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《地下工程低碳理论与应用》课后习题答案第1章1.简述碳排放的基本概念及温室气体的主要种类。碳排放是指二氧化碳和其他温室气体的排放,是关于温室气体排放的简称。温室气体包括:二氧化碳(CO2),甲烷(CH4),氧化亚氮(N2O),氢氟化合物(HFCs),全氟化合物(PFCs),六氟化硫(SF6)。2.简要概况我国土木工程及地下工程领域发展历程及主要分为那几个阶段。我国土木工程及地下工程的发展历程可以概括为以下几个主要阶段:早期阶段(公元前11世纪至战国时期):早期土木工程主要依赖泥土和木材等天然材料。人工建筑材料如砖、瓦的出现,促进了房屋和城防工程的发展,提升了建筑的广泛性和技术水平。钢材应用阶段(17世纪至19世纪):17世纪开始使用生铁,19世纪初使用熟铁,逐步引入钢结构。钢材的使用使建筑跨度大幅增加,从几米到几百米,推动了桥梁和高层建筑的发展。混凝土及其复合材料阶段(19世纪20年代起):以波特兰水泥为基础的混凝土问世,为土木工程提供了新的经济且美观的结构材料。钢筋混凝土的出现结合了钢材和混凝土的优点,极大提升了建筑的承载能力和抗裂性能。预应力混凝土的应用进一步推动了土木工程的技术进步,标志着土木工程进入了以混凝土为主的历史时期。这些阶段反映了土木工程从简单的材料应用到复杂结构设计的发展,展现了其在满足人类居住与出行需求方面的重要性和创新能力。3.我国土木工程领域关于碳排放的标准及规范主要有那几部?在土木工程领域,国内外还没有出台地下工程领域碳排放计算量化方面的相关标准,碳排放的量化标准主要聚焦在建筑领域,国内公开发布的有两个,即《建筑碳排放计算标准》(GB/T51366—2019)、《建筑碳排放计量标准》(CECS374—2014)。第2章1.生命周期评价英文全称和简写分别是什么?生命周期评价(LifeCycleAssessment,简称LCA)2.GWP和GTP含义是什么?全球变暖潜势(GlobalWarmingPotential,简称GWP)全球变温潜势(GlobalTemperaturePotential,简称GTP)3.生命周期评价理论框架的4个阶段包含?目的和范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释是生命周期评价理论框架的4个阶段。4.系统边界按照评价分析范围、尺度、目标分别如何划分?以评价范围为界,将系统边界分为产业上游、建材生产、建筑建造、建筑运行、建筑处置,以及产业下游六个过程。以评价尺度为界,将系统边界分为建筑主体、建筑单体、建筑小区,以及建筑集群与城市四类尺度。以评价目标为界,将实际计算范围分为考虑全部因素、考虑主要因素,以及考虑有差异因素三个级别。5.碳排放计算方法有哪些?实测法、过程分析法、投入产出法、混合法6.碳排放因子可通过那些数据库查得?常用的LCA数据库包括联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)数据库、Ecoinvent、中国生命周期数据库(CLCD)、GaBi数据库等。现有生命周期数据库(表格来自25页表2-3现有生命周期数据库)国家数据库名称适用边界欧盟EuropeanPlatformonLifeCycleAssessment欧洲瑞典SPINECPMLCAdatabase世界丹麦EDIP丹麦LCAfood丹麦荷兰IVAMLCAData荷兰DutchInputOutput荷兰FranklinUSLCI美国瑞士Ecoinvent世界范围BUWAL250瑞士SwissAgriculturalLifeCycleAssessmentDatabase瑞士德国GermanNetworkonLifeCycleInventoryData德国泰国ThailandLCIDatabaseProject泰国中国CLCD中国ITRIDatabase中国台湾日本JapanNationalLCAProject日本澳大利亚AustralianLifeCycleInventoryDataProject澳大利亚加拿大CanadianRawMaterialsDatabase加拿大美国USLCIDatabaseProject美国第3章1.清单分析是LCA方法论中的重要一环,清单分析数据有几类?其取值一般有哪些?清单数据清单数据分为前景数据和背景数据,前景数据包含施工活动材料及能源的消耗量,来源于勘察设计资料、设计数据、技术手册或相关机构的统计数据等。背景数据则各类建材和能源的排放因子,可从IPCC、生命周期数据库、现有文献和规范中获取。2.模块化碳排放的来源主要考虑哪几个部分?同时用图像表示隧道施工碳排放的拆解模型。模块化碳排放的来源主要为上游材料生产、材料运输、材料采集与加工。隧道施工碳排放的拆解模型如下图所示:3.隧道施工碳排放的影响因素主要考虑哪几种?它们与施工碳排放水平的相关性从大到小如何排序?隧道施工碳排放的影响因素主要考虑开挖面积、围岩级别、埋深类型、材料总质量和围岩质量。施工碳排放水平的相关性从大到小排序为材料总质量、围岩级别、开挖面积、埋深类型、围岩质量。4.在考虑隧道衬砌设计参数对施工碳排放的影响作用时,主要研究了哪几种参数?主要研究了二衬厚度、喷射混凝土厚度、锚杆横向间距、锚杆纵向间距、单根系统锚杆长度、相邻两榀钢架纵向间距、钢架连接钢筋环向间距、金属网间距、Φ8钢筋单位长度重量、隧道内轮廓面积。第4章1.评估计算数据的不确定性的大致分析过程是什么?(1)对数据质量进行评估,即采用数据质量指标(DQI)方法。(2)获得数据质量信息后,开始为蒙特卡洛模拟进行准备。其中,获得输入数据的分布信息至关重要。(3)通过蒙特卡洛模拟可得到输出量的离散抽样值以及估计值,但对输出量的概率分布仍缺乏相关信息。这时,可利用重复的模拟和最大似然估计方法完成输出量的分布分析。2.请用图形表示单元工程量和衬砌施工二者碳排放的不确定性分析流程。单元工程量碳排放不确定性分析衬砌施工碳排放不确定性分析3.部分隧道施工工序具有巨大减排控碳的潜力,请描述这部分工序共有的特点,并至少写出4种具有较大减排潜力的隧道施工工序。共有的特点:在达到一定条件后,作用影响不是很大,会形成浪费。1)将喷射混凝土工程量下降值设定为10%(1-2cm),每延米碳排放均值下降0.123-0.551tCO2eq,相较于基准排放情景的下降比例为1.51-2.79%。2)配筋和混凝土工程量存在微妙平衡,当模筑混凝土厚度低于最优值时,为满足结构强度要求,衬砌配筋率上升导致钢筋用量增加,应当在模筑混凝土优化中得到重视。3)锚杆长度存在最优区间,当锚杆达到一定长度后,其对围岩扰动和变形控制作用增长微弱。根据情景SS04,通过优化锚杆长度、间距和布设范围,锚杆工程量下降15%,每延米碳排放均值下降0.053-0.621tCO2eq,相较于基准排放情景的下降比例为0.54-2.35%。4)通过优化钢架间距等方法,钢架工程量下降15%,每延米碳排放均值下降0-1.10tCO2eq,相较于基准排放情景的下降比例为0-3.75%。4.对隧道施工的碳排放追根溯源可以说就是由材料和能源的消耗而产生,请简述未来对材料和能源的减排方向是什么?开发生物质利用、氨能利用、废弃物循环利用、非含氟气体利用、能量回收利用等零碳原料/燃料替代技术。开发钢铁、化工、建材、石化、有色等重点行业的零碳工业流程再造技术。第5章1.隧道运营碳排放和隧道施工碳排放的最大不同点是什么?隧道运营过程中几乎没有涉及到建筑材料的使用,可以说隧道运营期碳排放的分析研究就是对汽油、柴油和电能三类能源消耗的分析研究。2.隧道运营期碳排放的计算范围可主要划分为哪几部分?各自的碳排放来源又是什么?1)移动源碳排放。由隧道内机动车辆燃烧汽油、柴油等化石能源排放出汽车尾气的过程。2)固定源碳排放。由隧道内照明、通风系统,灾害预警和监测系统等附属机电设施设备启停运转所需电能消耗的过程。3.怎样看待隧道安全运营和低碳运营二者的联系?要追求隧道低碳性就要追求机电设施的低碳化,即减少隧道内机电设施的使用。但同时,要保障隧道的安全性,又必须保证机电设施一定的使用量。因此,对隧道碳排放的低碳性和交通的安全性之间,需要相互平衡,将交通低碳性与安全性相结合,在保证隧道安全性的同时,追求低碳化,需要最高效地应用机电设施,研究两者之间的协调点。4.隧道碳排放清单分析的定义是什么?隧道生命周期碳排放的清单分析是指对隧道整个生命周期阶段中对内输入和对外输出过程的定量分析,量化整个过程中输入材料、能源的消耗,以及计算分析对外部环境产生的碳排放输出量。5.隧道运营期碳排放的影响因素主要有哪几类?具体内容又是什么?1)交通流量的影响。显而易见,隧道内行驶车流量的大小决定了燃料能源的消耗量,也直接影响了移动源的碳排放大小。2)车辆因素的影响。发动机的结构、排量、压缩比等特性均对汽车秏油量有重要影响。3)行驶状态因素的影响。油耗与驾驶员的行驶速度有着很重要的关系,从机械构造原理看汽车发动机转速和负荷会与汽车行驶速度有关,除此之外各种相关的阻力系数比如滚动阻力系数、空气阻力系数,以及其他方面比如车辆档位及机械效率等也与行驶速度有着很重要的关系4)道路等级。司机面对不同的平、纵曲线会进行不同的操作,司机在面对转弯半径过小,或纵坡过大时都要进行减速。5)机电设施运行方案。智能控制系统同是节能照明、通风技术的研究重点,智能照明、通风控制主要以隧道内车流量为输入自变量,通过一系列学习算法,提前预估下一时间点的车流量,并基于预测结果控制照明灯具和通风风机的启停运转。因此基于车流量,由智能系统对机电设施,如高压钠灯等照明灯具,射流风机等通风风机的控制方案是影响隧道运营期固定源碳排放大小的决定性因素。6.隧道运营碳排放的计算公式是什么?各参数含义是什么?公路隧道运营期的整体碳排放量可以通过以下公式计算: Gs=式中Gs1Gs2L——隧道的长度(m);QcEFc——c型车的单位碳排放因子(kgCO2Ud——隧道内d类机电设施单位小时消耗的电能(kw),Hd为设备运行时间(hEF——研究地区的电力碳排放系数(kgCO2/kw·h)第6章1.风仓式通风与传统风管式通风相比,优势体现在哪里?采用风仓式通风方法,可将风仓布设于隧道分岔处,仅设置一个或两个风仓进风口,便有效减少了送风风管数量。同时风管不会出现大角度弯折的情况,加之可以在风仓内设置隔板来调整内部风流场情况,局部阻力相较于风管式通风也大大降低。对于长距离通风,还可以在风仓内增设接力风机,保证通风系统拥有足够的压力将新鲜空气运送至施工掌子面。2.哪些参数会影响风仓的供风效率?Qaptotη——风机效率;t0t1p1风机环境压力会影响轴流风机的功率。风机的环境大气压越大,则轴流风机效率越高。3.在布设风机时,为什么随风机距隧道顶壁距离的增加,出口附近风速越来越大?随着风机距建筑限界顶部距离的增加,即风机安装高度的增加,出口射流受到隧道拱顶的限制,没有足够的扩展空间。高速气流冲击拱顶和隧道壁面摩擦阻力共同作用导致射流动能大量损失,射流无法推进,风机出口附近风速减小。风机距隧道顶壁距离越大,出口附近风速越大,风机升压力越大,升压综合影响系数越高。4.布设风机时,风机之间的纵向间距对通风效果有什么影响?随着风机纵向控制间距的增大,射流通风效果明显降低。5.布设风机时,风机之间的横向间距为什么不能过大?一般取多少最佳?风机组横向间距过大时,风机与隧道侧壁的距离接近,壁面摩擦阻力降低射流动能,射流不能会聚,隧道气流较难达到平稳,射流升压力减小。三车道公路隧道射流风机的横向间距为风机横断面直径的3~4倍时,射流风机升压效果好,此时风机距离变化对升压力的影响较小。第7章1.简述利用自然风进行节能通风设计流程。首先需要确定隧道及交通量参数和隧道全年自然风数据,前者包括需风量和隧道沿程阻力,后者包括满足一定保证率的自然风取值和不同时段的自然风数据;其次根据隧道沿程阻力与自然风取值确定通风阻力,根据不同时段的自然风数据确定不同时段下的自然风利用方法,由此制定全年风机控制策略;最后根据需风量、通风阻力和全年风机控制策略总体评估风机配置功率。2.查阅相关资料,试阐述并联风机中间隔墙对效率的影响。在并联风机系统中,如果风机之间没有适当的间隔墙,可能会导致气流分配不均,影响风机的效率和整个系统的风量调节。间隔墙或适当的空间可以减少风机之间的相互干扰,避免由于气流紊乱导致的效率降低。3.试比较高压钠灯与LED照明灯在隧道照明节能应用中的优缺点。优点:在隧道照明方面,高压钠灯与LED灯均具有显色性好、光效高等优点,而高压钠灯由于特性稳定,光通量维持率高,透雾性强等优点,适合在隧道照明特别是高山区等城市外的隧道中大量使用。缺点:高压钠灯输出光通量会随电压波动而变化,并且这个变化幅度非常大,由于高速公路隧道所在地段偏远,电网经常不稳定,造成线路的电压波动大大超过国际标准,许多地区的波动甚至超过额定电压的±4%~15%,特别是在夜晚的后半夜,由于用电负荷减少使得电网电压有时接近245V,致使隧道内高压钠灯灯泡的实际使用寿命大幅下降。4.简述隧道照明控制调控装置的种类及其节能优势。隧道照明控制调控装置共有4种,分别是可控硅斩波型照明节能装置、自藕降压式调控节能装置、太阳能照明节能装置和智能照明调控节能装置。①可控硅斩波型照明节能装置节能优势: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。②自藕降压式调控节能装置节能优势: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。③太阳能照明节能装置节能优势:可循环利用、无污染、无噪音、建设周期短、维护简单、寿命长等。④智能照明调控节能装置节能优势: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。5.查阅相关案例,试阐述新能源技术在隧道节能方面还有其他哪些应用除光伏应用技术、风电应用技术和风光互补应用技术以外,新能源技术在隧道节能方面还有地源热泵和空气源热泵技术和BIM技术等。第8章1.地下工程中可以利用的新能源类型只要有哪些?太阳能技术、风能技术、地热能技术。2.传统燃油汽车及机械设备排放污染物的类型主要有哪些?传统燃油汽车排放污染物的类型主要有:一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM);机械设备排放污染物的类型主要有二氧化硫(SO2)、HC、NOx、PM。3.目前我国道路源和非道路源污染物排放标准已经实行到第几标准?道路源污染物排放标准已经实行到国Ⅵ标准(其中汽油车、两轮和轻便摩托车、三轮摩托车为国Ⅳ标准,三轮汽车为国Ⅱ标准);非道路源污染物排放中非道路柴油移动机械已经实行国Ⅲ标准,非手持式小型汽油移动机械和手持式小型汽油移动机械已经实行国Ⅱ标准,船舶已经实行国Ⅰ标准。4.列举地下工程中利用太阳能几种形式及效益。1)直接照明:通过光学元件直接输送太阳光到需要照明的地方,如光纤传导技术和投射照明技术。2)光伏发电:将太阳能转化为电能,为隧道照明系统进行供电。3)太阳能薄膜光伏遮光棚:利用太阳能供电,实现隧道节能降碳,从长远角度来看,太阳能光伏遮光棚运营期间的费用远小于传统遮光棚,适应性也极强,顶部的太阳能薄膜能抵御暴雨、冰雹、暴风雪等恶劣灾害的袭击。4)太阳能烟囱系统:利用太阳能烟囱作为通风换气设备,借助太阳能加热系统内部的空气,使其上浮加速空气流程。5.目前现役矿井中热泵技术热源类型及技术手段有哪些?热源类型:浅层地热资源、水热型地热资源和干热岩三类。技术手段:水源热泵、地源热泵、空气源热泵、复合式热泵。6.地铁、交通隧道热泵系统类型及用途主要有哪些?类型:土壤源热泵、空气源热泵以及复合式热泵系统三种;用途:主要用于为周围建筑供暖/供冷、提供热水或用于寒区隧道洞口段的保温。第9章1.什么是深度学习?深度学习是利用人工神经网络,通过数据输入、权重、偏差来模仿人脑,在训练过程中从数据中学习特征信息,自适应地构建出基本规则,并用其进行各方面的预测或者分类。2.地下工程碳排放计算可分为哪两阶段?地下工程碳排放分为两阶段计算,一是建设阶段,二是运营阶段。第10章1.简述捕集技术的类型及其原理。CO2捕集技术包括燃烧前捕集技术、富氧燃烧技术和燃烧后捕集技术三种类型。原理:①燃烧前捕集技术:将煤高压富氧气化变成煤气,再经过水煤气的变化产生二氧化碳和氢气。②富氧燃烧技术:通过制氧技术,将空气中大比例的氮气脱除,直接用高浓度的氧气与烟气的混合气体来替代空气,这样得到的烟气中会有高浓度的二氧化碳气体,便于收集和储存。③燃烧后捕集技术:对燃料燃烧后产生的烟气进行CO2的分离回收。按照不同的分离方法可分为:吸收法、吸附法、低温分离法、膜分离法、矿物碳封存法。2.简述不同封存技术的优点以及缺点。封存技术主要分为地质封存、海洋封存和捕集封存与利用技术等。①地质封存地质封存一般是将超临界状态的CO2注入地质结构。CO2地质封存主要包括物理封存和化学封存两种基本机制。物理封存很容易受到地质构造,地应力状态,地下水动力特征及工程活动扰动等因素的制约,所以物理封存只是将CO2暂时储存在地下岩层中。而化学方式适用于长期封存CO2。但是,这种地球化学反应生成碳酸盐通常需要几百年甚至上千年,并且超临界CO2会破坏用于筑造限制井的混凝土材料进而发生泄漏。②海洋封存海洋封

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