軌道交通機電創新節能工作的思考與探索

劉彧 李文杰 張東海

摘要：隨著我國軌道交通的快速發展，系統運營能耗快速增長，軌道交通已逐漸成為各城市的用電大戶。開展軌道交通機電創新節能探索研究，既是相應國家節能減排號召，也是降低運營成本、實現企業可持續發展的迫切需要。在總結國內軌道交通機電創新節能成果和經驗的基礎上，研究提出了促進軌道交通機電創新節能工作的措施和方法，為國內軌道交通行業創新節能工作提供借鑒和參考。

關鍵詞：軌道交通；運營能耗；創新節能；措施

引言

近年來，為滿足人們日益增長的公共交通出行需求，全國各地市都在加快建設城際軌道交通。截止2017年末，我國內地共計35個城市開通軌道交通并投入運營，開通線路171條，運營線路總長度達到5083公里。軌道交通用電總負荷量大，已成為城市的用電大戶。開展軌道交通領域創新節能探索與研究，對促進軌道交通可持續發展，降低能源消耗，節約運行成本具有重要意義。通過對北京、上海、杭州、寧波等城市軌道交通創新節能工作的深入調查，總結提煉有關做法和經驗，結合杭海城際鐵路機電工程實際，提出了軌道交通行業創新節能的對策和建議。

一、發展現狀

（一）能耗分析

軌道交通機電系統組成復雜、設備數量眾多，其在運營過程需要消耗大量能源。據統計，長約20km的軌道交通線路，北方城市和南方城市的年耗電量約為8000萬kWh和10000萬kWh。根據對國內軌道交通線路的用能情況統計分析，軌道交通運營過程中消耗能源的主要形式是電能和水。電能消耗主要分布在列車牽引用電和各種動力照明設備用電，如通風空調、自動扶梯、照明、弱電設備等方面。用水消耗主要是車站、控制中心及車輛段等生產生活用水等。

軌道交通能耗分布見下圖1

如圖1所示，列車牽引用電占總能耗的45～60%、通風空調用電占總能耗的30～40%、照明用電占總能耗的12～15%、電扶梯占總能耗的8～12%、給排水占總能耗的1～3%、其它占總能耗的5～8%。列車牽引供電、通風空調、電扶梯、照明等的能耗占總能耗的90%左右。

（二）發展趨勢

目前軌道交通創新節能技術發展日新月異，技術和設備發展主要呈現人性化、自動化、智能化、數字化[1]等特點，國內多個城市已開展軌道交通創新節能方面的探索與研究，也有一些成功實施的案例，如車輛輕量化設計、車輛再生制動應用、供電系統變壓器容量合理化[2]、弱電專業UPS電源集中供電、節能設備和太陽能資源利用等?，F將各機電專業行業趨勢及創新節能技術發展趨勢如下：

1、車輛

軌道交通車輛采用的電動車組特點是車輛自重較大，其質量約占定員車總重的60%，絕大部分牽引用電消耗在車輛自重上，因此應從車輛設計、選型考慮節能降耗，降低車輛運營能耗。

1）減輕車輛自重。采用流線型車體設計，合理布置車下設備是減少牽引耗電的有效措施；

2）改進調速控制方式。采用交流變頻變壓傳動裝置（VVVF），減少列車調速時由附加電阻消耗掉的電能；

3）列車采用動拖混合編組形式，使用列車動力軸動態配置方式，控制降低能耗；

4）使用變頻調節的空調設備和節能照明燈具；

5）采用填充隔熱保溫材料提高車輛密封性，以降低空調能量的消耗。

2、供配電系統

1）根據各類負荷特點和運行要求，合理選定變壓器容量和采用無功補償裝置；

2）合理安排牽引整流機組運行時間，晚間列車停運后可考慮牽引整流機組停止運行，以減少空載損耗；

3）各種設備電機選擇高效電機[3]，同時保持其始終工作在高效率區；

4）推廣應用再生制動能量循環利用技術[4]；

5）采用LED等高效節能燈具，根據不同運營時段和區間要求，實現按需照明。

3、弱電系統

1）通信、綜合監控、AFC等系統UPS電源采用集中供電方式；

2）盡量采用結構簡潔、設備配置少的系統；

3）采用高效節能的設備和器材；

4）在滿足運營需求的情況下，采用節能模式運行。

4、通風空調系統

通過采用全封閉屏蔽門技術、風機水泵變頻技術、空調冷凍水大溫差技術、集中供冷技術等達到環控系統節能。

1）空調通風系統采用智能控制技術、車站空調水系統變流量智能控制技術，推廣應用再生能源的空調系統等；

2）車站通風空調系統風水聯動節能控制；

3）采用節能、高效型空調、通風設備和配件；

4）冷凍泵站采用群控，提高供冷系統的能效比；

5）車站控制室、信號設備室、信號電源室等房間采用VRV系統，作為備用冷源。

5、自動扶梯

采用具有變頻調速功能的公共交通重載荷型自動扶梯，實行分時管理，自動變速，達到有效節能的目的。

6、車輛段及綜合基地

1）推廣使用光伏發電、太陽能熱水器等“四新”技術；

2）加強對廢水的循環利用，將洗車后將水收集處理后循環使用[5]；

3）綜合分析設備使用工況及負載狀況，合理選用起重機、內燃機車和叉車等高能耗設備的容量；

4）充分利用自然采光措施，設計選用采光帶、帶孔磚等；

5）加強對列檢檢查坑照明系統的分級回路控制。

7、行車組織

1）確定全線總體運營規模、合理確定列車編組、合理設置運營交路、合理安排列車運營對數等措施有效降低能耗；

2）通過列車采用節能運行圖，降低牽引電機負荷和車輛制動能耗，從而達到減少列車牽引能耗；

3）研究制定節能合理的列車運行方式和行車組織；

4）根據線路的坡度、彎道及列車載重等情況，自動調整行車速度，控制惰行點，使列車運行速度保持在最佳狀態，以減少能耗；

5）在滿足客流量要求的前提下，適當安排各時段的列車開行對數，提高列車滿載率。

二、存在主要問題

1、各專業工程沒有節能專項驗收環節、節能工作基本是呈現專業、板塊拼湊的現狀；

2、城際鐵路交通用能評價標準缺失，急需建立節能技術標準及評估、評價體系；

3、單一節能技術多，缺乏綜合性和系統性的創新節能解決方案；

4、能耗基礎數據零散，急需建立能耗大數據庫和能源管控平臺。

三、對策和建議

1、加強領導，建立相應考核激勵措施

成立創新節能領導小組，制定節能管理辦法，明確規定節能管理的要求和責任，重點從“列車運行組織優化、設備節能模式運行、定時通風排熱、空調溫度智能調節、分時段照明、節能用電用水” 等方面制定了機車、車站、車輛維修基地、控制中心等各類節能管理措施和辦法，并出臺了相應的獎懲措施。

2、廣泛調研，全面掌握行業技術發展

對標國內外軌道交通技術標準和行業技術發展，深入廣泛開展市場調研，組織開展國內外主流設備廠家技術交流，拓寬行業視野，全面了解掌握行業發展及創新節能措施，為后續設計優化、設備選型奠定了基礎。

3、優化設計，切實落實創新節能要求

在借鑒國內軌道交通領域創新節能實施經驗的基礎上，結合杭海城鐵工程“建設+運營”實際，堅持全壽命周期成本的理念，從設計源頭抓起，組織設計院、運營公司等重點對牽引系統節能控制設計方案優化，并同步將有關創新節能要求落實到招標文件技術規格書。

4、創新引領，高起點明確機電設備標準

組織設計院、運營公司對技術規格書進行多次審查及確認，從可靠性、免維護性、智能化等方面，高標準地提出并明確了關鍵設備的技術標準和功能要求，確保選優配強物資設備，為打造品質工程奠定了基礎。

5、提前謀劃，穩步推進新技術的應用

加強與國內行業領先的企業、科研院所的交流合作，取長補短，依托其技術與研發優勢，對標業內領先企業，積極跟蹤無人駕駛、掃碼過閘、互聯互通、云平臺與大數據等技術發展，切實推動創新節能技術的落地應用。針對軌道交通機電工程的重難點問題，聯合開展專項技術攻關，突破一些創新節能的核心技術，取得一批實用性強、節能效果好的成果，有力支持機電工程的創新節能。

6、構建城際鐵路用能評價體系

通過對城際鐵路機電各專業能耗深入調研分析，掌握能耗用能規律特性，研究建立一套能耗指標評價體系，研發一套基于云平臺的能源管理系統，通過對能耗數據的深度挖掘分析，實現對各用電系統及大型設備能耗數據的實時采集、分析對比、診斷預警及節能優化等精細化管理[6]，有效提升能源利用效率和管理水平。

7、全面深化BIM技術應用

結合機電工程實際，綜合考慮BIM技術在機電工程建設、運營等階段全過程的應用，建立涵蓋設備信息、施工工藝等全過程的BIM數字化模型。利用BIM技術優化方案設計，提前發現并解決機電工程管線綜合、深化設計難題，利用支吊架工廠化預制等措施，有效保障工程進度和質量，提升機電工程標準化管理。開發基于BIM模型的運營管理信息化系統，實現BIM技術在機電工程的全壽命周期應用。

8、全面推行標準化施工管理

堅持“走出去、引進來”，對標國內軌道交通機電工程管理經驗，高標準建立機電工程施工、驗收標準，全面推行實施機電工程標準化管理，結合勞動立功競賽等活動，積極鼓勵各施工單位加強對技術創新投入，優化工藝、工序及施工方法，全力打造杭海城鐵品質工程、精品工程。

9、嚴格落實設備國產化要求

根據國家有關軌道交通機電設備國產率的有關要求，在不降低軌道交通建設標準的前提下，合理確定各種設備的國產化率，積極采用技術成熟、安全可靠、技術性能相對先進，便于維護管理的國產化設備及零部件，有效降低運營成本。

10、打造設備全壽命周期管理

堅持“建運維”一體化，始終將全壽命周期成本理念貫徹了工程的全過程，重點從設計、設備選型、施工管理、資產移交等方面著手，統籌創新節能設計，選擇穩定可靠、便于維修管理的物資設備，全面提升工程品質，充分考慮建設與運維階段數據的互聯互通，實現全壽命周期管理。

四、結語

隨著國內軌道交通的快速發展和創新節能要求的不斷提高，針對軌道交通節能創新技術單一、基礎數據零散、評價體系缺失等現狀，結合工程建設實際，研究提出了建立考核激勵機制、構建用能評價體系、實現設備全壽命周期、推行BIM技術的應用等措施，以“技術+管理”的模式實現軌道交通的創新節能管理，從而為國內同類軌道交通機電項目創新節能工作提供借鑒。

參考文獻：

[1]宋敏華. 城市軌道交通節能技術發展趨勢研究 [J]. 工程建設與設計，2009，（1）：15-19.

[2]趙建有，孔玄兵. 城市軌道交通與節能技術發展趨勢研究[C]. //第八屆全國交通運輸領域青年學術會議論文集，2009，188-195.

[3]劉建剛. 現代城市軌道交通（地鐵）機電一體化應用于節能創新技術的應用 [J]. 城市建設理論研究，2015，（3）：347-358.

[4]劉開國. 城市軌道交通供電系統的節能措施與經濟運行 [J]. 電氣時代2009，（12）：82-84.

[5]蔡昌俊，鐘素銀. 軌道交通節能減排分析與實施 [J].鐵路技術創新，2011，5：23-25.

[6]曹守華. 城市軌道交通乘客交通特性分析及建模[D].北京交通大學，2009.