零能耗理念在桥梁工程中的应用与发展

作者:郑鹏飞      耿时间:2018-09-14 10:30:39  来源:  阅读次数:32次 ]

摘 要:为改善我国桥梁工程建设的能耗状态,以促进工程建设的生态可持续发展,将建筑领域内“近零耗能”理念及其实现方案与桥梁工程结合,提出生态可持续发展的桥梁工程“近零能耗”方案及措施,通过相应实例分析其应用范围和发展前景,指明未来桥梁工程可行的发展方向,为全面的生态可持续发展提供保障。
关键词:“零耗能”;桥梁工程;生态可持续发展

   “零能耗”一词并不是近年来生态平衡失稳、能源被过度消耗之后才被提出的。早在 1976 年,丹麦技术大学的 TorbenV.Esbensen 等人就对丹麦利用太阳能供暖的建筑物进行了理论和实验研究,并初次提出“零能耗建筑(Zero Energy House)”一词。此后,随着“零能耗建筑”相关研究的开展,各个国家和地区也结合国情政策等对其定义和内涵进行阐释,2013 年, 我国建筑科学研究院张时聪等人通过梳理主要国家“零能耗建筑”定义的各个层面,提出了符合我国国情的“零能耗建筑” 定义 :以年为计算周期,以终端用能形式作为衡量指标,建筑物及附近与其相连的可再生能源系统产生的能源总量大于或等于其消耗的能源总量的建筑物。然而在现阶段,零能耗建筑经济和技术上的难度都较大, 各国普遍采用逐步发展的技术策略,即逐步降低建筑能耗,先实现近零能耗建筑,再实现零能耗建筑。于是,2018 年,我国建筑科学研究院徐伟等人对“近零能耗建筑”的定义进行了梳理,最终得出结论 :其技术路线基本成熟,即被动优先,主动优化,再利用可再生能源 ;其技术指标的确定采用宏观确定和经济性分析的方法确定,并强调经济合理的技术指标 ;其技术指标的表现形式包括 :能耗数值(欧洲),相对节能率(日本和美国),其中相对节能率可以避免建筑自身特性的差影响 ;能耗评价以设计阶段计算的一次能耗为主进行评价。据《中国建筑能耗研究报告》,建筑类能源消耗量在所有社会能源消耗量的比重中占百分之四十以上。2017 年 9 月, 随着“十三五”国家重点研发计划项目“近零能耗建筑技术体系及关键技术开发”启动会的顺利召开,近零能耗建筑的发展进入了新的阶段。目前,我国关于能耗的研究针对房屋建筑等方面的较多, 而对于交通运输工程的节能研究起步较晚,且大多是针对车辆的节能研究,而对于交通土建工程能耗的研究较少。近年来, 伴随高速铁路的建设,桥梁工程的建设日益增长,而配套高速公路的发展以及城市发展中市政工程建设的需要,都使得桥梁工程的建设飞速增长,若将“近零能耗”理念引入桥梁工程, 可以加快该领域节能减排的发展,且推进桥梁工程节能发展是实现工程建设“绿色、节能、环保”的基础,其对突破能源过度消耗的瓶颈制约,培育节能环保、新能源等战略性新兴产业, 具有十分重要的意义。
1“近零能耗”理念在传统建筑中的技术路线
1.1被动式建筑节能
   被动式建筑节能技术是指以非机械电气设备干预手段实现建筑能耗降低的节能技术,具体指在建筑规划设计中通过对建筑朝向的合理布置、遮阳的设置、建筑围护结构的保温隔热技术、有利于自然通风的建筑开口设计等实现建筑需要的采暖、空调、通风等能耗的降低。被动式建筑的关键技术有 :高效的复合外墙外保温系统 ; 无热桥的设计与构造 ;加强建筑的气密性。目前被动式建筑节能技术发展相对成熟。1.2主动式建筑节能与被动式相对应的是主动式,主动式建筑节能也就是科学的使用和运行高效的建筑设备,提高运行效率,达到节能减耗的目的。其要点在于一次能源消耗。
1.3可再生能源再利用
   严格意义上的“可再生能源”,是指一次能源形式中的可再生。所谓一次能源,是指从自然界直接取得的天然能源,分为可再生能源和不可再生能源,其中,属于可再生的能源则有风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能、潮汐能等。通过可再生能源的再利用,可以降低建筑的一次能耗,从而实现建筑节能。事实上,这些技术手段都是综合使用,采用被动节能技术辅以主动节能技术,再整合多种可再生能源并提高其再利用效率,因地制宜最终实现“近零能耗”的目标。从根本上讲,“近零能耗”可通过降低能耗、提高设备能源利用率、综合使用多种能源并使其可再利用等技术手段实现。
2“近零能耗”理念在桥梁工程中的应用范围
2.1施工
2.1.1水污染控制
   混凝土生产过程中,在混凝土搅拌站设置适量的沉淀池, 使生产污水汇入沉淀池经处理、判定达标过后将废渣与水分离; 生活用水采用隔油池等设施进行处理,并严格执行污水处理标准。使这些用水经处理后可以再利用,例如利用水的势能为混凝土生产厂供能,以此循环,提高能源的利用效率。
2.1.2光污染控制
   光污染严重影响施工现场附近居民的日常生活。因此,采取一些措施可以减弱其影响,并可以提高光照的效率,从而降低施工光照的能耗。例如 :工地上设置夜间遮光板,并控制照明设施的光照角度 ;室外照明设施加设灯罩等,尽量将亮光集中在施工方向。
2.1.3节能及资源的有效利用
   施工方在停止使用施工工具时,应尽量关闭电源。一些灯光设备也是如此。桥梁在施工中也可利用地区优势,例如,临近河流的地区可采用“长距离管道水力排渣施工技术”,这一技术是中铁大桥局总结并推广的,特别适用于有水路运输优势的地区。
2.1.4装配式标准化施工
   通过装配式标准化施工实现工厂化施工,从而可以提高施工设施的可重复使用率,也便于将“近零能耗”理念应用于工厂, 降低构件预制过程中的能耗,最后装配式施工效率提高,总体节省了施工时间从而大大降低了施工能耗。
2.2运营
   桥梁工程的运营问题中,所占比重最大的就是桥梁的夜晚照明系统。《我国能源的利用与环境问题》中指出,我国的能源利用率仅为百分之三十左右,比西方发达国家低了将近百分之十。也就是说在我国每 100kJ 能量中仅有 30kJ 是被充分利用的,而 70kJ 被白白浪费。截止到 2017 年年底,我国公路桥梁数量已超过 80 万座,其中,仅高铁桥梁累计长度就超过一万公里,可想而知,就全国而言桥梁上的照明设施运转一夜会浪费多少能源!因此,可以充分利用可再生能源,例如,在桥梁上部结构的合适位置铺设太阳能板,将太阳能转换为电能, 使其实现夜晚利用太阳能的能量为桥梁上的路灯供电,从而降低桥梁的照明能耗。另外也可以通过科学的优化设计照明设施, 并基于车流数据实现实时控制,从而降低照明能耗。
2.3养护
   桥梁结构在自然环境的作用下某些易损部位会出现病害,而在一些恶劣天气条件下,更增加了桥梁病害的程度。例如 : 伸缩缝、桥面等。这增加了桥梁维修处理的工作和相关设施的更新,间接增加了能耗。
2.3.1伸缩缝
   桥上的伸缩缝为桥梁易损构件,可在桥梁的主梁结构中设置收集热量的装置,当环境中温度过高时以减少主梁的伸长量; 当所处情况出现温度过低时,主动释放存储的热量,以削减主梁的缩短量。充分利用外界的热量,实现桥梁结构自身抵抗“热胀冷缩”的能力,缩短伸缩缝的距离,甚至达到桥梁结构不设伸缩缝的最终目的。最终减少伸缩缝的使用,节省材料,间接降低了能耗。
2.3.2桥面
   将太阳能或其他可再生能源与桥梁结合后,不仅可以为桥上的路灯提供照明用电,也可为摄像监控设备或其他设备提供能源等等。当遇到雨雪天气时,可以利用桥梁两旁的渗水槽, 将雨水收集起来,处理后再利用,一方面可以清洁道路,另一方面可以作为路面降温措施。另外,将太阳能等可再生能源转化为热能,在面对强降雪天气时,利用储存好的太阳能供热除冰雪。这样可以降低桥面的温度变化幅度,延缓桥面材料的老化,也有利于交通运行的安全,最终间接降低了能耗。
3“近零能耗”理念在桥梁工程中的应用实例
3.1景观桥
   以潮白河大桥为例,大桥在计划之初便想到了水循环系统。这套水循环系统是将雨水、基坑降水等自然水份搜集,用于桥梁的路面洒水,桥梁四周的公厕冲水,草地浇水,桥梁梁板混凝土养护等。这相当于将收集到的水资源用于桥梁的运营和养护之中。大桥在施工时过程中尽可能利用相同尺寸质料和构件, 提升模板质料的重复利用率,降低施工时的能耗。
一块 100 瓦的太阳能电池板,规格为 1480×680×35mm, 能量转化率约为 20%,即一块 100 瓦的太阳能电池板理论上一个小时可以发电 100 瓦,但根据太阳辐射的时刻不同而有所折减。根据《太阳能资源评估报告》,北京地区全年日照小时约为 2200-3000h,每年太阳辐射总量为 5016-5852MJ/m2。潮白河大桥全长为 1680m,考虑到景观桥的美观性,若每隔 100m 左右,设置一个 100 瓦的太阳能电池板,整座桥梁上设置 16 个太阳能板,如图 1 所示,每年利用太阳能约可发电 4000kW。
3.2铁路桥
   以黄冈长江大桥为例,它所利用的质料都是标准规格质料。使用标准材料可以使模板材料周转多次,模版材料重复使用率达 100%,提高了施工结构的通用性和可倒用性,降低了施工能耗。桥梁运营方面,据相关资料所述长江干支流水能资源丰富, 蕴藏量共约 2.68 亿 kW,其中可能开发 1.97 亿 kW,年发电量约 1 万亿 kW·h。这一方面可通过水力发电为桥梁上的路灯等电子设备供能,也可以为桥上铁路运营设施提供部分能源。另一方面,黄冈属于湖北地区,根据《太阳能资源评估报告》:此地太阳能年辐射量为 4190-5016MJ/m2,全年日照小时1400-2200h。黄冈长江大桥全长 4008.192 米,若每隔 800m 左右设置 5 个 100 瓦的太阳能电池板,如图 1 所示,一年可以通过太阳辐射能发电 5000kW。在遇到雨雪等恶劣天气时,桥梁上的除雪工作必须尽快展开。利用在桥梁上的太阳能储存设备,将太阳能储存起来,再利用转化器将太阳能转化为热能,可加速冰雪融化。
3.3公路桥
   以郑州黄河公路大桥为例,根据《太阳能资源评估报告》:郑州每年辐射量为 5015-5852MJ/ ㎡, 全年日照小时 2200- 3000h。郑州黄河公路大桥全长 5549.86 米,若每隔一公里左右加装 10 个 100 瓦的太阳能电池板,如图 1 所示,年产电能约14000kW,这些电能除了可以为桥梁结构上的照明设施及电子设备供能外,还可以将剩余的电能输送到桥梁附近的居民区等地使用。
图 1 实例三座桥梁理论太阳能发电量
4结论与展望
   经研究分析发现,虽然“近零能耗”理念在桥梁工程中的应用并未形成概念,且应用较少,然而通过对“近零能耗”概念的分析,其在桥梁工程中的应用前景十分广阔 :从桥梁的施工来看,通过提高施工设备和施工材料的效率, 尤其是采用装配式施工技术,从而降低施工能耗。从桥梁的运营来看,通过合理设置光照设施、监控设施等, 提高其利用率,从而降低运营能耗。从桥梁的养护来看,引入被动式节能的理念,将热能隔离或收集利用从而改善桥梁结构的受力变形情况,减少桥梁的病害,从而减少桥梁的养护工程,间接降低能耗。总体而言,由于桥梁工程的涵盖范围更广,其因地制宜利用周围可再生能源的条件更多,从而可以充分的利用周边可再生能源的重复再利用,为桥梁工程的施工、运营、养护提供高效的能源,甚至为周边的居民提高部分能源。另外,对于新兴技术比如无人驾驶,利用可再生能源可以为其提供部分能源, 也可以为支持无人驾驶的硬件设施提供能源,或者减少照明的需求,从而降低能耗。
参考文献 :
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