地下工程低碳理论与应用 课件 -第1章 绪论

西南交通大学土木工程学院地下工程系《地下工程低碳理论与应用》2025年1月2日西南交通大学土木工程学院地下工程系第7

章地下工程运营期低碳节能技术本章内容提要本章教学目标：了解交通隧道利用自然风节能通风设计方法了解地下工程通风机组优化配置技术了解照明灯具布置及控制技术、发光涂料、新能源及新材料等在隧道照明中的应用掌握运营期低碳节能技术的设计及应用场景交通隧道利用自然风节能通风设计方法1照明节能技术在隧道运营期的应用地下工程通风机组优化配置技术本章内容提要23发光节能涂料在隧道照明中的应用4新能源技术在隧道运营期的节能应用5新材料在隧道运营期的节能应用6交通隧道利用自然风节能通风设计方法1交通隧道利用自然风节能通风设计方法一7.1.1隧道自然风气象观测物理量获取自动气象站系统：集气象数据采集、存储、传输和管理于一体的无人值守的气象采集系统。PH自动气象站用于测量气温、相对湿度、照度、雨量、风速、风向、气压、辐射等基本气象要素，具有显示、自动记录、实时时钟、超限报警和数据通讯等功能。交通隧道利用自然风节能通风设计方法一7.1.1隧道自然风气象观测物理量获取在自动气象站直接布线不方便的情况下，中心气象计算机可以与多台PH自动气象站通过移动GPRS无线数据通信网络组成气象监测网络。交通隧道利用自然风节能通风设计方法一7.1.2隧道自然风风速确定1.自然风风速计算方法根据气象站采集的气象数据，对各个时刻气象数据所对应的隧道内各区段及斜井内的自然风进行计算。为了反映隧道内自然风变化的真实情况，必须借助统计分析方法，获得各区段风速的频率分布，从而使隧道的通风设计具有一定的可靠度。交通隧道利用自然风节能通风设计方法一7.1.2隧道自然风风速确定1.自然风风速计算方法在隧道营运期间，车辆通过隧道时的消耗功率所转变的热量、隧道中各种电力设备所散发的热量、隧道围岩通过衬砌传导的热量共同影响着洞内气温。同时考虑到洞内交通阻滞以及其他极端情况，现令洞内空气温度依次取15℃、20℃、25℃、30℃。在这四种可能的洞内气温情况下，分别结合洞外气象参数求出隧道内各区段的自然风，然后统计分析自然风风速频率分布。交通隧道利用自然风节能通风设计方法一7.1.3隧道自然风利用模式及节能设计方法1.隧道利用自然风节能设计流程通风方式的对比传统通风方式自然通风自然风的计算2～3m/s根据气象资料计算自然风的利用作为阻力考虑作为动力考虑通风方式选择不考虑自然风情况根据自然风分布进行设计通风手段机械通风方式自然利用为主、机械通风为辅控制方式火灾/正常运营控制按照自然风控制节能不节能节能通风效果较好较好应用对象需要进行机械通风的隧道位于气象分隔带或自然风较大的隧道交通隧道利用自然风节能通风设计方法一7.1.3隧道自然风利用模式及节能设计方法1.隧道利用自然风节能设计流程利用自然风进行通风的设计思想：根据隧道所处位置的气象条件，或完全利用自然风，或利用少量通风机械设备进行辅助和补充，对自然风诱导、控制、调节，从而达到隧道通风的目的。通风系统最大限度的利用自然能和最小限度的人工干预。交通隧道利用自然风节能通风设计方法一7.1.3隧道自然风利用模式及节能设计方法1.隧道利用自然风节能设计流程只有当主隧道内常年存在风向恒定的自然风，且自然风风向与机械通风方向同向时，才可以利用自然风进行通风。一般处于气象分隔带或洞口两端压差大的隧道可以利用自然风进行通风设计。得出隧道内的全年自然风风速、风向规律是利用自然进行节能通风设计的基础。交通隧道利用自然风节能通风设计方法一7.1.3隧道自然风利用模式及节能设计方法2.隧道机械通风方向确定《公路隧道通风设计细则》规定：“在通风计算中，一般可将自然通风力作为隧道通风阻力考虑；但当确定自然风作用引起的洞内风速常年与隧道通风方向一致时，宜作为隧道通风动力考虑”。因此，机械通风方向应综合考虑自然风和交通风的作用。交通隧道利用自然风节能通风设计方法一7.1.3隧道自然风利用模式及节能设计方法3.隧道自然风利用模式（1）自然风利用原则——分段原则隧道自然风风速vn（m/s）自然风的利用情况射流风机送风竖井排风竖井策略Avn>v0动力不开启风机开启风机开启风机（或关闭风机，打开辅助风道）策略B0<vn<v0动力开启部分风机开启风机开启风机策略Cvn<0阻力开启全部风机开启风机开启风机地下工程通风机组优化配置技术2地下工程通风机组优化配置技术二1.轴流风机安装高度对效率的影响随着轴流风机安装高度增加，风机的效率也是增加的；当安装高度为2.8m时，风机的效率有所减小，这是由于风机的上缘逐渐靠近隧道拱顶造成的。当风机的安装高度在1.4~2m时，其效率变化幅度不大。7.2.1轴流风机效率提高方法不同安装高度的风机效率曲线图地下工程通风机组优化配置技术二2.并联风机横向间距对效率的影响随着轴流风机横向间距增大，风机的效率也是增加的。当并联风机组的横向间距小于4m时，风机的效率是逐渐减小的，随着风机靠近隧道壁面，风机效率也下降较大。当并联风机横向间距在4~8m之间变化时，风机的效率变化不是很大。7.2.1轴流风机效率提高方法不同横向间距的风机效率曲线图地下工程通风机组优化配置技术二3.轴流风机并联台数对效率的影响（1）相同功率的风机同型号轴流风机并联时，一台轴流风机运行时与两台轴流风机并联运行时，随着风机流量的增大，风机的效率变化不是很大。在相同的流量下，开启一台风机运行时的效率比开启两台时要大。7.2.1轴流风机效率提高方法风机的流量（m3/s）98.8106.4114.0121.6129.2一台风机0.9180.9200.9260.9290.932两台风机0.8770.8800.8820.8860.887不同风机出口风速下的风机效率地下工程通风机组优化配置技术二3.轴流风机并联台数对效率的影响（2）不同功率的风机随着功率差值比增大，风机效率下降的较大。当两台并联轴流风机的差值比大于一定值时，将导致小功率的风机不能正常运行，这在风机的选型中应给予重视。7.2.1轴流风机效率提高方法不同功率差值比下的风机效率曲线图地下工程通风机组优化配置技术二4.自然风对并联风机效率的影响（1）开启一台风机开启一台时，未开启的两个风机风道内出现了较为强烈的回流现象，该现象降低了轴流风机的送风量或排风量，而且使两台未运行的风机产生了反转现象，对风机正常运行是非常不利的。7.2.1轴流风机效率提高方法无自然风下水平面速度标量图

无自然风下风机出口附近局部速度矢量图地下工程通风机组优化配置技术二4.自然风对并联风机效率的影响（1）开启一台风机在风机出口端压力逐渐增加，在渐缩段内压力达到最大；而在风机入口端渐扩段压力较低，在风机入口附近压力达到最小。因此，在未开启风机的风道内形成了明显压力差，导致了回流现象的发生。7.2.1轴流风机效率提高方法地下风机房水平面压力分布图地下工程通风机组优化配置技术二4.自然风对并联风机效率的影响（2）开启两台风机在风机的入口处和渐扩段附近出现了较为强烈的涡流现象。与开启一台风机时的情况相同，开启两台时在未开启的风机风道内出现了非常强烈的回流现象。7.2.1轴流风机效率提高方法无自然风下水平面速度标量图

无自然风下风机出口附近局部速度矢量图地下工程通风机组优化配置技术二4.自然风对并联风机效率的影响（2）开启两台风机在风机出口端压力逐渐增加，在渐缩段内压力达到最大；而在风机入口端的渐扩段压力较低，在风机入口附近压力达到最小。因此，在未开启风机的风道内形成了明显的压力差，导致了回流现象的发生。7.2.1轴流风机效率提高方法地下风机房水平面压力分布图地下工程通风机组优化配置技术二4.自然风对并联风机效率的影响（3）开启三台风机在风机出口前方处形成了较为均匀的压力分布，气流在进入渐缩段的入口附近达到最大值。7.2.1轴流风机效率提高方法无自然风下水平面速度标量图

无自然风下风机出口附近局部速度矢量图地下风机房水平面压力分布图地下工程通风机组优化配置技术二4.自然风对并联风机效率的影响并联轴流风机的台数影响其效率，随着并联轴流风机台数的增加，风机效率变低；在自然风与轴流风机气流方向一致时，其轴流风机效率大于自然风与轴流风机气流反向时的效率。7.2.1轴流风机效率提高方法开启风机台数的风机效率曲线图地下工程通风机组优化配置技术二1.送风口送风对主隧道影响范围隧道内的静压同样在风机出口125m左右达到最大值，随后由于沿程阻力的影响逐渐降低直到隧道出口。从隧道送风口至前方200m的范围内，具有较大的湍流强度，因此从隧道内的湍流强度来看，送风道的影响范围为200m。7.2.2斜竖井送排风对射流风机影响隧道内静压分布图隧道内湍流强度分布图地下工程通风机组优化配置技术二2.排风口排风对主隧道影响范围在距离排风口20m以内，其静压的增加幅度较大；随着远离排风道的入口，静压逐渐增大，随后由于沿程摩阻损失，静压逐渐增大直到隧道出口。在距离排风口20m以内，风速增加幅度也较大，并在排风口处达到最大值。在距离排风口20m以后，隧道内的风速变化逐渐变缓。7.2.2斜竖井送排风对射流风机影响隧道内静压分布图隧道内风速分布图照明节能技术在隧道运营期的应用3照明节能技术在隧道运营期的应用三7.3.1隧道照明灯具的种类及性能隧道照明灯具的性能要求是高效节能。目前应用于公路隧道的灯具主要有白炽灯、紧凑型荧光灯、高压汞灯、低压钠灯和高压钠灯等。光源种类白炽灯紧凑型荧光灯高压钠灯低压钠灯金属卤化物灯LED荧光灯额定功率/W10~1505~5535~100018~18035~3500185~150光效/(lm/v)1560120150701080平均寿命/h1000~2000600018000~280005000800010000060000显色指数95~99>8025~85—60~907580色温/k2400~29002500~65001900~2800—3000~650045003800启动稳定时间瞬时快速4~5min—4~10min快速瞬时再启时间瞬时快速3min—10~15min快速瞬时闪烁不明显高频不明显明显—明显明显不明显耐震性能较差较好较好—好好好照明节能技术在隧道运营期的应用三7.3.2新型照明节能灯具1）电磁感应无极灯（简称无极灯）优势：无电极、寿命长、光衰低、高效节能。2）白光LED光源优势：功耗低、寿命长（正常发光6×104~105h）、抗震动、无辐射照明节能技术在隧道运营期的应用三7.3.3隧道照明灯具的布置在隧道照明系统中，通过研究照明灯具的光源特性，以及空间环境对光线亮度的影响，在灯光亮度满足需求的前提下对灯具进行优化布置，经实验研究其节能效果也是非常显著的。如何在满足照明强度要求的前提下，使灯具的布置密度最小，减少灯具数量，以求达到节能的效果，也是隧道照明系统实现节能的一个方面。照明节能技术在隧道运营期的应用三7.3.4隧道照明节能控制技术1.可控硅斩波型照明节能装置采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管可控硅的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低输出电压的平均值，达到控压节电的目的。优点：对照明系统的电压调节速度快、精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。照明节能技术在隧道运营期的应用三7.3.4隧道照明节能控制技术2.自耦降压式调控节能装置通过一个自藕变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低至5、10、15、20V等几个档，从而达到降压节电的目的。优点：克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷。实现电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，可靠性也比较高。照明节能技术在隧道运营期的应用三7.3.4隧道照明节能控制技术3.太阳能照明节能装置太阳能转换为电能有两种基本途径。一种是把太阳辐射能转换为热能，另一种是通过光电器件将太阳光直接转换为电能。从隧道照明角度看，一般采用“太阳光发电”，即通过转换装置把太阳光转换成电能利用。因为光电转换装置通常利用半导体器件的光伏效应原理进行转换，因此又称太阳能光伏技术。照明节能技术在隧道运营期的应用三7.3.4隧道照明节能控制技术4.智能照明调控节能装置采用RISC指令集的高速微处理器对各种信号进行自适应运算，动态调整电压、电流，进而形成对电能质量的有效控制和补偿。根据照明调控系统的反馈电压和电流动态调整输出，达到启动、软过渡、稳压、节能的目的。优点：优化电力质量、有效保护电光源、延长使用寿命、智能照明调控、适应性好、可靠性高、配置灵活等。照明节能技术在隧道运营期的应用三7.3.5基于智能控制的隧道照明节能研究1.隧道照明节能的智能控制算法1）通过灰色神经网络算法对隧道所需要的照明亮度进行预测，利用预测数据对隧道灯光配置进行调整，从而实现按需照明的节能效果。2）基于优化模糊神经网络的隧道照明节能系统，该控制算法在承秦高速公路秦皇岛段槐尖山隧道中应用，其节能达到40%左右的效果。3）PID控制算法PID闭环反馈控制算法模糊PID控制算法照明节能技术在隧道运营期的应用三7.3.5基于智能控制的隧道照明节能研究2.隧道照明节能研究的智能通信国内外的隧道照明通信网络：简洁的LonWorks总线传统的RS485总线高效的CAN总线无线或者物联网发光节能涂料在隧道照明中的应用4发光节能涂料在隧道照明中的应用四7.4.1隧道使用发光节能涂料的技术指标序号检验项目标准要求序号检验项目标准要求1容器中的状态无硬块、搅拌后呈均匀状态11耐人工老化老化时间840h2施工性涂刷2道无障碍粉化≤1级3低温稳定性3次循环不变质变色≤2级4干燥时间表干≤2h外观变化无起泡、剥落、裂纹5涂膜外观正常12耐燃烧时间/min≥106耐水性96h无异常13火焰传播比值≤757耐碱性48h无异常14阻火性阻火性损失/g≤15.08涂层耐温变形5次循环无异常碳比体积/cm²≤759耐洗刷性＞5000次15材料反射率≥0.8510耐污染性＜15%16余晖降至0.005cd/m²≥2h发光节能涂料在隧道照明中的应用四7.4.2发光节能涂料在公路隧道增光照明的应用多功能蓄能发光材料为改性稀土铝酸盐，其吸收不可见光后转化成可见光，辅助隧道照明可增光增亮、节约能耗；同时，其转换的可见光光谱在480~580nm范围，能弥补人造光源的光谱不连续性，提升隧道内的视觉环境效果、增加视距；除此之外，其蓄能后延时发光，可提高隧道发生火灾等突发事故时的引导逃生效率。发光节能涂料在隧道照明中的应用四7.4.3内装材料与高压钠灯组合照明优化技术1.内壁采用深色防火涂料根据沥青路面亮度与照度的换算取值16.5lux/cd·m2，则路面的平均亮度换算值为8.7cd/m2，满足规范中规定。发光节能涂料在隧道照明中的应用四7.4.3内装材料与高压钠灯组合照明优化技术2.内壁采用58%反射率瓷砖在相同光通量条件下，当对隧道内表面两侧3米高度范围内设置具有58%反射率的瓷砖时，路面平均照度、照度均匀性与照明效率有明显提高，可以节约光能量约为6.9%。发光节能涂料在隧道照明中的应用四7.4.3内装材料与高压钠灯组合照明优化技术3.内壁采用85%发光节能涂料在相同光通量条件下，当对隧道内表面两侧3米高度范围内涂设具有85%反射率的发光节能涂料时，路面平均照度与照明效率有明显提高，可以节约光能量约为12.6%。发光节能涂料在隧道照明中的应用四7.4.4发光涂料最优铺设范围方法在该隧道模型条件下，在3米高度范围内铺设时的性价比最高。铺设范围(M)平均照度(lx)平均亮度(cd/m2)能效值最小照度与平均照度比值亮度提高率铺设用料长度(M)单位长度效率比不铺设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%墙壁全截面20012.13.110.66539.08%10.53.72%新能源技术在隧道运营期的节能应用5新能源技术在隧道运营期的节能应用五7.5.1雷家坡1#隧道太阳能棚热自然通风应用雷家坡1#隧道多种能量综合利用的自然通风系统主要利用太阳能、风能地热能等其他能量实现隧道的通风换气。据统计，自2014年12月3日隧道通车运营以来，该套通风系统使隧道在洞内不开启风机的情况下能够24小时持续保持良好的通风状态，同时节约电费260多万元，有效减少了运营成本。新能源技术在隧道运营期的节能应用五7.5.2府村川隧道太阳能热水防冻系统用于隧道消防管道防冻的太阳能热水系统由太阳能集热装置、管道循环装置、智能控制装置、辅助加热装置、储热装置及附属装置等六部分组成。据现场温度监测数据，太阳能热水防冻系统热水供应稳定可靠，其温度能够完全满足消防管道防冻设计要求。新能源技术在隧道运营期的节能应用五7.5.3太阳能组件在隧道诱导灯及广场照明中的节能应用南小坪和武家庄隧道洞口诱导灯和主线治超站广场照明引入了太阳能工程。因未设洞外引导灯，夜间洞口线形轮廓不明显。为改善洞口夜间行车环境，在洞口设置太阳能LED诱导灯设施。由于治超广场开阔，所需照明范围广，且接收光照条件较好，因此在部分区域采用太阳能LED照明方案可行，有利于照明节能，可降低运营费用。新能源技术在隧道运营期的节能应用五7.5.4十天高速朱家沟隧道太阳能供电工程朱家沟隧道太阳能光伏发电采用切换型并网供电系统，白天日照充分时，光伏发电与公共市电网络分离，直接利用太阳能光伏供电系统供电，当日照不足、夜间及持续阴雨天气时，自动切换到公共市电电网向隧道内负载供电。该方案既能确保隧道用电可靠及持久