公路隧道光环境全寿命周期绿色指标应用案例分析

朱合华 邓越 沈奕 冯守中 吴伟

同济大学土木工程学院 同济大学土木工程防灾国家重点实验室 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 安徽中益新材料科技有限公司钱江新城建设管理委员会

摘 要：为实现隧道建设节能低碳目标，基于隧道全寿命周期理论建立了隧道光环境评价模型。重点考察隧道全寿命周期中的建设期和运营期，用隧道光环境设计参数建立目标函数。目标函数根据不同的偏好权重，综合了碳排放量和造价的计算，是评价模型的核心。依托目标函数并结合安全性的约束条件形成公路隧道全寿命周期多维度的评价模型。基于该模型开发了隧道光环境碳排放计算程序，可根据运营时间形成可视化的图表并输出分析结果，实现了参数化计算流程。最后以某隧道光环境设计方案为例，运用该评价模型对5个光环境方案进行比选，对各方案的全寿命周期碳排放量进行了测算，从造价和碳排放2个维度进行分析。研究结果表明：全天运营模式的成本比半天运营平均多出33%,最高可达半天运营模式成本的1.5倍，运营时长会极大影响光环境全寿命周期成本。根据测算结果，综合建设期及运营期的碳排放量，隧道照明用电贡献了整个生命周期主要碳排放量，是光环境生命周期内碳排放最主要的来源，对照明系统的优化设计具有重要的意义。基于碳中和目标，绿色优势在光环境设计中可起到主导作用，绿色创新和环境导向的工艺优势显著影响方案的全寿命周期评价，是隧道工程中发挥碳中和作用的主导方向之一。

关键词：隧道工程;碳排放;全寿命周期;光环境;

作者简介：朱合华(1962-),男，安徽巢湖人，教授，博士研究生导师，中国工程院院士，工学博士，E-mail:zhuhehua@tongji.edu.cn。;*沈奕(1988-),男，湖北十堰人，高级工程师，工学博士，E-mail:shenyi@tongji.edu.cn。;

基金：土木工程防灾国家重点实验室自主研究基金项目(SLDRCE19-A-14);上海市青年科技英才扬帆计划项目(20YF1451400);

0 引 言

随着公路建设的高速发展，公路隧道规模不断扩大，建设数量不断攀升。有关统计数据表明，2009年底中国公路的里程数达386.08万 km, 2019年底已经超过500万 km, 10年间增长了29.83%。其中，公路隧道里程占公路总里程的比例从0.133%增长到0.387%,隧道占比是10年前的3.7倍<1>。然而，隧道在建设及运营期间产生的能源消耗和温室气体排放是一个不可忽视的问题，隧道路段每公里的碳排放量相较于开放路段，通常会高出4～5倍<2>。2021年中国政府工作报告明确提出，在2030年中国要实现碳达峰，碳达峰后逐步减少净排放量，2060年实现碳中和。在隧道工程中提高绿色建设的水平是保证公路建设高速健康发展的内在要求，安全、经济、低碳三位一体将成为隧道建设的新目标。

建筑全寿命周期碳排放的研究有利于在设计前期开展对碳排放的控制。随着绿色建筑概念逐渐普及，已有学者在不同领域对其环境影响的全寿命周期评价进行了研究探索。其中，依托于绿色建筑规章的完善与BIM技术发展，建筑流程变得更为明确。在施工与运营阶段地面建筑的能耗与可持续循环的量化计算方法已形成了较为成熟的成果<3,4,5,6>。相对于地面建筑，地下建筑领域因为施工的复杂性及不确定性，尚未形成公认的碳排放计算规范。现有的量化性研究多围绕有害气体的现场监测与交通排放测算，少有研究将全寿命周期评价融入地下设施中，因此仍有待探究。参照国内外现有的研究方法，碳排放的测算方法可以依照评估流程分为排放系数法、质量平衡法和实测法<3>3种类型，从地下工程的应用情况来看，3种方法互有交叉和延伸。Ahn等<7>以独立事件合并隧道开挖与材料运送过程，Guo等<8>利用路面与围岩分级，加总建材消耗，并引入数据质量评估。Miliutenko等<9>以累积消耗材料的制造过程和运营过程进行时间序列的能量损耗量化，组合各个事件消耗的材料能源，提出了相对清晰的绿色隧道的概念。上述研究均围绕排放系数法，由材料的消耗量化确定不同阶段的排放量。而Pritchard等<2>调研了与铁路隧道相关的能源消耗和二氧化碳排放，综合了3个实际铁路隧道项目的排放数据样本，从实测法的角度，介绍了计算指标选取及基础设施寿命的核算。此外，也有学者将视角锁定于建设及施工阶段的不同细观层次。李乔松等<10>基于排放系数法，测算了虹梅南路隧道建造阶段每一环管片的实际碳排放。郭春等<11>着眼于隧道建设阶段，利用统计分析法探究影响隧道施工碳排放的关键因素。Wang等<12>以西南地区4个实际项目为例，提出了估算公路建设过程中二氧化碳排放量的实证方法；该方法估算了不同工程类型(如路基、路面、桥梁和隧道)施工过程中不同步骤(原材料生产、材料运输和现场施工)的总排放量。Rodrígue等<13>提出了一个简化的计算模型，用以估算采用常规方法(钻爆、盾构或液压破碎)穿越中低强度岩体的隧道施工阶段各步骤的二氧化碳排放量，为生命周期评价方法的简化应用提供了基础。隧道工程中碳排放的研究起步较晚，且尚未形成统一性的流程，在公路隧道领域的碳排放计算目前仍以片面的事件叠加为主，缺少从全寿命周期的角度建立建造阶段和运营阶段关键因素的有效关联。

另一方面，照明能耗问题是隧道节能的关键问题，而对隧道照明能耗评估的研究仍较为落后。目前，中国公路隧道照明能耗严重的主要原因在于照明系统设计超标、照明控制方式落后、照明节能理念有误、照明节能措施单一<14>。按照公路隧道运营要求，照明灯具需要长期处于开启状态，在隧道用电费用中占比很大<15>,是运营期间最大的开支<16>。现行隧道照明规范，依托于传统的公路照明研究，只从路面亮度来考虑照明系统的安全性。对于公路照明而言，驾驶人辩视障碍物主要依靠路面单一维度的信息，然而隧道是半封闭的构筑物，公路隧道照明是由侧壁、顶棚、路面及按一定布灯方式布设的灯具构成的多维度系统，驾驶人基于隧道内的立体空间来获取视觉信息。不同构筑物其光环境的构成有很大差异，因而参照传统的公路照明规范，仅从路面亮度来考虑隧道照明，会造成不必要的能源浪费。从光环境的视角来看，隧道照明的能耗问题实际存在很大的改善空间。从光环境视角建立隧道全寿命周期评价模型，对光环境进行量化评估有重要的研究意义。

针对目前公路隧道光环境全寿命周期评价体系现状，本文提出了隧道光环境全寿命周期评价模型及计算方法。隧道光环境的首要任务是保证隧道照明安全，在此基础上追求设计合理和照明节能。本文旨在用隧道光环境设计参数搭建综合碳排放量和造价的目标函数，并将安全性作为约束条件，形成公路隧道全寿命周期多维度的评价模型。基于此模型开发了隧道光环境碳排放计算程序，实现了参数化计算流程；并结合实际案例，对目前公路隧道光环境设计要素进行分析，给出了基于全寿命周期的评价结果和选型建议，依照建立的评价指标可以形成隧道光环境的定性和定量判断。

1 隧道光环境碳排放量计算方法

1.1 隧道光环境模型

为了保证驾驶者平稳、安全、舒适地在隧道内通行，公路隧道需要设置满足需求的照明环境，现有隧道照明规范主要考察路面的亮度与均匀度，然而，路面、壁面等各种具有反光效应的材料与人工照明光源及自然光源的耦合关系却少有考虑，这与隧道内的实际照明情况不相符。单一地强调照明亮度往往会导致照明设计偏于保守，造成大量资源浪费。因此从照明系统的角度，即站在光环境的视角下评估隧道照明条件具有重要意义。

对隧道光环境进行评估首先需要建立合理的光环境系统模型，其次再在模型上建立相应的评价体系。按照隧道内的实体对象，可以将隧道光环境分为顶部照明环境、侧面照明环境及底部照明环境，如图1所示。顶部照明环境主要由各类照明设备组成，构成照明环境中的主要光源。侧面照明环境及底部照明环境对光环境的贡献为材料的反射作用。侧面照明环境主要考虑侧壁装饰板材(以下简称板材),底面照明环境主要考虑路面的贡献。基于上述讨论，可以从隧道光环境模型中提取照明设备、侧壁装饰板材及路面3个主要因素。路面是隧道光环境一个重要组成部分，不同材料的反射率会有很大差异，从而影响隧道内的光线分布。然而，通常隧道内路面选型并不由光环境系统决定，而是与隧道结构设计相关，因此优化隧道光环境系统并不能够依靠路面材质的改变。为了便于不同系统间的比较，假定各系统采用完全相同的路面材料，在隧道光环境评价模型中不考虑路面的碳排放量及其造价。

图1 光环境评价模型 下载原图

Fig.1 Evaluation Model of Light Environment

1.2 光环境全寿命阶段划分

从隧道全寿命周期的角度来看，规划、建设、运营和回收构成一个完整的周期循环。就整个系统生命周期而言，光环境规划及拆除回收产生的碳排放与经济成本占比很小，故不纳入本文的主要考虑范畴。本文从光环境系统建设的生产、运输、施工及其维护角度，考虑其经济成本及绿色成本。按照建设阶段和运营阶段将光环境全寿命周期进行划分，由此构建出碳排放计算模型如式(1)所示

C=Cc+Co (1)

式中：C为隧道光环境全寿命周期碳排放量；Cc为建设期的碳排放量；Co为运营期的碳排放量。

1.3 建设期碳排放模型

可以把建设期碳排放根据形成过程分为3类：照明设备及板材生产加工产生的碳排放、运输产生的碳排放及其安装施工产生的碳排放。按照光环境组成要素进一步拆分成来源于照明设备的碳排放和侧壁装饰板材的碳排放，如式(2)所示

Cc=Cc1+Cc2+Cc3=CB1+CL1+CB2+CL2+CB3+CL3 (2)

式中：Cc1、Cc2、Cc3分别为原材料生产加工、材料运输及施工设备施工产生的碳排放；CB1、CB2、CB3分别为板材生产、运输及安装产生的碳排放；CL1、CL2、CL3分别为照明设备生产、运输及安装产生的碳排放。

照明设备、侧壁装饰板材及路面构成光环境的主要组成要素。其中，板材生产及更换产生的碳排放量CB1与板材的生产制作工艺密切相关。不同的生产工艺，意味着每个加工阶段经历的温度变化不同，能量消耗也会有很大差异。设板材的生产过程需要经过n个温度升高阶段，每个温度变化阶段所需要的能量用Q1、Q2、Q3、…、Qn表示

Qi=cmΔTi (3)

式中：i为温度升高阶段标号；c为板材的比热容；m为板材的质量；ΔTi为第i个温度变化阶段升高的温度。

电能是隧道工程建设运营的主要能源之一。尽管电能不直接形成碳排放，但站在全寿命周期的视角，电力的生产和配送中的碳排放不可忽视。碳排放系数是指消耗单位物质或能量伴随产生的温室气体量，是表征某种物质或能量温室气体排放特征的重要参数。电力的碳排放系数取决于发电形式，不同发电形式相应的电力碳排放系数相差很大。因而电力碳排放系数的测定数值需要根据实际情况进行选定。在地域上，国外机构的测定数值不能代表中国的实际情况，且中国不同区域电网的电力结构也不尽相同，需要对电力结构实际情况进行推测估算<17>。目前中国计算电力排放系数多选取容量边际排放因子(BM)和电量边际排放因子(OM)的加权平均值，即各占50%的数值<17>,2019年华东区域电网基准线排放因子为0.590 kg·CO2·kW-1·h-1。板材生产工艺中每个温度变化阶段需消耗的电能乘以相应的电力碳排放系数得到板材生产的碳排放量

CB1=∑i=1pQiEFαCB1=∑i=1pQiEFα (4)

式中：p为温度变化阶段数；EF为研究区域的电力碳排放系数；α为单位换算系数，α=2.777 8×10-7 kW·h·J-1。

照明设备是隧道光环境另一个重要的组成部分。设共使用k种不同的照明设备，可以用集合A={A1,A2,A3,…,Ak}表示照明系统中所有的照明设备，其中Ai表示第i种照明设备。向量n(A)=(n1,n2,n3,…,nk),其中ni为第i种照明设备的数量；下角标(A)表示该向量的元素与集合A中的照明设备一一对应，即该k维向量的第i项元素对应的照明设备Ai。A及n(A)根据照明设施的工程量清单确定。图1中用I(A)表示照明设备及安装参数的特征信息。照明设备的生产加工产生的碳排放量CL1的数学模型如式(5)所示

CL1=n(A)EF(A)=∑i=1kniEFiCL1=n(A)EF(A)=∑i=1kniEFi (5)

式中：向量EF(A)=(EF1,EF2,EF3,…,EFk),其中EFi为生产照明设备Ai的碳排放因子。

材料运输过程的排放与运输方式以及运输距离相关，材料运输产生的碳排放量为

式中：mi为第i种运输方式的运输量；Li为第i种运输方式的运输距离；c(2)ii(2)为第i种运输方式的碳排放系数；ε为运输周转率；q为运输方式的种类；mBi为板材运量；mLi为照明设备运量。

表1给出了公路隧道原料运输各类运输方式的碳排放系数，包括水路运输、航空运输、公路运输和铁路运输<17>。

表1 交通运输方式CO2排放系数<17>17> 导出到EXCEL

Table 1 CO2Emission Factors of Transportation Facility<17>17>

设备安装施工产生的碳排放量的计算公式为

式中：Ui为i类能源的消耗量；c(3)ii(3)为第i种能源的碳排放系数；η为安装设备效率；r为消耗的能源种类；UBi为板材能耗量；ULi为照明设备能耗量。

公路隧道施工中机械消耗的主要能源包括燃料油、汽油、柴油和电能。表2给出了这此能源的碳排放系数<18>。

表2 主要能源消耗CO2排放系数<18>18> 导出到EXCEL

Table 2 CO2Emission Factors of Main Energy Source Consumption<18>18>

从工程量清单中获取相应数据，再根据式(6)、(7)分别计算Cc2、Cc3及CB2、CB3。将式(3)～(7)代入式(2),建设期碳排放量的计算模型如式(8)所示

1.4 运营期碳排放模型

运营期排放的最主要来源是照明材料的定期更换与照明设备的照明用电。运营期碳排放量可以表示为

Co=Co1+Co2 (9)

式中：Co1、Co2分别为照明材料的定期更换碳排放量及照明设备的照明用电碳排放量。

照明材料的定期更换碳排放量Co1为

Co1=CB

QTTB−1QΤΤB-1

+CL

QT×365tTL−1QΤ×365tΤL-1

(10)

式中：CB为板材一次维护产生的碳排放，CB=CB1+CB2+CB3;CL为照明设备一次维护产生的碳排放，CL=CL1+CL2+CL3;t为日照明时长；QT为运营时长，即隧道达到运营阶段的寿命极限，板材的使用年限为TB;灯具的使用寿命为TB,LED灯具使用寿命一般为50 000 h;

为向上取整符号，取不小于自身的最小整数。

照明设备的照明用电碳排放量Co2为

Co2=(n(A)P(A))×t×365QTEF (11)

式中：P(A)为定义在集合A的k维空间的照明设备功率的k维向量；Pi为照明设备Ai的功率。

1.5 全寿命周期成本评价模型

光环境全寿命周期包括其建造、运营和维护阶段。隧道光环境全寿命周期成本代表了该系统设计寿命期内所需的所有经济资源，包括建造必要设施和构筑物所需的初始资本成本及用于整个项目设计寿命期内为改进和维护项目产生的后续运营和维护成本。资本成本仅限于最初几年的建设期，而运营和维护成本则是在整个设计寿命期间产生的。通常采用净现值考虑时间对成本的影响。本节将分别讨论建设阶段成本和运营阶段成本，如式(12)所示

S=Sc+So (12)

式中：S为隧道光环境全寿命成本净现值；Sc为建设期成本净现值；So为运营期成本净现值。

隧道建设期成本为Sc,由式(13)计算

Sc=mr+∑i=1kSc=mr+∑i=1kniRi (13)

式中：向量R(A)=(R1,R2,R3,…,Rk),其中Ri为照明设备Ai的单价；m为板材的质量；r为单位质量板材的成本。

隧道运营期成本So是将各年度用电成本、维护成本及清洁成本折现后再累加求得，由式(14)计算

  So=∑i=1QTs(i)o(1+Dis)i         (14)   s(i)o=s(i)o1+s(i)o2+s(i)o3         (15)  So=∑i=1QΤso(i)(1+Dis)i         (14)   so(i)=so1(i)+so2(i)+so3(i)         (15)

式中：s(i)o1o1(i)、s(i)o2o2(i)、s(i)o3o3(i)、s(i)o分别为第i个年度的用电成本、维护成本、清洁成本及运营总成本；Dis为折现率，按照社会折现率8%计算。

运营期内一个年度用电成本、维护成本及清洁成本的现净流量分别由式(16)～(18)给出

s(i)o1o1(i)=n(A)P(A)×t×365K(1+Δ1)i-1 (16)

s(i)o2=(1+Δ2)i−1∑i=1kniRi(365tΤL)>(1+Δ2)i-1 (17)

s(i)o3o3(i)=(BN∑i=1kni)(BΝ∑i=1kni)(1+Δ3)i-1 (18)

式中：K为用电成本；B为单盏单次清洁成本；N为平均每年清洁次数；各项费用按照每年Δ1、Δ2、Δ3的比例增长。

1.6 隧道光环境评价模型

根据《公路隧道照明设计细则》,隧道内地面平均照度是布设方式与灯具参数的函数，记作L(I(A))。因为碳排放与成本度量标准不同，量纲一化处理将不同度量标准统一，可以实现直接比较和分析。隧道光环境评价模型着重考虑安全性、绿色性以及经济性3个方面，基于以上讨论，隧道光环境评价模型可以表示为

minY=k1SSmax+k2CCmax         (19)   s.t.⎧⎩⎨⎪⎪L(I(A))>L0k1+k2=1k1>0,k2>0         (20)minY=k1SSmax+k2CCmax         (19)   s.t.{L(Ι(A))>L0k1+k2=1k1>0,k2>0         (20)

式中：Smax为所有方案中成本的最大值；Cmax为所有方案中碳排放最大值；k1和k2分别为成本偏好权重和碳排放偏好权重；L0为亮度设计值；Y为目标函数，是碳排放量及造价量纲一标准化处理后的加权平均值。

目标函数Y综合了碳排放量和造价，根据一定的偏好权重得出，可衡量光环境系统的绿色性及经济性2个方面，是评价模型中的关键指标，定义如式(19)所示。式(20)是评价模型的约束条件，即隧道照明设计规范要求的路面照度不低于规范要求的最低照度，是光环境安全性的约束条件。综上，评价模型着重考虑隧道光环境的3个关键方面，即安全、绿色和经济。

2 隧道光环境碳排放计算程序

2.1 计算程序架构

基于上述计算模型，为提高公路隧道光环境评估信息化水平，规范碳排放数据交换格式，方便碳排放数据的交换、共享与应用，研究团队自主研发了计算程序用于隧道光环境的碳排放计算。如图2(a)所示，输入数据分为2个步骤：第1步需要建立统一的公路隧道光环境的全寿命周期碳排放数据采集格式，输入的基本参数包括电力排放系数、运输周转率、隧道寿命周期使用年限、照明设备照明时长等；第2步导入照明方案Excel标准格式的数据，以建材类型为一个单位条目，每个条目的数据包括材料的质量、生产排放系数、运输距离、运输方式、能源类型、安装能耗、使用寿命及功率等。导入的Excel标准格式的数据在程序中以Python扩展程序库Pandas的基本格式DataFrame结构储存，便于实现向量化计算。如图2(b)所示，导入数据后进行照明方案分析，依次进行建设期碳排放计算和运营期碳排放量计算。建设期排放根据阶段可以分为3个步骤，分别为原材料生产加工、材料运输及材料施工安装。运营期排放分为2个步骤，依次计算材料更换产生的碳排放量和照明用电产生的碳排放量。

图2 碳排放计算程序架构 下载原图

Fig.2 Carbon Emission Calculation Program Architecture

2.2 结果分析与输出

照明方案分析完毕后，程序会将各分项的碳排放量值以csv格式导出以备方案比较使用。分析结果除了输出具体量值，还可根据运营时间形成可视化的图表，按照建设期、运营期、全寿命周期3个阶段生成相应的可视化图表如图3(a)所示。各方案导入完毕后将对各方案进行比较，程序从前述方案的输出结果中自主读取数据并进行处理，按照各阶段输出分析结果<图3(b)>。

图3 碳排放计算程序结果输出 下载原图

Fig.3 Output of Carbon Emission Calculation Program Results

3 应用案例分析

研究对象选取杭州市某隧道，应用建立的光环境评价模型对其内环境照明方案进行比选。隧道工程范围全程约2.7 km, 采用双向四车道，设计时速60 km·h-1,车道宽度3.75 m+3.5 m, 车道净高4.5 m, 最大纵坡5%。在该隧道工程的设计阶段，基于板材选用及灯具布设的不同，共形成了5个光环境照明方案。5个方案均通过了照明设计的安全性评价，即满足式(20)的要求，在下述应用案例分析中着重考虑对评价模型中目标函数Y的计算。

3.1 光环境方案概况

该方案Ⅰ～Ⅴ的效果图如图4所示，各方案顶部照明环境及侧面照明环境如表3所示，方案具体尺寸参数限于篇幅不再赘述。

3.2 光环境全寿命周期成本

本文第1.5节提供了隧道光环境的建设成本、基本年度运营和维护成本的计算模型。建设期统计包括各个方案的灯具、发光板在内的照明部分及包括各个方案的搪瓷板、石塑板、防火板、各类涂料、诱导标在内的各装饰部分的造价。由于建设和运营维护阶段都很重要，因此将使用净现值(NPV)分析隧道各阶段的成本。用电成本、维护成本在隧道的整个设计寿命期间按1%增长，由于人工费增长，清洁维护费按每年3%的比例增长。社会折现率按照《建设项目经济评价方法与参数》取8%,计算项目的净现值。按照公路隧道设计使用年限计算光环境全寿命周期成本，隧道全寿命周期取为100年。隧道光环境全寿命周期成本如图5所示。运营模式很大程度上决定了运营期成本。半天运营的模式下，不仅可以节约一半的用电开支，而且由于缩短了照明设备的工作时间，也会延长其使用寿命进而降低其更换频率。据测算结果显示，全天运营模式的成本平均高出半天运营的33%,最高可达半天运营模式成本的1.5倍。如图6以方案Ⅳ半天运营模式的数据为例，照明设备购置占光环境总成本40%以上。

图4 某隧道光方案效果图 下载原图

Fig.4 Effect Pictures of Schemes of the Tunnel

3.3 光环境全寿命周期碳排放

各方案在建设期的碳排放量如图7(a)所示，方案Ⅰ和Ⅱ在建设期的碳排放量是方案Ⅲ～Ⅴ的2倍以上。不同于隧道工程的整体土建投入，光环境建设的体量较小，故而其建设及更换产生的碳排放量水平也相对较低。照明耗电是光环境与周围环境最主要的交互方式<19>,如图7(b)所示，对比各方案的半天运营期碳排放，差异性更为明显，尤其是方案Ⅳ和Ⅴ由于降低了照明的总能耗，其碳排放量明显低于方案Ⅰ～Ⅲ。隧道光环境的建设期碳排放要远低于运营期，说明应需要通过有效的手段对照明系统进行系统优化，降低照明设备功耗，增加隧道壁面和路面反射，从而减少隧道照明的碳排放量。

综合建设期及运营期的碳排放量，可以得到各方案半天运营和全天运营2种模式下隧道全寿命周期碳排放量。所有方案全寿命周期的碳排放量如图8所示，全天运营模式下的碳排放总量略小于半天运营方案的2倍，对比各个方案的碳排放总量，由于照明方案总功率的差异，方案Ⅰ～Ⅲ的碳排放量约为方案Ⅳ的3倍，方案Ⅴ的2倍。在全寿命周期范围内形成的碳排放差异显著，按照全天运营的模式，排放量最高的方案比排放量最低的方案多出了逾5 000 t。

3.4 隧道光环境全寿命周期评价

将各方案的经济成本和绿色成本代入式(19)中，计算成本偏好权重k1在<0,1>间不同取值下各个方案目标函数Y的结果，Y值越小表示方案经济成本及绿色成本越低，整体效应越好。全天运营模式下各方案评价结果如图9所示。在所有方案中，无论是造价还是碳排放量，方案Ⅰ都最高。因而方案Ⅰ成为所有方案的界限方案，其目标函数Y的取值不随成本偏好权重k1的改变而改变。其他4个方案中，方案Ⅳ和Ⅴ在运营成本上有优势，且具备碳排放偏向，即当用户重视绿色成本时，它们有更低的目标函数值。综合目标函数评价结果及上述讨论，各方案全寿命周期评价指标由小到大依次为：方案Ⅳ<方案Ⅴ<方案Ⅱ<方案Ⅲ<方案Ⅰ。数值越小表示具有更低造价及更低排放，即经济性和绿色性更好。综上所述，顶部采用多功能景观涂料，顶部肋角处安装间距10 m的延时发光照明灯具，侧壁采用石塑板的方案Ⅳ为5个方案中的最优方案。由上述方案分析可知，基于碳中和目标，绿色优势在光环境设计中可起到主导作用，绿色创新和环境导向的工艺优势显著影响方案的全寿命周期评价<20>,是隧道工程中发挥碳中和作用的主导方向之一。

表3 各方案顶部照明环境及侧面照明环境 导出到EXCEL

Table 3 Top Lighting Environment and Side Lighting Environment of All Schemes

图5 方案经济性对比 下载原图

Fig.5 Cost of All Schemes

图6 方案Ⅳ半天运营模式全寿命周期成本占比 下载原图

Fig.6 Life Cycle Cost Percentages of Scheme Ⅳ with Half-day Operating

图7 各方案建设期及运营期碳排放量对比 下载原图

Fig.7 Carbon Emission of Construction and Operation Between Different Schemes

图8 隧道光环境全寿命周期碳排放量 下载原图

Fig.8 Life Cycle Carbon Emission in Tunnel Light Environment

图9 隧道光环境全寿命周期评价指标 下载原图

Fig.9 Tunnel Light Environment Life Cycle Evaluation Index

4 结 语

本文建立了隧道光环境全寿命周期的评价模型，并根据理论模型开发了隧道光环境碳排放计算程序，结合某隧道工程实际案例，对隧道光环境设计要素进行分析，给出了全寿命周期的评价结果和选型建议，依照建立的评价指标可以形成隧道光环境的定性和定量判断。主要结论如下：

(1)针对安全、经济、低碳的目标，提出了隧道光环境全寿命周期计算方法；根据隧道光环境设计参数，构建综合经济成本及碳排放量的目标函数。目标函数根据不同的偏好权重，综合了造价和碳排放的计算，是评价模型的核心。依托目标函数并结合安全性的约束条件，最终可形成公路隧道全寿命周期多维度的评价模型。

(2)根据上述理论模型，针对碳排放计算中数据标准不统一和采集困难的问题，开发了隧道光环境碳排放计算程序。在搭建计算模型过程中，建立了统一的公路隧道光环境的全寿命周期碳排放数据采集格式，使数据采集和分析形成了标准化流程，以向量化计算为主要方式，可根据运营时间形成可视化的图表并输出分析结果，实现了有效的方案量化分析比较和参数化计算流程。

(3)通过数据整合，使用本文提出的碳排放计算模型得到了板材及照明设备系统边界内的包括原材料生产、运输及安装各环节的碳排放。通过程序计算，分别考虑了初始成本(即板材和照明设备建设)以及运营和维护成本，使用净现值分析隧道各阶段的成本。全天运营模式的成本平均高出半天运营的33%,最高可达半天运营模式成本的1.5倍，运营时长会极大影响光环境全寿命周期成本。

(4)根据测算结果，综合建设期及运营期的碳排放量，隧道照明用电贡献了整个生命周期主要碳排放量，是光环境生命周期内碳排放最主要的来源，对照明系统的优化设计具有重要的意义。基于碳中和目标，绿色优势在光环境设计中可起到主导作用，绿色创新和环境导向的工艺优势显著影响方案的全寿命周期评价，是隧道工程中发挥碳中和作用的主导方向之一。

(5)本文进行碳排放的计量涉及许多数据和假设，一定程度损失了计算结果的准确性。碳排放量难以得到绝对准确的结果，使得不同研究之间的绝对数值不具有可比性，对同一项目的不同研究可能会得出不同的评价结果。由此可见，对其计算结果的不确定性进行分析，量化其不确定度，表明不确定性的来源是很有必要的。

参考文献

<1> 洪开荣，冯欢欢.中国公路隧道近10年的发展趋势与思考.中国公路学报，2020,33(12):62-76.HONG Kai-rong,FENG Huan-huan.Development Trends and Views of Highway Tunnels in China over the Past Decade .China Journal of Highway and Transport,2020,33 (12):62-76.

<2> PRITCHARD J A,PRESTON J,PRESTON J.Understanding the Contribution of Tunnels to the Overall Energy Consumption of and Carbon Emissions from a Railway .Transportation Research Part D:Transport and Environment,2018,65:551-563.

<3> 蔡伟光，蔡彦鹏.全国建筑碳排放计算方法研究与数据分析.建设管理研究，2019(2):61-76.CAI Wei-guang,CAI Yan-peng.National Construction Carbon Emission Calculation Method Research and Data Analysis .Construction Management Research,2019 (2):61-76.

<4> 张凯，李岳岩.国内高层钢筋混凝土结构住宅建筑全生命周期碳排放对比分析.城市建筑，2020,17(25):36-38.ZHANG Kai,LI Yue-yan.Comparative Analysis of Carbon Emission in the Whole Life Cycle of High-rise Reinforced Concrete Residential Buildings in China .Urbanism and Architecture,2020,17 (25):36-38.

<5> 刘依明，刘念雄.建筑生命周期评估中碳排放计算的重要意义.住区，2020(3):46-51.LIU Yi-ming,LIU Nian-xiong.The Importance of Carbon Emission Calculation in Building Life Cycle Assessment .Design Community,2020 (3):46-51.

<6> 薛晓东.建筑生命周期碳排放评价.四川水泥，2019(12):301.XUE Xiao-dong.Carbon Emission Assessment of Building Life Cycle .Sichuan Cement,2019 (12):301.

<7> AHN C,HUA X,LEE S H,et al.Carbon Footprints Analysis for Tunnel Construction Processes in the Preplanning Phase Using Collaborative Simulation // RUWANPURA J,MOHAMED Y,LEE S H.Construction Research Congress 2010:Innovation for Reshaping Construction Practice.Washington DC:ASCE,2010:1538-1546.

<8> GUO C,XU J,YANG L,et al.Life Cycle Evaluation of Greenhouse Gas Emissions of a Highway Tunnel:A Case Study in China .Journal of Cleaner Production,2019,211:972-980.

<9> MILIUTENKO S,AKERMAN J,BJÖRKLUND A.Energy Use and Greenhouse Gas Emissions During the Life Cycle Stages of a Road Tunnel the Swedish Case Norra Länken .European Journal of Transport & Infrastructure Research,2012,12 (1):39-62.

<10> 李乔松，白云，李林.盾构隧道建造阶段低碳化影响因子与措施研究.现代隧道技术，2015,52(3):1-7.LI Qiao-song,BAI Yun,LI Lin.Study of Influential Factors and Measures for Low Carbonization During the Construction of Shield Tunnels .Modern Tunneling Technology,2015,52 (3):1-7.

<11> 郭春，徐建峰，张佳鹏.隧道建设碳排放计算方法及预测模型.隧道建设(中文版),2020,40(8):1140-1146.GUO Chun,XU Jian-feng,ZHANG Jia-peng.Calculation Methods and Prediction Models of Carbon Emission of Tunnel Construction .Tunnel Construction,2020,40 (8):1140-1146.

<12> WANG X W,DUANZ Y,WU L S,et al.Estimation of Carbon Dioxide Emission in Highway Construction:A Case Study in Southwest Region of China .Journal of Cleaner Production,2015,103:705-714.

<13> RODRÍGUE Z R,PÉREZ F.Carbon Foot Print Evaluation in Tunneling Construction Using Conventional Methods .Tunneling and Underground Space Technology,2021,108:103704.

<14> 涂耘，王少飞，邓欣.基于低碳理念的公路隧道绿色照明技术研究.公路隧道，2013(3):10-15.TU Yun,WANG Shao-fei,DENG Xin.Research on Green Lighting Technology of Highway Tunnel Based on Low Carbon Concept .Highway Tunnel,2013 (3):10-15.

<15> 王炳刚，冯雷，陈霞.公路隧道智能照明系统设计.科技风，2014(23):131-132.WANG Bing-gang,FENG Lei,CHEN Xia.Design of Intelligent Lighting System for Highway Tunnel .Technology Wind,2014 (23):131-132.

<16> 田军.公路隧道照明智能节能系统设计与研究.西安：长安大学，2015.TIAN Jun.Study and Design of Intelligent Energy-saving System for Highway Tunnel Lighting .Xi'an:Chang'an University,2015.

<17> 赵秀秀.绿色建筑全生命周期碳排放计算与减碳效益评价.大连：大连理工大学，2017.ZHAO Xiu-xiu.The Calculation of Green Building Lifecycle Carbon Emission and the Evaluation of Carbon Reduction Benefit .Dalian:Dalian University of Technology,2017.

<18> 王贤卫，吴灵生，杨东援.高速公路建设CO2排放计算分析.公路交通科技，2014,31(2):150-158.WANG Xian-wei,WU Ling-sheng,YANG Dong-yuan.Calculation and Analysis of CO2 Emission from Expressway Construction .Journal of Highway and Transportation Research and Development,2014,31 (2):150-158.

<19> QIN L,SHI X,LEON A S,et al.Dynamic Luminance Tuning Method for Tunnel Lighting Based on Data Mining of Real-time Traffic Flow .Building and Environment,2020,176:106844.

<20> ZAMEER H,WANG Y,VASBIEVA D G,et al.Exploring a Pathway to Carbon Neutrality via Reinforcing Environmental Performance Through Green Process Innovation,Environmental Orientation and Green Competitive Advantage .Journal of Environmental Management,2021,296:113383.