城市軌道交通低碳技術應用研究

■ 楊穎

1 低碳技術簡介

1.1 碳排放

自工業革命以來，人類向大氣排入的二氧化碳（CO2）等吸熱性強的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應也隨之增強，引發全球氣候變暖等一系列嚴重問題，引起世界各國的關注。近100年，全球平均氣溫升高0.6 ℃，聯合國氣候專家預測，到21世紀中葉，全球平均氣溫將進一步升高1.5～4.5 ℃。

碳排放是針對溫室氣體排放的簡稱。溫室氣體中最主要的是CO2，用碳（Carbon）一詞作為代表，將“二氧化碳排放”簡稱為“碳排放”，讓社會民眾更快地了解和記住這個概念，從而使“控制碳排放”這樣的術語更容易被大多數人理解、接受，最終促使更多的人思考和改變生活方式。

1.2 聯合國低碳宣言

《聯合國氣候變化框架公約》。是聯合國成員國政府1992年6月在巴西里約熱內盧舉行的聯合國環發大會（地球首腦會議）上就氣候變化問題達成的公約，是世界上第一個為全面控制CO2等溫室氣體排放、應對全球氣候變暖給人類經濟和社會帶來不利影響的國際公約，也是國際社會在應對全球氣候變化問題上進行國際合作的一個基本框架。

《京都議定書》。全稱為《聯合國氣候變化框架公約的京都議定書》，是聯合國氣候變化框架公約的補充條款，是1997年12月在日本京都由聯合國氣候變化框架公約參加國第三次會議制定的。《京都議定書》規定工業化國家要減少溫室氣體排放。

《哥本哈根協議》。2009年12月，超過85個國家元首或政府首腦、192個國家的環境部長出席了在丹麥首都哥本哈根舉行的世界氣候大會，商討《京都議定書》一期承諾到期后的后續方案，就未來應對氣候變化的全球行動簽署新的協議。中國政府總理溫家寶代表中國參加了此次會議并簽署了《哥本哈根協議》。

1.3 我國政府的低碳宣言

胡錦濤主席在聯合國氣候變化峰會上承諾：“加強節能、提高能效工作，大力發展綠色經濟，積極發展低碳經濟和循環經濟，研發和推廣氣候友好技術?！?/p>

溫家寶總理在哥本哈根氣候會議上承諾：“我國到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%?！?/p>

由此可見我國政府在可持續發展、節能減排、保護環境方面的堅定決心和信心，表明上至國家領導人、政府，下至廣大民眾已深刻認識到發展低碳經濟、控制碳排放既是對世界負責，也是對國家和民眾負責。

1.4 低碳技術

低碳（low carbon）是指低的或較低的溫室氣體（CO2為主）排放。低碳技術是指所有能夠直接和間接降低CO2排放的技術，主要是以下5類：低能耗和能源的高效利用；有害物的低污染、低排放；二次回收與重復利用技術；綠色能源的開發利用技術；CO2捕獲與埋存技術。

對于大眾而言，倡導低碳生活最重要的是節約電能。節約電能是一種最直接降低CO2排放的行動方式，因為我國主要采用火力發電，每生產1 kW·h電能平均消耗約0.3 kg標準煤，相當于排放約0.78 kg的CO2；對于企業而言，倡導低碳經濟最重要到是在產品研發中應用低碳技術，如采用高效節能空調、LED照明、清潔能源等。

2 城市軌道交通碳排放和能耗現狀

為解決日益緊張的城市交通問題，國家和地方政府大力發展城市軌道交通，倡導綠色、低碳交通，以實現降低能耗、減少碳排放的目標。城市軌道交通系統主要包含車站、運營車輛、車輛段設備和維護車輛等幾大部分。

2.1 車站

城市軌道交通系統一般每隔1～1.5 km設置一個車站，車站可以設置在地下、地面和高架上。受我國城市土地資源匱乏及既有道路和房屋難以拆遷的限制，絕大多數城市軌道交通車站修筑在地下。

地下車站的直接排放主要是進出乘客呼吸的CO2，間接排放是空調通風、自動扶梯和照明所消耗的電能，尤其是后者所等效排放的CO2數量十分巨大，遠遠超過前者。根據上海、廣州等大型城市地鐵最新的能耗統計，車站能耗約占地鐵總能耗的50%以上，已超過運營車輛的能耗。因此，如何降低地鐵車站的能耗已成為一個刻不容緩的問題。

以一個日均10萬人客流的地下車站為例，每人在其中按停留15 min計僅排放約3 t CO2，但車站設備每日消耗電能可高達1萬 kW·h，換算為年排放約4 000 t CO2。

目前，國內最大地鐵車站是上海地鐵的人民廣場站，因其可換乘1、2、8號線，日均客流達近100萬人次，各線換乘客流約50萬人次，每日電能消耗可超過3萬 kW·h，換算為年排放約1.4萬 t CO2。

有效降低車站能耗的低碳技術有：采用自動感應電梯和具備再生反饋的電梯逆變器；采用變頻調速的通風系統和減少冷氣散失的屏蔽門；配備根據CO2濃度自動調節新風和制冷的高效節能空調；采用LED高效節能照明等。如何降低車站能耗是城市軌道交通運營公司十分關注的課題。

2.2 運營車輛

根據上海、廣州等大型城市地鐵最新的能耗統計，運營車輛的能耗均低于地鐵車站的總能耗，不到地鐵車站總能耗的50%。主要是地鐵車輛牽引系統、輔助系統和控制設備及照明系統的能耗。

（1）牽引系統能耗是指從直流電網（DC 1 500 V或DC 750 V）獲取的驅動車輛運行的能耗，一般占車輛總能耗的60%～70%。

（2）輔助系統能耗是指車輛空調通風、設備風機、空氣壓縮機等輔助設備的能耗，一般占車輛總能耗的30%～35%。

（3）控制設備及照明系統采用DC 110 V，能耗一般約占車輛總能耗的5%。

2.3 車輛段設備及維護車輛

車輛段設備及維護車輛包含檢修維護設備（洗車機、架車機、天車等）和庫內調車及線路供電檢修車輛（目前國內全部是內燃機調車機），雖然能耗不高，估算約占總能耗的3%，但其直接碳排放和有害廢氣排放卻十分驚人。

以一臺447.4 kW（600馬力）的地鐵工程維護車輛為例，每年消耗燃油約60 t，等效排放CO2約160 t，并排出大量有害廢氣滯留在隧道內。目前國內各地鐵公司共有各種大小工程車數百臺，每年的有害廢氣和碳排放總量也十分巨大。

如何降低運營車輛的能耗是城市軌道交通車輛制造企業及城市軌道交通運營公司共同關注的課題，值得深入研究。

3 降低碳排放和車輛能耗的應用技術研究

3.1 車輛輕量化

在滿足使用要求的前提下降低列車質量，可降低運營能耗和全壽命周期成本（Life Cycle Cost）。香港地鐵長期運營研究經驗表明，空載質量每輕1 t，每年可節電8 000 kW·h，降低CO2排放6.2 t，30年壽命期內可節電24萬kW·h，降低CO2排放186 t。

車輛輕量化中最為關鍵的是車體輕量化，因為車體在車輛質量中所占比重最大（約占四分之一）。采用輕量化材料是降低車體質量的關鍵（見圖1、圖2、圖3）。

其他一些車輛輕量化措施有：

（1）設備合理選型。車輛設計中應選取合適的牽引電機和主逆變器功率，在滿足運營速度的前提下盡可能選用較小功率的部件，避免功率過大導致的資源浪費及增加重量。如在制定上海地鐵11號線北段工程車輛招標技術規格書要求時，在滿足合同要求的旅行速度37 km/h前提下，建議適當放寬0～100 km/h平均加速度的要求，從0.5 m/s2降低至0.4 m/s2，這樣牽引電機功率即可從230 kW降低至190 kW，單電機質量減少75 kg，每列車16個電機可減重1 200 kg。

（2）牽引系統通風方式優化。采用強迫風冷的牽引系統，可顯著降低設備質量。以同等功率的VVVF地鐵牽引變流器和制動電阻進行比較，強迫風冷比自然走行風冷分別降低800 kg和240 kg，并能顯著提高車輛再生制動能力。另一方面，強迫風冷方式也有一定能耗。因此，在車輛設計中要綜合評估，才能得出最佳通風冷卻方式。

（3）部件集成化。車輛設計中，對于車下高低壓箱、輔助逆變器、充電機、制動設備等應盡量采用集成安裝，避免分散安裝而增加質量。如輔助逆變器和充電機可集成在一個箱體里面；空氣壓縮機和空氣干燥器可集成安裝在一起；制動模塊和各種制動風缸可集成安裝在一起，降低設備骨架和懸掛質量。

（4）車下設備箱。蓋板和附件盡可能采用鋁合金材料，設備箱骨架可減重15%～20%。

圖1 不同材料的車體質量對比

圖2 鋁合金車體

圖3 不銹鋼車體

（5）立柱扶手和內裝材料。立柱扶手盡量采用鋁合金，每節車可減重120 kg；內裝材料采用鋁蜂窩板比鋁板可減重30%。

（6）設備懸掛。盡量不采用貫通梁而采用C型導槽懸掛，每節車可減重150 kg。

上述各項輕量化措施實施后，車輛質量可顯著降低。采用某項車輛輕量化技術必須在確保車輛安全、可靠和性能的前提下做詳細計算和研究試驗。

近年來我國自主研發的A型車車輛減重效果對比見表1，能耗統計見表2。其中，深圳地鐵1號線一期車輛為2001年龐巴迪設計的MOVIA鋁合金鉚接車輛，上海地鐵4號線車輛為西門子2002年設計的全焊接鋁合金車輛，深圳地鐵1號線二期車輛為南車株洲電力機車有限公司2008年交付的全焊接鋁合金車輛，上海地鐵1號線6輛編組改為8輛編組車輛為南車株洲電力機車有限公司2009年交付的全焊接鋁合金車輛，同比國外設計的車輛每節減重1～2 t，車輛輕量化效果十分顯著，獲得一致好評。

3.2 牽引、輔助及控制系統高效節能

年耗能根據地域、地下或地面的不同略有差異，一般在150萬～190萬kW·h，約相當于2 000戶家庭年用電量[1]，能耗十分巨大。因此，在車輛設計、制造和運用時應采取各種措施，以降低車輛運營能耗。主要措施有：

（1）提高系統部件效率，如主逆變器、牽引電機、齒輪傳動等。主逆變器選用高效功率元件可降低能量傳輸損耗。GTO逆變器能量傳輸效率較低，一般只有0.98；最新IGBT逆變器能量傳輸效率可達0.99。直流牽引電機效率較低，一般只有0.9～0.91；交流牽引電機效率可提升至0.92～0.93；而最新永磁同步電機效率為0.96～0.97。一級齒輪傳動效率一般為0.98；二級齒輪傳動效率略低，為0.975；最新同軸傳動取消了齒輪傳動裝置，機械傳動效率為1。牽引傳動系統的總效率是上述3個效率的乘積。

（2）提高再生制動能力，盡可能實現全速度范圍內不補充摩擦制動。

城市軌道交通車輛在停站過程中，牽引電機可從電動機轉換為發電機，通過主逆變器控制將車輛動能轉化為再生電能反饋回電網，一旦同一個供電區間中有其他車輛需要吸收能量，該再生反饋能量即可被其他車輛吸收，達到節約能源的目的（見圖4）。

表1 A型車車輛減重效果 t

表2 上海、廣州、深圳地鐵A型車能耗統計

如上海地鐵3、4號線有相當長的重疊運行路段，2種不同類型的車輛同時在上面運行，而制動閘瓦更換率相差一個數量級，前者每年更換1～2次，后者運營五年尚未因磨耗到限而更換過閘瓦，這充分說明再生制動能力的提升可大大降低摩擦制動的施加，從而達到高效節能的目的（見圖5），并避免能量的無謂損失和污染隧道環境。

（3）空調根據載客量或CO2含量自動調節新風（見圖6）。車輛空調通風系統的能耗一般要占輔助系統能耗的80%以上。為降低空調系統能耗，必須采用能夠根據載客量或CO2含量自動調節新風和制冷（熱）量的節能型空調。在客流稀少的早晨和夜間，降低車廂內部新風量可避免不必要的冷（熱）氣流失，從而達到節能的目的。上海地鐵已在4、5號線上進行了二年多的新風調節空調試驗，結果表明可節約高達30%的能耗（見圖7）。在自主設計的上海地鐵11號線396節A型地鐵車輛上設計配置了具有四檔制冷調節和二檔新風調節的792臺節能型空調機組，相比傳統二檔制冷調節和無新風調節的空調機組，年節能可達400萬kW·h以上。

（4）選用節能型LED光源。LED光源具有光效高（110 lm/W）和壽命長（3萬～5萬 h）等顯著特點，而傳統光源中最節能的熒光燈也僅有80 lm/W的光效和約5 000 h的壽命，這種新型光源在城市軌道交通車輛上正逐步開始大批量運用（見圖8）。如在自主研制的深圳地鐵5號線180輛A型車項目中，總共采用約6 000個20 W的LED照明模塊替代36 W的熒光燈管，節能可達40%，年節電約50萬 kW·h。

圖4 城市軌道交通車輛能量再生反饋示意圖

圖5 全速度范圍內不補充摩擦制動的再生制動特性圖

圖6 空調機組新風調節示意圖

圖7 空調機組調節新風后客室CO2含量實測

（5）根據運營客流情況進行優化，使列車以節能方式運行。香港和新加坡地鐵的長期運營研究表明，城市軌道交通車輛的旅行速度與能耗相關性十分顯著，微小的旅行速度差異可以帶來巨大的能耗差異，使得低峰時段發車密度不高時可以通過優化運行時分來節約能源，因為此時的乘客對旅行速度的微小差異不敏感。如設計旅行速度35 km/h的車輛當降速至33 km/h運行時，其能耗降低高達40%，而實際旅行時間僅差一分多鐘，影響很小（見圖9）[2]。

城市軌道交通運營公司通過合理調整運營時分，可在高峰時按設計旅行速度全速運行，確保大運量輸送，在低峰時段則按照適當降低的速度運行，以實現節能。1992—1995年，香港地鐵通過上述優化，運營車輛能耗下降了25%（見圖10）[2]。

以上所有節能措施中，根據運營客流情況進行速度優化使列車以節能方式運行效果最為顯著，中國香港、新加坡的長期運營經驗表明其年節能可高達數千萬度。目前，中國大陸地鐵還尚未開展上述研究，車輛的車公里能耗遠高于中國香港、新加坡等先進地鐵（約2.0 kW·h/車公里）。目前南車株洲電力機車有限公司正與深圳地鐵公司一起共同研究通過優化運行圖實現車輛節能的課題，力爭盡早填補國內空白。

3.3 供電系統反饋儲能及利用

由于城市軌道交通車輛采用再生制動，停車時需要向電網回饋能量，如果電網的吸收能力不足，多余的能量將會消耗在車輛自身攜帶的制動電阻或摩擦空氣制動上，能量利用率就較低。根據廣州地鐵長期運營經驗和實際測試數據，從電網吸收的能量中約有40%可回饋給電網，從而被其他車輛使用[3]。

如果能夠在供電電網中增加儲存能量的裝置（如超級電容），不能被其他車輛吸收的能量可迅速儲存在超級電容上，并在車輛需要加速運行時釋放出來，從而節約能耗（如北京地鐵5號線）。超級電容回饋、儲存和利用見圖11。

圖8 各種光源的光效比較

圖9 旅行速度與能耗的關系圖

圖10 香港地鐵車輛能耗年度趨勢圖

圖11 超級電容回饋、儲存和利用示意圖

這種電容儲能的方式儲存容量有限，一般只用在客流較小的線路或輕軌車輛上，對于大運量的城市軌道交通線路需要更高容量的解決方案。新加坡地鐵率先在供電系統中采用了逆變裝置，一旦車輛再生回饋能量無法被電網吸收，逆變裝置能夠通過檢測網壓抬升迅速投入工作，將多余的能量反饋回供電變壓器原邊側或其他中壓供電系統中。實際運用情況表明，可節約8%的車輛能耗，節能效果較明顯。具體實施方案見圖12。目前國內尚未大規模展開相關節能運用的研究和驗證工作，主要原因是城市軌道交通運營公司對節能的投入和產出沒有定量認識，因此節能工作的推進極為緩慢。而國際上一種嶄新的節能項目模式（ENERGY MANAGEMENT CONTRACT，EMC）正在被廣泛采用。EMC是指以既有能源消耗定額為基礎，通過與用戶簽訂能源管理合同，加裝節能設備和采取節能措施等手段，共同獲得節能收益的一種服務模式。

3.4 工程維護車輛的節能減排

工程維護車輛雖然占整個城市軌道交通總能耗比率很小，但由于其采用內燃驅動，是我國城市軌道交通中的排放大戶，特別是在地下隧道內，柴油機排出的廢氣（黑煙）難以擴散，直接威脅工作人員及乘客的健康。

目前，中國香港、新加坡等地鐵已經逐步淘汰內燃工程車，采用蓄電池電力工程車替代升級。電力牽引的能源轉換效率遠遠高于內燃牽引，并能吸收和存儲制動能量，其能源消耗成本不足內燃機車的三分之一，碳排放和廢氣排放也遠低于內燃牽引。

中國南車株洲電力機車有限公司已向新加坡提供了14臺蓄電池電力工程車（見圖13），也向深圳地鐵提供了2臺，并同北京、昆明、寧波、廣州等多個城市地鐵公司簽訂了供貨合同。國內地鐵擁有各種內燃工程維護車輛數百臺，即將淘汰或更新，市場前景十分看好。

圖12 逆變裝置能量利用示意圖

圖13 中國南車株洲電力機車有限公司蓄電池電力工程車

蓄電池電力工程車主要技術參數：

電流制：DC 750 V或1 500 V；

軌距：1 435 mm；

傳動方式：直-交電力傳動；

軸式：Bo-Bo；

輪徑：840 mm；

軸重：12.5 t；

整備質量：50 t；

最大速度：65 km/h（電網）/40 km/h（蓄電池）；

起動牽引力：100 kN；

輪周牽引功率：400 kW（電網）/300 kW（蓄電池）；

蓄電池類型/容量：膠體式酸性/400 Ah；

車鉤型式：半自動式車鉤；

外形尺寸：15 460 mm×2 780 mm×3 587 mm。

目前，單純從采購成本看，蓄電池電力工程車高于內燃工程車。根據配置容量大小，蓄電池電力工程車最高600多萬元/臺，內燃工程車約350萬元/臺，采購成本約高250萬元。但全壽命周期成本蓄電池電力工程車遠低于內燃工程車。蓄電池電力工程車壽命高達30年，內燃工程車約15年，即使按30年計算，蓄電池電力工程車全壽命周期成本比內燃工程車低600萬元，碳排放降低4 800 t，且基本沒有有害廢氣排放。

低碳技術在城市軌道交通中的應用前景廣闊，效益可觀，但我國城市軌道交通的低碳技術應用與先進國家相比仍十分落后。作為城市軌道交通車輛制造企業，中國南車株洲電力機車有限公司有責任和義務與城市軌道交通運營公司一道加快低碳技術的推廣應用。

[1] 徐世軍. 一號線列車牽引系統能耗分析報告[R]，2007

[2] Albert Chui. Energy saving opportunities for existing and new railway systems[C]. China Modern Rail，2010

[3] 劉寶林. 地鐵列車能耗分析[J]. 電力機車與城軌車輛，2007(4)