用戶主導(dǎo)地鐵節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新的實(shí)踐與綜合效果

簡 煉

(深圳地鐵集團(tuán)有限公司 廣東深圳518026)

深圳地鐵地處中國改革開放的前沿，是國家創(chuàng)新的窗口和試驗田，深圳地鐵是國家決策地鐵裝備國產(chǎn)化率達(dá)到70%的第一個項目，也是深圳承載創(chuàng)新地鐵成套裝備建設(shè)的第一個國家重點(diǎn)工程項目，也是深圳市建市以來最大的政府投資項目。因此，從1999年開始，深圳地鐵就自覺地承擔(dān)起節(jié)能創(chuàng)新先行先試的歷史責(zé)任。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國的單位GDP能源消耗量是美國的2倍，是日本的11.5倍。深圳地鐵節(jié)能創(chuàng)新實(shí)踐具有開創(chuàng)性，值得認(rèn)真總結(jié)，從中探索出一條“用戶主導(dǎo)創(chuàng)新”的節(jié)能新路。

1 地鐵節(jié)能創(chuàng)新源于改革開放的試驗田

1999年，深圳地鐵公司就清醒地認(rèn)識到:地鐵公司是國有全資企業(yè)，地鐵企業(yè)的產(chǎn)品是交通運(yùn)輸服務(wù)，企業(yè)提供的產(chǎn)品屬于服務(wù)產(chǎn)品，地鐵服務(wù)的用戶是乘客。地鐵的所有裝備的用戶是地鐵公司，地鐵建設(shè)是形成交通運(yùn)輸服務(wù)產(chǎn)品的過程，地鐵公司使用的裝備是為運(yùn)營提供服務(wù)的保障，運(yùn)營服務(wù)的安全、節(jié)能、高效等質(zhì)量主要取決于地鐵的裝備。因此，只有裝備搞好了，才能為高質(zhì)量的運(yùn)營服務(wù)創(chuàng)造條件。地鐵成套裝備是運(yùn)營服務(wù)產(chǎn)品的金剛鉆，必須揚(yáng)長避短，自力更生，洋為中用，用信息化技術(shù)自主創(chuàng)新地鐵成套裝備，才能實(shí)現(xiàn)全面超越。

地鐵節(jié)能的工作創(chuàng)新直接關(guān)系到地鐵的經(jīng)濟(jì)和社會效益。地鐵是百年大業(yè)，本著“預(yù)則立，不預(yù)則廢”的指導(dǎo)思想，深圳地鐵未雨綢繆地在節(jié)能創(chuàng)新領(lǐng)域的一張白紙上率先提出應(yīng)用變頻控制技術(shù)在地鐵裝備中實(shí)現(xiàn)節(jié)能的構(gòu)想。當(dāng)時，國家還沒有提出節(jié)能減排的明確要求，在國內(nèi)外地鐵行業(yè)中，沒有一個地鐵公司提出過創(chuàng)新應(yīng)用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝備節(jié)能的要求，國內(nèi)外地鐵沒有先例，更沒有所需要的設(shè)備。因此，在一個新組建的深圳地鐵公司提出地鐵節(jié)能的觀念和構(gòu)思方案，引發(fā)了較大的觀念碰撞，贊成節(jié)能創(chuàng)新做法的是極少數(shù)。眾人對創(chuàng)新應(yīng)用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝備節(jié)能的第一反應(yīng)是詫異或不理解，理由似乎非常充分:地鐵的設(shè)計規(guī)范有要求，沒有運(yùn)用經(jīng)驗、不成熟的技術(shù)在地鐵里不能采用。當(dāng)時，地鐵用的空調(diào)、扶梯也的確沒有變頻的節(jié)能產(chǎn)品，深圳地鐵裝備需要吃第一個螃蟹。因為，深圳地鐵承載著先行先試的歷史責(zé)任。

2 主動抓住節(jié)能創(chuàng)新的機(jī)會

深圳地鐵公司首先認(rèn)識到，地鐵是以電力為動力的耗電較多的大運(yùn)量交通工具，雖然在機(jī)動化交通方式中，城市軌道交通的人均耗能是相對較低的。但是，城市軌道交通的運(yùn)能大、用電量也就大，在城市能耗總量中所占比重也大。

根據(jù)香港和新加坡地鐵的耗電情況，通風(fēng)空調(diào)、電扶梯的耗電占地鐵總耗電的50%以上，是地鐵耗電最多的設(shè)備。從多快好省、可持續(xù)發(fā)展城市軌道交通的主觀愿望出發(fā)，以耗電多的設(shè)備節(jié)約能耗為原則，提出先在耗能較大的通風(fēng)空調(diào)、電扶梯上創(chuàng)新地應(yīng)用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。在南方的地鐵中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是必須配置的，如果不在地鐵建設(shè)期提出節(jié)能要求，就會失去裝備節(jié)能創(chuàng)新的最佳時機(jī)，對一個改革前沿的深圳地鐵來說，將意味著看著成千萬甚至上億的電力資源被浪費(fèi)。因此，作為用戶的負(fù)責(zé)人深刻認(rèn)識到:創(chuàng)新應(yīng)用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝備節(jié)能的現(xiàn)實(shí)和歷史意義重大。所以，強(qiáng)烈要求在深圳地鐵先行先試、堅持深圳地鐵第一個吃螃蟹的敢闖敢試?yán)砟?，承?dān)起了做地鐵節(jié)能排頭兵的責(zé)任。最終，爭取到在220臺扶梯、2個小規(guī)模車站創(chuàng)新應(yīng)用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝備節(jié)能的歷史性機(jī)會。

3 深圳地鐵節(jié)能創(chuàng)新綜合效果分析

深圳市2013年全年的總用電量為710億kW·h，僅深圳地鐵集團(tuán)公司運(yùn)營的1、2、5號3條線，全年總用電量就達(dá)到4.47億kW·h，占全市全年總用電量約0.63%，在全市算名副其實(shí)的用電大戶。這3條線路總長117 km，共86座車站，其中4座高架車站，5個車輛段和停車場，采用6節(jié)4動2拖A型車運(yùn)營。

3.1 首創(chuàng)變頻節(jié)能控制技術(shù)用于地鐵空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，效益顯著

通過創(chuàng)新應(yīng)用變頻控制技術(shù)，在保證車站溫度、濕度、新風(fēng)量和換氣次數(shù)的情況下，使地鐵車站實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)行。深圳地鐵通過對同一車站使用變頻控制技術(shù)前后耗電數(shù)值的對比得出結(jié)論:運(yùn)營初期，采用變頻技術(shù)后1座車站的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能70%以上，每座車站每年平均節(jié)電40萬kW·h，按深圳的電價，1座車站每年節(jié)約38萬元左右的電費(fèi)。目前，86座車站的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)已全部采用變頻控制技術(shù)，每年節(jié)約電費(fèi)可達(dá)3 230萬元。

2013年底，全國運(yùn)營的地鐵為2 539 km，按300座車站改造空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采用變頻技術(shù)節(jié)能，1年可以節(jié)電1.2億kW·h。到2020年，我國預(yù)計至少新建地鐵運(yùn)營的線路超過3 000 km，若按1 000座車站采用空調(diào)通風(fēng)變頻技術(shù)節(jié)能，1年可以節(jié)電4億kW·h。由此可見，地鐵節(jié)能存在較大空間，倘若能應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，節(jié)能的效果會對節(jié)約型社會產(chǎn)生非常巨大的影響。

在實(shí)踐創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，深圳地鐵獲得了創(chuàng)新應(yīng)用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、空調(diào)節(jié)能的實(shí)用新型專利。

3.2 首創(chuàng)地鐵車站空調(diào)通風(fēng)裝備和用房面積減半的實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)

創(chuàng)新應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地鐵空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)大幅度節(jié)能，減少了工程造價和使用維護(hù)費(fèi)用。車站應(yīng)用該技術(shù)后，節(jié)能量超過70%，從而進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了每座車站設(shè)置4臺空調(diào)通風(fēng)機(jī)組能力過剩的問題。通過對空調(diào)通風(fēng)耗電自動計量數(shù)據(jù)核算，每座車站只需要2臺空調(diào)通風(fēng)機(jī)組就可以滿足需要。由此，從創(chuàng)新應(yīng)用的實(shí)踐中，得到了地鐵車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備和用房面積減半的實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)。

從2006年開始，深圳地鐵二期工程在地鐵車站的設(shè)計中，將原來采用4臺空調(diào)機(jī)組的設(shè)計均改成了2臺變頻空調(diào)機(jī)組，從而節(jié)約了2臺機(jī)組所占用的造價昂貴的地下建筑空間，使每座地下車站的設(shè)備和土木結(jié)構(gòu)的投資減少60萬元。目前，該節(jié)能技術(shù)已被住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部推廣應(yīng)用。若新建1 000座車站，可以節(jié)省建設(shè)投資6億元。

到目前為止，僅深圳地鐵建成的1、2、5號線車站就節(jié)約了3 300萬元建設(shè)資金。設(shè)備和車站面積都需要消耗能源，節(jié)約設(shè)備和車站面積間接地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排效益。

3.3 首次在地鐵交通重載型電扶梯上采用全變頻控制節(jié)能技術(shù)，效果明顯

電扶梯創(chuàng)新應(yīng)用全變頻控制節(jié)能技術(shù)后，妥善解決了扶梯在不同運(yùn)行模式下的節(jié)能運(yùn)行，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)定模式、控制速度運(yùn)行等功能，同時具備了耗電的計量功能。通過對同一座車站使用全變頻技術(shù)前后耗電數(shù)量的對比得出結(jié)論:采用全變頻技術(shù)后，1部電扶梯節(jié)電20%，平均1部電扶梯每年節(jié)電約1萬kW·h。目前，深圳地鐵已使用860部全變頻控制節(jié)能扶梯，年平均節(jié)電860萬kW·h，節(jié)約電費(fèi)約800萬元。

目前，全國運(yùn)營的地鐵為2 539 km，若按800座車站，每座車站安裝8部扶梯計算，則采用變頻電扶梯節(jié)能技術(shù)1年可以節(jié)電6 400萬kW·h。

然而，在2001年，深圳地鐵第1個在招標(biāo)書中要求應(yīng)用全變頻節(jié)能扶梯時，中標(biāo)220部扶梯的是電扶梯鼻祖OTS、變頻電梯鼻祖三菱，這兩個廠家均沒有所需要的產(chǎn)品，只能按深圳地鐵用戶的特殊技術(shù)要求專門研制扶梯帶變頻的節(jié)能產(chǎn)品。這種節(jié)能產(chǎn)品2004年底誕生在深圳地鐵，已在深圳地鐵運(yùn)營9年多，共節(jié)電達(dá)3 650萬kW·h。

目前，OTS、三菱及其他扶梯公司將這種全變頻節(jié)能扶梯作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于全球市場，1年生產(chǎn)扶梯超過萬部，若都用此技術(shù)，1年節(jié)電過億kW·h?？梢?，深圳地鐵創(chuàng)新應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)也為全球的扶梯節(jié)能做出了貢獻(xiàn)。

4 移動設(shè)備節(jié)能的重點(diǎn)

從深圳地鐵總用電、牽引用電、行車公里、客流量之間的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)節(jié)電的重點(diǎn)所在(見圖1)。2011年6月28日深圳地鐵運(yùn)營線路增加98 km，車站增加68座。

圖1 深圳地鐵1號線2005—2013年用電情況分析

從圖1和運(yùn)營9年統(tǒng)計數(shù)字分析得出，客流從5 766萬增加到32 529萬人次，增加了4.64倍;9年列車的平均滿載率40%，乘客重量占牽引重量的13.2%，列車自重占牽引重量的86.8%，若按牽引的重量衡量耗電，則深圳地鐵1號線9年的平均能耗，列車上的乘客平均耗電占列車的牽引耗電約13.2%，列車自重平均耗電占牽引耗電約86.8%。同時，地鐵客流全天各時段存在明顯的規(guī)律性波動，在客流高峰、平峰時段實(shí)施靈活編組的運(yùn)營方案，將顯著節(jié)省滿載率較低時的列車牽引耗電量。

行車公里數(shù)從844萬車公里增加到4 626.35萬車公里，增加了4.48倍;列車的牽引耗電從2 456.44萬kW·h增加到9 919.22萬kW·h，增加了3.04倍。列車的牽引耗電沒有與客流和行車公里數(shù)同比例增加，主要原因是行車密度增加后同一供電區(qū)間內(nèi)運(yùn)行車輛增加了再生制動能量，前后車相互利用。由此可以看出:增大供電距離可以節(jié)能。

地鐵總耗電量從10 438.89萬kW·h增加到20 884.644萬kW·h，增加了1倍，其中，列車的牽引耗電從占總耗電量的23.53%增加到了47.49%，上升的主要原因是運(yùn)行列車的行車公里數(shù)從844萬車公里增加到4 626.35萬車公里;車站的動力和照明用電由占總耗電量76.47%減少到52.51%，下降的主要原因是2011年6月底二期工程的1號線新增了23 km，其15座車站均采用了變頻控制的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

5 持續(xù)創(chuàng)新應(yīng)用節(jié)能技術(shù)

深圳地鐵創(chuàng)新以“茍日新、日日新、又日新”的持續(xù)創(chuàng)新精神，自1999年開始，15年里持續(xù)不斷地創(chuàng)新和應(yīng)用節(jié)能技術(shù)。深圳地鐵一期工程創(chuàng)新地應(yīng)用了變頻控制技術(shù)在地鐵空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)和電扶梯中，試用了太陽能熱水器，車站采用了屏蔽門系統(tǒng)隔離空調(diào)區(qū)與隧道的非空調(diào)區(qū);自2007年開始在地鐵車站照明中采用LED替換傳統(tǒng)日光燈，列車等照明也應(yīng)用LED;2013年，全面將地鐵照明和廣告燈箱照明改造和更換為LED，在車輛上開始使用變頻空調(diào)。

2013年，深圳地鐵集團(tuán)依托北京交通大學(xué)施仲衡院士、西南交通大學(xué)錢清泉院士團(tuán)隊的科研實(shí)力，在廣東省科委申請建立了廣東省深圳地鐵集團(tuán)節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)院士工作站，這是地鐵行業(yè)的第一個由院士團(tuán)隊參加共同研發(fā)的節(jié)能新技術(shù)研發(fā)組織，主要有運(yùn)營行車的列車組織管理系統(tǒng)、車輛牽引再生制動能量車上回收系統(tǒng)和直流3 000伏供電系統(tǒng)。研發(fā)的項目內(nèi)容:針對深圳地鐵列車自重平均耗電占牽引耗電約85%以上、客流全天不同時段規(guī)律性波動明顯等情況，研究列車靈活編組運(yùn)營關(guān)鍵技術(shù)，通過實(shí)施服務(wù)頻率與列車編組優(yōu)化組合的運(yùn)營方案，以高服務(wù)水平滿足客流波動規(guī)律，實(shí)現(xiàn)高行車密度條件下的節(jié)能目標(biāo)。創(chuàng)新提出行車密度節(jié)能的系統(tǒng)管理技術(shù);對直流3 000 V供電系統(tǒng)拉長供電區(qū)間，讓更多的車運(yùn)行在一個供電區(qū)間的節(jié)能新系統(tǒng);車輛上安裝再生制動能量回收節(jié)能的設(shè)備系統(tǒng)，及時回收利用再生制動產(chǎn)生的能量。創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)集中在地鐵車輛牽引和制動、供電、運(yùn)行管理領(lǐng)域的節(jié)能，使深圳地鐵達(dá)到全面節(jié)能的更高水平。

深圳地鐵堅持持續(xù)創(chuàng)新，應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，先后在車站設(shè)備節(jié)能、照明、車輛、供電、太陽能、運(yùn)營管理等方面全方位地開展了節(jié)能創(chuàng)新工作，并已經(jīng)取得大量成果，今后將持續(xù)擴(kuò)大和收獲創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)的成果。

6 節(jié)能創(chuàng)新的實(shí)踐和理論總結(jié)

深圳地鐵作為用戶和節(jié)能應(yīng)用的創(chuàng)新主體，主導(dǎo)了地鐵節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，為地鐵節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新探索了新路。第一次提出了節(jié)能的創(chuàng)新理念和需求，并且沖破了技術(shù)規(guī)范和各種束縛，在沒有科研經(jīng)費(fèi)的前提下，以產(chǎn)品應(yīng)用端的用戶發(fā)起并且組織和主導(dǎo)了節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用的實(shí)踐。體現(xiàn)了用戶在重大技術(shù)裝備應(yīng)用創(chuàng)新活動中的主導(dǎo)地位和作用，并以用戶主導(dǎo)為主線，形成了一套適用于裝備技術(shù)創(chuàng)新的理論，其核心為:用戶是創(chuàng)新的主體。所謂創(chuàng)新的“主體”，是指提出、組織、出資、第一次商業(yè)應(yīng)用、承擔(dān)風(fēng)險、牽引和把握創(chuàng)新活動朝著既定目標(biāo)不斷進(jìn)展的承擔(dān)者;而用戶又是技術(shù)裝備的直接使用者，使用者的客觀要求是創(chuàng)新滿足應(yīng)用需要，應(yīng)用對創(chuàng)新成功率提出了更高的要求。因此，用戶既是創(chuàng)新主體又是應(yīng)用主體，用戶創(chuàng)新必然最關(guān)心創(chuàng)新風(fēng)險的過程控制，從而創(chuàng)新的風(fēng)險控制能力得到了成倍的強(qiáng)化，創(chuàng)新成功的概率就成倍地增加。深圳地鐵裝備節(jié)能創(chuàng)新應(yīng)用的成功，證明了用戶既作為創(chuàng)新主體又作為應(yīng)用主體，兩者相統(tǒng)一時，創(chuàng)新的風(fēng)險是可控的。創(chuàng)新需要的費(fèi)用可以與工程投資緊密結(jié)合，創(chuàng)新需要的時間可以與工程竣工的時間相互協(xié)調(diào)。

“用戶主導(dǎo)創(chuàng)新”的理論基本內(nèi)涵是:創(chuàng)新依托重大工程或項目的用戶為創(chuàng)新主體，起始于用戶的創(chuàng)新決策，以用戶獨(dú)一無二的使用需求為導(dǎo)向，用戶的領(lǐng)軍人物主導(dǎo)項目技術(shù)、裝備的創(chuàng)新和應(yīng)用，把常規(guī)工程建設(shè)項目提升為創(chuàng)新工程，把常規(guī)工程管理提升為創(chuàng)新風(fēng)險管理，將風(fēng)險化解在創(chuàng)新的過程中，造就新產(chǎn)品、技術(shù)或系統(tǒng)產(chǎn)品的誕生，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)水平的整體躍升。這里，用戶雖然不是各項產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新的具體生產(chǎn)的承擔(dān)者，但是作為創(chuàng)新產(chǎn)品的發(fā)起者、決策者、組織者、出資者、管理者、第一個使用者、風(fēng)險承擔(dān)者和共同權(quán)益人，用戶自始至終搭建和支撐著產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)平臺，主導(dǎo)著產(chǎn)品和技術(shù)集成創(chuàng)新的總體水平和效用，是成就創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)的不可替代的決定因素。

7 建議

7.1 以制度創(chuàng)新驅(qū)動節(jié)能減排

深圳地鐵公司超前進(jìn)行了具有開創(chuàng)性的地鐵裝備創(chuàng)新應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，開始雖然遇到了強(qiáng)大的傳統(tǒng)觀念和各種阻撓;然而，最終取得了明顯的節(jié)能效益。這不僅需要節(jié)能領(lǐng)軍者的智慧和膽識，更需要制度創(chuàng)新的跟進(jìn)才能擴(kuò)大節(jié)能成果，為總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗以點(diǎn)帶面地推廣應(yīng)用成果、出現(xiàn)更多的開創(chuàng)性節(jié)能創(chuàng)新保駕護(hù)航。深圳地鐵經(jīng)過15年的持續(xù)不懈的創(chuàng)新和努力，不斷地實(shí)現(xiàn)著節(jié)能的更高目標(biāo)。然而，深圳地鐵總有一種在孤軍突圍、挺進(jìn)、一個接一個打著節(jié)能殲滅戰(zhàn)的感覺。讓創(chuàng)新的技術(shù)發(fā)揮更大作用的推廣應(yīng)用工作急待加強(qiáng)。期望國家有關(guān)方面將鼓勵節(jié)能減排的各項制度的創(chuàng)新及時跟進(jìn)，及時發(fā)現(xiàn)和總結(jié)實(shí)踐中好的節(jié)能發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新的成果，并提煉升華，上升為創(chuàng)新的制度，用制度強(qiáng)制推廣應(yīng)用，取得更大的成果。節(jié)能減排是一項長期的戰(zhàn)略，需要制度創(chuàng)新的引領(lǐng)，在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新。例如，政府發(fā)布規(guī)章，強(qiáng)制采用變頻節(jié)能的地鐵空調(diào)通風(fēng)裝備、電扶梯等;修改或制定地鐵設(shè)計規(guī)范、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等，從使用的源頭上擴(kuò)大節(jié)能減排的成果。

7.2 以管理創(chuàng)新驅(qū)動節(jié)能減排

政策和策略是執(zhí)政者管理節(jié)能減排事業(yè)的生命，來自基層好的節(jié)能減排的實(shí)踐信息就是執(zhí)政者管理節(jié)能減排事業(yè)的新鮮血液，各級管理者應(yīng)創(chuàng)新建立自下而上、覆蓋全面的信息通暢制度渠道，隨時從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)好的節(jié)能做法，及時自上而下、以點(diǎn)帶面地總結(jié)和推廣。以管理創(chuàng)新的方法和行政規(guī)章固化已有的好的節(jié)能做法，用有形的手推動節(jié)能減排事業(yè)的健康快速發(fā)展。例如，國家創(chuàng)新制定用節(jié)能減排最終成果作為申報和評價標(biāo)準(zhǔn)的專項獎勵制度;制定按月實(shí)際節(jié)電量的比例提成的日?？己霜剟钪贫龋蛴晒╇姴块T進(jìn)行獎勵電費(fèi)等。以制度創(chuàng)新鼓勵和引導(dǎo)更大規(guī)模的節(jié)能，為實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的創(chuàng)新驅(qū)動節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展提供支撐。

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