綠色建筑理念在地鐵節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

董書蕓

(中國(guó)地鐵工程咨詢有限責(zé)任公司　北京　100037)

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綠色建筑理念在地鐵節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

董書蕓

(中國(guó)地鐵工程咨詢有限責(zé)任公司北京100037)

借鑒綠色建筑的理念，從規(guī)劃節(jié)能、車輛節(jié)能、運(yùn)營(yíng)組織節(jié)能等方面分析地鐵節(jié)能措施，提出節(jié)能的理念應(yīng)從規(guī)劃階段滲透，在設(shè)計(jì)階段深化細(xì)化，以及在施工和運(yùn)營(yíng)階段實(shí)施、落實(shí)，全面提高車輛的滿載率，從而降低地鐵的單位能耗。而這種理念的貫徹還需要有制度和規(guī)范的保證，地鐵系統(tǒng)亟需建立健全“綠色地鐵”的認(rèn)證體系，從而推動(dòng)地鐵系統(tǒng)全壽命周期的節(jié)能、節(jié)材、節(jié)地、節(jié)水，更好地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。

城市軌道交通；節(jié)能；滿載率；單位能耗

參照綠色建筑的理念，要實(shí)現(xiàn)地鐵領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，不能簡(jiǎn)單地從減少能耗的角度去考慮，需要結(jié)合環(huán)境、規(guī)劃等因素統(tǒng)籌考慮，從更高的視點(diǎn)和更全面的角度考慮節(jié)能，將起到更好的節(jié)能效果，收到更好的環(huán)境效益。

2014年4月GB/T 50378—2014《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部正式發(fā)布實(shí)施，是衡量和評(píng)價(jià)中國(guó)綠色建筑的標(biāo)尺，綠色建筑要求統(tǒng)籌考慮建筑全壽命周期內(nèi)，節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、保護(hù)環(huán)境與滿足建筑功能之間的辯證關(guān)系，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一[1- 2]。

借鑒綠色建筑的理念，節(jié)能的理念應(yīng)從規(guī)劃階段滲透，從設(shè)計(jì)階段深化細(xì)化，從施工和運(yùn)營(yíng)階段實(shí)施、落實(shí)，因此地鐵節(jié)能應(yīng)從這幾個(gè)方面考慮：合理規(guī)劃，車輛節(jié)能，節(jié)地與節(jié)省地下空間，運(yùn)營(yíng)組織，合理的平縱斷面，選擇節(jié)能設(shè)備和節(jié)能運(yùn)行模式，節(jié)水與水資源利用，節(jié)材與資源利用。

1　地鐵系統(tǒng)能耗構(gòu)成

根據(jù)地鐵項(xiàng)目特點(diǎn)，地鐵在運(yùn)行中使用的能源品種為電和天然氣，主要耗能工質(zhì)為水。

1) 電，地鐵系統(tǒng)用電主要為地鐵車輛牽引用電和車站、區(qū)間隧道、車輛段與綜合基地、控制中心的動(dòng)力照明用電。

地鐵系統(tǒng)用電能耗主要由列車和車站運(yùn)營(yíng)能耗兩部分構(gòu)成，其中列車運(yùn)行能耗占總能耗的40%～50%，通風(fēng)空調(diào)能耗占25%～35%，電扶梯能耗占10%～14%，此3項(xiàng)能耗之和占到了地鐵總能耗的90%，因此，列車運(yùn)行、通風(fēng)空調(diào)、電扶梯的節(jié)能應(yīng)是重點(diǎn)關(guān)注的方面。

2) 天然氣，車輛段或停車場(chǎng)生活食堂及鍋爐房作為燃料使用。

3) 水，項(xiàng)目運(yùn)行生產(chǎn)、生活用水。

2　規(guī)劃層面的節(jié)能

2.1提高地鐵利用率

根據(jù)有關(guān)資料，地鐵的單位能耗只有公交車的50%，小汽車的6%[3]。對(duì)于尚未建設(shè)地鐵的城市，從交通結(jié)構(gòu)來(lái)看，主要出行方式為小汽車、公交巴士、自行車及步行，從能耗消耗種類來(lái)看，主要能耗為汽油和柴油。地鐵線路建設(shè)完成后，由于交通方式的變化，部分出行者選擇軌道交通，能源的消耗方式也由汽油、柴油轉(zhuǎn)變成電力消耗。

根據(jù)客流預(yù)測(cè)，研究近、遠(yuǎn)期某市軌道交通線路日均發(fā)送乘客分別為47.05，81.49萬(wàn)人，近、遠(yuǎn)期平均運(yùn)距為分別為8.27，7.83 km。根據(jù)規(guī)劃可以預(yù)測(cè)，如不修建地鐵，運(yùn)量將轉(zhuǎn)移到其他方式，表1為某城市有無(wú)地鐵的情況下各種類型交通分擔(dān)及能耗量。

表1　社會(huì)能源節(jié)約計(jì)算

注：小汽車按百公里8 L汽油計(jì)算，定員2人；摩托車百公里耗油2 L，定員1人；公交車按12 m公交計(jì)算，百公里耗油55 L，定員70人/輛，平均滿載率60%計(jì)算。

根據(jù)計(jì)算，某城市某條地鐵線路建成后，可以為該市在近期每年帶來(lái)0.29萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤、遠(yuǎn)期每年0.72萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤的社會(huì)能源節(jié)約量。

以某城市的交通出行方式構(gòu)成為例，可以假設(shè)其他方式逐漸轉(zhuǎn)移到地鐵上，計(jì)算出地鐵分擔(dān)比從0增加到100%時(shí)社會(huì)能源消耗量的變化情況(見圖1)。

圖1　地鐵分擔(dān)率與交通能耗的關(guān)系

從圖中可以看出地鐵分擔(dān)率達(dá)到100%時(shí)，能耗為地鐵分擔(dān)率0時(shí)的68%。因此，提高地鐵在城市交通中的分擔(dān)率，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

提高地鐵在城市交通中的分擔(dān)率，應(yīng)做好地鐵的交通銜接，調(diào)整公交線路及停靠站，真正做到公交與地鐵的無(wú)縫銜接；合理規(guī)劃地鐵站點(diǎn)周邊的停車配套，對(duì)主城區(qū)外部分具備條件的站點(diǎn)設(shè)置P+R，為小汽車客流乘坐地鐵出行提供便利；合理設(shè)置自行車停車場(chǎng)，方便周邊居民乘坐地鐵出行；同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)輿論宣傳，加大對(duì)地鐵出行準(zhǔn)時(shí)、快捷、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)的突出宣傳，使廣大市民愿意更多地乘坐地鐵出行，從而為地鐵分擔(dān)率的不斷提高創(chuàng)造有利條件。

2.2提高地鐵車輛滿載率

提高地鐵車輛的滿載率，可以降低地鐵單位能耗。當(dāng)滿載率達(dá)到100%時(shí)，地鐵單位能耗僅為滿載率10%時(shí)的15%。根據(jù)圖2中單位能耗的變化規(guī)律來(lái)看，當(dāng)滿載率由10%增長(zhǎng)至20%時(shí)，單位能耗降低了約50%，因此滿載率超過(guò)20%可有較好的效果。綜合考慮乘客舒適度和滿載率，滿載率達(dá)到100%時(shí)，車輛內(nèi)乘客站立密度將達(dá)到6人/m2，普遍認(rèn)為站立密度為3～6人/m2時(shí)兼顧了舒適度和經(jīng)濟(jì)效益，單位能耗也較低。綜合來(lái)看，平均滿載率應(yīng)超過(guò)20%，高峰小時(shí)滿載率應(yīng)超過(guò)60%，才能實(shí)現(xiàn)較低的單位能耗。

因此，地鐵節(jié)能應(yīng)從根本做起，規(guī)劃好線路，針對(duì)不同時(shí)期的客流量，配置合理數(shù)量的車輛，從而保證地鐵車輛滿載率在合理范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

圖2　滿載率與地鐵單位能耗的關(guān)系

2.3選擇合適的敷設(shè)方式

線路方案中的線路敷設(shè)方式對(duì)能耗的影響最大，地上車站通常采用自然通風(fēng)和自然采光方式，地上車站比地下車站減少了通風(fēng)空調(diào)和照明能耗。從建設(shè)過(guò)程來(lái)看，地下車站的能耗也遠(yuǎn)大于高架車站，因此在用地規(guī)劃條件允許的情況下，采用適當(dāng)?shù)南暺琳希瑧?yīng)更多地考慮采用地上車站以節(jié)約能源。

從軌道交通建筑工程費(fèi)用來(lái)看，地下車站是地上車站的3倍多，因此在建設(shè)過(guò)程中，地下車站的能源消費(fèi)量遠(yuǎn)大于地上車站；根據(jù)軌道交通設(shè)備系統(tǒng)選型可以估算出南方某城市地上車站和地下車站的年耗電量分別為：90萬(wàn)kW·h/站和452.31萬(wàn)kW·h/站，可見，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中地下車站的能源消費(fèi)量遠(yuǎn)大于地上車站。僅從減少能源消費(fèi)的角度來(lái)考慮，軌道交通應(yīng)盡可能地采用地上線。

2.4通過(guò)資源共享、綜合利用實(shí)現(xiàn)土地資源集約利用

軌道交通主變電所和車輛段通常在規(guī)劃階段統(tǒng)籌考慮，以實(shí)現(xiàn)資源共享、綜合利用。車輛段的占地規(guī)模往往較大，每條線單獨(dú)設(shè)置必然帶來(lái)功能的重復(fù)和資源的浪費(fèi)。如果在規(guī)劃階段全網(wǎng)統(tǒng)一車輛制式，則可以實(shí)現(xiàn)備品、備件的共享，減小車輛段規(guī)模和車輛維修成本，多條線共用車輛段也可提高車輛段的利用率，從而大大節(jié)約土地資源。

3　車輛節(jié)能

有研究表明，列車自重、牽引動(dòng)力傳遞效率、車載輔助設(shè)備對(duì)系統(tǒng)總能耗影響最為顯著，列車運(yùn)行控制技術(shù)如速度均衡性和預(yù)判距離、編組方案、技術(shù)速度對(duì)系統(tǒng)總能耗有著重要影響[4]。因此，列車的選型對(duì)于節(jié)能也有重要的影響。

3.1減輕車輛自重

根據(jù)國(guó)內(nèi)外地鐵車輛車體采用不銹鋼和鋁合金的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，地鐵車輛耐候鋼車體自重為9～10 t ，不銹鋼車體自重為6～7 t ，鋁合金車體自重為4～5 t。如果以耐候鋼車體自重為基準(zhǔn)，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[5]。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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量和粉塵，也減輕了隧道的溫升和污染；輪軌磨耗也相應(yīng)減少，可節(jié)省一定數(shù)量的維修費(fèi)用；改善了列車運(yùn)行品質(zhì)，提高了運(yùn)行速度，縮短了制動(dòng)距離，減少了振動(dòng)和噪聲等。同時(shí)，車輛自重的減輕可減少列車能耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)，車輛能耗約為0.06 kW·h/(t·km)。根據(jù)車體重量可估算出不同材料車輛能耗如表2、圖3所示。

表2　不同車體材料車輛能耗

注：車輛載重根據(jù)某城市線路近期全日平均滿載率計(jì)算。

圖3　車輛自重、滿載率與地鐵單位能耗的關(guān)系

值得注意的是，車體自重的增加將引起車輛單位能耗的提高，而自重不變載重增加時(shí)車輛的車公里能耗是增加的，但車輛的單位能耗是降低的。

3.2實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)

電氣制動(dòng)可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將車輛動(dòng)能回饋至牽引網(wǎng)，供相鄰車輛吸收。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),地鐵再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的20%～40%，甚至更多[6-8]。與電阻制動(dòng)相比，再生制動(dòng)節(jié)能的效果顯著。

但再生電能并不是都能被其他牽引車輛吸收，剩余部分則消耗在車輛制動(dòng)電阻上并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)到空氣中，其結(jié)果是加速了隧道的溫升。因此，選擇合適的再生制動(dòng)能量吸收裝置也很重要。

采用再生制動(dòng)能量吸收裝置以后，當(dāng)處于再生制動(dòng)工況下的列車產(chǎn)生的制動(dòng)電流不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備吸收時(shí)，線路上設(shè)置的再生制動(dòng)能量吸收裝置立即投入工作，可吸收多余的再生電流，使車輛再生電流持續(xù)穩(wěn)定，以最大限度地發(fā)揮電制動(dòng)性能。

目前，常用的吸收裝置包括電容儲(chǔ)能裝置、逆變回饋型裝置、電阻吸收裝置，電容儲(chǔ)能裝置和逆變回饋型裝置均有很好的節(jié)能作用。

4　運(yùn)營(yíng)組織

前文提到保證車輛的滿載率在合理的范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但規(guī)劃線路沿線客流存在不均衡性，尤其在初期部分區(qū)段周邊尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)劃，客流量較小，因此合理的交路組織尤為重要。大小交路的設(shè)置可以很好地避免局部區(qū)段的運(yùn)能浪費(fèi)，使得車輛在全線有較高的滿載率。

地鐵全線高峰客流量如圖4所示，呈現(xiàn)出中間高兩邊低的特點(diǎn)，則可考慮設(shè)置小交路，按照高峰小時(shí)大交路12對(duì)，小交路6對(duì)考慮，則平均滿載率可由單一交路的34%提升到41%，列車走行可減少約350萬(wàn)車公里，列車牽引耗電量可減少760萬(wàn)kW·h。因此，合理地設(shè)置小交路，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。而衡量交路設(shè)置合理性的關(guān)鍵參數(shù)就是車輛的平均滿載率。

圖4　高峰客流量

實(shí)際上，客流除了在空間上分布不均衡外，在時(shí)間上的分布也是不均衡的，每日有平峰和高峰的區(qū)別，工作日與節(jié)假日也有區(qū)別；同時(shí)隨著城市的發(fā)展，初近遠(yuǎn)期的客流也存在較大差別。對(duì)于不同時(shí)期的客流特點(diǎn)制訂詳細(xì)的行車計(jì)劃，可以更好地提升車輛的利用率，使車輛在各個(gè)時(shí)段都有較合理的滿載率，以避免運(yùn)能的浪費(fèi)。

服務(wù)水平和滿載率是一對(duì)矛盾，滿載率的提高將降低地鐵的單位能耗，但滿載率過(guò)高則會(huì)因舒適度過(guò)低而降低服務(wù)水平。因此，不可過(guò)度追求高滿載率，降低單位能耗，應(yīng)為乘客提供一個(gè)相對(duì)舒適的乘車環(huán)境。

5　其他節(jié)能措施

在平縱斷面的設(shè)計(jì)中，線路坡度、曲線半徑以及站間距等要素對(duì)列車運(yùn)行能耗均有影響。設(shè)置節(jié)能坡可顯著降低列車的運(yùn)行能耗，利用縱斷面的凸型條件設(shè)置10‰的節(jié)能坡，可節(jié)約6.7%的列車運(yùn)行能耗；小曲線半徑可導(dǎo)致列車運(yùn)行能耗額外增加，當(dāng)曲線半徑在800 m以上時(shí)，對(duì)列車運(yùn)行能耗的影響幾乎可忽略；在相同停站次數(shù)的情況下，列車的單位距離運(yùn)行能耗會(huì)隨著站間距的增加而遞減[9]。

因此,地鐵系統(tǒng)應(yīng)配置合理，做好不同系統(tǒng)的整合，避免功能重復(fù)；做好接口管理，發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能；各專業(yè)統(tǒng)籌考慮牽引機(jī)車，減少設(shè)備配置；設(shè)備系統(tǒng)選擇高能效設(shè)備，并應(yīng)用變頻技術(shù)；在選擇車輛、設(shè)備時(shí)，應(yīng)全網(wǎng)統(tǒng)籌考慮，盡量選擇同類型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)資源共享[10]。

6　結(jié)論

地鐵節(jié)能應(yīng)從規(guī)劃階段深入考慮，而不應(yīng)僅僅局限于選擇節(jié)能高效的設(shè)備，應(yīng)更多從規(guī)劃階段重視線路規(guī)劃，在設(shè)計(jì)階段做好節(jié)能設(shè)計(jì)，在運(yùn)營(yíng)階段做好運(yùn)營(yíng)組織，全面提高車輛的滿載率，從而降低地鐵的單位能耗。而這種理念的貫徹還需要有制度和規(guī)范的保證，地鐵系統(tǒng)亟須建立健全“綠色地鐵”的認(rèn)證體系，從而可推動(dòng)地鐵系統(tǒng)全壽命周期的節(jié)能、節(jié)材、節(jié)地、節(jié)水，更好地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50378—2014[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014:2-10.

[2] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心.綠色建筑評(píng)價(jià)技術(shù)指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010:1-18.

[3] 張衛(wèi)華，王煒，胡剛.基于低交通能源消耗的城市發(fā)展策略[J].公路交通科技，2003,20(1)：80-84.

[4] 王玉明.城市軌道交通系統(tǒng)能耗影響因素的量化分析[D].北京：北京交通大學(xué)， 2011.

[5] 肖彥君，楊潤(rùn)棟.地鐵車輛車體材料的選型分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2005(1)：12-24.

[6] 趙立峰，張發(fā)明.北京地鐵5號(hào)線再生制動(dòng)電能吸收裝置[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2008(1)：6-8.

[7] 連鵬飛.深圳地鐵2號(hào)線工程再生制動(dòng)能量吸收裝置設(shè)置方案研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(6)：85-89.

[8] 魯玉桐，趙小皓，趙葉輝.再生制動(dòng)能量吸收裝置在北京地鐵中的應(yīng)用[J].都市快軌交通，2014，27(4)：105-108.

[9] 陶明鶴.軌道交通線路縱斷面節(jié)能坡設(shè)置研究[J].城市道橋與防洪，2011(6)：23-25.

[10] 楊雪峰.城市軌道交通列車節(jié)能運(yùn)行模式的研究[J].城市軌道交通研究，2010(8)：68-72.

(編輯：郝京紅)

Study on the Application of Green Building Concept in Metro Energy Saving Design

Dong Shuyun

(China Metro Engineering Consulting Corporation, Beijing 100037)

Learning from the concept of green building, we analyze the subway energy saving measures from the aspects of planning, vehicle, operation organization and so on. We put forward the concept that energy conservation should be incorporated into all stages of construction. The requirements of energy conservation should be considered in the planning stage, the energy saving measures in the design stage should be emphasized and the energy saving measures in the construction and operation stages should be implemented. To save energy, it also needs to improve the full load rate in all aspects to reduce energy consumption of the subway. And the implementation of the concept needs to be ensured by improving the specification. The subway system needs to establish and improve the certification system of "green subway", which can promote the subway system in the full life cycle of energy saving, material saving, land saving and water saving, and can realize the unification of economic, social and environmental benefits.

subway; energy saving; full load rate; energy consumption

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.027

2015-10-20

2015-12-11

董書蕓，女，博士，高級(jí)工程師，從事軌道交通設(shè)備節(jié)能研究，dsyuu@163.com

U231

A

1672-6073(2016)01-0114-04大力發(fā)展公共交通，提高城市公共交通平均出行分擔(dān)率，減少私人轎車出行，是實(shí)現(xiàn)城市交通節(jié)能減排的一項(xiàng)重要措施。地鐵是公共交通領(lǐng)域最為節(jié)能的交通方式，提高地鐵利用率可以更好地節(jié)能。但地鐵仍然是城市的用電大戶，1條線路的年用電量常常在1億kWh以上，因此盡可能地挖掘地鐵各用能系統(tǒng)的節(jié)能潛力，減少總能耗，可以更大限度地節(jié)能。