城市軌道交通車輛基地用電節能新技術的應用*

張邦力

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 710043, 西安)

車輛基地作為檢修、整備、物資存儲等的重要后勤保障基地,其用電量占城市軌道交通總用電量的比例較大。降低車輛基地用電量,提升用電節能技術水平,降低運營成本,一直是車輛基地設計者及運營者不斷追求的目標。車輛基地用電包括牽引用電與非牽引用電兩大部分,其中非牽引用電主要包括照明用電、檢修用電、辦公生活用電等。經調研,北京某車輛段2020、2021年非牽引用電量分別為468萬kWh、476萬kWh,占該車輛段全年用電量的比例分別為79.0%、79.1%;廣州某車輛段2020、2021年度非牽引用電量分別為500萬kWh、507萬kWh,占該車輛段全年用電量的比例分別為80.3%、80.4%。由此可見:車輛基地非牽引用電量已占其總用電量的80%。而車輛基地內的牽引用電,除車輛因素外,還與運營組織、檢修、洗車、調車頻率及車輛基地內線路長度等因素有關,因此節約牽引用電量效果不顯著。

目前國內已對車輛基地建筑節能、水節能設計等進行了大量研究,但對車輛基地如何有效提升用電節能設計研究相對缺乏,尤其在可再生能源的利用以及新節能光源和能源智能化管控等方面的設計尚處于探索階段。

本文通過分析車輛基地功能布局、設備設施用電量,以及結合用電節能新技術的應用狀況,從光能技術、節能燈具技術及智能照明控制技術等方面對車輛基地用電節能技術進行了研究與分析,可為城市軌道交通車輛基地用電節能技術研究提供思路及參考。

1 光能技術的應用分析

1.1 太陽能加熱器

車輛基地制備熱水主要用于檢修、維修中心人員作業后的洗浴。由于車輛基地功能布置要求的特殊性及復雜性,目前大多數車輛基地熱水的獲取靠電加熱。雖然電加熱器已采用節能技術,但由于人員使用時間的不確定性,其一直處于運行狀態,不可避免地造成用電量的浪費。

根據車輛基地功能設計及人員分布情況,可將洗浴室集中設置于綜合樓內,在樓頂合適位置設置太陽能加熱器,以充分利用光能技術。當室外日照無法滿足太陽能加熱器正常產出熱水時,可自動開啟輔助電加熱器制備熱水,以保障使用需求。太陽能加熱器配套設置有單向電磁閥、智能溫度及液位控制器等[1],并考慮采用防雷、防風、防雹及防震等措施。

以上海某城市軌道交通車輛段為例,對電熱水器與太陽能加熱器(帶輔助電加熱器)進行經濟性對比分析,如表1所示。

表1 電熱水器與太陽能加熱器的經濟性對比

由表1可見:太陽能加熱器(帶輔助電加熱器)較電熱水器每年節約用電量18 921.6 kWh,節能率達64.3%。

1.2 光伏發電設施

光伏發電技術作為新能源技術已逐漸被推廣應用,但城市軌道交通自身的特點限制了此技術在城市軌道交通中的應用[2]。車輛基地建設有大面積工業廠房,其作為大宗性用地,主要具有檢修、維護等功能。經研究,在滿足自然通風、采光的前提下,光伏發電設施可結合廠房屋頂進行布置,以達到節約占地面積、提升光照效果的目標。

以坐落于上海崇明島的陳家鎮停車場為例,分析了分布式光伏發電設施的設計應用。依據《上海市崇明區總體規劃暨土地利用總體規劃(2017—2035)》新建建筑原則不超過18 m的要求,該停車場周邊無高大建筑物的遮擋,運用庫屋頂采光較好,常年接受陽光強度大,有利于分布式光伏發電設施將太陽能轉換為電能,實現可再生資源的利用,為停車場提供電力能源,降低了環境污染,響應了綠色生態建設的要求。

對陳家鎮停車場運用庫采光、通風天窗布置,以及分布式光伏發電設施布置進行設計。在滿足運用庫內自然采光、通風的前提下,經優化調整后可在其屋頂鋪設分布式光伏發電設施(見圖1),其面積約為1.2萬m2。

圖1 運用庫屋頂分布式光伏發電設施鋪設效果圖

在運用庫輔助用房內設有光伏發電設備房,其面積約100 m2。該設備房內配置有直流匯流箱、直流配電柜、逆變器及交流配電柜等,用于電能的變換、存儲、控制及輸配等。經逆變轉換的AC 380 V可接至跟隨所(配電間)低壓柜,用于車輛基地內綜合樓、輔助用房、路燈等照明設施用電。

陳家鎮停車場所采用的分布式光伏發電設施光電轉化率為13%～15%,計算所得設計的光伏發電站實際發電效率約為65%,最大裝機量為1.5 MW,發電量約為100萬～110萬kWh/年,節省電費約為80萬元/年。

1.3 管道式日光照明系統

隨著土地資源日益緊張,城市軌道交通車輛基地進行物業開發或全地下建設成為了今后的設計趨勢,同時自然采光效果差成為其不可避免的問題。為滿足運營、生產、管理的照度要求,需設置大量照明燈具,且停車列檢庫、咽喉區、道路等照明時間達24 h/d,用電量較大。

對于上蓋物業或全地下車輛基地而言,可結合上蓋物業進行開發布置及景觀設計,白天將自然光線引入蓋下,增加自然光的照明[3],以節約大量電能,降低運營成本,提升綠色生態設計水平。對某上蓋物業開發為綠地的城市軌道交通停車場,進行了庫內采用管道式日光照明系統的設計研究,即通過室外采光裝置收集自然光,并將其導入系統內部,經導光管傳導后,至系統末端的漫射裝置,將自然光均勻散發到室內,其日光照明效果如圖2所示。

圖2 運用庫內日光照明效果

綜合考慮上蓋物業的道路布置、樓宇布置,以及蓋下設備管線布置等因素,在運用庫及檢修庫內分別布置了56套管道式日光照明系統。經計算,在可利用日光的條件下庫內照度可達80 lx。車輛檢修時可通過開啟部分燈具來補強照度,使之達到設計標準要求;其余時間的照明需通過庫內燈具來解決。

據氣象部門的數據,崇明島年日照時長約為2 928 h,按80%的利用率計算,日光照明系統的使用時長約為2 342 h/年,則該基地全年可節約用電量約31.8萬kWh,節省電費約25.4萬元。

2 節能燈具技術的應用分析

車輛基地高大生產車間內照明燈具品質的優劣,對檢修或物資管理等人員的使用至關重要。根據分析研究,這些高大廠房可選用的光源主要有金鹵燈、LED燈及無極燈等。

2.1 金鹵燈性能分析

1) 光衰:金鹵燈光衰較大,使用7 000 h后,其光通量維持率約為50%[4]。

2) 壽命:金鹵燈壽命為0.6萬～2.0萬h。

3) 啟動時間:金鹵燈達到100%發光強度需5～15 min,電源中斷恢復供電后,光源需冷卻5～15 min才能再次點亮。

4) 顯色指數:金鹵燈顯色指數為0～70,處于良好級。

5) 頻閃:金鹵燈有頻閃,易使人視覺疲勞。

6) 節能性能:較差。

2.2 LED燈性能分析

1) 光衰:LED(發光二極管)燈光衰較低,使用7萬h后,其光通量維持率約為50%[5]。

2) 壽命:LED燈壽命為5萬～10萬h。

3) 啟動時間:LED燈達到100%發光強度需要約1 min,電源中斷恢復供電后,無需等待即可重新點亮。

4) 顯色指數:LED燈顯色指數約為70,處于良好等級。

5) 頻閃:LED燈有頻閃,易使人視覺疲勞。

6) 節能性能:優越。

2.3 無極燈性能分析

1) 光衰:無極燈光衰很低,使用6萬h后,其光通量維持率仍可保持在70%以上[6]。

2) 壽命:無極燈光源壽命極長,理論可達10萬h,實際使用壽命>6萬h。

首先，抗辯權行使時間的限制。只有當一方當事人的債務已屆清償期，但對方未履行或者未完全履行使義務時，對方當事人才可以行使抗辯權。例如，只有在物業服務企業首先不履行或者不完全履行合同義務，并且經業主或者業主委員會的要求改善后不履行的狀態繼續存在時，業主才可以行使抗辯權［9］45。

3) 啟動時間:無極燈達到100%發光強度約1 min,電源中斷恢復供電后,無需等待即可重新點亮。

4) 顯色指數:無極燈顯色指數>80,處于優級。

5) 頻閃:無極燈無頻閃,人視覺不會產生疲勞。

6) 節能性能:優越。

由上可知,無極燈較金鹵燈具有較大優勢,雖與LED燈性能相近,但其光衰很慢且無頻閃等特性,使其在車輛基地高大廠房中應用具有一定優勢。

2.4 照度及均勻性分析

以廣州地鐵21號線(以下簡稱“21號線”)設置有上蓋物業的鎮龍車輛段運用庫為例,分別對其采用金鹵燈與無極燈進行了照度及其均勻性分析。試驗條件:①燈具使用環境相同,均為運用庫;②運用庫照度不低于100 lx;③兩種燈具數量和布置間距相同;④安裝高度均為5.4 m。基于上述試驗條件進行了照度及其均勻性模擬分析。兩種燈具的偽色表現模擬圖如圖3所示。

a) 金鹵燈

b) 無極燈

由圖3可知:金鹵燈光線擴散程度較低,光衰減較快,照度均勻性較差,會出現光暈,易使人員產生視覺疲勞感。而無極燈照度均勻性較好,且能避免產生大面積的光暈現象。經測量,采用無極燈時,庫內地面平均照度較金鹵燈高出約25 lx,在滿足照度標準的前提下,可減少無極燈數量,節約工程投資。綜上,無極燈在高大廠房內應用具有較大的優越性。

2.5 經濟性分析

鎮龍車輛段運用庫、檢修庫、調機庫、工程車庫及物資庫均位于蓋下,自然采光較差。在滿足各庫房照度及使用功能要求的前提下,對各庫房分別采用相同數量的金鹵燈與無極燈進行了用電量對比分析。金鹵燈與無極燈用電量對比,如表2所示。

表2 金鹵燈與無極燈用電量對比

經計算,鎮龍車輛段各庫房采用無極燈較金鹵燈每年節約用電量為54.3萬kWh,節省電費約43.4萬元/年,較大程度節約了運營成本。

3 智能照明控制技術的應用分析

鎮龍車輛基地占地面積和建筑面積較大,燈具布置數量較多,尤其上蓋物業開發使得車輛基地燈具數量增加,照明時間加長,如不能有效管理,則會帶來較為嚴重的用電量浪費[7]。經研究分析,該車輛基地可采用智能照明控制系統來實現對燈具的智能管理,到達高效節能的目的。

鎮龍車輛基地智能照明控制系統主要由照明總配電箱內的模塊、網關及面板、彩色觸摸屏、通信網絡及應用軟件等組成[8]。該系統組成及控制示意圖如圖4所示。

圖4 鎮龍車輛基地智能照明控制系統組成及控制示意圖

圖4中,室內智能照明模塊設置在相應區域的照明配電室內,室外照明智能模塊設置在門衛照明配電室,遠程控制器與智能照明模塊間通過網關和總線電纜進行通信,同時預留BAS(環境與設備監控系統)通信接口,將遠程控制終端設置在DCC(車輛基地調度中心)內。車輛基地智能照明控制系統具有各照明回路分合控制功能,以及具有時間、模式、群組等預設場景模式自動控制功能,可根據運營需求對所控區域的燈光預先設定全開/閉、部分開/閉、區域開/閉、照度控制等多場景。

鎮龍車輛基地智能照明控制系統可與管道式日光照明技術相結合,通過照度傳感器及紅外感應來檢測、感知庫內某區域照度是否達標,并通過照度智能監控器來控制調節調光模塊,補強或減弱燈具的亮度。通?？砂丛O定好的場景控制方式自動打開、關閉相應區域的燈具,實現對庫內外照明燈具的智能控制和管理。

采用智能照明系統,可使鎮龍車輛基地內智能照明控制系統按最佳的經濟方式來運行,最大限度地實現用電節能,與非智能照明系統相比,可實現10%～20%的照明節能,經濟效益顯著。

4 結語

1) 對上海鎮龍車輛段熱水制備分別采用太陽能加熱器(帶輔助電加熱器)及電熱水器的應用對比得出,太陽能加熱器(帶輔助電加熱器)較電熱水器節約用電量18 921.6 kWh/年,節約率達64.3%,節能效益顯著。

2) 對陳家鎮停車場運用庫屋頂采用的分布式光伏發電設施進行了分析,其最大裝機量為1.5 MW,發電量為100萬～110萬kWh/年,節省電費約80萬元/年,提升了綠色生態設計水平。

3) 對設置有上蓋物業的停車場采用管道式日光照明系統的可行性進行研究,實現了將自然光線引入蓋下廠房內。經分析得出該停車場節約用電量約31.8萬kWh/年,節省電費約25.4萬元/年,取得了較好技術和經濟效益。

4) 通過與金鹵燈、LED燈對比得出,無極燈在性能、照度、均勻性、偽色表現等方面優勢較強。以21號線設置有上蓋物業的鎮龍車輛段為例,計算得出采用無極燈較金鹵燈可節約用電量為54.3萬kWh/年,節約率為39.8%,節省電費約43.4萬元/年,較大程度節約了運營成本,提升了節能設計水平。

5) 研究了車輛基地智能照明控制系統的組成,實現了對庫內外不同區域照明的管理和控制,可與管道式日光照明技術相結合,實現自動檢測并調節區域照度,提升高效照明,實現有效節能。