淺析“雙碳”目標下城市軌道交通節(jié)能減排的措施

盧 丹 劉旭東

1.新疆工程學院

2.烏魯木齊城市軌道集團有限公司

0 概述

2021年12月召開的中央經(jīng)濟工作會議確定了“穩(wěn)字當頭、穩(wěn)中求進”的經(jīng)濟工作總基調，其中“雙碳”目標是中國經(jīng)濟發(fā)展的重大戰(zhàn)略，城市軌道交通作為城市耗能主體，在實現(xiàn)“雙碳”目標上起著重要的作用。城市軌道交通不僅是消除交通瓶頸、解決交通供需、緩解道路壓力、帶動沿線經(jīng)濟發(fā)展的一種大運量、便捷、準時的交通方式，也是完善城市綜合交通體系的需要。城市軌道交通雖為整個城市帶來了利益，但由于其線路長、站點多、運營時間長等特點，其能耗也非常大。為節(jié)約能源，很多公司對地鐵能耗進行了研究和改造，如同方泰德對北京地鐵8 號線采用了風水聯(lián)調技術，使單站點實現(xiàn)節(jié)電54 萬kWh［1］；上海地鐵應用地鐵環(huán)境控制及能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)通風、空調水系統(tǒng)、風系統(tǒng)的全局優(yōu)化和協(xié)同控制［2］；廣州地鐵從設計、運營管理、節(jié)能減排新技術方面實施了地鐵節(jié)能降耗措施［3］。

1 設計方面節(jié)能減排措施

城市軌道交通設計方面節(jié)能減排措施包括：

1)因地制宜，采用合適的曲線半徑，減小列車運行阻力；

2)按照城市軌道交通車站設計規(guī)范，合理布局站點，確定合適的站間距，以降低列車的頻繁起動和制動，并充分發(fā)揮列車的惰力運行作用，減小列車運行阻力和運行時間，提高乘客的舒適度；

3)合理設計區(qū)間坡度及坡長，使列車在出站時利用區(qū)間的快速下坡將重力勢能轉化為動能，在消耗較少牽引電能的情況下獲得列車運行所需的加速度和目標速度。

節(jié)能減排措施見圖1。

圖1 設計方面節(jié)能減排措施

2 設備方面節(jié)能減排措施

城市軌道交通是一個線長、面廣的綜合型大型工程，由于涉及多個領域，耗能系統(tǒng)和設備類型數(shù)量多且較大。為了更好地做到節(jié)能減排，需對軌道交通的每個耗能系統(tǒng)和設備進行詳細研究，了解其耗能機制，提出切實可行的節(jié)能減排措施。

根據(jù)城市軌道交通設計規(guī)范及耗能設備的功能、用途、位置等，主要耗能設備與分布情況見表1。

表1 城市軌道交通主要耗能設備與分布情況

設備方面節(jié)能減排措施見圖2。

圖2 機電系統(tǒng)與設備節(jié)能減排措施

2.1 供電系統(tǒng)與設備

1)以交通線路長度和車站位置為設計依據(jù)選定牽引變電所位置，同時按設計規(guī)范在上、下行之間設置均流線以降低牽引網(wǎng)中的能耗。

2)中壓環(huán)網(wǎng)在滿足最低壓降的情況下盡量選擇線阻小的電纜，接線形式力求簡單。

3)車站降壓變電所盡量選用低損耗變壓器，且位置靠近負荷中心以減少能耗。

4)采用再生能源逆變裝置，將列車制動時的動能轉變?yōu)殡娔茏鳛楸玖熊嚨妮o助電源及本供電區(qū)間內(nèi)其它列車的動力照明，在節(jié)省能源的同時還減緩了地鐵隧道內(nèi)溫度的上升。

2.2 機電系統(tǒng)與設備

2.2.1 照明設備

1)根據(jù)區(qū)域照明地的照度和亮度要求選用照明光源及燈具，照度要求較高的場所采用混合照明，面積較大的場所采用一般照明。

2)根據(jù)照明區(qū)域功能要求選用和配置適宜的動力設施，配置靈活方便的開關用以照明，站廳、站臺采用多路交叉方式供電以節(jié)約用電。

3)地面建筑采用天然采光和人工照明相結合的方式，室外照明配置節(jié)能控制器以便后半夜自動降低饋給燈具的電壓。

2.2.2 通風空調設備

1)車站通風機采用變頻調節(jié)技術，根據(jù)所需風量調節(jié)以降低運行能耗。

2)選用高效低噪的軸流風機或混流風機，設定合適的風量和風壓。

3)水泵選型應使水泵運行在高效區(qū)，嚴禁大馬拉小車現(xiàn)象。當空調水系統(tǒng)制冷和制熱為同一個管網(wǎng)，且冬季供熱水量和夏季供冷水量之差超過30%時按季節(jié)設置循環(huán)水泵。

2.2.3 給排水設備

1)給水系統(tǒng)應充分利用城市的自來水水壓來保證管網(wǎng)直供的生活、生產(chǎn)用水，消防水泵直接接在市政管網(wǎng)上抽吸加壓。

2)水泵選型應使水泵運行在高效區(qū)，應選用效率高、噪音低、體積小、重量輕、占地面積小和安裝檢修方便的高效節(jié)能產(chǎn)品。

3)排水系統(tǒng)應充分利用重力流，當高差不能滿足要求時設排水泵。當采用壓力排水系統(tǒng)時，排水泵站應盡量靠近地面以減小揚塵、降低功率。

4)給排水系統(tǒng)應采用自啟停控制系統(tǒng)，利用高低水位探頭監(jiān)測水位，根據(jù)運行狀況設置目標參數(shù)，使系統(tǒng)處于高效節(jié)能狀態(tài)。

5)在設備、管材及管道接口等方面應用新技術、新工藝、新材料，減小管道摩擦阻力、提高水力性能，使設備節(jié)能、高效地運行。

2.2.4 電扶梯設備

1)選用永磁同步驅動電梯，采用高磁通密度永磁材料，將曳引輪直接安裝在電機轉子上，實現(xiàn)無損耗傳動，效率遠高于有齒輪曳引機，綜合節(jié)能率達20%左右，此外渦輪渦桿的取消避免了齒輪油的大量應用。

2)采用變頻變壓VVVF（Variable Voltage and Variable Frequency）方式控制自動扶梯，在自動扶梯上加設變頻裝置，扶梯的啟動由變頻器控制。當安裝在扶梯出入口處的傳感器檢測到有乘客乘梯時，自動扶梯立即響應，速度平穩(wěn)升至100%額定速度；當在設定時間范圍內(nèi)傳感器未感應到有乘客時，扶梯速度自動降至20%（0.13 m/s）的低速節(jié)能運行狀態(tài)。

2.3 綜合監(jiān)控設備

1)選用多業(yè)務承載傳送MSTP（Multi- Service Transport Platform）技術，使用統(tǒng)一平臺承載語音、圖像和數(shù)據(jù)，模塊化設計使集成程度高、結構緊湊、能耗低。

2)在保證質量、安全的前提下，盡量選擇能耗、輻射小的產(chǎn)品，設備室及IBP盤布置緊湊、電源配線路徑簡捷，以減少線路損耗和材料能耗。

2.4 通號設備

2.4.1 通信設備

1)將通信傳輸、乘客信息、安防等模塊化設計，降低能耗。

2)通信干線采用雙光纜線路，區(qū)間通信采用有線傳輸和無線通信相結合的方式，地區(qū)和站場也盡量采用光纜，減少電纜的使用。

3)通信電源采用智能化電源對通信設備集中供電，蓄電池采用免維護、轉換效率高的蓄電池組。

2.4.2 信號設備

列車運行采用自動駕駛（ATO）系統(tǒng)中經(jīng)濟運營模式，充分利用列車的最大加速度產(chǎn)生的動能，實現(xiàn)惰行，減少控制頻度，降低牽引能耗，使列車按最佳曲線運行。

2.5 車輛設備

1)車體材料使用鋁合金或不銹鋼以減輕車體重量，轉向結構構架采用鋼板壓型焊接，減輕構架自重。

2)采用變頻變壓（VVVF）調速控制方式［4］。逆變器將直流轉變成交流，通過電壓和頻率的變化控制交流電機，無換向部分，運行可靠、過載力強、重量輕。

3)采用“動+拖”混合編組方式。

4)將絕緣柵極雙極型晶體管應用到輔助電源系統(tǒng)，不但大大提高轉換效率，且輸出電壓頻率精度高，高容量時可使用自然冷卻方式降低能耗。

5)綜合使用再生制動、電阻制動、空氣制動，充分利用再生制動的優(yōu)勢，保證電制動的穩(wěn)定性，最大程度地減少環(huán)境污染。

2.6 車輛段及停車場基地

1)在滿足功能要求的同時盡量做到布局緊湊。股道布置要使車輛作業(yè)順暢，避免車輛在段內(nèi)交叉干擾和走行距離增加。管路鋪設應短、直，建筑位置及朝向要充分利用自然采光和自然通風。

2)庫內(nèi)照明、段（場）路燈、辦公設備及大能耗設備應選用國家或行業(yè)推薦的節(jié)能產(chǎn)品，積極使用新技術、新工藝、新材料和新設備，如采用太陽能路燈、太陽能熱水器、庫頂光伏供電等。在設備選型時，應充分考慮設備的各項指標，節(jié)約電能。

3)盡可能回收、循環(huán)利用資源，如列車洗車水經(jīng)沉淀、過濾、消毒后二次循環(huán)利用；將生活用水和綠化用水分開水源，如生活用水水源來自自來水，綠化用水來自經(jīng)循環(huán)處理后的中水。

4)根據(jù)當?shù)貧夂颉⒕€路坡度、設備使用情況及常用負載等合理選用設備容量及動力提供方式。

3 管理方面節(jié)能減排措施

1)培養(yǎng)員工節(jié)能減排意識，樹立自上而下的“低碳環(huán)保、綠色節(jié)能”理念，定期開展節(jié)能教育和技術培訓，做到一級重管理，二級重實施，使節(jié)能減排工作落地生根。

2)成立專人負責的節(jié)能減排管理體系對用能系統(tǒng)進行統(tǒng)籌管理，建立、保持并完善具有明確職責范圍、權限和獎懲制度的管理體系，落實管理職責。

3)建立節(jié)能減排管理制度，貫徹執(zhí)行節(jié)能方針、法規(guī)、標準，制定和實施適用于本企業(yè)的節(jié)能管理細則、節(jié)能目標和管理標準。

4)做好節(jié)能減排運營統(tǒng)計工作，做好原始記錄，制訂各項能源消耗統(tǒng)計標準，實施節(jié)能減排獎懲制度，提高節(jié)能減排的積極性。

5)做到走出去、引進來的管理理念，知悉行業(yè)最前沿技術，吸納同行業(yè)先進的管理模式和經(jīng)營做法。

管理方面節(jié)能減排措施見圖3。

圖3 管理方面節(jié)能減排措施

4 結語

城市軌道交通作為城市運輸領域的耗能行業(yè)，在國家“雙碳”目標的驅動下不斷向更綠色轉型，在保證安全運營的前提下，不斷使用綠色技術、綠色設備、綠色管理來實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高能源的利用效率。