軌道交通耗能分析及節能措施探討

王亞陸

（西安市政設計研究院有限公司，陜西西安 710068）

0 前言

城市軌道交通（Rail Transit）具有運量大、速度快、安全、準點、保護環境、節約能源和用地等特點。世界各國普遍認識到：解決城市的交通問題的根本出路在于優先發展以軌道交通為骨干的城市公共交通系統，我國目前已有近30 個大中城市已建或在建軌道交通。同時，由于運量大、運營時將長、用能設備數量多，軌道交通又是耗電量巨大，運行成本很高的行業。根據2006年中國主要城市的軌道交通能耗情況統計，耗電量除長春輕軌外，均達到了數千萬千瓦時，北京、上海、廣州等城市的個別線路甚至突破了億kW ·h。2008年北京軌道交通線網規劃用電為6.5 億度，約占北京市用電總量的1%；到2015年，北京軌道交通線網規劃用電為13.9 億度，約占北京市用電總量的1.2%，年耗電量增幅平均達12%。以廣州地鐵為例，2009年運營票款收入為13.9 億元，不考慮固定資產折舊的運營成本為14.5 億元，運營虧損約0.6 億元。其中電費支出約為3 億元，占總成本的20.5%，可見軌道交通是能耗大戶。正應為如此，從軌道交通項目的可行性研究、設計、施工、設備采購、聯調聯試等建設過程的各階段，都需要對節能降耗進行反復的論證和評估，本文旨在通過對國內軌道交通能耗現狀及影響能耗的要素分析，探索軌道交通降低能耗的有效途徑及措施，供同行商榷探討。

1 軌道交通用能情況

1.1 能耗分布

軌道交通項目的能耗主要分布在牽引供電系統、機電設備系統、弱電系統等；其中供電系統包括牽引系統、動照系統等，機電設備系統主要為設備耗電，含有通風空調、車站設備、給排水及消防、電梯及扶梯等，弱電系統主要包含通信、信號、綜合監控、火災報警系統(FAS)、環境與設備監控系統(BAS)門禁系統(ACS)等。

根據經驗，在軌道交通能耗中，電力為最重要的構成部分，在系統能耗分布中牽引系統的能耗最大，主要是由于牽引系統負責列車的運行這個軌道交通最大的移動設備。

根據資料，一般情況下軌道交通的能耗分布見圖1。

圖1 能耗分布圖

1.2 能耗特點

軌道交通能耗主要以電力為主，其他能耗種類的消耗較少，綜合分析，軌道交通工

程能耗具有以下幾個特點：

（1）能源消耗以電力為主，其他能源種類消耗量很少。

（2）能耗分布明確，整體性強。軌道交通各個系統相對比較容易區分，但因其供能系統是一個綜合系統，各個設備相互之間緊密聯系、相互配合才能使功效最大發揮，因此，節能分析既要根據不同用能特點和設備特點進行，又要從整體分析。

（3）系統運營時間長，能耗增長穩定。軌道交通由于因其系統性，能耗用量的增長主要與客流量相關，因此對于軌道交通的能耗增加可量化預測，增長過程相對穩定。

（4）用能時間長，要求穩定性高

軌道交通為百年工程，每日運營 1 8 h，對能耗的穩定性要求極高，在用能系統的選擇和實際時既要考慮穩定性要求，又要考慮節能需要，從長遠時間看，節能的效益是非常巨大的。

2 影響軌道交通能源消費的要素分析及節能措施

2.1 線路敷設方式及平縱斷面

線路方案中線路敷設方式對能耗的影響最大，地上車站通常采用自然通風方式和自然采光，地上車站比地下車站減少了通風空調和照明能耗，而從建設過程來看，地下車站的能耗也遠大于高架車站，因此在用地規劃條件允許的情況下，采用適當的消聲屏障，應更多的考慮采用地上車站以節約能源。

北京5 號線及廣州1 號線耗能統計見表1。

表1 北京5 號線及廣州1 號線耗能統計

由表1 可看出，北京地鐵5 號線地上站和地下站的年耗電量分別為：90 萬kW ·h/站和329萬kW·h/站，因此運營過程中地下站的能源消費量遠大于地上站。僅從減少能源消費的角度來考慮，軌道交通在用地規劃許可的情況下，應盡可能地采用地上線。

線路是車輛運行的重要載體，平直線路可以減少列車運行阻力，在車站處設節能坡可節省牽引耗電，但線路方案的設計需考慮上位規劃的要求、客流集散點分布、拆遷量、環境保護等問題，往往很難避免曲線線路，而地勢起伏情況也限制了節能坡的設置。因此在滿足相關技術指標的基礎上，盡量將車站布置在縱斷面的凸形部位上，并設置合理的進出站坡度，使列車進站時上坡，將動能轉化為勢能，列車出站時下坡，再將勢能轉化為動能，這樣有利于減少車輛牽引和制動時的用能量，從而達到節能的目的。

2.2 場站選址及平面布置

合理的站位可提高對客流的吸引力，保證一定的客流量可降低軌道交通的人公里能耗，從而提高軌道交通的能效水平。從而降低軌道交通的單位產值能耗。

車輛出入段時列車處于空載狀態，因此減少列車的出入段次數對于節約能耗來說是非常有意義的。車輛段（停車場）的選址，從節能的角度考慮，宜選在線路的終端或運行區段的折返站附近，盡量靠近線路，以便于列車的出發和入段，減少列車的空車走行距離，降低空走能耗；但從另外一個角度來講，車輛段或者停車場占地面積大，場地的選擇通常是城市已經為軌道交通預留控制的，因此可選擇的余地不大，因此，車輛段（停車場）選址對于軌道交通節能的影響并不顯著，應盡量從車輛段內部工藝去找尋節能突破點—車輛段（停車場）的平面布置，在場地條件確定的條件下，應盡量通過優化布局來減少作業的復雜性，通常來講平面布置主要考慮作業流程的連貫性，以減少車輛的調車作業及空走距離，因此在平面布局上應重點關注工藝流程的上下序環節，降低車輛在場段內的轉線作業，可有效節約能源。

2.3 運行組織

列車交路設置首先應符合客流需求，同時也應考慮工程投資和運營成本，在同樣滿足客流需求、工程可行性的情況下，交路選擇的主要決定因素就是運營成本的節約,而運營成本中的重要構成部分就是能耗支出，因此列車交路與能耗關系密切。交路設置包括列車對數和折返點的選擇，不同的列車對數和折返點決定了列車周轉公里不同，即年走行公里的區別，也就是說運營能耗的差別主要是由于列車走行公里數不同決定的。下面通過國內某城市軌道交通初期、近、遠期交路方案的選擇，說明交路方案與能好的關系，見表2 、表3。

經綜合比較，最終該線路初期交路選擇方案三、近遠期交路選擇方案一，既滿足了客流的需要，同時適應工程特點，也是最節能的交路方案。由于推薦交路在客流量大的區段兩個交路列車均提供服務，而線路兩端客流量小的區段則只開行大交路列車，從而提高了滿載率，提高了列車的輸送效率。經測算，該交路方案初期滿載率為45.4%，近期滿載率為51.4%，遠期滿載率為45.6%。由此可以說明，在軌道交通的前期論證過程中，應高度重視大小交路的設置，最大限度的節省列車配置，提高滿載率，從而實現降低列車走行公里數的節能目標。

表2 某城市軌道交通初期交路方案比較表

一條線路在建設階段，通常由行車組織專業在客流資料的基礎上，制定出運營初期車輛編組運行方案，目前國內經驗證明，由于地鐵對于周邊經濟發展的帶動作用以及人口的吸引作用，一旦軌道交通投入運營后，其客流往往與設計階段預測的客流存在一定的誤差，因此，應由行車組織專業根據運營一段時間穩定后的客流現狀及周邊區域的發展規劃，在確保運營安全的前提下，適當調整行車組織方案，有效配置車輛數量，提高列車滿載率，減少列車低負載或空載行使距離，從而在確保安全運送旅客的同時，帶來一定的節能效果。

2.4 建筑節能

（1）地下車站，在滿足服務車站功能要求的前提下合理布置車站房間，控制車站建筑面積，盡量方便乘客，縮短車站內步行距離。

（2）控制中心、車輛段與維修中心建筑嚴格執行《公共建筑節能設計標準》,項目建筑應考慮合理的朝向和體型，在滿足通風和采光的條件下，盡量減小窗墻比。

（3）建筑物主體朝向宜采用南北向或接近南北向。

（4）建筑物體形系數，控制中心不應大于0.40；車輛段與綜合基地中單體公共建筑面積大于20 000 m2，不應大于 0 .40。

（5）墻與屋面的熱橋部位的內表面溫度不應低于室內空氣露點溫度。⑽車輛段的總體布置應分別按工藝、作業流程布置。

（6）車輛段的建筑物位置及朝向應充分利用自然采光和自然通風，特別是運用庫、聯合檢修庫和架修庫等大空間建筑合理設計，處理好采光問題，節約電能。

表3 某城市軌道交通近/遠期交路方案比較表

2.5 車輛選型

軌道車輛是軌道交通的重要設備，也是能耗較高的設備，其特點是自重大，單車質量占定員車總重的60%，其用電量約2.4 kW·h/車·km，占運營總電耗的40%～48%，因此應充分重視車輛選型對節能降耗的影響。

（1）減少車輛自重

根據國內外地鐵車輛車體采用不銹鋼和鋁合金的實踐經驗，地鐵車輛耐候鋼車體自重約9～10 t，不銹鋼車體自重約6～7 t，鋁合金車體自重約4～5 t。如果以耐候鋼車體自重為基準，則不銹鋼車體可減輕自重30%左右，鋁合金車體可減輕自重50%左右。因此，鋁合金車體輕量化效果比不銹鋼車體更明顯些。由于車輛自重的減輕，減少了列車牽引和制動時產生的熱量和粉塵，減輕隧道的溫升和污染；由于車輛自重的減輕，輪軌磨耗也相應減少，可節省一定數量的維修費用；由于車輛自重的減輕，改善了列車運行品質，提高運行速度，縮短制動距離，減少振動和噪聲等。同時車輛自重的減輕可減少列車能耗，因此建議新建線路采用鋁合金車體更節能。不同材料車輛能耗費用見圖2。

（2）采用交流變頻變壓(VVVF)傳動裝置

該系統和變阻調壓直流牽引系統比較，具有高效率的特點。因為變頻調速避免了列車調速時由附加電阻消耗掉大量的電能，同時也不會因電阻調速的發熱提高隧道內的溫度而要求增加通風量和制冷電能。根據某城市實際測量結果，采用VVVF 交流傳動車輛，較凸輪變阻車輛節能約20%，較斬波調壓車輛節能約5%左右。

圖2 不同材質車輛能耗費用

（3）采用動拖混合編組模式

構造速度和動拖比在不同線路狀況下對能耗的影響是不同的，根據國內某條線路采用不同構造速度、不同動拖比的列車進行模擬分析，通過分析發現，同樣在最高速度80 km/h 的情況下，4M2T列車比3D3M 列車能耗節約36%，而在100 km/h情況下，4M2T 列車比3D3M 列車能耗節約29%，因此運營速度的選擇與動拖比的選擇應在滿足時間目標的情況下，盡量選擇低運行速度、高動拖比的混合編組模式。

（4）采用再生制動及再生能量吸收裝置

根據經驗,地鐵再生制動產生的反饋能量一般為牽引能量的20%甚至更多。但再生電能并不是都能被其它牽引車輛吸收，剩余部分則消耗在車輛制動電阻上并轉變為熱能散發到空氣中，其結果是加速隧道的溫升。因此再生制動裝置需要電容儲能裝置配合使用，當處于再生制動工況下的列車產生的制動電流不能完全被其他車輛和本車的用電設備吸收時，線路上設置的再生制動能量吸收裝置立即投入工作，吸收多余的再生電流，使車輛再生電流持續穩定，以最大限度地發揮電制動性能。因此在車輛選取時應注意再生制動及再生能量吸收裝置的節能效果。

2.6 供電系統

（1）外部電源

在選擇外部電源時，往往受到線路地區周邊現狀、地區規劃、電網規劃等因素的制約，而主變電所數量及位置的選擇上往往取決于系統配置容量與線路特征。兩者需要有機的統一，實際工程中，特別是一個城市的電網規劃中，可以從資源共享的角度適當考慮外電源的規劃，從而實現外電源資源合理規劃及使用，從項目前期為節能打下一個良好的基礎。在主變電所容量配置上，也基于資源共享的角度，按照初、近期負荷配置主變電所主變壓器容量，從而可以有效控制主變電所運行能耗。

（2）牽引變電所

牽引變電所布點在滿足牽引供電系統功能需求的基礎上，考慮牽引變電所間距對牽引網能耗的影響，盡量要求牽引變電所間距分布均勻，從而降低牽引供電系統在運行時的電能損耗。根據工程客流規劃特點，合理配置牽引變壓器容量，使變壓器在設計最大負荷時，正常運行方式下負載率在95%左右。

（3）牽引網系統

上下行走行軌設置均流線，降低牽引網回流系統阻抗，減少牽引網系統損耗。

（4）無功功率補償

在供電系統主變電所與車站變電所考慮無功功率補償措施，在主變電所預留SVG 型動態無功補償裝置實現節能，SVG 型動態無功補償裝置是基于大功率IGBT 的全控型開關器件，既可向系統輸出容性無功功率，又可輸出感性無功功率，并能濾除系統各次諧波，既可解決軌道交通主變電所功率因數不合格的問題，又可以減少供電網絡中無功功率傳送導致的功率損耗，實現節能目的。在車站變電所低壓側考慮設置有源濾波兼做無功補償，從而有效濾除動力照明系統中的諧波，減少諧波損耗，同時對系統無功功率實現動態補償。

（5）合理的設備選型

牽引變壓器合理選擇二次側電壓等級，以便在遠期非高峰時段，保持接觸網電壓水平不至于過高，為列車再生制動創造條件。配電變壓器可選擇非晶合金變壓器，其空載損耗可降低 7 0%左右。二次回路的選擇上有限考慮1A 的電流互感器，降低二次回路損耗。對于UPS 設備可考慮整流模塊應選擇IGBT 整流，提高UPS 整機效率，由95%可提高至99%。

2.7 機電設備系統

（1）通風空調系統的用電負荷通常占到地下車站的30%左右，從低壓負荷特性來看，無論是風機還是水泵均為電動機類負載，因此，通風空調系統電動機類負載，需根據正常工況模式下的運行方式以及溫度控制器的采集的相應區域的溫度，變頻運行，系統內部電動機類負載均應配置變頻裝置，從而，在正常運行工況條件下，變頻節能運行。

（2）電梯與扶梯建議采用無機房形式，既節省了土建費用，也在一定程度上節約了能源。自動扶梯采用變頻運行方式（VVVF 方式），人少時電梯運轉變慢，其負荷僅為總額的10%，達到節約能源的效果。

2.8 其他

（1）自動售票系統。

系統運行模式上，自動售檢票系統具備關閉模式，在此模式下設備將關閉服務，處于最低功耗狀態，這種模式的設計將有利于能源的節約。在自動檢票機門機控制方式上，對于門式自動檢票機，將具備常開和常閉模式，既提高了自動檢票機的通過能力，又減少了門機的動作次數，有利用于能源節約。

（2）設備選型包括了整機及部件，對于這些采用相應節能措施。如：

a.終端設備應整機低功耗設計，包括降低輕載功耗；

b.終端設備應具備待機功能，可處于最低功耗運行狀態；

c.關鍵部件，如工控機、CPU、閘門，采用低功耗產品，電機應具有節能特點等；

d.開關電源、UPS 電源等應采用高功率因數、高轉換效率（包括輕載效率）及低諧波的產品等；

e.優化布線設計及接線設計，減少銅耗及接觸損耗。

（3）站廳、站臺的照明采用多路交叉供電，能節省更多的電能。按照設計規范的照度標準配備照明設施，但運營時通過節能運行模式，采取打開一部分照明燈，關閉一部分照明燈的辦法來達到節能的目的。照明產品選用高效節能壽命長的燈具，如LED 燈具，無極燈具等；

3 結語

目前國內軌道交通系統尚無相應的節能標準和規范，且每個城市軌道交通線路和車站形式不同，采用的車輛和設備制式也不同，給軌道交通的節能評估帶來了困難，客觀上容易造成很大的資源浪費。本文通過對近年來軌道交通能耗情況的梳理和分析，對未來軌道交通的建設方案提出以下幾點建議：

（1）在后續線路建設中應注重各系統之間的聯系，將軌道交通系統作為一個有機的整體來考慮各系統的建設方案和設備選型，通過系統之間合理的匹配實現整個系統高效運行，提高節能措施的綜合效率。

（2）應充分考慮投資、建設、運營各個階段的需求，保證建設方案和節能措施切實可行，避免出現廢棄工程。

（3）應在有條件的地段盡量采用高架或地面敷設方式，可大幅降低車站及隧道通風、照明能耗。

（4）應因地制宜，利用新能源和可再生能源。

（5）積極采用先進的節能措施。