北京市城市軌道交通能耗現(xiàn)狀及節(jié)能措施建議

■　戴華明　李照星　宋　杰

北京市城市軌道交通能耗現(xiàn)狀及節(jié)能措施建議

■戴華明李照星宋杰

截至2014年12月，北京市城市軌道交通運(yùn)營總里程已達(dá)527 km，線網(wǎng)總電耗高達(dá)14.3億kW·h。掌握軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營與能耗特點(diǎn)，分析北京市城市軌道交通能耗現(xiàn)狀，提出加快建立城市軌道交通節(jié)能評價體系、深化節(jié)能設(shè)計改進(jìn)及創(chuàng)新、加強(qiáng)節(jié)能管理、建設(shè)能耗統(tǒng)計與監(jiān)測平臺等節(jié)能工作建議，不僅可應(yīng)用于既有線路的節(jié)能改造，服務(wù)于新建軌道交通，還可為其他行業(yè)提供參考，提供節(jié)能替代產(chǎn)品，滿足日益增長的消費(fèi)需求，為企業(yè)帶來新的利潤增長點(diǎn)。

城市軌道交通；電耗；節(jié)能；統(tǒng)計與監(jiān)測平臺

0　引言

截至2014年12月，北京已開通城市軌道交通線路18條，共設(shè)車站318座，總運(yùn)營里程達(dá)到527 km。2014年，北京市城市軌道交通年客運(yùn)總量達(dá)33.9億人次，日均客流量953萬人次；線網(wǎng)總耗電量約為14.3億kW·h。在城市軌道交通的運(yùn)營費(fèi)用中，主要部分為員工工資，由社會的平均工資水平?jīng)Q定，不屬于節(jié)省范疇；其次為電耗費(fèi)用，占運(yùn)營成本的20%以上。依據(jù)北京市城市總體規(guī)劃和綜合交通規(guī)劃：2020年，北京市城市軌道交通線網(wǎng)總運(yùn)營里程為1 177 km；2021年，北京市公共交通占機(jī)動化出行量比例為60%，軌道交通占公共交通出行量比例為62%。屆時，不僅北京市能源供給負(fù)擔(dān)沉重，運(yùn)營單位也將承受巨大的成本壓力［1］。因此，探索有效的節(jié)能技術(shù)措施和管理手段，降低能耗成本，對于北京市城市軌道交通運(yùn)營部門來說意義重大。

1　能耗構(gòu)成

城市軌道交通系統(tǒng)主要由車輛、軌道、供電、通信、信號、安全門、綜合監(jiān)控、自動扶梯、自動售檢票、通風(fēng)空調(diào)、動力照明、導(dǎo)向標(biāo)識等系統(tǒng)構(gòu)成［2］，主要能源消耗為電耗［3］。根據(jù)城市軌道交通變配電系統(tǒng)的用電關(guān)系及系統(tǒng)構(gòu)成，主要用電設(shè)備系統(tǒng)可分為2類：（1）車輛系統(tǒng)。其電耗設(shè)備包括牽引、制動、車載照明、車載空調(diào)等。（2）車站設(shè)備系統(tǒng)。其電耗設(shè)備包括通風(fēng)空調(diào)、自動扶梯、車站照明等。結(jié)合目前運(yùn)營線路電耗分類、分項(xiàng)的計量方式，建立城市軌道交通電耗統(tǒng)計指標(biāo)體系（見圖1），實(shí)現(xiàn)對電耗的計量和統(tǒng)計。

據(jù)統(tǒng)計，北京市城市軌道交通的牽引電耗占總能耗的53%左右，車站電耗占總能耗的42%左右。其中，列車輔助系統(tǒng)能耗（如通風(fēng)空調(diào)、照明、控制系統(tǒng)等）占列車運(yùn)行能耗的30%～40%；車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、自動扶梯等能耗占車站設(shè)備系統(tǒng)能耗的70%～80%［4］。

2　能耗現(xiàn)狀

2.1車站電耗

車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明設(shè)備及自動扶梯等設(shè)備的能耗占車站總能耗的80%以上，其電耗影響因素如下。

圖1　城市軌道交通電耗統(tǒng)計指標(biāo)體系

（1）車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)：主要受車站負(fù)荷影響，包括車站設(shè)備負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、列車及人員負(fù)荷等。其中，車站設(shè)備負(fù)荷與車站規(guī)模、設(shè)備數(shù)量、運(yùn)營時間、環(huán)控系統(tǒng)制式（開、閉屏蔽門）、環(huán)境溫度等有關(guān)。

（2）照明設(shè)備：主要受運(yùn)營時間及照明面積影響。

（3）自動扶梯設(shè)備：與車站客流及扶梯提升高度等有關(guān)。

2010—2014年北京市城市軌道交通單位小時車站電耗見圖2。分別統(tǒng)計地下線為主線路和地上線為主線路的車站電耗。地下線車站電耗為361.58 kW/（站·h），地上線車站電耗為232.33 kW/（站·h），地下線比地上線的單位小時車站電耗高出56%。

2.2牽引電耗

軌道交通牽引電耗的影響因素主要有：車輛自質(zhì)量（與車輛類型與滿載率有關(guān)）、線路敷設(shè)方式、平均站間距、季節(jié)、編組類型等。2010—2014年?duì)恳姾慕y(tǒng)計分析如下。

2.2.1車公里牽引電耗

北京市城市軌道交通單位車公里牽引電耗指標(biāo)在0.65～1.10 kW/（車·km）波動，而13號線、機(jī)場線等地上線單位車公里牽引電耗指標(biāo)在0.65～0.82 kW/（車·km），明顯低于地下線；6號線與5號線牽引電耗指標(biāo)較高，分別為1.10 kW/（車·km）和1.09 kW/（車·km）（見圖3）。

圖2　2010—2014年北京市城市軌道交通單位小時車站電耗

圖3　北京市城市軌道交通單位車公里牽引電耗

2.2.2人公里牽引電耗

北京市城市軌道交通人公里牽引電耗變化范圍為19.0～72.7 W/（人·km），變化范圍較大，主要因?yàn)楦鳁l線路客流量差異較大，該指標(biāo)值與客流量大小成反比，如1號線、2號線和10號線客流量較大，指標(biāo)值較低，分別為21.8、22.7、24.3 W/（人·km）；13號線的人公里牽引電耗最小，為19.0 W/（人·km）（見圖4）。

圖4　北京市城市軌道交通人公里牽引電耗

從數(shù)據(jù)分析可知，北京市城市軌道交通單位小時車站電耗差異較大。由于地下線環(huán)控設(shè)備的電耗也比地上線用電量大許多，故地下線單位小時車站電耗明顯高于高架站。同時，地下線的單位車公里牽引電耗約為地上線的1.4倍。人公里牽引電耗以運(yùn)效為考察對象，該指標(biāo)值與滿載率成反比關(guān)系。對于相同的線路條件，反映車站電耗的單位小時車站電耗指標(biāo)差異較大，而反映列車車輛運(yùn)行時能耗效率的單位車公里牽引電耗指標(biāo)差異較小，表明影響各車站設(shè)備系統(tǒng)能耗的因素差異性較大，影響車輛牽引系統(tǒng)能耗的因素差異相對較小。因此，進(jìn)一步研究不同線路車站差異性因素，如車站規(guī)模、設(shè)備選型等，獲取較低單位小時車站能耗指標(biāo)的車站相關(guān)參數(shù)，具有借鑒意義。

單從節(jié)能的角度，地上線要比地下線有較大的節(jié)能優(yōu)勢，而且滿載率越高，軌道交通運(yùn)效也越高，節(jié)能效果越明顯。另一方面，城市軌道交通系統(tǒng)節(jié)能可從軌道交通系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營、評估等方面著手，通過管理、技術(shù)等途徑，降低無服務(wù)能耗和輔助服務(wù)能耗；對系統(tǒng)能量處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，降低目標(biāo)服務(wù)能耗。

3　措施與建議

3.1加快構(gòu)建節(jié)能評價體系，保障節(jié)能措施有效落實(shí)

城市軌道交通節(jié)能減排必須以不降低服務(wù)水平、不影響運(yùn)營安全為前提，以節(jié)能降耗、科學(xué)發(fā)展軌道交通為目標(biāo)，堅持網(wǎng)絡(luò)化、以人為本、資源共享、效率成本的理念，從工程建設(shè)抓設(shè)計源頭、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營抓運(yùn)行操作。建立健全管理機(jī)制和保障體系，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通節(jié)能降耗的實(shí)效性和長效性。

目前，國內(nèi)城市軌道交通節(jié)能技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，大量新技術(shù)在新建線路中逐步推廣應(yīng)用；同時，也有一些節(jié)能新技術(shù)難于推廣，對節(jié)能設(shè)計不夠重視，難以保障節(jié)能措施的有效落實(shí)。由于缺乏節(jié)能評價體系，節(jié)能措施所帶來的收益難以量化，無法提高參與各方的積極性。因此，建立一套功能完善、科學(xué)、便捷的節(jié)能評價體系是節(jié)能措施有效落實(shí)的基礎(chǔ)。建立適應(yīng)我國國情的城市軌道交通節(jié)能評價體系，對各種節(jié)能減排措施進(jìn)行評價分析，指導(dǎo)工程規(guī)劃、設(shè)計和施工，指導(dǎo)已運(yùn)營和建成項(xiàng)目的節(jié)能減排改造，并有針對性地實(shí)施城市軌道交通節(jié)能措施，實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能減排，能夠得到國家和地方政府的大力支持。

3.2深化節(jié)能設(shè)計改進(jìn)及創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能

技術(shù)節(jié)能是實(shí)現(xiàn)企業(yè)自身低碳發(fā)展的基礎(chǔ)方式，通過試驗(yàn)、試點(diǎn)和推廣節(jié)能技術(shù)舉措，有效降低設(shè)備能耗和廢棄物排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)。通過節(jié)能設(shè)計，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、優(yōu)化機(jī)電設(shè)備選型，從設(shè)施資源配置、系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)措施、替代能源和再生能源應(yīng)用、土建工程節(jié)能等方面，推動技術(shù)措施的落實(shí)［5］。

在牽引系統(tǒng)節(jié)能方面，采用交流變頻變壓（VVVF）傳動裝置，減少列車調(diào)速時由附加電阻消耗掉的電能；采用列車節(jié)能運(yùn)行圖，降低牽引電機(jī)負(fù)荷、減少車輛制動能耗、降低列車牽引系統(tǒng)能耗；采用列車?yán)錈嵋惑w化變頻空調(diào)技術(shù)、列車照明應(yīng)用節(jié)能型光源等，降低列車空調(diào)和照明輔助系統(tǒng)能耗；采用非晶合金變壓器，與常規(guī)變壓器相比，空載損耗下降70%～80%、空載電流下降約75%、負(fù)載損耗下降20%～30%，能夠很好地適應(yīng)城市軌道交通系統(tǒng)配電變壓器容量大、低負(fù)荷率時間長的運(yùn)營特點(diǎn)。

在動力系統(tǒng)節(jié)能方面，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采用智能控制技術(shù)、車站空調(diào)水系統(tǒng)變流量智能控制技術(shù)，推廣應(yīng)用再生能源或低品位能源的空調(diào)系統(tǒng)等。

其他動力系統(tǒng)方面，車站自動扶梯采用變頻、相控節(jié)能技術(shù)，車輛基地采用太陽能熱水技術(shù)等；照明系統(tǒng)推廣應(yīng)用節(jié)能環(huán)保型熒光燈、LED燈等高效節(jié)能光源和燈具，并通過采用光控、時控、模式控等智能照明控制技術(shù)。

3.3加強(qiáng)節(jié)能管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理目標(biāo)

通過建立完善的監(jiān)、測、管、控體系，充分調(diào)動參與各方節(jié)能工作的積極性，有效推進(jìn)各種管理節(jié)能舉措，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

充分發(fā)揮監(jiān)理單位作用。在工程設(shè)計階段，提出節(jié)能方案和設(shè)計要求；在設(shè)備采購階段，協(xié)助建設(shè)單位招投標(biāo)、組織設(shè)計聯(lián)絡(luò)和審查工作、關(guān)鍵設(shè)備駐廠監(jiān)造及對設(shè)備首件、樣機(jī)、出廠等環(huán)節(jié)進(jìn)行驗(yàn)收，全過程控制設(shè)備采購質(zhì)量；在節(jié)能管理方面，將節(jié)能設(shè)計落實(shí)到產(chǎn)品中，核實(shí)節(jié)能效果，重點(diǎn)驗(yàn)收設(shè)備的接口配置，以期設(shè)備節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；在設(shè)備安裝及調(diào)試階段，監(jiān)理單位通過現(xiàn)場監(jiān)督、質(zhì)量驗(yàn)收等形式，對設(shè)備安裝、調(diào)試質(zhì)量進(jìn)行控制。設(shè)備監(jiān)理單位通過工程的全過程管理，對設(shè)備的節(jié)能技術(shù)有較深的見解，有效推動節(jié)能、減排、環(huán)保技術(shù)的全面實(shí)施。

建設(shè)單位在規(guī)劃、設(shè)計階段對線路的能耗水平進(jìn)行客觀評價，有助于線路運(yùn)營后制定正確的節(jié)能目標(biāo)和考核節(jié)能工作成效。城市軌道交通在項(xiàng)目立項(xiàng)階段應(yīng)對項(xiàng)目的節(jié)能及環(huán)保措施效果進(jìn)行評估，在建設(shè)過程中，設(shè)計單位應(yīng)針對節(jié)能措施進(jìn)行設(shè)計交底，施工單位應(yīng)當(dāng)按照節(jié)能設(shè)計要求進(jìn)行施工。在項(xiàng)目驗(yàn)收階段，建設(shè)單位應(yīng)按節(jié)能設(shè)計要求進(jìn)行驗(yàn)收。

運(yùn)營單位作為節(jié)能工作的最大受益者，一方面，應(yīng)積極推進(jìn)節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用，組織列車、環(huán)控、照明、自動扶梯等專業(yè)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的推廣；另一方面，應(yīng)采取優(yōu)化運(yùn)營組織、加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行管理和列車維修及培訓(xùn)管理等措施，適時引入合同能源管理新機(jī)制，加快軌道交通節(jié)能降耗實(shí)施進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

3.4加快能耗統(tǒng)計與監(jiān)測平臺建設(shè)

建立軌道交通能耗統(tǒng)計與監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)對能耗信息的自動化管理（監(jiān)測、統(tǒng)計、分析、查詢等），實(shí)時采集能耗數(shù)據(jù)，對耗能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時分析，有效加強(qiáng)各用電設(shè)備的能源管理和監(jiān)控，指導(dǎo)設(shè)備系統(tǒng)的維護(hù)和節(jié)能技術(shù)改造。

4　結(jié)束語

北京市城市軌道交通每天承載著巨大的客流，其能耗問題也越來越受到重視，分析軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行與能耗特點(diǎn)，積極推進(jìn)軌道交通結(jié)構(gòu)性和技術(shù)性節(jié)能減排，是實(shí)現(xiàn)北京市城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。建議加快建立城市軌道交通節(jié)能評價體系，保障節(jié)能措施有效落實(shí)；深化節(jié)能設(shè)計改進(jìn)及創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能；加強(qiáng)節(jié)能管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理目標(biāo)；加快能耗統(tǒng)計與監(jiān)測平臺建設(shè)，指導(dǎo)項(xiàng)目節(jié)能技術(shù)改造，使北京市軌道交通更加節(jié)能、環(huán)保。

［1］ 顧岷.我國城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.中國鐵路，2011（10）：53-56.

［2］ 戴華明，李照星，孫寧.城市軌道交通的節(jié)能低碳發(fā)展［J］.設(shè)備監(jiān)理，2014（2）：8-11.

［3］ 戴華明，宋杰，李照星.北京市城市軌道交通能耗調(diào)研與分析［J］.設(shè)備監(jiān)理，2015（3）：36-40.

［4］ 孫寧，李照星，戴華明.城市軌道交通能耗指標(biāo)體系與節(jié)能措施研究［J］.設(shè)備監(jiān)理，2011（1）：15-18.

［5］ 宋敏華.城市軌道交通節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢研究［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2009（1）：15-19.

戴華明：中國鐵道科學(xué)研究院城市軌道交通中心，工程師，北京，100081

李照星：中國鐵道科學(xué)研究院城市軌道交通中心，高級工程師，北京，100081

宋杰：北京地鐵運(yùn)營有限公司，高級工程師，北京，100088

責(zé)任編輯苑曉蒙

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1672-061X（2016）04-0077-04