高速公路营运期节能计算与分析

杨 婧 苗 壮

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

随着高速公路规模逐渐扩大，高速公路节能成为重要课题。从实际情况来看，我国高速公路节能专项报告，尚处于不成熟阶段，目前还没有统一、系统、规范的节能分析体系可参考。

总体来看，我国在高速公路节能方面进行了一些初步的探索，主要侧重于服务区[1]、路面材料[2]、节能措施[3]、建筑[4]、隧道照明[5]等单项节能的分析，对高速公路整体能源消耗分析评价较少，本文从高速公路节能分析评价依据、用能系统、能源种类等方面做全面阐述，重点对电能消耗的计算方法做详细介绍，并以贵州省某高速公路为例进行电能消耗节能分析。

1 分析评价依据

高速公路节能报告，主要分析评价项目营运20年的情况。分析评价的依据主要是以下几类：相关法律、法规、规划和产业政策；能源类、交通类、建筑类相关标准及规范；产业结构政策以及该项目的工程可行性研究资料。其中，《固定资产投资项目节能评估和审查工作指南》(2014年版本)、《固定资产投资项目节能审查办法》(中华人民共和国国家发展和改革委员会令第44号)为重要指导文件。

2 主要用能系统

主要用能系统包括隧道机电系统(照明、通风、监控)和附属设施系统(收费站、服务区、管理中心、管养工区、隧道管理所等)。

3 能源消耗种类

高速公路作为公益性的基础设施建设，为来往行驶车辆提供服务，在此过程中主要消耗的能源种类为电能、燃料油、液化石油气、耗能工质(水)。

4 建设方案的节能分析

国家发改委《固定资产投资项目节能评估和审查工作指南》(2014年版本)中指出，机场、港口、公路等类项目结合不同的特点，针对能源使用的主要环节、主要能耗设备等方案展开节能分析。

高速公路主要为所经车辆提供运输服务，此部分重点可从项目选线、主要筑路材料利用、主要耗能系统和设备等方面进行分析。侧重于主要用能系统方案的提出，如隧道全线LED灯方案，隧道照明、通风方案的设备布置方式，以及变配电系统的电源接入，变压器选型，耗能设备选型及数量的统计，为下一步工作打好基础。

5 节能措施

针对主要用能系统，提出对应的节能措施，见表1。

表1 高速公路节能措施一览表

6 能源利用状况核算及能效水平分析

报告应对项目营运期消耗的电能、燃料油、液化石油气、耗能工质(水)做详细核算及能效水平分析，本文侧重于用电能耗的计算与分析。

6.1 计算方法

消耗电能的主要区域为隧道机电系统(照明、通风、监控)、收费站与收费广场、管理中心、服务区、管养工区、隧道管理所、员工生活区，计算方法如下。

1) 分类指标法。即每类设备的数量与功率及其开机时间的乘积

(1)

式中：QT为项目营运期隧道与收费站等1年所消耗的电能，kW·h；qi为第i类耗能设备的数量,台；wi为第i类耗能设备的功率,W/台；ti为第i类耗能设备平均1 d的运行时间,h；i为隧道的监控、照明、通风等系统中耗能设备的类型数。

养护工区主要是路面养护的机械设备耗电(大修时沥青混合料拌和设备)，营运期20年，总共大修2次(按路面总面积的1/3计)，按每平米路面需要0.038台设备，每台班耗电量为606.06 kW·h进行估算；生活区电耗主要是热水器、空调、电视等，按照设备台数、日均工作时间(平均取6 h)、设备功率的乘积计算能耗。

2) 总体类比法。对于服务区、隧道管理等，因耗能设备琐细，在工可阶段难以统计，固可采用总体类比法进行计算，即在其他服务区与停车区平均用电统计的基础上，通过服务区与停车区1 d的平均耗电量与1年天数的乘积来计算其1年的能耗

(2)

式中：Q为项目服务区与停车区一年的能源消耗量，kW·h；qi1为第i个服务区1 d的能源消耗量，kW·h/d；qj2为第j个停车区1 d的能源消耗量，kW·h/d；n为项目服务区数量,个；m为项目停车区的数量，个。

3) 其他。因附属设施有收费站、服务区等建筑，插座耗电也应做相应估算，根据《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇：电气》可查得建筑中办公室、零售区、卫生间、会议室等的照明和插座负荷密度。根据负荷密度和建筑面积估算，可得到插座能耗。

7 算例分析

7.1 算例

以贵州省凯里环城高速公路北段为例，该项目地处贵州省黔东南州境内，全长71.697 km，设计车速100 km/h，路基宽度26 m，隧道23 045 m/28条，有2条特长隧道，隧道占路线总长的32.14%，II类服务区1处，停车区2处，管养工区2处，隧道管理所8处，交警用房2处，管理分中心1处。该项目营运期能耗计算如下：

1) 隧道机电系统、收费站、管理中心、员工生活区耗电量采用分类指标法式(1)计算，重点详细展开隧道照明耗电计算，采用全线LED灯方案。

本项目设计标准为100 km/h车速，4车道，按照JTG/T D70/2-01-2014 《公路隧道照明设计细则》 计算原则，本项目隧道各照明段照明标准见表2。

表2 高速公路隧道照明布置表

按照 JTG/T D70/2-01-2014 《公路隧道照明设计细则》要求，长度大于200 m的公路隧道要求配备照明装置；长度为100～200 m的高速公路光学长隧道应设置照明。根据上述隧道各照明段照明标准及布置方式，得到本项目隧道照明共需要的灯具数量见表3。

表3 隧道LED 灯照明灯具统计汇总表

参考贵州省其他高速公路营运情况，估算本项目照明灯具每日的开灯时间为：基本照明灯具0～6：00时为半开，其余18 h全开；加强照明灯具开12 h。查阅贵州省相关天气资料，考虑到贵州晴天、云天、阴天、重阴天的天气状况比例，按晴天165 d，云天100 d，阴天50 d，重阴天50 d估算，综合考虑加强照明灯具的年耗电折减系数为0.703。计算结果见表4。

表4 隧道照明结果表 kW·h/年

同类方法，得到隧道机电、收费站、管理中心等耗电量见表5。

表5 项目营运期隧道机电、收费站、管理中心年用电量汇总表

2) 服务区、隧道管理所等采取总体类比法进行耗电计算，通过调研贵州省大多数高速公路单个附属设施的耗能情况，取一个II类服务区的能耗为666 kW·h/d；一个停车区的能耗为299 kW·h/d；隧道管理所能耗为410.45 kW·h/d。

同类方法计算得到本项目服务区、管养工区等附属设施的耗电量见表6。

表6 服务区、管养工区等附属设施营运期用电量表

综上，本项目项目年耗电量约为1 769.40万 kW·h。

7.2 结果分析

1) 以贵州省凯里环城高速公路北段为例，计算了高速公路营运期电能消耗，从分析结果来看，隧道机电能消耗占了总电能消耗的84.89%。

2) 据调研贵州省同类项目，如贵州省雷山至榕江高速公路(长73.938 km，隧道比为32.92%，有2条特长隧道，附属设施设置与本项目相差不大；采用设计车速80 km/h，24.5 m路基宽建设标准)耗电能达到约1 501.13万 kW·h/年，隧道机电能消耗占总电能消耗的81.03%；本项目耗电比雷榕高速公路略高，隧道机电电耗占比较该高速略高，主要原因是采用不同的建设标准，隧道灯具功率选择、布设有所不同。因此，隧道占比、建设标准，都是影响电能消耗的重要因素，但高建设标准也有利于节约行驶汽车燃油，因此在以后研究中可做进一步对比论证。

8 高速公路节能的建议

1) 隧道节能是公路能源节约的主要方面，应进一步挖掘相关潜力，优化路线方案，尽可能地减小隧道规模。

2) 在保证安全、高效的前提下，结合高速公路节能因素，合理选择高速公路建设标准。

3) 加强新技术的推广利用。如隧道内安装反光环[6-7]、车辆超限超载不停车预检管理系统、高性能混凝土、温拌沥青混凝土技术等。

4) 建议在服务区、停车区预留充电桩、加气站等设施的建设用地，促进新能源和清洁能源车辆的推广应用。

5) 项目运营单位就节能管理制订具体制度，落实具体责任管理人员，完善相关节能制度及措施，确保政策落地。

9 结语

本文根据国家发展和改革委员会2016年第44号令《固定资产投资项目节能审查办法》指示精神，结合高速公路实际，介绍了高速公路节能分析包含的主要内容，重点阐述了电能消耗的计算和分析方法。以贵州省凯里环城高速公路北段为例，计算了营运期电能消耗，得出高速公路能耗以隧道机电耗能占比最多的结论；与同类项目比较后发现高速公路电能消耗与隧道比例、高速公路建设标准都有一定关系，提出了高速公路节能的具体措施与建议，可为高速公路整体营运节能分析评价提供参考 。

[1] 王炜.高速公路服务区营运管理研究[D].岳阳：湖南理工学院，2008.

[2] 秦用春，黄颂昌，徐剑等.温拌沥青混合料节能减排效果的测试与分析[J].公路交通科技，2009,26(8)：33-37.

[3] 马书红,牛方方,向前忠.高速公路营运期节能措施及其效果评价研究[J].公路,2014(10):177-182.

[4] 陈鹏.高速公路服务区及收费站建筑节能研究：针对夏热冬冷地区[D]. 长沙：中南大学，2006.

[5] 涂耘,王少飞,张琦,等.西汉高速公路隧道照明系统评估研究[J].照明工程学报，2010(5)：15-21.

[6] 武超群,裴玉龙,高敬鹏,等.城市轨道交通网络交通供需调节能力分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(1):22-26,31.

[7] 贵州省交通运输厅.贵州省交通运输厅关于在高速公路隧道内全面增设反光环的通知[Z].贵阳：贵州省交通运输厅，2016.