2）井下涌水余熱利用其他能源技術利用三3.3地熱能技術3）利用地源熱泵技術調節(jié)室內溫度利用地熱能進行室內溫度調節(jié)主要分為兩種方式：一種是直接利用地熱水，將礦井下溫度較高的地熱水通過供暖管道為建筑物供暖；另一種是利用地源熱泵，在淺層地表內利用地熱交換器提取熱量，再將熱量通過熱泵送入室內溫度調控系統(tǒng)中，可起到冬季供暖、夏季制冷的作用。其他能源技術利用三3.3地熱能技術4）利用地熱發(fā)電利用地熱發(fā)電也有兩種方式，一種是借助中間介質提取熱能形成雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)；另一種是將礦井進一步鉆探至4000~6000m深的干熱巖層，將廢棄礦井開發(fā)為干熱巖發(fā)電系統(tǒng)，將冷水或其他介質注入地下，冷介質在流經人工壓裂形成的干熱巖縫隙的過程中產生高溫蒸氣推動汽輪機機組發(fā)電。技術應用案例4隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應用技術某隧道長568m，根據隧道入口橋隧相連的情況，在靠近隧道洞口設置長度約58m的太陽能薄膜光伏遮光棚，棚寬15.65m，高8.8m。在靠近隧道洞口設置第一段長度約4m的柔性不透光光伏組件遮光棚，在第二段長度約28m范圍設置透光率15%的光伏組件遮光棚，在第三段長度約26m范圍設置透光率40%的光伏組件遮光棚。應用案例一：太陽能薄膜光伏遮光棚隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應用技術預計采用透光率40%的非晶硅光伏組件528塊，透光率15%的非晶硅光伏組件528塊，預計裝機量約46.992kW。建成后的遮光棚可相應減少入口段加強照明的長度，光伏發(fā)電可為隧道內入口加強段照明提供電能，如圖所示。光伏發(fā)電采用并網形式，不設儲能蓄電池?？紤]到夜間行車安全，擬在遮光棚內設置基本照明燈具，相關照明用電與隧道內基本照明共用供電回路。應用案例一：隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應用技術應用效果：1）改善行車條件；2）節(jié)能降碳；3）降低運營成本。發(fā)電部分：按照預計裝機功率為47kW，按每天平均5h的等效峰值受光時間，每年大約可發(fā)電7.46萬kW·h，按1kW·h/元的價格計算，每年可節(jié)約電費大約7.46萬元。降低隧道燈具安裝功率：按照1km單洞隧道入口段1加強22.68kW計算，若采用遮光棚技術，可省去燈具安裝費用約45萬元。降低入口段1加強運營電費。入口段1加強照明22.68kW，每年耗電量約為4.14萬kW·h，按1kW·h/元的價格計算，每年需電費4.14萬元。4）延長路面使用壽命。應用案例一：隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應用技術在已建成的太陽能煙囪通風系統(tǒng)的豎井口處安裝氣象自動檢測裝置，根據監(jiān)測結果，通風系統(tǒng)可以在豎井口處產生風速，全年豎井口處的風速在0.5～2m/s，可以提供5～10m3/s的風量，說明通風系統(tǒng)可以補充隧道機械通風。隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應用技術陜西省咸旬高速雷家坡一號隧道，位于黃土高原南緣，建成的太陽能煙囪自然通風系統(tǒng)如圖所示，自然通風系統(tǒng)包括三部分:豎井、集熱棚和煙囪。設置3個豎井，實現定點通風，豎井孔徑均為60cm；設置19根長度90m的集熱管，以及長10m、寬8m、厚30cm的聚光墻。應用案例二：太陽能煙囪系統(tǒng)隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應用技術太陽能煙囪包含集熱棚和煙囪兩部分，通過在公路隧道的通風口上方布設太陽能接收器，直接加熱使得太陽能風泵系統(tǒng)內部因受熱而形成空氣的上升動能，煙囪用來排出或收集空氣。應用案例二：太陽能煙囪系統(tǒng)主要應用在隧道上方太陽能資源充足的環(huán)境下，有效提升了公路隧道的自然通風能力，達到公路隧道的高效節(jié)能、減排目的。隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.2風能應用技術年嘉湖隧道位于湖南省長沙市開福區(qū)境內，全長約1400m，高4.5m，車道寬7.25m，單洞寬度10.35m，車流量一直較大，車輛大多以家庭小轎車為主。平均車速60km/h的車輛在隧道內產生明顯的活塞風。應用案例一：年嘉湖隧道通過預測發(fā)現所產生的電能能驅動額定功率為10W的LED燈在額定工作環(huán)境下24h照明的數量為