本文作者：包左軍、朱立偉 單位：交通運輸部公路科學(xué)研究院

1引言

隧道節(jié)能是公路運營節(jié)能的首要關(guān)注點，其節(jié)能對策的研究必然要對系統(tǒng)能耗的構(gòu)成進行客觀分析，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，對實際發(fā)生的靜態(tài)和動態(tài)過程能耗所進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)能效果測量和驗證規(guī)程》(EVO10000－1:2007)給定的測量方法。縱向評價方式具有效果直觀、可度量直接效益的優(yōu)點;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。總之，節(jié)能措施的著力點是在保障設(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)濟效益予以衡量。

2公路隧道機電能耗構(gòu)成

常規(guī)的隧道機電系統(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)能對策研究的重點對象。通過分析其正常與合理冗余的功能需求，對能耗進行系統(tǒng)化和可控化的管理，是實現(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。實際上，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)備負荷功率、負荷持續(xù)率等需求，形成了一系列穩(wěn)態(tài)或瞬時的能耗。正因為上述因素的制約，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功能，通過削減各子系統(tǒng)非關(guān)鍵冗余的能耗就成為實現(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，其中照明負荷達到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)更新為支撐點的平衡線，使之在實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)時，依然能確保隧道機電系統(tǒng)的正常工作。因而，越是能夠充分的解析機電系統(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，已實現(xiàn)功效與能耗基本匹配的系統(tǒng)，若繼續(xù)進行挖掘節(jié)能的努力，則其效益與投入比會逐漸趨向不合理，因為從同類系統(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)擴大節(jié)能力度，就必須依賴新技術(shù)、新材料、新工藝的進步和應(yīng)用才有可能得以實現(xiàn)。因此，一項完整節(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示意圖進行系統(tǒng)性評判，從而實現(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、驗證實施等個關(guān)鍵實踐過程中各因素的重要程度，以及實踐標(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，確保總系統(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)運行階段的實際操作與數(shù)據(jù)衡量，可以結(jié)合實際情況做出必要的調(diào)整與改進，進一步優(yōu)化系統(tǒng)的節(jié)能降耗操作，并使之更趨向理想目標(biāo)，即達到“優(yōu)化級”。從中可以看出，節(jié)能措施是一項管理性任務(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過程。其中，就體現(xiàn)了每項具體措施中均蘊含著同類橫向約束與自身縱向挖掘雙重改進的指導(dǎo)思想，并籍此判別實際系統(tǒng)節(jié)能努力的成熟度，實現(xiàn)效益與投入的內(nèi)在平衡，達到系統(tǒng)功效與能耗的最優(yōu)化。

從宏觀層面看待公路隧道機電系統(tǒng)節(jié)能措施的優(yōu)化與實施，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、運行管理等方面提出綜合性節(jié)能措施，是持續(xù)改進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，因為能耗情況反映了現(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

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