地下工程低碳理論與應(yīng)用 課件 -第1章 緒論

西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院地下工程系本科生課程《隧道工程》2025年1月2日西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院地下工程系第8章地下工程新能源利用技術(shù)本章內(nèi)容提要本章教學(xué)目標(biāo)：了解新能源機(jī)械對地下工程施工和運(yùn)營的影響掌握各類新能源技術(shù)的應(yīng)用場景及技術(shù)手段地下工程建設(shè)期新能源利用1其他能源技術(shù)利用技術(shù)利用案例地下工程運(yùn)營期新能源利用本章內(nèi)容提要本章小結(jié)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(jī)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(shè)期新能源利用1地下工程建設(shè)期新能源利用一1.1政策導(dǎo)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(hào)提出了智能、綠色和裝配式建造的指導(dǎo)意見；2021年政府工作報(bào)告中將“做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)工作”列為重點(diǎn)任務(wù)；“十四五”規(guī)劃：加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展。2022年世界經(jīng)濟(jì)論壇國家主席習(xí)近平提到“實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(jìn)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(jì)社會(huì)平穩(wěn)發(fā)展”。地下工程建設(shè)期新能源利用一1.2現(xiàn)狀分析2021年，非道路移動(dòng)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(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶、鐵路內(nèi)燃機(jī)車、飛機(jī)排放的HC分別占非道路移動(dòng)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(dòng)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(dòng)源排放總量的32.1%、39.3%、25.6%、2.1%、0.9%。工程機(jī)械HC排放量構(gòu)成工程機(jī)械NOx排放量構(gòu)成工程機(jī)械PM排放量構(gòu)成地下工程建設(shè)期新能源利用一1.2現(xiàn)狀分析機(jī)械類型HC（萬噸）NOx（萬噸）PM（萬噸）挖掘機(jī)4.252.23.9推土機(jī)0.32.00.1裝載機(jī)5.060.42.7叉車1.119.50.7壓路機(jī)0.57.90.02攤鋪機(jī)0.20.80.1平地機(jī)0.11.10.02地下工程建設(shè)期新能源利用一1.3發(fā)展?fàn)顩r針對這些新生產(chǎn)的工程機(jī)械的排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施進(jìn)度也在不斷更新交通運(yùn)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(gòu)建市場導(dǎo)向的綠色技術(shù)創(chuàng)新體系，支持工程機(jī)械新能源裝備和設(shè)施設(shè)備等應(yīng)用研究。地下工程建設(shè)期新能源利用一1.3發(fā)展?fàn)顩r中國工程機(jī)械的數(shù)量在不斷增長，其中電動(dòng)工程機(jī)械不斷推進(jìn)著工程機(jī)械行業(yè)電氣化的進(jìn)程。預(yù)計(jì)到2025年底，電動(dòng)工程機(jī)械的銷量將達(dá)60萬輛。地下工程建設(shè)期新能源利用一1.3發(fā)展?fàn)顩r地下工程運(yùn)營期新能源利用2地下工程運(yùn)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(dǎo)致汽車排出一些有毒有害的化學(xué)物質(zhì)如一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）。為保障隧道的運(yùn)營安全和隧道內(nèi)人員的健康，在整個(gè)運(yùn)營期內(nèi)需設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)降低污染物的濃度。以燃油機(jī)動(dòng)車為例，隨著機(jī)動(dòng)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(yùn)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(dòng)汽車(BatteryElectricVehicle)、混合動(dòng)力汽車(HybridElectricVehicle)、插電式混合動(dòng)力汽車(Plug-inHybridElectricVehicle)、增程式電動(dòng)汽車(RangeExtendedElectricVehicle)、燃料電池電動(dòng)車(FuelCellElectricVehicle)等。其中，純電動(dòng)汽車保有量占中國新能源汽車保有量的75%-80%。地下工程運(yùn)營期新能源利用二2.1現(xiàn)狀分析目前，我國純電動(dòng)汽車的車型以客車和小微型貨車為主，中型和重型純電動(dòng)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(yùn)營期新能源利用二2.1現(xiàn)狀分析截至2021年底，全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.953億輛；汽車保有量達(dá)3.02億輛，同比增長7.5%；全國新能源汽車保有量達(dá)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(dòng)汽車保有量640萬輛，占新能源汽車總量的81.6%。地下工程運(yùn)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?jǐn)偮实叵鹿こ踢\(yùn)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?xì)廛嘋O、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(yùn)營期新能源利用二2.2標(biāo)準(zhǔn)升級我國新生產(chǎn)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理范圍包括輕型汽車、重型汽車、車用發(fā)動(dòng)機(jī)、摩托車、輕便摩托車和三輪汽車等，其排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新。地下工程運(yùn)營期新能源利用二2.3排放處理技術(shù)機(jī)內(nèi)技術(shù)機(jī)內(nèi)技術(shù)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(qiáng)制通風(fēng)（PCV）等技術(shù)。與2012年相比，2021年新銷售輕型客車渦輪增壓與機(jī)械增壓技術(shù)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(shù)后處理技術(shù)包括三元催化轉(zhuǎn)化（TWC）、汽油機(jī)顆粒捕集（GPF）、車載加油油氣回收(ORVR)等技術(shù)。2021年新銷售輕型客車使用TWC、ORVR技術(shù)達(dá)到100%，GPF技術(shù)達(dá)到60%。其他能源技術(shù)利用3其他能源技術(shù)利用三3.1太陽能技術(shù)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(xué)元件直接輸送太陽光到需要照明的地方，如光纖傳導(dǎo)技術(shù)和投射照明技術(shù)，光伏發(fā)電將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行供電。公路隧道洞口減光技術(shù)——太陽能薄膜光伏遮光棚公路隧道洞口減光技術(shù)是通過不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行遮光，適當(dāng)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(shè)備運(yùn)行，同時(shí)還可以作為隧道洞口的景觀設(shè)施。其他能源技術(shù)利用三3.1太陽能技術(shù)太陽能薄膜光伏遮光棚利用太陽能供電，滿足隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行需求，實(shí)現(xiàn)隧道節(jié)能降碳；其結(jié)構(gòu)簡單，容易搭建，對地形的要求低；適應(yīng)性極強(qiáng)，頂部的太陽能薄膜能抵御暴雨、冰雹、暴風(fēng)雪等惡劣災(zāi)害的襲擊。太陽能光伏遮光棚初期投入可能會(huì)比傳統(tǒng)遮光棚大，但從長遠(yuǎn)角度來看，太陽能光伏遮光棚運(yùn)營期間費(fèi)用遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)遮光棚。其他能源技術(shù)利用三3.1太陽能技術(shù)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(fēng)口上方布設(shè)太陽能接收器，直接加熱使得太陽能風(fēng)泵系統(tǒng)內(nèi)部因受熱而形成空氣的上升動(dòng)能，煙囪用來排出或收集空氣。太陽能煙囪系統(tǒng)主要應(yīng)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(fēng)能力，達(dá)到公路隧道的高效節(jié)能、減排目的。其他能源技術(shù)利用三3.2風(fēng)能技術(shù)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(fēng)能就是一種綠色能源，目前被廣泛地應(yīng)用在風(fēng)力資源豐富的野外。在公路建設(shè)中有大量隧道，車輛經(jīng)過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生活塞風(fēng)。可利用隧道風(fēng)能發(fā)電以節(jié)約隧道照明的用電量。其他能源技術(shù)利用三3.3地?zé)崮芗夹g(shù)截至2020年底，全世界地?zé)嶂苯永玫目傃b機(jī)容量為107.7GW，是地?zé)崮馨l(fā)電裝機(jī)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?zé)崮苣昀昧恳逊栋l(fā)展，充分說明了地?zé)崮茉诳稍偕茉蠢弥械闹匾匚弧?995-2020年地?zé)嶂苯永玫难b機(jī)容量和年利用量其他能源技術(shù)利用三3.3地?zé)崮芗夹g(shù)目前，世界已開發(fā)利用的地?zé)崽镏饕植荚诟邷氐責(zé)釒?，其發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2020年世界地?zé)岚l(fā)電達(dá)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?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量超過1GW的國家有7個(gè)，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(shù)利用三3.3地?zé)崮芗夹g(shù)我國淺層地?zé)崂帽椴贾袞|部地區(qū)，重點(diǎn)分布于華北和長江中下游地區(qū)。根據(jù)國家地?zé)崮苤行膱?bào)道，截至2019年底，我國重點(diǎn)城市淺層地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┙ㄖ娣e約6.65億平方米。北京世界園藝博覽會(huì)、北京城市副中心辦公區(qū)、北京大興國際機(jī)場、江蘇南京江北新區(qū)等項(xiàng)目充分利用了重大淺層地?zé)崮?。其他能源技術(shù)利用三3.3地?zé)崮芗夹g(shù)目前的熱泵技術(shù)多以巷道乏風(fēng)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(jié)合的復(fù)合深井熱害控制系統(tǒng)正在試驗(yàn)研究階段。1）礦井乏風(fēng)余熱利用礦井乏風(fēng)余熱利用技術(shù)主要有以下三種：“噴淋式取熱+水源熱泵”技術(shù)、“取熱與分體熱泵”技術(shù)、“深焓取熱”與“高溫及大溫差供熱”技術(shù)；2）井下涌水余熱利用其他能源技術(shù)利用三3.3地?zé)崮芗夹g(shù)3）利用地源熱泵技術(shù)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度利用地?zé)崮苓M(jìn)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?zé)崴?，將礦井下溫度較高的地?zé)崴ㄟ^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?zé)峤粨Q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(shù)利用三3.3地?zé)崮芗夹g(shù)4）利用地?zé)岚l(fā)電利用地?zé)岚l(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(jìn)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(dòng)汽輪機(jī)機(jī)組發(fā)電。技術(shù)應(yīng)用案例4隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應(yīng)用技術(shù)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(shè)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(shè)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(shè)置透光率15%的光伏組件遮光棚，在第三段長度約26m范圍設(shè)置透光率40%的光伏組件遮光棚。應(yīng)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(yīng)用技術(shù)預(yù)計(jì)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(yù)計(jì)裝機(jī)量約46.992kW。建成后的遮光棚可相應(yīng)減少入口段加強(qiáng)照明的長度，光伏發(fā)電可為隧道內(nèi)入口加強(qiáng)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(shè)儲(chǔ)能蓄電池?？紤]到夜間行車安全，擬在遮光棚內(nèi)設(shè)置基本照明燈具，相關(guān)照明用電與隧道內(nèi)基本照明共用供電回路。應(yīng)用案例一：隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用效果：1）改善行車條件；2）節(jié)能降碳；3）降低運(yùn)營成本。發(fā)電部分：按照預(yù)計(jì)裝機(jī)功率為47kW，按每天平均5h的等效峰值受光時(shí)間，每年大約可發(fā)電7.46萬kW·h，按1kW·h/元的價(jià)格計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)大約7.46萬元。降低隧道燈具安裝功率：按照1km單洞隧道入口段1加強(qiáng)22.68kW計(jì)算，若采用遮光棚技術(shù)，可省去燈具安裝費(fèi)用約45萬元。降低入口段1加強(qiáng)運(yùn)營電費(fèi)。入口段1加強(qiáng)照明22.68kW，每年耗電量約為4.14萬kW·h，按1kW·h/元的價(jià)格計(jì)算，每年需電費(fèi)4.14萬元。4）延長路面使用壽命。應(yīng)用案例一：隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應(yīng)用技術(shù)在已建成的太陽能煙囪通風(fēng)系統(tǒng)的豎井口處安裝氣象自動(dòng)檢測裝置，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，通風(fēng)系統(tǒng)可以在豎井口處產(chǎn)生風(fēng)速，全年豎井口處的風(fēng)速在0.5～2m/s，可以提供5～10m3/s的風(fēng)量，說明通風(fēng)系統(tǒng)可以補(bǔ)充隧道機(jī)械通風(fēng)。隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應(yīng)用技術(shù)陜西省咸旬高速雷家坡一號(hào)隧道，位于黃土高原南緣，建成的太陽能煙囪自然通風(fēng)系統(tǒng)如圖所示，自然通風(fēng)系統(tǒng)包括三部分:豎井、集熱棚和煙囪。設(shè)置3個(gè)豎井，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)通風(fēng)，豎井孔徑均為60cm；設(shè)置19根長度90m的集熱管，以及長10m、寬8m、厚30cm的聚光墻。應(yīng)用案例二：太陽能煙囪系統(tǒng)隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.1太陽能應(yīng)用技術(shù)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(fēng)口上方布設(shè)太陽能接收器，直接加熱使得太陽能風(fēng)泵系統(tǒng)內(nèi)部因受熱而形成空氣的上升動(dòng)能，煙囪用來排出或收集空氣。應(yīng)用案例二：太陽能煙囪系統(tǒng)主要應(yīng)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(fēng)能力，達(dá)到公路隧道的高效節(jié)能、減排目的。隧道工程的前景與發(fā)展趨勢四4.2風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)年嘉湖隧道位于湖南省長沙市開福區(qū)境內(nèi)，全長約1400m，高4.5m，車道寬7.25m，單洞寬度10.35m，車流量一直較大，車輛大多以家庭小轎車為主。平均車速60km/h的車輛在隧道內(nèi)產(chǎn)生明顯的活塞風(fēng)。應(yīng)用案例一：年嘉湖隧道通過預(yù)測發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的電能能驅(qū)動(dòng)額定功率為10W的LED燈在額定工作環(huán)境下24h照明的數(shù)量為