隧道照明的合同能源管理基准能耗测算方法*

杨 松

(浙江省交通运输科学研究院，310006，杭州∥高级工程师)



隧道照明的合同能源管理基准能耗测算方法*

杨 松

(浙江省交通运输科学研究院，310006，杭州∥高级工程师)

为了解决隧道照明合同能源管理节能改造项目标准不统一、计算复杂及专业性强等问题,研究了基准能耗测算方法,建立了基准能耗确定模型。该模型在分析基准能耗影响因素和对天气情况作气象分级的基础上,采用数理统计方法及能耗监测设备获取的历史数据,统计不同的气象分级天数,计算不同天气工况隧道基本段和加强段照明全设计功率日等效开灯时间的总体平均值、隧道加强段和基本段照明设计总功率,确定所需的基准能耗值。案例分析及试验结果表明，由该模型测算得的基准能耗与实际按需开灯状态下实际能耗值基本匹配,可为节能改造项目的节能量验证、经济效益评定和支付方式制定提供较为科学的参考依据。

隧道照明; 合同能源管理; 基准能耗; 测算方法

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

隧道照明改造是交通节能改造的重点领域。推行合同能源管理(EMC)的意义在于:一是利于促进节能减排,实行资源节约型和环境友好型隧道运行模式;二是利于通过市场机制,培育优质合同能源服务企业和节能产品生产企业,促进交通节能减排工作的推进；三是利于缓解运营公司财政支付压力,降低运行成本,更好地落实廉政建设[1]。

隧道照明节能改造EMC项目通常采用节能效益分享型模式,即在能源合同管理期内合同双方约定节能收益按比例分享。在此模式下,合同能源服务商不受节能量的限制,以现有的技术能力开展节能改造,在成本投入和节能效果之间谋求最大效益的平衡点,使更多节能服务公司能够参与到节能改造项目中[2]。

在采用传统隧道照明系统的前提下,隧道照明改造基准能耗确定缺乏有效的理论依据和实际数据的支持,给EMC项目的前期评估带来难度,容易造成业主和节能服务商的经济损失,在合同执行期易产生纠纷[3]。随着国家倡导在新建工程采用合同能源管理模式进行投资建设,没有历史能耗参考的新建工程基准能耗判定成为急需解决的现实问题。本文的基准能耗的测算方法结合隧道天气情况、洞外亮度、车流量等综合因素考虑,基本反映了隧道照明系统“按需照明”的基础能耗,不仅适用于传统照明系统,也适用于实行智能照明系统的基准能耗测算。因此,制定规范的基准能耗测算方法可使改造双方都能评估工程的基础能耗情况,对比分析实际使用电费的差距,最终确定双方合同规定的基准能耗。该测算方法对推动隧道照明EMC节能改造项目有重要的意义。

1 隧道照明EMC基准能耗理论基础

在隧道EMC项目中,实施节能措施所涉及的用能单位、设备、系统的范围和地理位置界线称为项目边界;而用于比较和确定项目节能量的,节能措施实施前的时间段称为基期。因此,隧道照明EMC项目的基准能耗定义为:基期内用能单位、设备、系统的能源消耗量[4]。

1.1 基准能耗影响因素

经前期调研分析,影响隧道照明基准能耗的主要因素有:基期内晴天、云天、阴天、重阴天的天数，过渡照明段占隧道总长的比,路面面层材质，年均日平均车流量，设计车速等。其中,车道数、车流量、设计车速、隧道长度等变量只跟设计的灯具功率有关,基本不影响等效开灯时间。

在我国隧道照明实际管理中,多应用根据天气分级的控制方法,但是这种控制方式存在一些弊端：JJG 026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》中规定的“重阴天”不属于规范术语,气象学中无此定义[5];在实际观测时,一般人员无法根据气象学的定义准确判断云天和多云天。根据这种天气分级的控制方式使照明控制效果与隧道现场环境脱节。故依据实际情况拟将气象分级规定为:①夏季晴天天数;②非夏季晴天/夏季云天天数;③非夏季云天/夏季阴天天数;④非夏季阴天/重阴天天数。

经用能单位与能源服务公司实际测算和深入探讨,并在多个隧道照明节能改造中得到验证,一致认为上述气象分级规定较为合理,并确定以此结合气象分级的规定进行隧道照明基准能耗测算方法的研究。

1.2 耗电数据收集方法

(1) 基于数理统计法统计历史数据记录。基于数理统计法[6],收集计算该隧道所在区域连续整年夏季晴天(A1)、非夏季晴天或夏季云天(A2)、非夏季云天/夏季阴天(A3)、非夏季阴天/重阴天(A4)4种天气情况的天数。剔除特殊工况日(如隧道日常养护、检修和施工等需特殊照明的状况，发生交通事故、火灾以及拥堵等需紧急疏散救援的状况)。计算4类不同天气情况时的加强段照明日全功率等效开启时间TB和基本段日照明全功率等效开启时间TC。数据来源可取自当地气象部门或有关管理部门上年或前数年的历史资料。

(2) 短期能耗监测设备获取数据法。对于无历史数据记录的隧道,可通过加装专用能耗监测设备,对隧道的耗电数据作一个季度的连续监测,剔除特殊工况日的耗电数据,获取该季度隧道照明的耗电量[7]。并将该季度的隧道总耗电量减去照明的耗电量,作为全年每季度其它用电设备的平均耗电量。用各季度的总耗电量减去其它用电设备的平均耗电量,可得各季度的隧道照明的耗电量。各个季度耗电量的和为年耗电量。

2 隧道照明EMC基准能耗测算方法

隧道照明EMC节能改造的基准能耗Eb可按式(1)计算,

(1)

式中:

Ai——该区域4种不同天气情况年平均天数，d;

TBi——不同天气工况隧道加强段照明全设计功率日等效开灯时间,h;

TC——不同天气工况隧道基本段照明全设计功率日等效开灯时间,h;

Pth——隧道加强段照明设计总功率,kW;

Pin——隧道基本段照明设计总功率,kW。

2.1 随机抽取样本值,计算采样平均值

将随机采样程序分别收集到的每种天气日加强段耗电数据和日基本段耗电数据平均分成n组,并对每组数据取算术平均数,则得到加强段和基本段日耗电数据样本值Xi，i=1,2,…,n。

(2)

2.2 求采样方差及标准差

采样方差和采样标准差都是衡量每种天气的日耗电数据波动大小的量。采样方差或采样标准差越大,每种天气的日耗电数据的波动就越大。方差和标准差是测算日耗电数据离散趋势最重要、最常用的指标。

每个日耗电数据样本值与采样平均值的日耗电数据采样方差为:

(3)

2.3 求日耗电数据总体平均值

置信水平P是指总体日耗电数据值落在样本统计值某一区内的把握程度。置信区间是指在某一置信水平下,日耗电数据样本统计值与总体日耗电数据值间误差范围。置信区间越大,置信水平越高。 依据采样平均值中心极限理论,收集的有效采样数据愈多,愈符合正态分布。

P为95%把握时的置信间隔为:

(4)

P为90%把握时的置信间隔为:

(5)

由式(4)得

(6)

由式(5)得

(7)

由此即可确定加强段照明日耗电数据总体平均值EμB及基本段照明日耗电数据总体平均值EμC。

2.4 求隧道照明全功率等效开灯时间

隧道照明全功率等效开灯时间根据其特点可分为加强段和基本段两个部分。加强段照明全功率等效开灯时间

TBi=EμB/Pth

(8)

基本段照明全功率等效开灯时间

TC=EμC/Pin

(9)

2.5 基准能耗数据统计

需获取当地已建隧道常年四类不同天气情况的功耗数据[9],即可计算TB和TC。依据已采用的Pth和Pin,则可计算出待照明节能改造隧道的基准能耗Eb。

3 案例分析

3.1 基准能耗计算

以某隧道照明基准能耗计算为例,对已收集到上半年连续73个加强段照明日耗电量值数据和73个基本段照明日耗电量值数据的基础上,只需要再计算高压钠灯等效开灯时间。用上述统计学原理计算四类不同天气情况加强段照明全功率等效开启时间TB和基本段照明全功率等效开启时间TC的总体平均值[10]。

3.1.1 夏季晴天加强段照明

将15个夏季晴天加强段照明日耗电量值数据随机分成3组(如表1所示),计算得相应的样本值,进而可得采样平均值为236.03 kWh,采样标准差为17.26 kWh,当P=95%时的置信间隔区间为(231.33,240.73),加强段高压钠灯的总功率为53.7 kW,从而得到夏季晴天加强段照明全设计功率日等效开启时间TB1=4.395 3 h。

表1 夏季晴天加强段照明日耗电量值数据及相应计算值 KW/h

3.1.2 非夏季晴天/夏季云天加强段

将28个非夏季晴天/夏季云天加强段照明日耗电量值数据随机抽样分成4组(如表2所示),计算得相应的样本值，进而可得采样平均值为159.53 kWh,采样标准差为5.58 kWh,当P=95%时的置信间隔区间为(157.213,161.84);加强段高压钠灯的总功率为53.7 kW,从而得到非夏季晴天/夏季云天的加强段照明全设计功率日等效开灯时间TB2=2.91 h。

3.1.3 非夏季云天/夏季阴天加强段

同理,将20个非夏季云天/夏季阴天加强段照明日耗电量值数据随机分成4组,经计算可得，当P=95%时的置信间隔区间为(116.722,120.45),相应的TB3=2.21 h。

3.1.4 非夏季阴天/重阴天加强段

同理,将10个非夏季阴天/重阴天加强段照明

表2 非夏季云天/夏季云天加强段照明日耗电量值

日耗电量值数据经随机分成2组,经计算可得当P=95%时的置信间隔区间为(87.8226,97.517)，相应的TB4=1.73 h。

3.1.5 基本段

同理,将73个基本段照明日耗电量值数据随机分成6组,经计算可得,当P=95%时的置信间隔区间为(620.595,628.59);由基本段高压钠灯的总功率为32.97 kW,得TC=618.94 h。

3.2 实际能耗与基准能耗测算值偏差分析

根据对某工程多个隧道的测量数据,可计算得出不同长度隧道照明EMC节能改造的基准能耗及节能率(单洞)(见表3)。双洞的基准能耗值一般为单洞的2倍。有了节能前后基准能耗及节能率的计算结果，即可使隧道照明EMC节能改造项目双方对该项目的经济效益及节能效率有所了解，并为后续推动EMC项目实施提供依据。

表3 不同长度的隧道改造前后基准能耗值及节能率(单洞)

根据现场测试隧道能耗数据,某工程4个隧道(单洞)钠灯全年实际电费与基准能耗计算值比较,如表4所示。

表4 某工程实际电费与基准能耗计算值对比

从表4可以看出，钠灯按新规范且需开灯状态下的实际能耗与本文研究的基准能耗理论值是基本匹配的,其中差别是由于开灯引起。建议隧道照明改造尽量采用智能控制系统以减少人工干预。

4 结语

本文研究基准能耗的影响因素,并根据实际的天气影响情况制定气象分级。经与用能企业与能源服务公司实际测算和深入探讨,并在多个隧道照明节能改造中得到验证,一致认为本气象分级规定合理[11]。隧道照明EMC基准能耗测算方法的研究,解决了隧道节能改造项目标准不统一、计算复杂、专业性强等问题。基准能耗测算的模型为隧道节能改造项目的经济效益评定和支付提供了参考依据,使隧道照明EMC方式节能改造的节能量验证有了统一的标准体系。这解决了一直困扰隧道照明EMC节能改造的基础性问题,使EMC双方都能在公平公正的基础上开展节能改造,对推动交通EMC模式节能改造和加快节能改造步伐起到积极作用。

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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

*浙江省科技计划项目(2016F50050)

TK 011:U 453.7

10.16037/j.1007-869x.2016.09.007

2016-03-19)