轨道交通节能减排分析与实施

轨道交通节能减排分析与实施
城市轨道交通作为一种现代化的交通运输工具具有快捷、安全、舒适、准点、运量大的特点，为缓解城市地面交通拥挤、分担市内交通客流、促进城市交通与经济和环境的协调发展发挥积极作用。

轨道交通系统是耗电量巨大、运行成本很高的行业，如何建设节能的轨道交通系统成为轨道交通系统规划设计与建设管理中的一个重要研究课题，也是行业发展的方向和追求的目标。

1 节能减排设计
1.1 城市轨道交通能耗分布概况
为做到“安全、舒适、快捷、准点”，轨道交通体现“以人为本”的思想。

在系统中配备了大量满足运营要求和满足旅客舒适性要求的设备。

这些设备部分是轨道交通系统必不可少的（如车辆、供电、信号、通信等），部分是为了方便旅客，以为乘客更好服务为目的（如电扶梯、空调、照明等）。

这些设备往往能耗较大（特别是空调系统）。

在设计过程中必须考虑如何尽量减少能耗，在满足运营需要的基础上，合理地确定服务水平，将节能贯彻在设计工作中，以及在设计工作中确定与节能有关的技术原则，对设备运营模式提出合理的运营方案，对今后运营节能意义重大。

除合理考虑设备系统的运行方式或采用节能新技术以外，在总体设计思路和设计原则中重视节能问题，考虑节能措施显得更为重要。

因为部分设备是为环境服务的，而车站环境构成的基础首先是土建建筑物，再配以设备共同创造良好的环境。

在条件允许情况下，如果能缩小车站规模，或选择采用地面、高架线路和车站，或采用半敞开式区间线路，尽量利用自然通风和照明条件，可节省巨大的工程建设投资，对今后运营节能意义深远。

轨道交通能耗一般可分为2个部分，即车辆所消耗的牵引电能（包括正线旅客列车运营消耗的电能和车辆段旅客列车出/入库消耗的电能、列车试车和试验所消耗的电能）和动力照明设备所消耗的电能（包括为保证满足旅客列车安全可靠运营要求的设备、为旅客提供良
好乘车环境的设备和保证车站正常运转的设备、车站的商业区动力照明设备等）。

轨道交通能耗主要分布在牵引系统（列车牵引及照明等）、机电设备（通风空调、车站照明、扶梯设备、给排水及消防等）、弱电系统（通信、信号及FAS、BAS及AFC等）及其他方面。

轨道交通能耗分布见下图1。

1.2 土建工程
（1）线路节能设计——优化线路节能坡。

理想的线路纵断面是将车站设在纵断面的凸形坡段上，列车进站时上坡将动能转化为势能，列车出站时下坡将势能转化为动能，有利于减少能量消耗。

线路纵断面设计考虑沿线地形、地质及施工方法等因素，尽量将地下或地面车站布置在纵断面的凸形部位上，并设置合理的进出站坡度，以节省电能消耗。

（2）优化车站空间和车站形式。

以满足轨道交通功能需求为主，合理确定与车站功能相匹配的空间规模，尽量避免设置不必要的地下空间，优化车站规模，控制车站主体和附属设施的总面积，以减少车站动力及照明用电；地下车站完全深埋于地下，与外部的冷热交换相对较弱，设计中尽可能合理利用空间，减少车站规模和埋深，从而降低建设成本和提升费用。

1.3 车辆设备
城市轨道车辆主要是指地铁车辆和轻轨车辆，是城市轨道交通的重要设备，也是能耗较高的设备，其用电量约2.4 kW·h/车公里，占运营总电耗约40%～48%。

轨道交通车辆采用的电动车组特点是车辆自重较大，
轨道交通节能减排分析与实施
■蔡昌俊钟素银
图1 轨道交通能耗分布示意图
通风空调25%～35%
弱电系统2%～4%
给排水2%～4%
照明8%～10%
其他1%
电扶梯9%～13%
牵引供电40%～48%
其质量约占定员车总重的60%，绝大部分牵引用电消耗在车辆自重上，因此应从车辆设计、选型考虑节能降耗，降低车辆运营能耗。

（1）降低车辆负荷、提高牵引动力效率、提高列车编组效率以降低牵引能量消耗。

车辆采用不锈钢车体，车辆自重比普通铸钢车体减少约3 t，用等能量比较方法推算，每辆车可节约运送50位乘客所需的能量。

随着车体自重减轻，相应减轻轮轨磨耗，减少维修量等，产生附加节能效果。

（2）采用VVVF变频变压控制方式和采用再生制动与电阻制动的混合方式，可使列车在启动和制动时比传统控制方式节能。

（3）列车采用动拖混合编组形式，降低能耗，节省能源。

（4）辅助电源系统采用绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）或智能化功率模块（IPM）静止逆变器，具有体积小、重量轻、转换效率高、噪声低、输出电压频率精度高、维修工作量少和自我保护等优点，并且在较高容量时可采用自然冷却方式，不需采用电动机通风，从而节约能源，减少维修工作量。

（5）通过坡道保速制动能量回收、停车制动能量回收，提高制动能量的回收利用。

（6）提高主要系统和部件效率，如逆变器、电机等。

（7）车辆空调设备采用制冷多档调节和可根据载客量调节新风的节能型空调。

（8）提高车辆密封性，采用全焊接铝合金车体、电动塞拉门、填充隔热保温材料等，以降低空调能量的消耗。

1.4 供电系统
（1）合理选择主变电站站址，既能实现资源共享，又能达到节能效果。

主变电站位于供电范围中心，可减少供电线路压降，减少供电线路功力损耗，确保供电电压质量。

结合线网规划对主变电站合理共
享，有效减少主变电站数量，减少设备损耗。

（2）合理布置降压变电所位置，根据动力负荷分布，车站降压变电所尽量靠近车站负荷中心，减少配电线路长度和功力损耗。

（3）选用调频调压控制的交流牵引系统，通过变频调速，避免列车调速时因附加电阻消耗大量电能，因附加电阻发热提高隧道内的温度而增加通风量和制冷电能。

该系统能有效利用再生制动，利用车辆行车密度大、不同车辆同时处于不同牵引和制动概率较高的特点，较多地回收车辆制动能量，理论上可回收25％左右。

（4）合理确定供电电压等级，减少供电线路功力损耗。

供电电压等级越高，线路损耗越小。

（5）直流牵引网采用1.5 kV供电制式，与0.75 kV制式相比，由于电压水平比较高，使牵引变电所数量减少，牵引网的电流也较小，可大量降低变压器和接触网的电能损耗，节约运营成本。

（6）变压器选用损耗低的非晶合金变压器，并采用全寿命周期成本方式进行变压器容量的选择。

（7）牵引网采用导电率较高的钢铝复合接触轨，牵引网电能损失较少，减少变电所的空载能耗。

（8）在变电所低压0.4 kV侧选择安装合理的无功补偿容量，保证整个轨道交通供电系统功率因数达到0.9以上，使低压配电系统中的无功功率就地平衡，以降低低压配电线路的损耗。

（9）合理安排牵引整流机组运行时间，晚间列车停运后可考虑牵引整流机组停止运行，以减少空载损耗。

由于牵引整流机组容量是按远期需要设计，在初、近、远期旅客数量不多、运营间隔时间较长、牵引负荷不大时，可考虑一个牵引变电所只有1台整流机组投入运行。

（10）采用刚性接触网供电，可降低牵引网电阻，有效降低牵引网电能损耗。

回流网上下行走行轨设置均流线，降低牵引网回流系统阻抗，可有效降低牵引系统损耗。

刚性接触网由广州市地下铁道总公司科技攻关并成功研制，在广州地铁原2号线全线使用。

目前，刚性接触网在广州地铁2号线、８号线、3号线、3号线北沿段，广佛线使用。

（11）供电系统设置逆变回馈型再生制动能量回馈装置可使在线设备实时逆变回馈再生制动能量，充分利用列车再生制动能量，提高再生能量利用率，节能效果好。

（12）在主变电站设置SVG型动态无功补偿装置实现节能。

SVG 型动态无功补偿装置是基于大功率IGBT的全控型开关器件，既可向系统输出容性无功功率，又可输出感性无功功率，并能滤除系统各次谐波，解决轨道交通主变电站功率因数不合格问题，减少供电网络中无功功率传送导致的功率损耗，实现节能。

（13）各种设备电机选择高效电机，同时其工作点选择在高效率区。

1.5 机电设备
1.5.1 通风空调系统
通过采用全封闭屏蔽门技术、风机水泵变频技术、空
调冷冻水大温差技术、集中供冷、水蓄冷技术等达到环控系统节能。

（1）隧道通风系统节能。

一是采用全封闭屏蔽门系统技术。

屏蔽门系统将列车运行产生的热量和列车空调冷凝器散热量挡在屏蔽门之外，减少列车行驶的活塞效应对枢纽空间的负荷影响，从而大大降低车站空调冷负荷，降低环控系统空调能耗约20％，减少机房面积及相应变配电系统的规模。

二是车站隧道通风系统风机采用变频技术。

排热风机通过变频可减少约37.5%的风量，风机能耗可节省75%左右，初步估计可节能40%以上。

（2）车站公共区通风空调系统（大系统）节能。

地下车站公共区通风空调系统组合式空调器、回/排风机采用变频技术。

采用变频技术对风机进行无级调速是行之有效的节能方法，也是风机运行节能的发展趋势。

针对不同室外空气品质设置大系统小新风空调模式和全新风空调模式，可在过渡季节实现较好的节能效果。

利用早晨室外温度较低、空气比较清新的自然条件，采用全新风空调模式既可节能又可提高室内空气品质。

（3）制冷系统（水系统）节能。

一是冷冻水系统采用大温差技术。

大温差是指空调冷冻水的供回水温差，不是通常的5 ℃而是7～10 ℃，由于冷水温差加大，水量、水泵容量、水管管径、水阀减小，降低了水系统及配电容量和配电投资，明显降低初投资和运行费。

据估算，采用大温差技术后，初投资可降低5%～10%，年运行费可降低30%～40%。

二是水泵采用变频技术。

变频器控制的冷冻水泵与冷却水泵电机是根据车站负荷变化情况进行无级调节，满足冷冻水系统与冷却水系统同时节约能源要求，降低运营费用。

三是集中供冷技术解决了闹市区设置冷却塔影响周边景观的问题，减少了噪声污染，美化了市区环境，同时减少了车站环控机房面积，降低了车站规模，减少了土建成本，较大幅度地降低了能耗。

集中供冷系统具有以下优点：采用变频节能技术，降低了系统运行成本；设备集中管理，便于运营维护；利用自然冷源，体现节能和环保意识。

广州地铁3号线、4号线、5号线，广佛线，APM线等线路均采用集中供冷技术。

四是冷冻水系统采用水蓄冷技术。

运行模式为：主机在电力低谷期全负荷制运行，制得全天所需部分冷量；主机按设计满负荷运行，不足部分由蓄冷水槽补充。

制冷系统在最佳负荷下高效运转，大大提高了机组运行效率和使用率，减少了设备数量，节省了初投资。

（4）其他节能措施。

为减少冷量损失、防止管道外表面结露，空调风管外表面应保温。

保温材料采用离心玻璃棉板，外贴高强度防潮防火带肋铝箔作为隔汽防潮保护层。

为防止冷量损失和水管结露，冷冻水系统水管及附件和冷凝水管及附件应保温。

当冷冻水管穿越墙体和楼板时，保温层不能间断，采用离心玻璃棉壳管，外贴高强度防潮防火带肋铝箔作为隔汽防潮保护层。

车辆段较大的停车库房和检修库房可采用自然通风技术，通过太阳囱提高自然通风能力。

1.5.2 自动扶梯
采用具有变频调速功能的公共交通重载荷型自动扶梯（见图2），其特点是扶梯空驶一段时间后自动将运行速度由0.65 m/s切换到0.13 m/s的节能运行速度。

当有人乘坐扶梯时，通过传感器感知，内部变频器将扶梯速度由0.13 m/s平稳过渡到0.65 m/s的正常运行速度，节能15%～20%。

1.5.3 照明系统
（1）参照G B 50034—2004《建筑照明设计标准》，大力推广绿色照明，倡导节约能源，提高照明能效。

照明产品选择高效、节能、寿命长的灯具，如LED灯具、无极灯等。

（2）地面建筑充分合理利用自然光，使之与室内人工照明有机结合，大大节约人工照明电能。

（3）增加配电回路中的计量子表，加强用电管理和考核。

一是站厅、站台照明设施节能。

站厅、站台照明采用多路交叉供电，按设计规范的照度标准配备照明设施。

运营时通过节能运行模式，采取打开和关闭部分照明灯的方法节能。

二是车站广告照明节能。

在站厅或出入口通道等广告灯箱安装处，照明设计计算照度应兼顾广告照明对公共区的照明影响，尽可能减少照明灯具数量，广告照明采用LED灯具。

列车停运后关闭车站广告照明灯箱。

图2
具有变频调速功能的扶梯
1.6 车辆段及综合基地
（1）设备优先选用国家推荐的节能型产品，优先使用节能新技术、新工艺、新材料、新设备。

（2）采用交流弧焊机并配置电焊机空载自停装置，选用低损耗节能型弧焊机。

（3）空气压缩机采用单螺杆式压缩机，与活塞式压缩机相比，单机功率降低10%左右。

（4）能源尽可能做到回收利用、循环使用，如洗车机用水量较大，洗车后将水收集处理后循环使用。

（5）合理选用设备容量。

起重机、内燃机车和叉车等设备使用率高且能耗大，应分析设备使用工况及负载状况，合理选用设备容量。

（6）缩短试车线长度。

我国《地铁设计规范》22.4.11条规定，试车线长度应满足列车试验速度要求，可理解为车辆的最高运行速度和非最高运行速度。

目前，试车线一般按车辆最高运行速度80 k m/h 设计，试车线长约1 300 m。

一般车辆段的用地长度不超过1 000 m，因此试车线有300～400 m要伸到车辆段以外，形成一个“刀把”，管理不便。

目前，最高运行速度为110、120 km/h的地铁列车投入运营，其要求的试车线更长。

因此，在车辆段内进行列车最高运行速度试验不现实。

另外，新检修的车辆在有限长的试车线上做高速试验存在风险，一旦刹车失灵将造成撞车档、脱轨，甚至翻车事故，国内已有经验教训。

从安全考虑，不提倡在车辆段内进行高速试验。

建立在车辆段内进行低速试验、在正线上进行高速试验的管理模式，可缩短试车线的长度和保证安全。

2 节能减排运营管理组织措施
2.1 管理组织
轨道交通系统是耗电量巨大、运行成本很高的行业。

降低能耗、节约能源是轨道交通管理部门关注的重点。

轨道交通开通后一般要运行几十年至百年，因此细小的节能降耗措施也相当重要。

轨道交通企业应从以下几方面加强管理和推进节能工作持续有效开展。

（1）建立和完善节能减排管理机构，落实责任制。

企业领导高度重视，成立由企业一把手挂帅、相关部门领导及部门经理组成的节能工作委员会，主要负责节能工作的总体组织、领导、统筹和协调工作；审定节能管理（工作）方案和节能技术方案；审查、考核节能工作执行情况，监督各单位的节能管理工作。

（2）支持新技术开发，加快节能降耗技术创新及应用，科技促节约，创新见效益。

企业应重点支持创新节能减耗项目，通过节能降耗新技术、新工艺、新设备、新材料的研发和推广应用，取得良好的经
济效益和社会效益。

（3）完善节能减排规章制度，培养节能意识。

在贯彻落实节能管理目标的同时，积极完善内部节能管理规范及措施，从制度上保证节能项目顺畅、稳定实施，明确节能减排工作的量化指标和责任部门。

（4）研究及实施能源管理系统。

建立有效的能源管理模式，完善节能基础数据，强化基础工作，使节能减排工作向规模化、系统化、标准化推进；遵循分期、分批实施的原则，试点站成功应用后再全面推广。

采用能源管理系统对各用电系统及大型设备进行精细化的电能统计及实时监控，对各站点及重点用水系统的用水量进行精细化统计及实时监控。

通过精细统计积累基础数据，为后续节能减排提供依据，同时对用电、用水部门实行指标消耗。

能源管理系统可使技术人员准确了解各系统的电耗态势，方便整体评价和分析各系统的用电情况，方便技术人员提出有针对性的节能改造建议。

（5）成立节能降耗办公室，制定行之有效的节能方案，定期召开节能例会，跟踪落实节能项目执行情况，总体协调部门节能工作，监督节能措施和规章制度落实。

（6）制定节能减排工作的考核监督与奖励管理办法，充分调动员工的积极性。

为加强对节能减排工作的指导协调和监督检查，表彰奖励节能减排先进单位和个人，制定相应的考核与奖励办法。

考核与奖励办法是发挥水电节能减排管理的必要措施，是企业绩效评价的主要内容，应与年度经营目标考核相结合、与部门和单位负责人的奖惩挂钩。

2.2 行车组织
（1）列车牵引时，牵引系统从接触网吸收的电能在制动时约有50%反馈电网。

若多个列车同时制动却没有牵引列车进行电能吸收，电网电压迅速上升到1.8 kV，此时列车不能再进行反馈制动，其制动产生的电能消耗在制动电阻上。

因此，在确保正常行车组织的前提下尽可能考虑节能需要，即在正线上运行的列车尽可能保证制动状态与牵引状态列车数量相等，确保制动状态列车反馈的电能正好被牵引状态的列车吸收。

（2）确定全线总体运营规模、合理确定列车编组、合理设置运营交路、合理安排列车运营对数等措施有效降低车公里能耗。

（3）根据客流分布及车辆动态调整列车编组，实现
车辆高效利用。

（4）在具备折返能力的车站间开行小交路列车，在满足客流要求的基础上减少日常运营成本。

（5）在保证运营质量 (保证全线运营时间不变) 的前提下，编制列车时刻表时，应合理分配列车的停站及区间运行时间，可有效节约列车牵引能耗。

合理的列车运行图可使列车节能运行，探索不同时间段采用不同运行图的运营组织方式，尽最大可能使列车运营处于节能状态。

（6）优化运行模式。

控制最高运行速度，增加惰行时间。

（7）优化运营方式。

优化列车牵引/制动匹配，减少实际停站时间。

2.3 运输组织
（1）合理组织与引导客流，最大限度提高客运服务水平，减少设备负荷，减少周转时间，减少乘客在交通系统内部的碳排放量。

（2）优化客运设备使用时间、数量（如闸机、自动售票机、自动扶梯），节约能源。

2.4 设备运行管理
环控系统及动力系统用电约占总用电的45%，其中环控系统占25%～35%，是能耗最大、波动最大和调节最灵活的能耗系统，除技术提升外，可在运行管理上进行节能。

（1）建设智能化的车站设备监控系统，提高环控系统的智能化管理。

在运行过程中不断总结经验，及时调整设备运行参数，提高车站设备监控系统适应能力，减少不必要的损耗，提高候车环境的舒适度。

（2）根据车站运行特点，优化环控系统运行模式。

利用车站设备监控系统实现不同时段、不同室外环境工况下，采用不同空调模式的运行管理方式。

（3）提高调度管理人员的专业技能，对环控系统实时跟踪监控，
并从节能角度对设备运行数据进行统计和分析，消除影响环控系统稳定、高效运行的缺陷和故障。

2.5 列车维修及培训管理
（1）列车维修管理。

在正常的有电静态检修项目中，列车空调检修完毕后应及时关闭空调；列车检修作业完毕后应及时降弓关蓄电池，备用列车要关空调、关灯。

应根据列车维修项目制定具体的节电措施，消除不必要的电耗，可从节能角度审核目前检修规程中动态调试的必要性，能取消的动态调试项目应全部取消。

（2）列车司机培训管理。

列车司机在车辆段的实际操作培训需要列车通电，有时需要在试车线上运行。

在试车线运行时，列车制动时反馈的电能没有其他列车吸收，比运营的列车耗电更多。

因此，需要提高列车司机的培训质量和效率，缩短培训时间，把培训电耗纳入司机培训成本管理，增强成本意识。

3 节能减排新技术应用
针对轨道交通运营过程中列车牵引、车站设备、车站照明3大系统的耗能情况和特点，通过采用节能新技术、新设备、新材料等方法，加快能耗设备更新改造力度。

3.1 列车牵引系统
轨道交通车辆采用制动能量吸收装置回收能量，节约牵引电能。

目前，城市轨道交通电动车组普遍采用“再生制动＋电阻制动＋机械制动”的制动方式，制动能量达到牵引能量的30%以上，部分再生制动能量可被线路上相邻列车吸收，如不能吸收则转换为电阻或空气制动，制动能量被白白消耗。

初步估算，该部分能耗占制动能量的40%左右。

广州地铁4号线车辆采用制动能量吸收装置。

首先，车辆再生制动地面逆变吸收再生制动产生的多余能量，减少牵引耗电，节电811万kW·h/年。

其次，取消车载电阻有效减轻车辆自重，在同等牵引功率条件下，提高车辆载荷能力、减少牵引耗电，节电171万kW·h/年。

第三，延长制动闸瓦和盘式制动器的更换周期，每年节省运营备件和维护与维修费用约20万元。

第四，减少通风空调设备和土建的投资成本。

经计算，采用制动能量吸收装置后，每年可节约电费和设备损耗费约757万元。

3.2 车站设备系统
（1）站台采用屏蔽门技术，可降低车站空调冷负荷，节约设备运行电耗。

广州地铁原2号线是国内第一条采用屏蔽门系统的城市轨道交通线路，采用了世界最先进的第三代屏蔽门系统，随后上海、深圳、天津、北京等城市的轨道交通也安装了屏蔽门系统。

广州地铁1号线屏蔽门加装工程于2008年5月竣工验收并投入使用，至此，广州地铁运营线路全部应用屏蔽门系统。

站台屏蔽门系统安装在站台边缘，将站台区与隧道轨行区隔离，减少站台区与轨行区间冷热气流交换，减小车站供冷系统负荷，降低环控系统空调能耗约20％，同时改善了地铁车站的空气质量，保证了乘客候车区的舒适度。

（2）首次应用集中供冷系统新技术。

广州地铁原2号线为国内首次应用集中供冷技术的线路。

冷水机房不设置在地下车站，减少冷水机房占用地下空间面积约
100 m2，全线节省地下空间面积1 500 m2，节省土建投资。

以2号线地下车站为例，土建平均造价7 965元/ m2，此项可节约1 195万元。

同时，集中供冷技术解决了闹市区设置冷却塔对周边景观影响问题，并美化了环境。

（3）空调系统采用水蓄冷技术，缓解市区白天用电压力，节省运营电费。

广州地铁在2号线、8号线延长线江夏集中冷站采用水蓄冷技术，初步估算，夜间用电低谷期电价0.30元/（kW·h）（目前地铁用电电费是0.83元/（kW·h），不分时段），采用水蓄冷技术较常规制冷方式多出的初投资可在3年内收回，以后每年可节省费用117万元。

因此，合理的峰谷电价优惠政策是实现节省费用的前提条件。

如有此条件支持，广州市地下铁道总公司计划在新线建设中因地制宜采用水蓄冷技术。

（4）采用电机变频技术。

地铁车站内空调的冷负荷不同时段变化较大，采用电机变频技术可使空调机组、风机等设备的运行状况更好吻合实际变化，避免“大马拉小车”的情况。

目前，广州地铁在地铁车辆空调机组和3号线车站的风机及空调器等设备中采用变频技术，节能效果显著。

根据试点结果计算，地铁车辆空调系统采用变频技术，。