城市軌道交通運(yùn)營節(jié)能策略淺析

閆雅斌

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州510000）

0 引言

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅猛，截至2016年底，已有29座城市開通運(yùn)營軌道交通線路，車站數(shù)量超過2 500座，總里程近4 000 km。伴隨著軌道交通的快速發(fā)展，其能耗問題日益凸顯，2016年全國城市軌道交通總耗電量已超過100億kW·h，占全社會(huì)總用電量的1.5%～2%。北京、上海、廣州等城市的軌道交通由于形成線網(wǎng)，年耗電量均在10億kW·h以上。按照目前的每公里平均能耗水平推算，未來全國城市軌道交通年用電量將達(dá)400億kW·h左右，城市軌道交通運(yùn)營采取怎樣的節(jié)能策略顯得尤為重要。

1 城市軌道交通能耗現(xiàn)狀

城市軌道交通能源消耗體量大，98%以上都是電能消耗。按照用能性質(zhì)區(qū)分，地鐵運(yùn)營能耗主要分為牽引能耗、動(dòng)力能耗、照明能耗及辦公能耗。其中動(dòng)力能耗主要分為環(huán)控、門梯、消防及排水、弱電系統(tǒng)、安保警務(wù)等，照明能耗主要分為工作照明及應(yīng)急照明。主要能耗占比如圖1所示。

隨著季節(jié)的變化，地鐵能耗有著明顯變化趨勢。夏季，由于外界氣溫高，車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)功耗明顯增加。典型南方城市能耗全年變化趨勢如圖2所示。

2 節(jié)能管理策略

2.1 建立節(jié)能管理體系

搭建管理架構(gòu)，明確工作職責(zé)；形成規(guī)章制度，制定節(jié)能管理、考評細(xì)則，劃分工作界面、明晰工作獎(jiǎng)懲；實(shí)行節(jié)能工作責(zé)任制，與車站、線路簽定節(jié)能責(zé)任狀，落實(shí)節(jié)能任務(wù)。

圖1 城市軌道交通主要能耗占比

圖2 城市軌道交通主要能耗全年趨勢圖

2.2 制定節(jié)能目標(biāo)，開展能耗對標(biāo)

（1）確定能耗基準(zhǔn)水平。有多年歷史能耗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，可以選取某一年或某幾年的平均值，在此基礎(chǔ)上修正作為基準(zhǔn)；無歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，只能通過理論計(jì)算來確定能耗基準(zhǔn)，需要指出各用電系統(tǒng)理論計(jì)算能耗值往往與實(shí)際能耗有較大偏差。

（2）制定節(jié)能目標(biāo)任務(wù)并層層分解。要結(jié)合基準(zhǔn)年能耗水平，根據(jù)年度節(jié)能工作計(jì)劃，預(yù)估次年節(jié)能量，制定年度節(jié)能目標(biāo)。目標(biāo)需要分解到各線路、車站及主要用能系統(tǒng)。

（3）開展能耗對標(biāo)，定期跟蹤節(jié)能目標(biāo)完成情況。常用對標(biāo)方式為將年度節(jié)能目標(biāo)按照時(shí)間維度分解到月，逐月跟蹤，發(fā)生目標(biāo)偏移，及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整，保證節(jié)能工作按照目標(biāo)開展。

2.3 能耗情況分析

關(guān)注能耗水平，影響能耗水平的因素有很多，包括天氣、客流量等等，需要建立科學(xué)的能耗評價(jià)指標(biāo)來綜合判斷。用能性質(zhì)不同，其能耗指標(biāo)也不盡相同。須從不同評價(jià)維度對能耗情況進(jìn)行對比分析，對于能耗異常情況分析原因，制定節(jié)能措施或開展節(jié)能改造。常用的評價(jià)維度有車公里牽引能耗（列車每運(yùn)行1 km所消耗的牽引能耗）、人公里牽引能耗、站均動(dòng)力能耗、站均照明能耗等等。

圖3 變風(fēng)道組合式空調(diào)機(jī)組原理圖

3 節(jié)能技術(shù)策略

本文主要針對能耗較大的列車及車站環(huán)控系統(tǒng)提出以下節(jié)能技術(shù)策略：

3.1 列車節(jié)能技術(shù)策略

3.1.1 優(yōu)化列車相關(guān)系統(tǒng)

輕量化設(shè)計(jì)，減輕車輛自重，在同等的牽引功率條件下，提高載荷能力；應(yīng)用再生制動(dòng)能量回饋吸收技術(shù)；列車空調(diào)多級能調(diào)或變頻技術(shù)，適用于載客量變化的溫度控制曲線，節(jié)能的同時(shí)提高乘客舒適度；列車照明應(yīng)用LED、智能調(diào)光等。

3.1.2 優(yōu)化線路行車組織

調(diào)整優(yōu)化線路運(yùn)行圖低峰期的參數(shù)，在不改變行車間隔、上線列數(shù)和小幅降低行駛速度的前提下，盡可能使相鄰供電分區(qū)內(nèi)的列車牽引與制動(dòng)同步，最大化實(shí)現(xiàn)牽引列車吸收列車制動(dòng)產(chǎn)生的反饋電能。

在既有信號系統(tǒng)自動(dòng)駕駛模式（ATO）不具備節(jié)能運(yùn)行曲線的情況下，通過在低峰期時(shí)段采用人工駕駛模式（SM），減少加速、減速頻次，減少車站停站時(shí)間、增加區(qū)間行駛時(shí)間，實(shí)現(xiàn)牽引能耗的節(jié)約。在運(yùn)營線路開展低峰期人工駕駛模式及自動(dòng)駕駛模式對比測試，由測試結(jié)果看出人工駕駛模式較自動(dòng)駕駛模式節(jié)能4%左右。

3.2 車站環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)策略

3.2.1 變風(fēng)道組合式空調(diào)機(jī)組技術(shù)

采用變風(fēng)道式技術(shù)，通過機(jī)組內(nèi)設(shè)置風(fēng)門的開啟和關(guān)閉調(diào)節(jié)風(fēng)流風(fēng)道，當(dāng)全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)，打開內(nèi)置風(fēng)門，新風(fēng)可直接從風(fēng)門通過，不需經(jīng)過換熱器，避免無功能耗的產(chǎn)生。機(jī)組具體運(yùn)行原理如圖3所示。

3.2.2 水系統(tǒng)水泵改造技術(shù)

空調(diào)水泵的耗電是由空調(diào)水的流量、水泵揚(yáng)程和水泵效率確定的，空調(diào)水的流量、水泵揚(yáng)程和水泵效率取決于水泵工作點(diǎn)。實(shí)際工程中，往往由于設(shè)計(jì)裕量過大，施工驗(yàn)收粗放，使得空調(diào)水系統(tǒng)的人為阻力過大，導(dǎo)致水泵的實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)工作狀態(tài)點(diǎn)。

可以進(jìn)行以下改造：變頻調(diào)速，降低水泵電機(jī)的供電頻率從而降低水泵的轉(zhuǎn)速；更換水泵，以冷水機(jī)組的額定流量為依據(jù)，按照水泵的理想工作狀態(tài)點(diǎn)的流量和揚(yáng)程合理配置。

3.2.3 直接蒸發(fā)式空調(diào)機(jī)組

目前多數(shù)車站采用傳統(tǒng)水冷冷水機(jī)組，冷凍水在空調(diào)箱內(nèi)表冷器處與空氣換熱。已有許多研究實(shí)踐表明，冷媒直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)更適合車站大系統(tǒng)供冷，其取消了冷凍水，冷媒直接進(jìn)入空調(diào)箱表冷器對空氣進(jìn)行降溫除濕，這有利于蒸發(fā)溫度的提升，進(jìn)而提高冷水機(jī)組整體COP值，同時(shí)也可節(jié)約冷凍水的輸配能耗。

3.2.4 地下車站軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略

目前國內(nèi)地鐵車站軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略單一而不具有科學(xué)性，部分城市地鐵排熱風(fēng)機(jī)常年處于關(guān)閉狀態(tài)，而部分城市全年運(yùn)營時(shí)間段均開啟。根據(jù)有關(guān)研究測試，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，為使車站環(huán)控系統(tǒng)、列車空調(diào)系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)相互配合達(dá)到耗能最少、能效最高，建議軌道排熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行根據(jù)隧道及室外溫度來進(jìn)行控制，在室外溫度高于隧道溫度時(shí)，不建議開啟軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)。

4 結(jié)語

城市軌道交通的節(jié)能工作是一個(gè)系統(tǒng)性工程，在節(jié)能策略上，不僅需要不斷制定管理措施和開展技術(shù)改造，還需要不斷研究探索新的節(jié)能思路，尤其是對于重點(diǎn)用能設(shè)備，要密切關(guān)注節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新，挖掘節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能可持續(xù)發(fā)展。