淺談城市軌道交通項目節能評估技術要點

文 // 韋媚媚 劉德權 項定先王愛軍

1 武漢市節能監察中心 2 中鐵第四勘察設計院集團有限公司

地鐵和輕軌等城市軌道交通，能有效改善城市公共交通狀況，在城市交通中發揮著越來越重要的作用。但隨著城市軌道交通運量的加大，能耗也隨之不斷增長。因此，對城市軌道交通項目進行節能評估和審查，是在項目前期優化建設方案，增強用能合理性，從源頭上對能源消費總量和消費強度進行“雙控”的重要工作。

1 城市軌道交通項目用能特點及案例

城市軌道交通系統通常由軌道路線、車輛、輔助和附屬設施等組成。資料顯示，城市軌道交通能源消費種類主要為電力，其中，列車牽引能耗約占項目總能耗的40%，暖通空調占30%～40%，升降系統（電梯、扶梯）占10%～15%，照明占8%～10%，給排水能耗占2%～3%。影響城市軌道交通節能的主要包括線路選址和縱斷面設計、車輛選型和行車組織、車站建筑以及供電、暖通空調、電梯、照明、給排水和通信信號等系統。

以武漢某城市軌道交通地鐵延長線項目為例，分析其城市軌道交通項目建設方案及節能措施、綜合能耗及能效水平等方面的節能評估技術要點。該城市軌道交通項目的基本情況為：線路長13.35km，均為地下線，設站10座、停車場1個，平均站間距為1307m。采用B型車，DC750V接觸軌供電，最高運行速度為80km/h，旅行速度約37.5km/h。供電系統采用集中供電方式，新建110kV主變電所，中壓環網電壓等級采用35kV；正線共設置7座牽引降壓混合變電所、3座降壓變電所，停車場設置1座牽引降壓混合變電所。

2 城市軌道交通項目節能評估技術要點

2.1 建設方案及節能措施評估

2.1.1 工藝方案節能評估

（1）線路選址和縱斷面設計

軌道線路選址關系到周邊用地和資源使用情況、列車行走距離和運行阻力大小，影響列車牽引能耗。能評報告應介紹線路選址基本方案，包括運量等級、速度目標、線路走向與構成、正線數量與長度、站間距、線路平面最小曲線半徑、軌道材料等主要技術參數。凡區間有條件，線路縱斷面應設計成節能坡，應介紹節能坡最大坡度要求、實際坡度、使用比例等。評估方案的合理性，分析它和先進方案在節能方面存在的差異，提出優化措施。

如圖1所示，案例中對兩種軌道選線方案進行對比，其中東側引入方案線路與城市道路紅線及主要建筑物平行，減少了車站用地和附近地塊切割，避免了搬遷改造，利于換乘站實施和用能設備共享；平均站間距為1309m（市區內平均站間距為1km左右較經濟），對節電有利；線路平面最小平面曲線半徑為350m，優于規范中一般地段取300m、困難地段取250m的標準，充分利用了大曲線半徑，減少列車經過曲線段時的運行阻力；軌道采用無縫線路結構，可降低行車阻力和牽引電損。

如圖2所示，節能坡將車站設在縱斷面最高處，車站兩端均為下坡，可利用自然加減速，減少列車運行阻力。根據文獻，采用節能坡設計后列車牽引系統可節能20%～30%。案例中只有20%的車站縱斷面設計節能坡，能評提出了優化建議，共設計5處節能坡，數量占比達到50%。

（2）車輛選型和行車組織

應介紹車輛運能、速度目標、限值坡度、牽引類型、牽引控制系統、車體材料等基本參數。車輛類型應根據預測客流量、線路條件和運輸能力等合理確定，速度目標值、限制坡度、牽引類型等對車輛牽引能耗影響較大。應介紹列車編組、交路和運行方案，并分析其合理性。

應主要考慮采用列車輕量化、變頻控制、再生制動能量回收等節能措施。軌道交通車輛自重約占定員車總重的75%，牽引用電主要消耗在列車自重上，因此減輕車輛自重、合理布置車下設備可有效減少牽引電耗。香港地鐵長期運營研究實驗表明，列車空載重量每減輕1t每年可減少電耗8000kWh。案例中車體材料、空調系統及電氣設備輕量化，選用的車輛自重占定員車總重的69.6%，超員時為64.4%，采用VVVF變頻變壓車輛控制方式，采用再生制動能量回收措施。據測算，采用再生制動可使項目整體節約牽引電耗5%以上。為提高列車再生能量利用率，同一牽引區段內制動列車與出站列車重疊時間值較大，避免列車在同一牽引區段同時制動。車輛在運營期間，采用微機控制自動駕駛ATO曲線，根據線路的坡度、彎道及列車載重等情況，自動調整行車速度，控制惰行點，使列車速度保持在最佳狀態，降低牽引能耗。

圖1 軌道線路選址圖

圖2 縱斷面節能坡設計圖

2.1.2 輔助和附屬設施節能評估

（1）車站布局和建筑節能

車站應滿足客流需求，提高列車滿載率和能源利用率；站廳、站臺、出入口通道、樓梯、扶梯等部位的通過能力應根據該站超高峰設計客流量確定；停車場布置應考慮綜合維修中心、物資總庫及其它設施功能要求；車站布置應考慮與其它線路的銜接，出站口、隧道應盡量與城市建筑結合；確保車站能源供應管線沿程損耗降低。案例中某個車站設置的10個出入口，有的離得過近，不利于周邊客流需求，投資浪費，能評提出優化措施。

應對地上車站、停車場建筑朝向、采光、遮陽、通風等布局方案，屋面、墻體、門窗等建筑圍護結構保溫隔熱構造形式、熱工參數進行分析，評估建筑能耗水平，應充分利用自然通風、天然采光措施。

（2）供電系統

應介紹項目電力負荷分級、外部電源供電方案及變配電所設置、變壓器容量及能效指標等。變配電所位置應深入負荷中心，并適當提高供電電壓，降低線損；適當提高變壓器負荷率，降低變壓器容量，減小空載和負載損耗；采用無功補償方式提高供電功率因數；進行治理諧波等。牽引供電系統損耗對牽引能耗有較大影響，應從牽引供電布局、供電方式、受電電壓、運行方式、變壓器選型等方面進行分析。案例中主變電所設置在和其它線路換乘車站附近，與其它線路共享，牽引變電所集中設置，與車站降壓變電所合建，采用集中供電方式，比分散式的環網電壓高，電損較小。

（3）暖通空調系統

暖通空調系統包括車站公共區、設備管理用房的暖通空調系統，區間和車站隧道通風系統。應介紹車站室內外環境溫濕度、氣流速度、噪聲、負荷需求，空調主機、末端和控制系統選型方案，評估設備參數是否合理，進行設備能效對標。

應考慮空調基于客流量自動監測和調節、集中供冷站、冰蓄冷、屏蔽門、自然通風等節能措施。其中基于客流量自動監測和調節的空調方案、集中供冷站均利于節能，后者對周邊居民的噪聲影響較小；夏季采用冰蓄冷技術，可減少夏季用電負荷；屏蔽門能夠減少站內冷空氣進入隧道以及列車制動時的熱量進入站臺候車區域，根據國內外既有地鐵運營統計及武漢軌道交通2號線研究結果，該系統可使得項目整體節能32%以上。案例中區間隧道采用雙活塞風道自然通風模式，如圖3所示，充分利用列車運行時的活塞作用對隧道進行自然通風降溫，模擬測算數據顯示，比全線采用單活塞風道模式隧道內溫度降低1.1℃，且地鐵線路投資每公里可節約上千萬元。

（4）其它系統

①升降系統：應從電梯和扶梯的功率、運行速度、載重量、電梯變頻調速與控制方式等方面進行能評。案例中自動扶梯采用微機變頻調速節能措施。②照明系統：評估照明光源、燈具類型、照度、功率密度值、照明控制方式等方案。案例中車站站臺、站廳、出入口等公共區域及附屬用房照明選用T5系列三基色熒光燈，局部使用LED光源，并設置智能照明控制系統。③給排水系統：應對車站出入口設置、排水泵和排污泵選型參數合理性、能效水平等進行評估。案例中各車站、區間的水源均從附近市政管網接入，充分利用管網余壓供水；出入口比地面高，避免雨水倒灌。④通信、信號等系統：對液晶顯示器、電源屏、信號燈、自動售檢票等設備進行評估，并提出節能措施。⑤能源在線監測管理系統：應提出項目能源計量器具配備方案，列出能源計量器具一覽表，包括名稱、規格、準確度等級、用途和數量等，并預留能源在線監測管理系統接口，以利于能源計量、監管。

圖3 雙活塞風道布置圖

2.1.3 可再生能源應用

應加強太陽能光熱、光伏，水資源循環利用等可再生能源技術應用。案例中職工浴室生活熱水采用集中式太陽能熱水系統；終點站停車場屋面建設太陽能光伏發電系統，供應車站內通風空調、電梯以及照明等設備用電，部分車站出入口廣場可采用太陽能光伏發電LED照明系統，白天蓄能，夜間為廣場照明；車站的屋面可設置雨水收集系統，用于沖廁等。能評階段應給出可再生能源應用基本方案、節能效果和經濟性分析。

表1 項目近期能效水平分析對照表

圖4 用能系統及能源流向示意圖

2.2 綜合能耗計算和能效水平評估

2.2.1 綜合能耗計算

項目用能系統和設備類型多、數量大，用能系統的劃分如圖4所示，電耗主要為牽引與供能用能系統兩部分。其中牽引電耗可進行行車牽引模擬得到一對車高峰時段、非高峰時段的牽引電耗，依據各年度行車組織方案及車輛編組等條件，參照公式計算（牽引電耗=一對車高峰時段牽引電耗×行車對數×運行天數+非高峰時段牽引電耗×行車對數×運行天數），牽引變壓器損耗與接觸軌線損合計損耗率約占牽引系統總能耗的3%。供能用能系統可參照《工業與民用配電設計手冊》計算公式（電耗=計算負荷×年平均負荷系數×年實際工作小時數×需要系數），電能損耗主要包括系統線路和系統變壓器的電損，可參考手冊計算。

2.2.2 能效水平評估

城市軌道交通項目應采用單位正線公里能耗、平均每站年能耗、單位客運量能耗、車公里牽引電耗等較直觀的指標作為能效水平評估指標。由于目前城市軌道交通行業還未發布能耗限額標準，可以按照類比分析法進行對標，如表1所示，案例近期單位客運量能耗略高于武漢2號線，但會隨著客運量加大而降低。

3 結束語

城市軌道交通項目用能系統復雜、能耗高，能評要在項目前期起到技術指導和能耗把關作用。以上結合節能評估實例和節能評審實踐，分析了城市軌道交通項目建設方案及節能措施、綜合能耗計算和能效水平等節能評估技術要點，為具體能評工作提供了實用性參考。