面向低碳经济城市地下空间/轨交地铁的节能减排与环保问题

孙 钧

(1.同济大学隧道与地下工程研究所，上海 200092;2.上海市城建集团院士工作研究室，上海 200122)

0 引言

地下建筑业(含功能各异的隧道、轨交地铁与城市地下空间)的节能减排和环保问题是面向低碳经济的重要方面，在该领域应该可以有所作为。地铁是城市用电大户，昼夜运行的电气列车，地下车站通风、照明、空调、取暖和其他各种耗电设备与设施等，在节电、排污方面都有很大的效益空间。众所周知，在地面交通中，汽车尾气排放是城市空气的重要污染源，交通拥堵而汽车不熄火时，其CO2和CO的排放量就更甚;改用轨交地铁电气列车后，地面交通的排污情况可在很大程度上得到改善。怎样实现隧道和地铁在低碳经济社会中的节能?其中，有条件地逐步开发太阳能光伏发电、采用太阳光光纤导入照明系统的室内人工生态光源以及进一步推广智能型LED节能照明灯具等都是重要方面。其在城市地下空间(如上海虹桥综合交通枢纽)和公路与城市隧道(如崇明长江隧道)与其他处的成功范例将在文中后续介绍。

从目前建设力度十分迅猛的我国城市地下空间/轨道交通的发展看，采用低碳经济的发展策略，将具有十分重大的意义。建立节能型的地下空间，是一项争取逐步实现的远大目标;而在初期，则需要投入一定的节能、减排资金以开发低碳经济所需的各项新技术。要求从根本上实现能源体系的转型，解决好传统的自然能源资源(煤炭、石油)短缺的问题，大力降低地铁车站内大客流温室气体排放量，改变地下环境高污染的现状，促进节能、环保型地下空间在生态环境综合平衡制约条件下一种新的发展模式——低碳生态的隧道、地铁与地下空间建设，实现城市经济的可持续发展，应该早日提上议事日程。

1 地下空间的节能减排与环保问题

城市地下空间和轨交地铁/公路隧道的节能减排与环保问题已日益受到业界和广大民众的关注。

地下空间具有天然的低碳排放条件，在地下交通节能以及新能源利用等方面都较地面设施和地上建筑物更具独特优势。地下空间/轨道交通比地面建筑物和地上交通更为低碳，其主要效应在于:

1)降低建筑能耗——地下空间自身所独具的基本恒温和恒湿特点产生的节能低碳效应。

2)降低交通能耗——一方面，地铁载客量大，且运行速度快、耗时少、排污小，因搭乘轨道交通代替地面交通而产生的低碳效应;另一方面，通行地铁电气列车因缓解地面道路交通拥堵、节约油耗而产生的低碳效应。

3)新型节能照明——推广智能型LED新型诱导式节能灯具及其他。

4)新能源利用——在各类地下空间内争取利用太阳能或视条件利用风能、地热等可再生能源，代替化石燃料以减少碳排放。

5)碳汇新技术的应用——在地下利用吸碳装置汇碳。

当前，上述的4)项和5)项亟待进一步实施推广。

本文简要介绍以下几个问题:

1)积极稳妥而有步骤地视条件逐步开发太阳能光伏发电;

2)努力推广智能型LED节能灯具和其他新型照明光源;

3)其他有关的节能、环保问题;

4)几项有关的新技术的研究和开发。

2 光伏发电技术的开发和应用

2.1 建议

作为试点工程，可否先选择地铁车站1～2处，在其附近的广大绿地内各类地下建筑物的上方及其出入口外侧(或透光玻璃天棚的上方)以及地铁车站内设置有“天窗”的地段，铺放太阳能电池板，最好能建立供该地铁车站和相邻区间专用的小型光伏电网。在取得成效的前提下，日后再争取并入城市大电网，使太阳能光伏发电系统(见图1)能应用于整个地下空间。其装机容量应当可以部分甚至全部满足地下空间内部照明，甚至部分设备的供电量需求;与现用的火电相比，其预期的有效年减排量和节约的标煤或燃油量应当十分可观。

图1 2011年国际太阳能产业及光伏工程展览会上展出的自动跟踪式太阳能光伏发电设备Fig.1 Automatic-following solar energy power generating device

2.2 我国光伏太阳能发现技术的应用现状

目前，我国生产的光伏太阳能电池板组件，已占全球的55%，名列世界前茅，但国内已享用的太阳能“绿电”却不到5% 。我国太阳能光伏发电的装机容量只合400MW，仅极少数已上输至大电网(均属政府示范工程，见图2)。为此，除“绿电”的上网电价需早日制定外，各项政策细节均亟待明确到位，以激活“屋顶发电”，特别是对光照充足的我国内地广大地区更是如此。

图2 正在建设中的国家“金太阳”工程示范项目——江西省新余市瑞晶太阳能光伏电站Fig.2 Ruijing solar energy power generating station in Xinyu City，Jiangxi Province

2.3 当前我国太阳能光伏产业发展的一些“瓶颈”

1)尚停留在个别单位/家庭“自产自销”阶段，家庭太阳能还多只是供应热水器用电，总体利用率极低，且普遍存在与城市建设、建筑景观不协调以及在承重、防风和防雷等方面的不少安全隐患。

2)向城市大电网并网送电，在“开通”和“卖电”问题上还存在诸多困难。

3)太阳能“绿电”上网难以定价，现用的电表也不能识别太阳能“来电”，即使“绿电”上网依然被收电费，诸多问题均亟待解决。

本来，自家用电不花钱，富余的太阳电能还能“逆”向发电上网，获得收益，况且国家鼓励、支持(对新能源上网发电，我国政府规定电力部门有义务收购“绿电”)，却由于单相电表只能记录用户用电量，“逆”向上网发电，电表不能识别。此事议论已多年，却一直难以落实实施。

2.4 在可再生太阳能源的进一步开发和利用方面的建议

1)如能通过在城市的超高层建筑(高度超过100 m)的近1 000栋和一般高层建筑近20 000栋大楼的楼顶、光伏玻璃幕墙和不设窗、门与阳台的外墙面(北向墙除外)(除大楼自用电量外，尚多有富余)，以及许多居民小区住宅的屋面(以居民自家用电为主)，广大城市绿地、各类地下空间上方“天窗”的以上部分，甚至利用地铁车站出入口的上方，铺设太阳能电池板，构筑小型光伏发电系统，并逐步建成光伏专用电网，再争取并入城市大电网，以供给地铁的全部照明需要，有条件时还可兼顾部分地铁车辆等各种耗电设施的配电。

2)日后，如能将大电站电网与太阳能光伏并网发电，将电站与太阳能用户联系为整体，则更是一种理想的前景。

2.5 国内外可借鉴的经验

2.5.1 欧洲首座太阳能铁路隧道

欧洲首座太阳能铁路隧道在比利时投入运营，该隧道属巴黎—荷兰阿姆斯特丹高铁的一部分，长约3.2 km，已于2011年6月第1列“绿色火车”经过比利时区段开始启用。火车运行所需电力全部由16000块太阳能电池板提供，电池板设置在隧道越岭的山体表面。

2.5.2 无锡建成的全球最大光伏低能耗大楼

全球最大光伏低能耗大楼近日在无锡市建成，其有益经验［1］应该可供借鉴:

1)该大楼是全球最大(总面积约1.8万m2)的光伏低能耗生态建筑，首次将“低能耗、功能型、生态化”的概念引入建筑领域。整个办公大楼使用光伏玻璃幕墙等太阳能光伏建筑一体化材料，通过光电效应将太阳能转换为电能，直接为大楼提供绿色环保的太阳能电力。

2)整个工程设计容量为1 MW，预计全年发电量将超过100万kWh。这一生态建筑的建成，展示了太阳能科技与现代建筑的完美融合。从主动节能的角度看，整个建筑现按最低使用寿命70a计算，共计可产生电量3 892万kWh，预计每年可替代标准煤338 t，CO2减排605 t，70 a共可替代标准煤23 660 t，主动节能效果十分显著，对推广绿色能源、缓解城市峰电压力起到很好的示范作用。

3)该大楼采用了光伏建筑一体化(BIPV)系统，除能保证自身建筑用电外，还可向电网供电，从而缓解高峰时城市的用电压力。由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等室外围护结构上，将吸收的太阳能转化为电能，一方面有效降低了室外屋顶和墙面的热照温度，减少了墙体蓄热和室内空调冷负荷，既节省了能源，又保证了室内的空气质量;此外，还避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，对于节能、减排和环保都十分有利。

4)该大楼在设计中还采用了地热采集、空气热泵、水源收集与循环利用等先进技术，其潜在的节能效果非常显著。

上述成果对在城市地下空间仿用方面可提供有益的参考。

3 上海市虹桥综合交通枢纽的绿色策略与节能技术

1)虹桥交通枢纽开通运营已近2 a，它是地面、地下空间(地下部分共合50万m2，东西向长2 km，南北最宽处600 m，开挖深度8～29 m不等，属国内特大型城市地下空间之一)的有机结合，集航空、铁道(含城际铁路、动车、高铁)、长途客运、市内公交、轨交地铁和磁悬浮等多种换乘方式于一体，见图3。这一现代化的综合交通枢纽对“长三角城市圈”(2～3 h内可到达)的整合与发展将产生深远的影响［2］。

图3 上海城市发展新地标——虹桥综合交通枢纽Fig.3 Hongqiao transit center

2)在绿色环保和节能减排方面，该交通枢纽已实施了以下主要内容:①对全年度交通枢纽整体的能耗分析与节能措施作了统筹安排;②充分利用自然通风和自然采光;③给排水系统的节水、节能，含高效率冷水机组、空调水系统温差调控、水泵变频、冷冻水直供、太阳能生活热水系统等;④电气设备和供配电设施的节能减排;⑤地上、地下照明配电密度自动调控;⑥节能材料与材料资源的有效利用。

3)在经济、社会效益和创新性方面:①实现了以上各配套设施资源的集约化利用，提高了枢纽建设和运营的经济性和适用性;②较传统的习惯做法，与国家节能标准相比，达到了总体节能约65%(以西航站楼为例)的水平;③单就采用的空调冷水“直供系统”(以西航站楼为例)而言，与常规技术手段(“板交系统”)相比，减少了运行能耗约62.45万kWh/a，系统综合节能率达3.1%;④减少建筑能耗，强化了地面/地下空间的人性化设计，体现了建筑生态化的先进理念。

以上各项研究成果，正在推广应用于浦东国际机场三期工程——卫星厅(约40万m2)的建设，为该工程的建设提供了第一手的技术支持;且为进一步探求解决高能耗的症结，深化节能环保和低碳、减排措施制定了理论依据。

4 隧道与城市地下空间/轨交地铁的智能型LED光源照明及其节能环保技术

4.1 国内公路隧道和上海市崇明长江隧道的一些成功做法

在地下空间内采用绿色、高效、环保以及耐久性能好、使用寿命长的LED光源代替传统的直管荧光灯和高压钠灯，并对洞内照度作现场总线网络的无级自动调光控制，其应用前景良好。在崇明长江隧道采用这项新技术初步估算每年可节电近50%，经济效益和节能减排、环保各方面效果也都显著。

1)新型节能环保型照明——崇明长江隧道 LED调光可控照明技术的推广采用。隧道和地铁内24 h全天候照明，用电负荷大，节能潜力巨大。经研究认为，局部或全部改用上述节能环保型LED诱导光源照明是可行的。

2)在我国公路隧道建设中，基于天气分级以及按洞外亮度、交通流量和车速等为参数的照明控制模式在不断进步。其他如洞内装饰面发光涂料的改进和隧道节能型供配电系统等，也都已有启动，前景喜人，其隧道照明节能环保效果十分良好［3］。

3)近年来的实践证明，采用LED照明的主要效益反映在:地下空间照明效果优良，照度和光均匀度均可达到使用要求;照明灯具可保证3万h的使用寿命;照明节电(与传统灯具比较)30%以上;人员对视觉感受和舒适性的反映均满意。

4)一般隧道的用电负荷能耗约占隧道总能耗的40% ～50%，而采用LED光源照明，则可节能30% ～40%，因此，是大有作为的。

4.2 LED节能灯具应用、开发中存在的问题

1)目前在LED应用中仍存在光衰大、结温高、灯具结构不尽合理、照明均匀性不足、驱动电源的寿命质量不稳定等问题，有待进一步解决，对灯具的各项技术要求亦待制定，以改进和完善节约隧道照明耗能的效果。

2)目前，我国的LED照明产业取得了前所未有的发展——从大功率LED芯片技术的研发突破到10亿颗LED芯片点亮上海世博会的实际应用，从资本热捧到政策给力，LED产业的繁荣已初步显现。然而，在道、桥、隧各个照明领域，已投入使用的LED照明产品还存在一些制约其未来发展的亟待解决的问题。

3)自2009年始，我国政府加大了对LED道路照明的扶持和推广力度，并在21个经济较发达城市推行应用试点。然而，一些新安装的LED灯具在产品质量和照明效果方面，存在如道路照明亮度不够、眩光大且刺眼、产品使用一段时间后出现比较严重的光衰或根本不亮的现象。业内专家指出其症结在于“在发展上急功近利，对节能路灯的理解存在误区，过于单纯和片面地追求系统光效的技术升级，而忽略了产品应用环境的制约”。

4.3 针对这些问题采取的措施

1)为生产符合节能标准的LED灯具，国内飞利浦公司率先提出“以采用满足道路照明应用标准的功率密度(LPD)值来衡量LED灯具产品的照明效果和节能效果;系统光效只能是产品评价指标之一，不能全面衡量照明效果和节能效果的优劣。正确的评价标准首先是要满足道路照明设计标准，节能也必须以满足这一标准为前提，同时兼顾人们的视觉需求。”

2)近年来推出了一系列LED道路照明新产品。以飞利浦最新的Green vision LED系列为例，该产品以可实现照明功率密度值(LPD，W/m2)作为衡量指标，拥有4种系统光效以及专为我国道路条件设计的光学系统，不仅能通过足够的亮度和照度来保证行车安全，还能以合适的色温带给人们舒适和安全的照明感受，使节能效果和用户评价达到优化。

3)目前，据不完全统计，我国主要城市道路已拥有超过1 700万盏路灯，未来LED道路照明的市场潜力十分巨大。我国“第十二个五年规划”中，国家将把加速制定LED照明标准作为产业发展的重中之重，在建设资源节约型和环境友好型社会的前提下建立科学公正、与国际接轨的LED照明发展规划，它是决定LED照明产业发展的关键。

5 采用隧道照明新技术的其他方面

1)基于数码技术的洞外亮度测试技术，现已纳入我国正在编制的《公路隧道照明设计细则》。此外，隧道照明节能成套技术的应用和示范也已在重庆、广东和安徽等地采用并取得了很好的经济和社会效益。

2)其他地下照明新技术和新工艺的研制，在地铁照明中有望推广应用的还有:①研发智能化的LED节能诱导灯具照明的新型无级调光技术，以应用于隧道和地铁车站照明;②研究用电磁感应灯具、光纤照明、逆光照明、宽光带照明等新型节能光源、灯具取代传统灯具在地铁中应用的可能性，以提高地下空间内的有效亮度;③研究电子镇流器(与传统电感镇流器相比)和智能调压设备等照明节电设施，探讨其应用的适用性和经济性。

3)除了采用上述几种新型节能光源/灯具并合理应用外，在其他方面，如改进照明系统的自动化控制技术、照明节电设备的研制、运营管理的智能化和精细化以及合理选取有关的照明参数和新型照明系统的分期实施等，也都是当前不可或缺的重要节能环节。

6 其他几项节能、环保新技术的研究和开发

6.1 室内人工生态光源的采用——太阳光光纤导入照明系统

建议在隧道/地铁车站的天棚顶部嵌设巨大玻璃天窗，大面积吸收自然阳光，通过在天棚内装置光导照明系统，用作地下空间范围内的部分，甚至是全部人工照明。上海市虹桥交通枢纽对室内太阳光光纤导入照明的成功实践可供借鉴。

6.2 一种新型超级节能灯具——荧光灯即将面世

这种节能灯具的耗电量仅为白炽灯的1/40，俄罗斯今年计划生产出样品。

1)原理。灯泡内有专门的荧光粉涂层，内置高照度发光的二极管，低电压作用下，二极管先发出蓝色光，蓝光照射到灯泡内面的荧光粉涂层，涂层上则呈现高照度的白色光。颜色和照度的变化是由于荧光粉涂层的反光特性。

2)优点。解决了目前节能灯具的问题，不需要启动放电维持系统。

6.3 自然采光技术的应用

日本和西欧一些城市地下空间和地铁车站多考虑利用自然采光;国外(北欧、北美)还有利用阳光的反射和折射作用，用镜面将阳光引入地下空间内作自然采光。这些方法均有创意，可供参考、借鉴。

6.4 智能照明技术的发展

1)智能照明是指利用无线通讯数据传输、扩频电力网载波通讯、计算机智能化信息处理以及节能型电器控制等技术所组成的一种分布式的无线遥测、遥控、遥讯控制系统，它具有对灯光亮度调节、灯光软启动、定时控制、场景设置等全方位智能型功能。

2)在智能照明系统中，设有若干个基本情景。这些情景会按程序自动切换，并将照度自动调整到最适宜的水平;还可通过自动调节装置来调控所采集的天然光，并使之与室内灯光系统进行联动。

3)当天气发生变化时，这种天然光系统能够自动调节，保持合适的室内照度。照明设计师在对地下建筑物进行照明设计时，将按预先设置的标准亮度，保持恒定的照度，不受灯具效率降低和墙面反射率衰减的影响。

4)智能照明控制系统还可预先设置不同的场景模块，只要在相应的控制面板上进行操作，即可调入所需的场景;此外，用户还可通过可编程控制面板对场景进行实时调节，以满足各种特定的要求和需要。

5)采用智能照明系统后，用户能够在运行过程中实现节能。智能照明控制系统对大多数灯具(白炽灯、日光灯、霓虹灯等)进行智能调光，不仅能够降低用户电费支出，也能减轻供电压力。据悉，实现智能照明控制的用户一年可节电20% ～40%。智能化与照明技术的结合，充分演绎了节能、耐久、以人为本等绿色和可持续照明的理念。这种节能、高效的智能照明方式，顺应了节能减排和智能科技的发展趋势，在城市地下空间有望获得广阔的发展［4］。

7 结束语

开发地下空间/轨交地铁，是我国城市采取绿色低碳经济发展策略的必然选择。在积极探索地下空间/城市轨道交通发展新模式中，应采取措施从根本上实现能源体系的转型，解决好传统的自然资源短缺的问题，大力降低温室气体排放量，改变地下环境高污染的现状，促进节能、环保型地下空间在生态环境综合平衡制约条件下一种新的发展模式——低碳生态的隧道、地铁与地下空间建设，实现城市经济的可持续发展。有条件地逐步开发太阳能光伏发电、采用太阳光光纤导入照明系统的室内人工生态光源以及进一步推广智能型LED节能照明灯具等都是重要方面。建立节能型的地下空间，是一项争取逐步实现的远大目标。

［1］ 过国忠.尚德光伏建筑并网发电［N］.科技日报，2009－01－09.

［2］ 上海机场(集团)有限公司.上海虹桥综合交通枢纽地下工程关键技术综合报告［R］.上海:上海机场(集团)有限公司，2010.

［3］ 冯守中.发光涂料在公路隧道节能照明中的应用技术研究［C］//面向低碳经济的隧道及地下工程技术:中国土木工程学会隧道及地下工程分会隧道及地下空间运营安全与节能环保专业委员会第一届学术研讨会论文集.上海:中国土木工程学会，2010.

［4］ 李杨静.智能照明将成智能家居市场主力军［N］.中国建设报，2010－04－27.