地下工程低碳理論與應用 課件 -第7、8章 地下工程運營期低碳節(jié)能技術、地下工程新能源利用技術

第7

章地下工程運營期低碳節(jié)能技術本章內(nèi)容提要本章教學目標：了解交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法了解地下工程通風機組優(yōu)化配置技術了解照明燈具布置及控制技術、發(fā)光涂料、新能源及新材料等在隧道照明中的應用掌握運營期低碳節(jié)能技術的設計及應用場景交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法1照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用地下工程通風機組優(yōu)化配置技術本章內(nèi)容提要23發(fā)光節(jié)能涂料在隧道照明中的應用4新能源技術在隧道運營期的節(jié)能應用5新材料在隧道運營期的節(jié)能應用6交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法1交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法一7.1.1隧道自然風氣象觀測物理量獲取自動氣象站系統(tǒng)：集氣象數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸和管理于一體的無人值守的氣象采集系統(tǒng)。PH自動氣象站用于測量氣溫、相對濕度、照度、雨量、風速、風向、氣壓、輻射等基本氣象要素，具有顯示、自動記錄、實時時鐘、超限報警和數(shù)據(jù)通訊等功能。交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法一7.1.1隧道自然風氣象觀測物理量獲取在自動氣象站直接布線不方便的情況下，中心氣象計算機可以與多臺PH自動氣象站通過移動GPRS無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡組成氣象監(jiān)測網(wǎng)絡。交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法一7.1.2隧道自然風風速確定1.自然風風速計算方法根據(jù)氣象站采集的氣象數(shù)據(jù)，對各個時刻氣象數(shù)據(jù)所對應的隧道內(nèi)各區(qū)段及斜井內(nèi)的自然風進行計算。為了反映隧道內(nèi)自然風變化的真實情況，必須借助統(tǒng)計分析方法，獲得各區(qū)段風速的頻率分布，從而使隧道的通風設計具有一定的可靠度。交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法一7.1.2隧道自然風風速確定1.自然風風速計算方法在隧道營運期間，車輛通過隧道時的消耗功率所轉變的熱量、隧道中各種電力設備所散發(fā)的熱量、隧道圍巖通過襯砌傳導的熱量共同影響著洞內(nèi)氣溫。同時考慮到洞內(nèi)交通阻滯以及其他極端情況，現(xiàn)令洞內(nèi)空氣溫度依次取15℃、20℃、25℃、30℃。在這四種可能的洞內(nèi)氣溫情況下，分別結合洞外氣象參數(shù)求出隧道內(nèi)各區(qū)段的自然風，然后統(tǒng)計分析自然風風速頻率分布。交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法一7.1.3隧道自然風利用模式及節(jié)能設計方法1.隧道利用自然風節(jié)能設計流程通風方式的對比傳統(tǒng)通風方式自然通風自然風的計算2～3m/s根據(jù)氣象資料計算自然風的利用作為阻力考慮作為動力考慮通風方式選擇不考慮自然風情況根據(jù)自然風分布進行設計通風手段機械通風方式自然利用為主、機械通風為輔控制方式火災/正常運營控制按照自然風控制節(jié)能不節(jié)能節(jié)能通風效果較好較好應用對象需要進行機械通風的隧道位于氣象分隔帶或自然風較大的隧道交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法一7.1.3隧道自然風利用模式及節(jié)能設計方法1.隧道利用自然風節(jié)能設計流程利用自然風進行通風的設計思想：根據(jù)隧道所處位置的氣象條件，或完全利用自然風，或利用少量通風機械設備進行輔助和補充，對自然風誘導、控制、調(diào)節(jié)，從而達到隧道通風的目的。通風系統(tǒng)最大限度的利用自然能和最小限度的人工干預。交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法一7.1.3隧道自然風利用模式及節(jié)能設計方法1.隧道利用自然風節(jié)能設計流程只有當主隧道內(nèi)常年存在風向恒定的自然風，且自然風風向與機械通風方向同向時，才可以利用自然風進行通風。一般處于氣象分隔帶或洞口兩端壓差大的隧道可以利用自然風進行通風設計。得出隧道內(nèi)的全年自然風風速、風向規(guī)律是利用自然進行節(jié)能通風設計的基礎。交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法一7.1.3隧道自然風利用模式及節(jié)能設計方法2.隧道機械通風方向確定《公路隧道通風設計細則》規(guī)定：“在通風計算中，一般可將自然通風力作為隧道通風阻力考慮；但當確定自然風作用引起的洞內(nèi)風速常年與隧道通風方向一致時，宜作為隧道通風動力考慮”。因此，機械通風方向應綜合考慮自然風和交通風的作用。交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法一7.1.3隧道自然風利用模式及節(jié)能設計方法3.隧道自然風利用模式（1）自然風利用原則——分段原則隧道自然風風速vn（m/s）自然風的利用情況射流風機送風豎井排風豎井策略Avn>v0動力不開啟風機開啟風機開啟風機（或關閉風機，打開輔助風道）策略B0<vn<v0動力開啟部分風機開啟風機開啟風機策略Cvn<0阻力開啟全部風機開啟風機開啟風機地下工程通風機組優(yōu)化配置技術2地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二1.軸流風機安裝高度對效率的影響隨著軸流風機安裝高度增加，風機的效率也是增加的；當安裝高度為2.8m時，風機的效率有所減小，這是由于風機的上緣逐漸靠近隧道拱頂造成的。當風機的安裝高度在1.4~2m時，其效率變化幅度不大。7.2.1軸流風機效率提高方法不同安裝高度的風機效率曲線圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二2.并聯(lián)風機橫向間距對效率的影響隨著軸流風機橫向間距增大，風機的效率也是增加的。當并聯(lián)風機組的橫向間距小于4m時，風機的效率是逐漸減小的，隨著風機靠近隧道壁面，風機效率也下降較大。當并聯(lián)風機橫向間距在4~8m之間變化時，風機的效率變化不是很大。7.2.1軸流風機效率提高方法不同橫向間距的風機效率曲線圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二3.軸流風機并聯(lián)臺數(shù)對效率的影響（1）相同功率的風機同型號軸流風機并聯(lián)時，一臺軸流風機運行時與兩臺軸流風機并聯(lián)運行時，隨著風機流量的增大，風機的效率變化不是很大。在相同的流量下，開啟一臺風機運行時的效率比開啟兩臺時要大。7.2.1軸流風機效率提高方法風機的流量（m3/s）98.8106.4114.0121.6129.2一臺風機0.9180.9200.9260.9290.932兩臺風機0.8770.8800.8820.8860.887不同風機出口風速下的風機效率地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二3.軸流風機并聯(lián)臺數(shù)對效率的影響（2）不同功率的風機隨著功率差值比增大，風機效率下降的較大。當兩臺并聯(lián)軸流風機的差值比大于一定值時，將導致小功率的風機不能正常運行，這在風機的選型中應給予重視。7.2.1軸流風機效率提高方法不同功率差值比下的風機效率曲線圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二4.自然風對并聯(lián)風機效率的影響（1）開啟一臺風機開啟一臺時，未開啟的兩個風機風道內(nèi)出現(xiàn)了較為強烈的回流現(xiàn)象，該現(xiàn)象降低了軸流風機的送風量或排風量，而且使兩臺未運行的風機產(chǎn)生了反轉現(xiàn)象，對風機正常運行是非常不利的。7.2.1軸流風機效率提高方法無自然風下水平面速度標量圖

無自然風下風機出口附近局部速度矢量圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二4.自然風對并聯(lián)風機效率的影響（1）開啟一臺風機在風機出口端壓力逐漸增加，在漸縮段內(nèi)壓力達到最大；而在風機入口端漸擴段壓力較低，在風機入口附近壓力達到最小。因此，在未開啟風機的風道內(nèi)形成了明顯壓力差，導致了回流現(xiàn)象的發(fā)生。7.2.1軸流風機效率提高方法地下風機房水平面壓力分布圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二4.自然風對并聯(lián)風機效率的影響（2）開啟兩臺風機在風機的入口處和漸擴段附近出現(xiàn)了較為強烈的渦流現(xiàn)象。與開啟一臺風機時的情況相同，開啟兩臺時在未開啟的風機風道內(nèi)出現(xiàn)了非常強烈的回流現(xiàn)象。7.2.1軸流風機效率提高方法無自然風下水平面速度標量圖

無自然風下風機出口附近局部速度矢量圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二4.自然風對并聯(lián)風機效率的影響（2）開啟兩臺風機在風機出口端壓力逐漸增加，在漸縮段內(nèi)壓力達到最大；而在風機入口端的漸擴段壓力較低，在風機入口附近壓力達到最小。因此，在未開啟風機的風道內(nèi)形成了明顯的壓力差，導致了回流現(xiàn)象的發(fā)生。7.2.1軸流風機效率提高方法地下風機房水平面壓力分布圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二4.自然風對并聯(lián)風機效率的影響（3）開啟三臺風機在風機出口前方處形成了較為均勻的壓力分布，氣流在進入漸縮段的入口附近達到最大值。7.2.1軸流風機效率提高方法無自然風下水平面速度標量圖

無自然風下風機出口附近局部速度矢量圖地下風機房水平面壓力分布圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二4.自然風對并聯(lián)風機效率的影響并聯(lián)軸流風機的臺數(shù)影響其效率，隨著并聯(lián)軸流風機臺數(shù)的增加，風機效率變低；在自然風與軸流風機氣流方向一致時，其軸流風機效率大于自然風與軸流風機氣流反向時的效率。7.2.1軸流風機效率提高方法開啟風機臺數(shù)的風機效率曲線圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二1.送風口送風對主隧道影響范圍隧道內(nèi)的靜壓同樣在風機出口125m左右達到最大值，隨后由于沿程阻力的影響逐漸降低直到隧道出口。從隧道送風口至前方200m的范圍內(nèi)，具有較大的湍流強度，因此從隧道內(nèi)的湍流強度來看，送風道的影響范圍為200m。7.2.2斜豎井送排風對射流風機影響隧道內(nèi)靜壓分布圖隧道內(nèi)湍流強度分布圖地下工程通風機組優(yōu)化配置技術二2.排風口排風對主隧道影響范圍在距離排風口20m以內(nèi)，其靜壓的增加幅度較大；隨著遠離排風道的入口，靜壓逐漸增大，隨后由于沿程摩阻損失，靜壓逐漸增大直到隧道出口。在距離排風口20m以內(nèi)，風速增加幅度也較大，并在排風口處達到最大值。在距離排風口20m以后，隧道內(nèi)的風速變化逐漸變緩。7.2.2斜豎井送排風對射流風機影響隧道內(nèi)靜壓分布圖隧道內(nèi)風速分布圖照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用3照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用三7.3.1隧道照明燈具的種類及性能隧道照明燈具的性能要求是高效節(jié)能。目前應用于公路隧道的燈具主要有白熾燈、緊湊型熒光燈、高壓汞燈、低壓鈉燈和高壓鈉燈等。光源種類白熾燈緊湊型熒光燈高壓鈉燈低壓鈉燈金屬鹵化物燈LED熒光燈額定功率/W10~1505~5535~100018~18035~3500185~150光效/(lm/v)1560120150701080平均壽命/h1000~2000600018000~280005000800010000060000顯色指數(shù)95~99>8025~85—60~907580色溫/k2400~29002500~65001900~2800—3000~650045003800啟動穩(wěn)定時間瞬時快速4~5min—4~10min快速瞬時再啟時間瞬時快速3min—10~15min快速瞬時閃爍不明顯高頻不明顯明顯—明顯明顯不明顯耐震性能較差較好較好—好好好照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用三7.3.2新型照明節(jié)能燈具1）電磁感應無極燈（簡稱無極燈）優(yōu)勢：無電極、壽命長、光衰低、高效節(jié)能。2）白光LED光源優(yōu)勢：功耗低、壽命長（正常發(fā)光6×104~105h）、抗震動、無輻射照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用三7.3.3隧道照明燈具的布置在隧道照明系統(tǒng)中，通過研究照明燈具的光源特性，以及空間環(huán)境對光線亮度的影響，在燈光亮度滿足需求的前提下對燈具進行優(yōu)化布置，經(jīng)實驗研究其節(jié)能效果也是非常顯著的。如何在滿足照明強度要求的前提下，使燈具的布置密度最小，減少燈具數(shù)量，以求達到節(jié)能的效果，也是隧道照明系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能的一個方面。照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用三7.3.4隧道照明節(jié)能控制技術1.可控硅斬波型照明節(jié)能裝置采用可控硅斬波原理，通過控制晶閘管可控硅的導通角，將電網(wǎng)輸入的正弦波電壓斬掉一部分，從而降低輸出電壓的平均值，達到控壓節(jié)電的目的。優(yōu)點：對照明系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)速度快、精度高，可分時段實時調(diào)整，有穩(wěn)壓作用，因為主要是電子原件，相對來說體積小、設備輕、成本低。照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用三7.3.4隧道照明節(jié)能控制技術2.自耦降壓式調(diào)控節(jié)能裝置通過一個自藕變壓器機芯，根據(jù)輸入電壓高低情況，接連不同的固定變壓器抽頭，將電網(wǎng)電壓降低至5、10、15、20V等幾個檔，從而達到降壓節(jié)電的目的。優(yōu)點：克服了可控硅斬波型產(chǎn)品產(chǎn)生諧波的缺陷。實現(xiàn)電壓的正弦波輸出，結構和功能都很簡單，可靠性也比較高。照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用三7.3.4隧道照明節(jié)能控制技術3.太陽能照明節(jié)能裝置太陽能轉換為電能有兩種基本途徑。一種是把太陽輻射能轉換為熱能，另一種是通過光電器件將太陽光直接轉換為電能。從隧道照明角度看，一般采用“太陽光發(fā)電”，即通過轉換裝置把太陽光轉換成電能利用。因為光電轉換裝置通常利用半導體器件的光伏效應原理進行轉換，因此又稱太陽能光伏技術。照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用三7.3.4隧道照明節(jié)能控制技術4.智能照明調(diào)控節(jié)能裝置采用RISC指令集的高速微處理器對各種信號進行自適應運算，動態(tài)調(diào)整電壓、電流，進而形成對電能質(zhì)量的有效控制和補償。根據(jù)照明調(diào)控系統(tǒng)的反饋電壓和電流動態(tài)調(diào)整輸出，達到啟動、軟過渡、穩(wěn)壓、節(jié)能的目的。優(yōu)點：優(yōu)化電力質(zhì)量、有效保護電光源、延長使用壽命、智能照明調(diào)控、適應性好、可靠性高、配置靈活等。照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用三7.3.5基于智能控制的隧道照明節(jié)能研究1.隧道照明節(jié)能的智能控制算法1）通過灰色神經(jīng)網(wǎng)絡算法對隧道所需要的照明亮度進行預測，利用預測數(shù)據(jù)對隧道燈光配置進行調(diào)整，從而實現(xiàn)按需照明的節(jié)能效果。2）基于優(yōu)化模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的隧道照明節(jié)能系統(tǒng)，該控制算法在承秦高速公路秦皇島段槐尖山隧道中應用，其節(jié)能達到40%左右的效果。3）PID控制算法PID閉環(huán)反饋控制算法模糊PID控制算法照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用三7.3.5基于智能控制的隧道照明節(jié)能研究2.隧道照明節(jié)能研究的智能通信國內(nèi)外的隧道照明通信網(wǎng)絡：簡潔的LonWorks總線傳統(tǒng)的RS485總線高效的CAN總線無線或者物聯(lián)網(wǎng)發(fā)光節(jié)能涂料在隧道照明中的應用4發(fā)光節(jié)能涂料在隧道照明中的應用四7.4.1隧道使用發(fā)光節(jié)能涂料的技術指標序號檢驗項目標準要求序號檢驗項目標準要求1容器中的狀態(tài)無硬塊、攪拌后呈均勻狀態(tài)11耐人工老化老化時間840h2施工性涂刷2道無障礙粉化≤1級3低溫穩(wěn)定性3次循環(huán)不變質(zhì)變色≤2級4干燥時間表干≤2h外觀變化無起泡、剝落、裂紋5涂膜外觀正常12耐燃燒時間/min≥106耐水性96h無異常13火焰?zhèn)鞑ケ戎怠?57耐堿性48h無異常14阻火性阻火性損失/g≤15.08涂層耐溫變形5次循環(huán)無異常碳比體積/cm2≤759耐洗刷性＞5000次15材料反射率≥0.8510耐污染性＜15%16余暉降至0.005cd/m2≥2h發(fā)光節(jié)能涂料在隧道照明中的應用四7.4.2發(fā)光節(jié)能涂料在公路隧道增光照明的應用多功能蓄能發(fā)光材料為改性稀土鋁酸鹽，其吸收不可見光后轉化成可見光，輔助隧道照明可增光增亮、節(jié)約能耗；同時，其轉換的可見光光譜在480~580nm范圍，能彌補人造光源的光譜不連續(xù)性，提升隧道內(nèi)的視覺環(huán)境效果、增加視距；除此之外，其蓄能后延時發(fā)光，可提高隧道發(fā)生火災等突發(fā)事故時的引導逃生效率。發(fā)光節(jié)能涂料在隧道照明中的應用四7.4.3內(nèi)裝材料與高壓鈉燈組合照明優(yōu)化技術1.內(nèi)壁采用深色防火涂料根據(jù)瀝青路面亮度與照度的換算取值16.5lux/cd·m2，則路面的平均亮度換算值為8.7cd/m2，滿足規(guī)范中規(guī)定。發(fā)光節(jié)能涂料在隧道照明中的應用四7.4.3內(nèi)裝材料與高壓鈉燈組合照明優(yōu)化技術2.內(nèi)壁采用58%反射率瓷磚在相同光通量條件下，當對隧道內(nèi)表面兩側3米高度范圍內(nèi)設置具有58%反射率的瓷磚時，路面平均照度、照度均勻性與照明效率有明顯提高，可以節(jié)約光能量約為6.9%。發(fā)光節(jié)能涂料在隧道照明中的應用四7.4.3內(nèi)裝材料與高壓鈉燈組合照明優(yōu)化技術3.內(nèi)壁采用85%發(fā)光節(jié)能涂料在相同光通量條件下，當對隧道內(nèi)表面兩側3米高度范圍內(nèi)涂設具有85%反射率的發(fā)光節(jié)能涂料時，路面平均照度與照明效率有明顯提高，可以節(jié)約光能量約為12.6%。發(fā)光節(jié)能涂料在隧道照明中的應用四7.4.4發(fā)光涂料最優(yōu)鋪設范圍方法在該隧道模型條件下，在3米高度范圍內(nèi)鋪設時的性價比最高。鋪設范圍(M)平均照度(lx)平均亮度(cd/m2)能效值最小照度與平均照度比值亮度提高率鋪設用料長度(M)單位長度效率比不鋪設1438.74.360.57500

31619.83.860.65112.64%34.21%4.5416810.23.70.66117.24%4.53.83%5.7117410.53.570.66520.69%63.45%6.5181113.440.6726.44%7.53.52%718911.53.290.66432.18%93.58%墻壁全截面20012.13.110.66539.08%10.53.72%新能源技術在隧道運營期的節(jié)能應用5新能源技術在隧道運營期的節(jié)能應用五7.5.1雷家坡1#隧道太陽能棚熱自然通風應用雷家坡1#隧道多種能量綜合利用的自然通風系統(tǒng)主要利用太陽能、風能地熱能等其他能量實現(xiàn)隧道的通風換氣。據(jù)統(tǒng)計，自2014年12月3日隧道通車運營以來，該套通風系統(tǒng)使隧道在洞內(nèi)不開啟風機的情況下能夠24小時持續(xù)保持良好的通風狀態(tài)，同時節(jié)約電費260多萬元，有效減少了運營成本。新能源技術在隧道運營期的節(jié)能應用五7.5.2府村川隧道太陽能熱水防凍系統(tǒng)用于隧道消防管道防凍的太陽能熱水系統(tǒng)由太陽能集熱裝置、管道循環(huán)裝置、智能控制裝置、輔助加熱裝置、儲熱裝置及附屬裝置等六部分組成。據(jù)現(xiàn)場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，太陽能熱水防凍系統(tǒng)熱水供應穩(wěn)定可靠，其溫度能夠完全滿足消防管道防凍設計要求。新能源技術在隧道運營期的節(jié)能應用五7.5.3太陽能組件在隧道誘導燈及廣場照明中的節(jié)能應用南小坪和武家莊隧道洞口誘導燈和主線治超站廣場照明引入了太陽能工程。因未設洞外引導燈，夜間洞口線形輪廓不明顯。為改善洞口夜間行車環(huán)境，在洞口設置太陽能LED誘導燈設施。由于治超廣場開闊，所需照明范圍廣，且接收光照條件較好，因此在部分區(qū)域采用太陽能LED照明方案可行，有利于照明節(jié)能，可降低運營費用。新能源技術在隧道運營期的節(jié)能應用五7.5.4十天高速朱家溝隧道太陽能供電工程朱家溝隧道太陽能光伏發(fā)電采用切換型并網(wǎng)供電系統(tǒng)，白天日照充分時，光伏發(fā)電與公共市電網(wǎng)絡分離，直接利用太陽能光伏供電系統(tǒng)供電，當日照不足、夜間及持續(xù)陰雨天氣時，自動切換到公共市電電網(wǎng)向隧道內(nèi)負載供電。該方案既能確保隧道用電可靠及持久性，又省去對蓄電池的需求，系統(tǒng)結構簡單且降低工程造價。新材料在隧道運營期的節(jié)能應用6新材料在隧道運營期的節(jié)能應用六7.6.1高反射率隧道側壁內(nèi)裝材料的照明節(jié)能在隧道拱壁上使用反射系數(shù)更高的內(nèi)裝材料替代隧道壁裝飾的傳統(tǒng)材料，使隧道拱墻在隧道光源和車燈的照射下具有一定的亮度，在降低照明功率的情況下，拱墻輪廓清晰可見，同時在不影響駕駛員的視覺的情況下使司機對小目標的識別能力得到提高，從而可使隧道照明設計標準適當降低，進而節(jié)能降耗。內(nèi)壁采用深色防火涂料設置高反射率內(nèi)裝材料新材料在隧道運營期的節(jié)能應用六7.6.2節(jié)能型隧道鋪裝材料的應用水泥混凝土路面對隧道內(nèi)亮度的提高有顯著作用，而明色瀝青路面相比傳統(tǒng)瀝青路面平均亮度提高7%-20%，其中淺色石料瀝青路面平均亮度提高7%-17%，碎玻璃瀝青路面平均亮度提高13%-20%。明色瀝青混合料路面能有效提高路面漫反射光強，提高路面平均亮度。本章小結7本章小結七1.交通隧道利用自然風節(jié)能通風設計方法氣象物理量獲?。ㄗ詣託庀笳鞠到y(tǒng)）自然風風速確定隧道自然風利用模式及節(jié)能設計2.地下工程通風機組優(yōu)化配置技術軸流風機效率提高方法——安裝高度、間距、并聯(lián)斜豎井送排風本章小結七3.照明節(jié)能技術在隧道運營期的應用種類布置形式節(jié)能控制智能控制4.發(fā)光節(jié)能涂料在隧道照明中的應用技術指標組合照明應用、最優(yōu)鋪設范圍本章小結七5.新能源技術在隧道運營期的節(jié)能應用（案例）太陽能棚熱自然通風應用太陽能熱水防凍系統(tǒng)太陽能照明組件太陽能切換型并網(wǎng)供電系統(tǒng)6.新材料在隧道運營期的節(jié)能應用高反射率隧道側壁內(nèi)裝材料節(jié)能型隧道鋪裝材料本章小結七思考題與習題：1.簡述利用自然風進行節(jié)能通風設計流程。2.查閱相關資料，試闡述并聯(lián)風機中間隔墻對效率的影響。3.試比較高壓鈉燈與LED照明燈在隧道照明節(jié)能應用中的優(yōu)缺點。本章小結七思考題與習題：4.簡述隧道照明控制調(diào)控裝置的種類及其節(jié)能優(yōu)勢。5.查閱相關案例，試闡述新能源技術在隧道節(jié)能方面還有其他哪些應用謝謝！

第8章地下工程新能源利用技術本章內(nèi)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(nèi)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(jīng)濟論壇國家主席習近平提到“實現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)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(nóng)業(yè)機械、船舶、鐵路內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)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(shù)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(xiàn)狀分析汽車在隧道等地下工程內(nèi)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(zhì)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(nèi)人員的健康，在整個運營期內(nèi)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(xiàn)狀分析中國已經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(nèi)技術機內(nèi)技術包括電控燃油噴射(EFI)、廢氣再循環(huán)（EGR）、增壓中冷、缸內(nèi)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(nèi)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(nèi)機電設備運行需求，實現(xiàn)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(nèi)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(jīng)過時，會產(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(diào)節(jié)室內(nèi)溫度利用地熱能進行室內(nèi)溫度調(diào)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(nèi)利用地熱交換器提取熱量，再將熱量通過熱泵送入室內(nèi)溫度調(diào)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(zhì)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(zhì)注入地下，冷介質(zhì)在流經(jīng)人工壓裂形成的干熱巖縫隙的過程中產(chǎn)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(jù)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(nèi)入口加強段照明提供電能，如圖所示。光伏發(fā)電采用并網(wǎng)形式，不設儲能蓄電池?？紤]到夜間行車安全，擬在遮光棚內(nèi)設置基本照明燈具，相關照明用電與隧道內(nèi)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