楊 松

(浙江省交通運輸科學(xué)研究院，310006，杭州∥高級工程師)

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隧道照明的合同能源管理基準(zhǔn)能耗測算方法*

楊 松

(浙江省交通運輸科學(xué)研究院，310006，杭州∥高級工程師)

為了解決隧道照明合同能源管理節(jié)能改造項目標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、計算復(fù)雜及專業(yè)性強等問題,研究了基準(zhǔn)能耗測算方法,建立了基準(zhǔn)能耗確定模型。該模型在分析基準(zhǔn)能耗影響因素和對天氣情況作氣象分級的基礎(chǔ)上,采用數(shù)理統(tǒng)計方法及能耗監(jiān)測設(shè)備獲取的歷史數(shù)據(jù),統(tǒng)計不同的氣象分級天數(shù),計算不同天氣工況隧道基本段和加強段照明全設(shè)計功率日等效開燈時間的總體平均值、隧道加強段和基本段照明設(shè)計總功率,確定所需的基準(zhǔn)能耗值。案例分析及試驗結(jié)果表明，由該模型測算得的基準(zhǔn)能耗與實際按需開燈狀態(tài)下實際能耗值基本匹配,可為節(jié)能改造項目的節(jié)能量驗證、經(jīng)濟效益評定和支付方式制定提供較為科學(xué)的參考依據(jù)。

隧道照明; 合同能源管理; 基準(zhǔn)能耗; 測算方法

Author′s address Zhejiang Scientfic Research Institute of Transport,31006,Hangzhou,China

隧道照明改造是交通節(jié)能改造的重點領(lǐng)域。推行合同能源管理(EMC)的意義在于:一是利于促進節(jié)能減排,實行資源節(jié)約型和環(huán)境友好型隧道運行模式;二是利于通過市場機制,培育優(yōu)質(zhì)合同能源服務(wù)企業(yè)和節(jié)能產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè),促進交通節(jié)能減排工作的推進；三是利于緩解運營公司財政支付壓力,降低運行成本,更好地落實廉政建設(shè)[1]。

隧道照明節(jié)能改造EMC項目通常采用節(jié)能效益分享型模式,即在能源合同管理期內(nèi)合同雙方約定節(jié)能收益按比例分享。在此模式下,合同能源服務(wù)商不受節(jié)能量的限制,以現(xiàn)有的技術(shù)能力開展節(jié)能改造,在成本投入和節(jié)能效果之間謀求最大效益的平衡點,使更多節(jié)能服務(wù)公司能夠參與到節(jié)能改造項目中[2]。

在采用傳統(tǒng)隧道照明系統(tǒng)的前提下,隧道照明改造基準(zhǔn)能耗確定缺乏有效的理論依據(jù)和實際數(shù)據(jù)的支持,給EMC項目的前期評估帶來難度,容易造成業(yè)主和節(jié)能服務(wù)商的經(jīng)濟損失,在合同執(zhí)行期易產(chǎn)生糾紛[3]。隨著國家倡導(dǎo)在新建工程采用合同能源管理模式進行投資建設(shè),沒有歷史能耗參考的新建工程基準(zhǔn)能耗判定成為急需解決的現(xiàn)實問題。本文的基準(zhǔn)能耗的測算方法結(jié)合隧道天氣情況、洞外亮度、車流量等綜合因素考慮,基本反映了隧道照明系統(tǒng)“按需照明”的基礎(chǔ)能耗,不僅適用于傳統(tǒng)照明系統(tǒng),也適用于實行智能照明系統(tǒng)的基準(zhǔn)能耗測算。因此,制定規(guī)范的基準(zhǔn)能耗測算方法可使改造雙方都能評估工程的基礎(chǔ)能耗情況,對比分析實際使用電費的差距,最終確定雙方合同規(guī)定的基準(zhǔn)能耗。該測算方法對推動隧道照明EMC節(jié)能改造項目有重要的意義。

1 隧道照明EMC基準(zhǔn)能耗理論基礎(chǔ)

在隧道EMC項目中,實施節(jié)能措施所涉及的用能單位、設(shè)備、系統(tǒng)的范圍和地理位置界線稱為項目邊界;而用于比較和確定項目節(jié)能量的,節(jié)能措施實施前的時間段稱為基期。因此,隧道照明EMC項目的基準(zhǔn)能耗定義為:基期內(nèi)用能單位、設(shè)備、系統(tǒng)的能源消耗量[4]。

1.1 基準(zhǔn)能耗影響因素

經(jīng)前期調(diào)研分析,影響隧道照明基準(zhǔn)能耗的主要因素有:基期內(nèi)晴天、云天、陰天、重陰天的天數(shù)，過渡照明段占隧道總長的比,路面面層材質(zhì)，年均日平均車流量，設(shè)計車速等。其中,車道數(shù)、車流量、設(shè)計車速、隧道長度等變量只跟設(shè)計的燈具功率有關(guān),基本不影響等效開燈時間。

在我國隧道照明實際管理中,多應(yīng)用根據(jù)天氣分級的控制方法,但是這種控制方式存在一些弊端：JJG 026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的“重陰天”不屬于規(guī)范術(shù)語,氣象學(xué)中無此定義[5];在實際觀測時,一般人員無法根據(jù)氣象學(xué)的定義準(zhǔn)確判斷云天和多云天。根據(jù)這種天氣分級的控制方式使照明控制效果與隧道現(xiàn)場環(huán)境脫節(jié)。故依據(jù)實際情況擬將氣象分級規(guī)定為:①夏季晴天天數(shù);②非夏季晴天/夏季云天天數(shù);③非夏季云天/夏季陰天天數(shù);④非夏季陰天/重陰天天數(shù)。

經(jīng)用能單位與能源服務(wù)公司實際測算和深入探討,并在多個隧道照明節(jié)能改造中得到驗證,一致認(rèn)為上述氣象分級規(guī)定較為合理,并確定以此結(jié)合氣象分級的規(guī)定進行隧道照明基準(zhǔn)能耗測算方法的研究。

1.2 耗電數(shù)據(jù)收集方法

(1) 基于數(shù)理統(tǒng)計法統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)記錄。基于數(shù)理統(tǒng)計法[6],收集計算該隧道所在區(qū)域連續(xù)整年夏季晴天(A1)、非夏季晴天或夏季云天(A2)、非夏季云天/夏季陰天(A3)、非夏季陰天/重陰天(A4)4種天氣情況的天數(shù)。剔除特殊工況日(如隧道日常養(yǎng)護、檢修和施工等需特殊照明的狀況，發(fā)生交通事故、火災(zāi)以及擁堵等需緊急疏散救援的狀況)。計算4類不同天氣情況時的加強段照明日全功率等效開啟時間TB和基本段日照明全功率等效開啟時間TC。數(shù)據(jù)來源可取自當(dāng)?shù)貧庀蟛块T或有關(guān)管理部門上年或前數(shù)年的歷史資料。

(2) 短期能耗監(jiān)測設(shè)備獲取數(shù)據(jù)法。對于無歷史數(shù)據(jù)記錄的隧道,可通過加裝專用能耗監(jiān)測設(shè)備,對隧道的耗電數(shù)據(jù)作一個季度的連續(xù)監(jiān)測,剔除特殊工況日的耗電數(shù)據(jù),獲取該季度隧道照明的耗電量[7]。并將該季度的隧道總耗電量減去照明的耗電量,作為全年每季度其它用電設(shè)備的平均耗電量。用各季度的總耗電量減去其它用電設(shè)備的平均耗電量,可得各季度的隧道照明的耗電量。各個季度耗電量的和為年耗電量。

2 隧道照明EMC基準(zhǔn)能耗測算方法

隧道照明EMC節(jié)能改造的基準(zhǔn)能耗Eb可按式(1)計算,

(1)

式中:

Ai——該區(qū)域4種不同天氣情況年平均天數(shù)，d;

TBi——不同天氣工況隧道加強段照明全設(shè)計功率日等效開燈時間,h;

TC——不同天氣工況隧道基本段照明全設(shè)計功率日等效開燈時間,h;

Pth——隧道加強段照明設(shè)計總功率,kW;

Pin——隧道基本段照明設(shè)計總功率,kW。

2.1 隨機抽取樣本值,計算采樣平均值

將隨機采樣程序分別收集到的每種天氣日加強段耗電數(shù)據(jù)和日基本段耗電數(shù)據(jù)平均分成n組,并對每組數(shù)據(jù)取算術(shù)平均數(shù),則得到加強段和基本段日耗電數(shù)據(jù)樣本值Xi，i=1,2,…,n。

(2)

2.2 求采樣方差及標(biāo)準(zhǔn)差

采樣方差和采樣標(biāo)準(zhǔn)差都是衡量每種天氣的日耗電數(shù)據(jù)波動大小的量。采樣方差或采樣標(biāo)準(zhǔn)差越大,每種天氣的日耗電數(shù)據(jù)的波動就越大。方差和標(biāo)準(zhǔn)差是測算日耗電數(shù)據(jù)離散趨勢最重要、最常用的指標(biāo)。

每個日耗電數(shù)據(jù)樣本值與采樣平均值的日耗電數(shù)據(jù)采樣方差為:

(3)

2.3 求日耗電數(shù)據(jù)總體平均值

置信水平P是指總體日耗電數(shù)據(jù)值落在樣本統(tǒng)計值某一區(qū)內(nèi)的把握程度。置信區(qū)間是指在某一置信水平下,日耗電數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計值與總體日耗電數(shù)據(jù)值間誤差范圍。置信區(qū)間越大,置信水平越高。 依據(jù)采樣平均值中心極限理論,收集的有效采樣數(shù)據(jù)愈多,愈符合正態(tài)分布。

P為95%把握時的置信間隔為:

(4)

P為90%把握時的置信間隔為:

(5)

由式(4)得

(6)

由式(5)得

(7)

由此即可確定加強段照明日耗電數(shù)據(jù)總體平均值EμB及基本段照明日耗電數(shù)據(jù)總體平均值EμC。

2.4 求隧道照明全功率等效開燈時間

隧道照明全功率等效開燈時間根據(jù)其特點可分為加強段和基本段兩個部分。加強段照明全功率等效開燈時間

TBi=EμB/Pth

(8)

基本段照明全功率等效開燈時間

TC=EμC/Pin

(9)

2.5 基準(zhǔn)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

需獲取當(dāng)?shù)匾呀ㄋ淼莱Ｄ晁念惒煌鞖馇闆r的功耗數(shù)據(jù)[9],即可計算TB和TC。依據(jù)已采用的Pth和Pin,則可計算出待照明節(jié)能改造隧道的基準(zhǔn)能耗Eb。

3 案例分析

3.1 基準(zhǔn)能耗計算

以某隧道照明基準(zhǔn)能耗計算為例,對已收集到上半年連續(xù)73個加強段照明日耗電量值數(shù)據(jù)和73個基本段照明日耗電量值數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,只需要再計算高壓鈉燈等效開燈時間。用上述統(tǒng)計學(xué)原理計算四類不同天氣情況加強段照明全功率等效開啟時間TB和基本段照明全功率等效開啟時間TC的總體平均值[10]。

3.1.1 夏季晴天加強段照明

將15個夏季晴天加強段照明日耗電量值數(shù)據(jù)隨機分成3組(如表1所示),計算得相應(yīng)的樣本值,進而可得采樣平均值為236.03 kWh,采樣標(biāo)準(zhǔn)差為17.26 kWh,當(dāng)P=95%時的置信間隔區(qū)間為(231.33,240.73),加強段高壓鈉燈的總功率為53.7 kW,從而得到夏季晴天加強段照明全設(shè)計功率日等效開啟時間TB1=4.395 3 h。

表1 夏季晴天加強段照明日耗電量值數(shù)據(jù)及相應(yīng)計算值 KW/h

3.1.2 非夏季晴天/夏季云天加強段

將28個非夏季晴天/夏季云天加強段照明日耗電量值數(shù)據(jù)隨機抽樣分成4組(如表2所示),計算得相應(yīng)的樣本值，進而可得采樣平均值為159.53 kWh,采樣標(biāo)準(zhǔn)差為5.58 kWh,當(dāng)P=95%時的置信間隔區(qū)間為(157.213,161.84);加強段高壓鈉燈的總功率為53.7 kW,從而得到非夏季晴天/夏季云天的加強段照明全設(shè)計功率日等效開燈時間TB2=2.91 h。

3.1.3 非夏季云天/夏季陰天加強段

同理,將20個非夏季云天/夏季陰天加強段照明日耗電量值數(shù)據(jù)隨機分成4組,經(jīng)計算可得，當(dāng)P=95%時的置信間隔區(qū)間為(116.722,120.45),相應(yīng)的TB3=2.21 h。

3.1.4 非夏季陰天/重陰天加強段

同理,將10個非夏季陰天/重陰天加強段照明

表2 非夏季云天/夏季云天加強段照明日耗電量值

日耗電量值數(shù)據(jù)經(jīng)隨機分成2組,經(jīng)計算可得當(dāng)P=95%時的置信間隔區(qū)間為(87.8226,97.517)，相應(yīng)的TB4=1.73 h。

3.1.5 基本段

同理,將73個基本段照明日耗電量值數(shù)據(jù)隨機分成6組,經(jīng)計算可得,當(dāng)P=95%時的置信間隔區(qū)間為(620.595,628.59);由基本段高壓鈉燈的總功率為32.97 kW,得TC=618.94 h。

3.2 實際能耗與基準(zhǔn)能耗測算值偏差分析

根據(jù)對某工程多個隧道的測量數(shù)據(jù),可計算得出不同長度隧道照明EMC節(jié)能改造的基準(zhǔn)能耗及節(jié)能率(單洞)(見表3)。雙洞的基準(zhǔn)能耗值一般為單洞的2倍。有了節(jié)能前后基準(zhǔn)能耗及節(jié)能率的計算結(jié)果，即可使隧道照明EMC節(jié)能改造項目雙方對該項目的經(jīng)濟效益及節(jié)能效率有所了解，并為后續(xù)推動EMC項目實施提供依據(jù)。

表3 不同長度的隧道改造前后基準(zhǔn)能耗值及節(jié)能率(單洞)

根據(jù)現(xiàn)場測試隧道能耗數(shù)據(jù),某工程4個隧道(單洞)鈉燈全年實際電費與基準(zhǔn)能耗計算值比較,如表4所示。

表4 某工程實際電費與基準(zhǔn)能耗計算值對比

從表4可以看出，鈉燈按新規(guī)范且需開燈狀態(tài)下的實際能耗與本文研究的基準(zhǔn)能耗理論值是基本匹配的,其中差別是由于開燈引起。建議隧道照明改造盡量采用智能控制系統(tǒng)以減少人工干預(yù)。

4 結(jié)語

本文研究基準(zhǔn)能耗的影響因素,并根據(jù)實際的天氣影響情況制定氣象分級。經(jīng)與用能企業(yè)與能源服務(wù)公司實際測算和深入探討,并在多個隧道照明節(jié)能改造中得到驗證,一致認(rèn)為本氣象分級規(guī)定合理[11]。隧道照明EMC基準(zhǔn)能耗測算方法的研究,解決了隧道節(jié)能改造項目標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、計算復(fù)雜、專業(yè)性強等問題?；鶞?zhǔn)能耗測算的模型為隧道節(jié)能改造項目的經(jīng)濟效益評定和支付提供了參考依據(jù),使隧道照明EMC方式節(jié)能改造的節(jié)能量驗證有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。這解決了一直困擾隧道照明EMC節(jié)能改造的基礎(chǔ)性問題,使EMC雙方都能在公平公正的基礎(chǔ)上開展節(jié)能改造,對推動交通EMC模式節(jié)能改造和加快節(jié)能改造步伐起到積極作用。

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Benchmark Energy Consumption Calculation Method for Energy Management Contract of Tunnel Lighting

YANG Song

The calculating method for energy consumption is studied and a benchmark energy consumption model is established, to resolve problems of various standards, complex and strong professional computation in tunnel lighting energy saving renovation projects. Bases on an analysis of the influencing factors over energy consumption and the classification of climate conditions, this model uses mathematical statistics and the the historical data acquired from energy consumption monitoring equipment, to collect the meteorological classification days, calculate the population mean of the opening equivalent time of full-designed power days and the total power of lighting design in both the basic and the strengthened segments of tunnel, in order to determine the values of energy consumption standards. Case studies and experimental results demonstrate that the value of energy consumption standard calculated by this model has basically matched the actual value of energy consumption in opening lighting, providing more scientific references for the energy saving corroboration of the renovation projects, the evaluation of economic benefit and the formulation of payment model.

tunnel lighting; energy management contract (EMC); benchmark energy consumption; caculation methord

*浙江省科技計劃項目(2016F50050)

TK 011:U 453.7

10.16037/j.1007-869x.2016.09.007

2016-03-19)