1 城市軌道交通與節(jié)能

1.1 城市軌道交通是節(jié)能的公共交通

城市軌道交通相對于其它城市公共交通工具而言，具有安全、快速環(huán)保、運能大和能源消耗少的特點。按照同等運能比較，軌道交通的能耗只相當(dāng)于小汽車的1/9，公交車的1/2。因此，軌道交通本身就具有重要的節(jié)能減排意義。城市軌道交通相對于其它城市交通工具的另一個特點是以耗電能為主，而不是燃油。石油作為國家核心能源，是工業(yè)經(jīng)濟的命脈，當(dāng)今世界幾乎所有國家都把石油安全置于能源戰(zhàn)略的核心位置。石油安全直接關(guān)系到國家能源安全，關(guān)系到經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。因此在特大城市、大城市中，以城市軌道交通為骨干、提高占公共交通的出行比例，符合國家宏觀經(jīng)濟層面的能源政策，有利于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。

我國城市交通節(jié)能的措施之一，是建立綠色城市交通系統(tǒng)，應(yīng)對城市化進程和交通機動化快速增長的挑戰(zhàn)，構(gòu)建可持續(xù)性的城市交通系統(tǒng)模式。超大、特大城市將加快軌道交通建設(shè)，形成立體城市交通系統(tǒng)，大力發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)。通過優(yōu)化城市交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和完善城市間交通模式，提高城市交通系統(tǒng)效率并達到系統(tǒng)節(jié)能目的。

2 城市軌道交通節(jié)能意義

城市軌道交通的節(jié)能減排工作也十分重要。雖然按同等運能比較，軌道交通能耗比其他形式交通方式小，但由于其大運量的特點，使得總耗電量相當(dāng)大，是耗能大戶，仍有節(jié)能潛力。因此，軌道交通建設(shè)和運營在遵循以人為本，方便旅客的出行和換乘，做到“方便、快捷、準時、舒適”等原則的同時，作為重點用能單位，嚴格遵守《中華人民共和國節(jié)約能源法》合理用能的原則，一直致力于加強節(jié)能管理、推進技術(shù)進步、提高能源利用效率、減少環(huán)境污染方面的研究。國家發(fā)展和改革委員會在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目審批程序中也要求必須進行“節(jié)能專篇”的研究，要求項目應(yīng)遵循的合理用能標(biāo)準及節(jié)能設(shè)計規(guī)范、項目能源消耗種類和數(shù)量分析、項目所在地能源供應(yīng)狀況分析、能耗指標(biāo)、節(jié)能措施和節(jié)能效果分析等內(nèi)容。應(yīng)結(jié)合具體運營規(guī)模、技術(shù)標(biāo)準和工程實施條件，進行城市軌道交通節(jié)能研究，并將具體措施融合到建設(shè)中。

節(jié)能涉及到多項專業(yè)技術(shù)，應(yīng)以有限的能源消耗取得最大的經(jīng)濟利益為目標(biāo)，充分調(diào)動各方面積極因素，把節(jié)能分析、節(jié)能設(shè)計、節(jié)能管理緊密結(jié)合起來，達到降低綜合能耗指標(biāo)的目的。

3 城市軌道交通節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題

3.1 城市軌道交通主要能耗種類

在軌道交通運營過程中主要消耗電能，基本不消耗其它形式的能源。耗電可以將其歸結(jié)為車輛運行的牽引耗電和其它設(shè)備耗電兩大類。

據(jù)初步統(tǒng)計，北京地鐵1992年一線、環(huán)線正線的全年牽引耗電量為80196300kw/h，占全年總耗電量的70.6%，其余為動力照明耗電，以及車輛段、停車場的牽引耗電，調(diào)試、維修等耗電。以北京地鐵為例，2002年一線地鐵全年耗電量52139240kw/h，環(huán)線地鐵全年耗電量為75751220kw/h，復(fù)八線地鐵全年耗電量為50734670kw/h，三條線全年耗電總量為178625130kw/h。其中三條線路的牽引耗電總量占全年總耗電量的57%。新建的城市軌道交通工程除上述耗電內(nèi)容外，還需增加車站空調(diào)和車輛空調(diào)等耗電。

3.2 目前城市軌道交通能耗方面的問題

能源消耗總量過大是目前城市軌道交通面臨的一大問題。軌道交通運營成本高居不下的問題日顯突出，其中有近50%來自于列車牽引能耗。按照目前我國城市軌道交通的發(fā)展速度，城市軌道交通的能耗將達到相當(dāng)?shù)囊?guī)模。應(yīng)該說，盡快找到大幅降低軌道交通運行能耗的方法，已成為保持城市軌道交通高速度可持續(xù)發(fā)展必須解決的重要問題之一。北京軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃用電總量的趨勢圖如圖1所示。

根據(jù)以往多年的建設(shè)和運營經(jīng)驗數(shù)據(jù)，城市軌道交通列車牽引供電系統(tǒng)和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是軌道交通中最主要的用電大戶，分別占到軌道交通系統(tǒng)總能耗的1/2和1/3，節(jié)能潛力也相對最大。對于其它設(shè)備系統(tǒng)，雖然能耗比例不高，但能耗總量也不低，結(jié)合高效低耗設(shè)備及其它節(jié)能措施的應(yīng)用，也存在一定的節(jié)能潛力。

通過對北京及全國各地既有城市軌道交通線路運營情況的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)電能費用占城市軌道交通運營費的50%左右，車輛牽引用電又占城市軌道交通用電的50%以上。用目前城市軌道交通電動車組普遍采用“再生制動+電阻制動+機械制動”的制動方式，制動能量可達到牽引能量的30%以上，部分再生制動的能量可以被線路上相鄰車輛吸收，如不能被吸收則轉(zhuǎn)換為電阻或空氣制動，制動能量被白白消耗，初步估算該部分消耗的電能占制動能量的40%左右。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為城市軌道交通中的重要設(shè)備系統(tǒng)之一，是城市軌道交通運行的能耗大戶，其用電量排在牽引供電之后，位居第二;在運營初期的特定條件下，其用電量甚至超過牽引供電，成為第一用電大戶。因此，如何降低城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行能耗，是解決城市軌道交通運營能耗過高問題的重要內(nèi)容。

4 已采用的主要節(jié)能降耗措施

1)線路選線與運營組織重視節(jié)能

線路節(jié)能設(shè)計主要考慮盡可能優(yōu)化曲線半徑，以減少車輛行駛過程中因曲線阻力大而增加電耗;優(yōu)化線路節(jié)能坡，設(shè)置合理的進出站坡度，使列車進站時上坡，將動能轉(zhuǎn)化為勢能，列車出站時下坡，再將勢能轉(zhuǎn)化為動能，這樣有利于減少牽引能耗;線路縱坡設(shè)計還綜合考慮泵站位置等設(shè)備布置，以達到優(yōu)化、合理、經(jīng)濟、節(jié)約能源的目的。

確定全線的總體運營規(guī)模、合理確定利車編組、合理設(shè)置運營交路、合理安排列車運營對數(shù)等技術(shù)措施，將有效降低人車公里能耗。

2)車輛節(jié)能

選用調(diào)頻調(diào)壓控制的交流牽引系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過變頻調(diào)速避免了列車調(diào)速時由附加電阻消耗掉大量的電能，也不會因附加電阻的發(fā)熱提高隧道內(nèi)的溫度而要求增加通風(fēng)量和制冷電能。該系統(tǒng)能有效利用再生制動，利用車輛行車密度大、不同車輛同時處于不同牽引、制動工況的概率較高的特點，可較多地回收車輛制動能量。理論上可回收25%左右。選用輕體車輛。車輛采用不銹鋼車體，車輛自重比普通鑄鋼車體約減少3t，用等能量比較的方法推算，每輛車可節(jié)約運送50位乘客所需的能量。隨著車體自重的減輕，相應(yīng)能減輕輪軌磨耗，減少維修量等附加節(jié)能效果。

采用列車自動控制節(jié)能。電動客車采用微機控制自動駕駛。在信號系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)線路的坡道、彎道及列車載重等情況，設(shè)計自動駕駛ATO曲線，自動調(diào)整行駛速度，控制隨行點使電動客車永遠處于最佳運行狀態(tài)，以便減少電耗，達到更進一步節(jié)能的目的。

3)供電系統(tǒng)節(jié)能

牽引供電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計。合理設(shè)置中壓供電網(wǎng)絡(luò)接線形式，既減少系統(tǒng)電纜的長度，也可以減少開關(guān)設(shè)備數(shù)量，降低設(shè)備損耗和線路損耗，達到節(jié)能的效果。合理設(shè)置各種類型變電所。牽引網(wǎng)采用導(dǎo)電率較高的鋼鋁復(fù)合接觸軌，牽引網(wǎng)電能損失較少，減少變電所的空載能耗。牽引變電所預(yù)留設(shè)置車輛再生儲能設(shè)備安裝條件，如果每座變電所均設(shè)置該設(shè)備，每年可降低牽引用電量約5%左右。選用環(huán)保節(jié)能設(shè)備，如配電變壓器選用非晶合金變壓器，雖然一次投資有所增加，但是長期運行與普通變壓器相比，可節(jié)約相當(dāng)電能。

動力照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計。動力照明配電設(shè)計按照負荷分級供電的原則進行，對各種負荷，按其重要程度分為一、二、三級。減化了供電系統(tǒng)，節(jié)約配電設(shè)備。采用集中無功自動補償和和分散無功補償措施，提高功率因數(shù)，降低線路損耗。在照明產(chǎn)品的選擇上，選擇高效、節(jié)能的光源、燈具。選用先進節(jié)能的電機電器設(shè)備，電扶梯及大型風(fēng)機、水泵等采用變頻控制，節(jié)約設(shè)備用電。從運營管理上，當(dāng)車站高峰過后，可以關(guān)閉部分公共照明設(shè)備，變頻電梯低速運行。

4)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能

系統(tǒng)形式節(jié)能設(shè)計。根據(jù)地區(qū)的氣候環(huán)境條件及對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)方案的比選，城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式。盡量利用列車活塞效應(yīng)，從而采用自然通風(fēng)方式，節(jié)省風(fēng)機的能耗。

風(fēng)機變頻控制。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備一般按遠期高峰小時運行情況進行配置，而系統(tǒng)負荷隨列車的對數(shù)、客流的變化而變化。在運行初期、近期客流及行車對數(shù)遠沒有達到設(shè)計水平，因此設(shè)備容量有較大的富裕量;同樣在非高峰時段的系統(tǒng)負荷較高峰時段也有較大的差距，也存在設(shè)備容量富裕的問題。

表冷器開啟降低能耗。該設(shè)備設(shè)計為門式，兩側(cè)設(shè)軸，可以在通風(fēng)季節(jié)電控延軸開啟，降低系統(tǒng)的通風(fēng)阻力和能耗。根據(jù)實測結(jié)果，8萬m3/h的組合式空調(diào)機組，表冷器打開前的風(fēng)機功率為50kw，打開后風(fēng)機功率降為36.8kW。通過表冷器開啟，在通風(fēng)季節(jié)能耗可以降低28%左右。對于通風(fēng)季節(jié)長的城市來說，節(jié)能意義非常重大。

采用節(jié)能運行模式。由于城市軌道交通內(nèi)部的發(fā)熱量大，具有全年熱負荷的特性，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)充分利用非空調(diào)季節(jié)室外的天然冷源對城市軌道交通內(nèi)部進行冷卻，盡量減少空調(diào)系統(tǒng)的運行時間，節(jié)約能耗。

其它節(jié)能措施。車站的各風(fēng)機及空調(diào)機組，根據(jù)環(huán)境的變化自動啟動或停止設(shè)備，減少不必要的能耗。采用有效的空調(diào)風(fēng)管、冷媒管等保溫措施，減少冷量運輸能耗。選用合理的室內(nèi)溫濕度標(biāo)準，盡量取用溫濕度的上限值，以減少空調(diào)冷負荷，降低制冷能耗。詳細計算空調(diào)負荷及管路水力計算，選用合適的設(shè)備容量以避免浪費。

5)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)能

采用綜合監(jiān)控系統(tǒng)對全線各車站內(nèi)的變電所系統(tǒng)設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備、給排水系統(tǒng)設(shè)備、電梯系統(tǒng)設(shè)備、低壓照明系統(tǒng)設(shè)備進行綜合性的監(jiān)控與調(diào)度管理。可以對全線的變電所系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備進行集中管理;根據(jù)不同季節(jié)、各車站不同的客流情況、室內(nèi)外的環(huán)境情況，做到合理送排風(fēng)(空調(diào))，使空調(diào)得到有效的利用;通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)程序的合理設(shè)計、運營調(diào)度人員的合理組織可以減少能耗損失。

6)給排水系統(tǒng)

最大限度地利用市政自來水供水壓力，采用生產(chǎn)生活用水由市政自來水直接供水，消防給水系統(tǒng)平常運行時盡量市政自來水穩(wěn)壓。選用行之有效的新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備，以提高供水的安全可靠性，降低能耗和水損。車輛段應(yīng)最大限度地利用市政自來水供水壓力，給水加壓采用變頻供水設(shè)備或無負壓供水設(shè)備，職工浴室熱源可采用太陽能熱水器。車輛沖洗和檢修廢水經(jīng)處理、消毒后再回用于洗車或沖洗零部件，既節(jié)約用水，又保護環(huán)境，完全符合國家節(jié)能環(huán)保政策。建立中水處理和回用系統(tǒng)，并考慮雨水利用，以最大限度地節(jié)約水資源，進而減少環(huán)境污染。在有條件收集、處理和利用雨水時，應(yīng)盡量利用雨水。

7)自動扶梯

采用具有變頻調(diào)速功能的公共交通重載荷型自動扶梯，其特點是當(dāng)扶梯空駛一段時間后，會自動將運行速度由0.65m/s切換到0.13m/s的節(jié)能運行速度。當(dāng)有人乘坐扶梯時，通過其部傳感器感知到有乘客后，其內(nèi)部變頻器將控制扶梯速度由0.13m/s平穩(wěn)過渡到0.65m/s的正常運行速度，保證及時將乘車送至目的地。

8)車站綜合UPS電源系統(tǒng)

均需要設(shè)置UPS電源，新建城市軌道交通線路的弱電系統(tǒng)如通信、信號、綜合監(jiān)控、AFC等，設(shè)置綜合UPS電源系統(tǒng)，對各設(shè)備系統(tǒng)的UPS電源進行技術(shù)整合設(shè)置。這種方式符合系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢，并具有實現(xiàn)資源共享，減少UPS電源設(shè)備的重復(fù)設(shè)置的節(jié)能效果。

5 城市軌道交通節(jié)能技術(shù)發(fā)展方向

根據(jù)我國目前城市軌道交通的現(xiàn)狀、能源利用情況以及技術(shù)水平，以下幾個方向應(yīng)該作為未來我國城市軌道交通節(jié)能技術(shù)發(fā)展的重點。

1)加快研發(fā)環(huán)保型高架系統(tǒng)技術(shù)

城市軌道交通的高架線路具有建設(shè)安全風(fēng)險小、建設(shè)速度快、投資見效快、運營成本低等優(yōu)點。尤其是節(jié)省運營期的能耗，高架線的運營能耗僅為地下線的0.45倍，節(jié)能效果明顯。但是多數(shù)已建高架線用于大運量城市軌道交通系統(tǒng)上，由于采用了較大軸重A、B型車輛，已運營高架線的振動、噪聲對沿線居住環(huán)境、土地的經(jīng)濟價值確實存在一定的負面影響。

所以應(yīng)該加快開展“環(huán)保型高架系統(tǒng)”的研究，即將高架線路的橋梁梁式、減振降噪綜合控制、景觀等作為一體進行綜合研究。力求解決高架線的振動噪聲、景觀協(xié)調(diào)、沿線土地利用等問題，為擴大高架線路的敷設(shè)提供技術(shù)支持，也才能取得城市軌道交通低耗資、高效益的目的。綜合軌道、軌旁減振降噪系統(tǒng)的技術(shù)措施，力求部分代替或取消聲屏障。適合敷設(shè)高架線的環(huán)境條件及技術(shù)條件研究。

車輛、軌道的減振降噪技術(shù)和產(chǎn)品已有較系統(tǒng)的研究。目前應(yīng)加快開展橋梁梁式對噪聲尤其是結(jié)構(gòu)二次噪聲的影響研究，如研究城市軌道交通U型梁高架線系統(tǒng)等等。同時也需要開展適合高架線敷設(shè)方式的系統(tǒng)制式，應(yīng)采用低噪聲的系統(tǒng)制式，如直線電機系統(tǒng)、跨座式單軌系統(tǒng)等。

2)加快開發(fā)高效、低耗的新型設(shè)備與設(shè)備系統(tǒng)

針對目前城市軌道交通能耗大，能源利用效率較低的現(xiàn)狀，最首要的工作就是抓緊開發(fā)高效、低耗的設(shè)備系統(tǒng)與新型設(shè)備。這里應(yīng)包括設(shè)備系統(tǒng)和設(shè)備兩個部分。

設(shè)備系統(tǒng)的開發(fā)主要是設(shè)計單位在方案研究階段，將系統(tǒng)節(jié)能作為重要的設(shè)計目標(biāo)，并且勇于創(chuàng)新，開發(fā)研究并采用新型的各種節(jié)能方案。例如：在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中采用變頻變風(fēng)量、表冷器可開啟的集成通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng);在控制系統(tǒng)的設(shè)計中采用智能環(huán)境控制系統(tǒng)，對車站與隧道內(nèi)部的溫、濕度、空氣質(zhì)量、照明等進行有效的實時調(diào)控。

設(shè)備的開發(fā)主要是城市軌道交通有關(guān)設(shè)備供貨商通過技術(shù)革新，降低所供設(shè)備的能耗。例如：供電系統(tǒng)的能量回收裝置可以通過回收列車剎車的機械能損耗用于其它列車的牽引供電，可以大大降低列車牽引能耗。但是由于國內(nèi)產(chǎn)品不成熟，目前多采用進口設(shè)備。投資很高，影響了技術(shù)的推廣。此外，集成通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的可電動開啟表冷器也是通過多次技術(shù)研發(fā)產(chǎn)生的節(jié)能產(chǎn)品。

3)提高城市軌道交通裝備節(jié)能標(biāo)準

目前，城市軌道交通尚沒有專用的節(jié)能標(biāo)準，通車套用一般樓宇建筑設(shè)備節(jié)能標(biāo)準。考慮到軌道交通的特殊性與影響性，其標(biāo)準應(yīng)高于一般樓宇建筑設(shè)備的標(biāo)準。對城市軌道交通裝備的能耗標(biāo)準應(yīng)進行嚴格規(guī)定，以便在設(shè)計選型、設(shè)備采購時有據(jù)可依。在軌道交通裝備的招標(biāo)采購中，不應(yīng)簡單地采用低價中標(biāo)原則。應(yīng)綜合考慮設(shè)備的各項性能參數(shù)，突出重點，使國內(nèi)生產(chǎn)廠家對其引起足夠的重視，把精力投入到提高產(chǎn)品性能上來，避免單純的價格惡性競爭。這樣，有利于整個行業(yè)向高端發(fā)展，提高軌道交通的服務(wù)水平。

4)建立城市軌道交通設(shè)計節(jié)能標(biāo)準

目前國內(nèi)尚沒有城市軌道交通設(shè)計節(jié)能標(biāo)準。城市軌道交通應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點，逐步建立完善各種能耗標(biāo)準，指導(dǎo)與考核工程節(jié)能設(shè)計，并作為項目審批的條件。

5)鼓勵城市軌道交通采用新型能源

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太陽能、地?zé)崮茉础⒑Ｑ竽茉吹刃滦湍茉匆验_始應(yīng)用于很多行業(yè)，對于城市軌道交通來說，屬于城市公共交通，能耗量巨大，若能合理使用這些新型能源，會產(chǎn)生很好的經(jīng)濟和社會效益。我們應(yīng)該緊密跟蹤各種新型能源的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，適時的將其引入城市軌道交通建設(shè)。

6)加強城市軌道交通運營節(jié)能管理

城市軌道交通的能耗水平除了與設(shè)施是否先進有關(guān)，還與運營節(jié)能管理是否到位密切相關(guān)。例如，運營部門應(yīng)充分了解設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計思想，按照設(shè)計模式進行系統(tǒng)控制，并根據(jù)具體情況進行優(yōu)化。保證各種節(jié)能設(shè)施的正常運轉(zhuǎn)，例如空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)冷水機組與通風(fēng)機的工作狀態(tài)，如果反應(yīng)室內(nèi)溫度的傳感器故障而沒有得到及時修復(fù)，就會影響系統(tǒng)的正常運行，增加空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

7)處理好節(jié)能與環(huán)保的關(guān)系

在節(jié)能的同時應(yīng)處理好與環(huán)保的關(guān)系。有的系統(tǒng)方案能夠節(jié)省能耗，但會影響環(huán)境，在這種情況下應(yīng)服從環(huán)境保護的目標(biāo)。例如，地下水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，但是會對地下水資源造成一定的污染和破壞，可能造成地下水水位下降，地面下沉等危險。因此，當(dāng)節(jié)能與環(huán)保發(fā)生矛盾是應(yīng)服從環(huán)保目標(biāo)。

8)將節(jié)能作為建設(shè)決策的重要標(biāo)準

節(jié)能不能僅停留在口號上，必須將是否節(jié)能作為工程建設(shè)決策的重要指標(biāo)。例如：對于南方炎熱地區(qū)，屏蔽門系統(tǒng)可以有效降低空調(diào)季節(jié)的空調(diào)能耗，應(yīng)大力推廣使用;但是在北方寒冷甚至嚴寒地區(qū)，屏蔽門系統(tǒng)在非空調(diào)季節(jié)的通風(fēng)能耗會高于非屏蔽門系統(tǒng)，不宜采用。在車站設(shè)置屏蔽門還是非屏蔽門的問題上，就應(yīng)該根據(jù)節(jié)能的原則，在不同地區(qū)采用不同的方案，而不應(yīng)該盲目攀比建設(shè)標(biāo)準，不顧地區(qū)特點，全部設(shè)置屏蔽門。