“雙碳”戰(zhàn)略下公路隧道洞口減光技術(shù)應(yīng)用分析

張國慶

（1.新疆維吾爾自治區(qū)交通運(yùn)輸廳規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心，新疆 烏魯木齊 830099；2.北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100088）

0 引言

目前常見的公路隧道洞口減光技術(shù)有遮陽棚、遮光棚、通透式棚洞以及遮光板，近年來，隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，又出現(xiàn)了太陽能薄膜光伏遮光棚技術(shù)。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。

1 遮陽棚

遮陽棚頂部封閉，可以遮擋陽光直接投射，其材料包括鋼、鋼筋混凝土以及組合結(jié)構(gòu)等[1]。表1為遮陽棚結(jié)構(gòu)比選，圖1為隧道遮陽棚。

表1 遮陽棚結(jié)構(gòu)比選

圖1 隧道遮陽棚

遮陽棚的優(yōu)點(diǎn)在于封閉式的透光構(gòu)造具有較好的遮陽減光效果，構(gòu)筑物下道路路面的均勻度較好；同時(shí)頂部采用封閉式結(jié)構(gòu)可對(duì)路面起到保護(hù)效果，延長路面的使用壽命，減少運(yùn)維成本[2]。

現(xiàn)今遮陽棚作為重要的減光建筑在許多隧道上都得以應(yīng)用，圖2為江羅高速公路某隧道洞口處遮陽棚結(jié)構(gòu)。

圖2 江羅高速公路某隧道洞口處遮陽棚結(jié)構(gòu)

2 遮光棚

遮光棚頂部不封閉，為了有效緩解“黑洞效應(yīng)”帶來的影響，從安全和節(jié)能的角度，遮光棚是很好的選擇[3]。表2為遮光棚合理設(shè)計(jì)長度值建議，圖3為隧道遮光棚。

圖3 隧道遮光棚

表2 遮光棚合理設(shè)計(jì)長度值建議

廣西隆百高速公路田林隧道群使用了隧道遮光棚技術(shù)并取得了良好的效果（圖4）。遮光棚頂部設(shè)置遮光板，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，兩側(cè)開通風(fēng)洞。

此外，遮光棚技術(shù)中還有很多關(guān)鍵問題待解決，比如遮光棚材料的選擇及其對(duì)透光率的影響、棚內(nèi)路面照度的計(jì)算等，這些都需要進(jìn)一步探索。

3 通透式棚洞

通透式棚洞（圖5）在原有地勢(shì)或地形的基礎(chǔ)上構(gòu)筑，屬于半開敞結(jié)構(gòu)，不僅具有洞口減光的效果，還可以在特殊地形條件下有效減少隧道洞口的大填大挖，保護(hù)環(huán)境。

4 遮光板

遮光板結(jié)構(gòu)較簡單，可以通過遮擋強(qiáng)光來達(dá)到防眩的效果[4]。鄭州市中牟縣鄭開大道與S223省道交叉口的“彩虹隧道”就是典型的應(yīng)用實(shí)例。圖6為隧道遮光板。

圖6 隧道遮光板

隧道遮光板形式較輕盈，景觀效果較好，并且工程投資少，運(yùn)營期間維護(hù)工作量小。該類結(jié)構(gòu)遮擋光線面積有限，減光效果較差，難以起到良好的光過渡效果；而且其結(jié)構(gòu)受力不均，在風(fēng)力較大的情況下存在一定的安全隱患，實(shí)用性能較其他擋光建筑小，因此需要在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，以提高其適用度，但還需要解決由此帶來的成本問題。

5 太陽能薄膜光伏遮光棚

5.1 技術(shù)特點(diǎn)

5.1.1 利用太陽能供電，節(jié)能降碳

隧道遮光棚面積大，加上野外有大量的光照資源，由此太陽能薄膜光伏遮光棚應(yīng)運(yùn)而生，其電池可以滿足隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行需求。太陽能光伏遮光棚可以做成透明或者半透明的，雖然初期投入可能會(huì)比傳統(tǒng)遮光棚更大，但從長遠(yuǎn)角度來看，太陽能光伏遮光棚運(yùn)營期間的費(fèi)用遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)遮光棚，白天日照時(shí)間充足的地區(qū)更是如此。

5.1.2 地形要求低、適應(yīng)性廣

太陽能薄膜光伏遮光棚結(jié)構(gòu)簡單，容易搭建，對(duì)地形的要求低，只要在太陽能資源豐富的地區(qū)，就能充分利用其優(yōu)勢(shì)。這也是通透式棚洞難以廣泛應(yīng)用的原因之一。太陽能薄膜光伏遮光棚的適應(yīng)性也極強(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。而普通遮光棚棚頂往往什么都沒有，當(dāng)災(zāi)害來臨時(shí)，會(huì)對(duì)司乘人員的安全造成危害。

5.2 應(yīng)用方案

某隧道長568 m，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58 m的太陽能薄膜光伏遮光棚，棚寬15.65 m，高8.8 m。在靠近隧道洞口設(shè)置第一段長度約4 m的柔性不透光光伏組件遮光棚，在第二段長度約28 m范圍設(shè)置透光率15%的光伏組件遮光棚，在第三段長度約26 m范圍設(shè)置透光率40%的光伏組件遮光棚。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46.992 kW。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。光伏發(fā)電采用并網(wǎng)形式，不設(shè)儲(chǔ)能蓄電池。考慮到夜間行車安全，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。圖7為太陽能光伏遮光棚模擬，圖8為太陽能光伏遮光棚效果，表3為隧道光伏遮光棚主要材料。

圖7 太陽能光伏遮光棚模擬

圖8 太陽能光伏遮光棚效果

表3 隧道光伏遮光棚主要材料

5.3 應(yīng)用效果

5.3.1 改善行車條件

隧道太陽光伏遮光棚采用漸變式光照亮度遮光棚，其采用不同透光度材料，可以有效減少汽車駕駛過程中進(jìn)出隧道時(shí)因忽明忽暗給視覺造成沖擊，進(jìn)而帶來的行車安全隱患，改善行車條件。

5.3.2 節(jié)能降碳

首先，采用漸變式光照亮度與隧道過渡可以擺脫傳統(tǒng)隧道洞口采用燈具進(jìn)行光照加強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案，從而節(jié)省大量的隧道照明用電。其次，該遮光棚具有光伏發(fā)電的功能，可進(jìn)一步降低隧道照明傳統(tǒng)能源用電量。

5.3.3 降低運(yùn)營成本

（1）發(fā)電部分。按照預(yù)計(jì)裝機(jī)功率為47 kW，按每天平均5 h的等效峰值受光時(shí)間，每年大約可發(fā)電7.46萬kW·h，按1 kW·h/元的價(jià)格計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)大約7.46萬元。

（2）降低隧道燈具安裝功率。按照1 km單洞隧道入口段1加強(qiáng)22.68 kW計(jì)算，燈具安裝費(fèi)用約45萬元。若采用遮光棚技術(shù)，遮光棚于入口段1加強(qiáng)，則可省去該部分燈具。

（3）入口段1加強(qiáng)運(yùn)營電費(fèi)。入口段1加強(qiáng)照明22.68 kW，每年耗電量約為4.14萬kW·h，按1 kW·h/元的價(jià)格計(jì)算，每年需電費(fèi)4.14萬元。

采用光伏遮光棚后，以上3項(xiàng)的費(fèi)用就是降低的成本費(fèi)用。以20年計(jì)，上述3項(xiàng)之和約為277萬元，已具有較好的經(jīng)濟(jì)效益了。

5.3.4 延長路面使用壽命

路面上搭起遮光棚可以有效遮擋烈日暴曬，延長路面的使用壽命。

6 結(jié)語

綜上所述，公路隧道洞口減光技術(shù)不僅能降低司乘人員的“黑洞效應(yīng)”，提高行車安全性，而且能減少洞口段照明，節(jié)能降碳，其中太陽能薄膜光伏遮光棚技術(shù)還可以通過光伏進(jìn)行發(fā)電，供隧道機(jī)電設(shè)備使用，預(yù)期未來會(huì)有進(jìn)一步發(fā)展。