用户主导地铁节能技术创新的实践与综合效果

简 炼

(深圳地铁集团有限公司 广东深圳518026)

深圳地铁地处中国改革开放的前沿，是国家创新的窗口和试验田，深圳地铁是国家决策地铁装备国产化率达到70%的第一个项目，也是深圳承载创新地铁成套装备建设的第一个国家重点工程项目，也是深圳市建市以来最大的政府投资项目。因此，从1999年开始，深圳地铁就自觉地承担起节能创新先行先试的历史责任。统计数据表明，我国的单位GDP能源消耗量是美国的2倍，是日本的11.5倍。深圳地铁节能创新实践具有开创性，值得认真总结，从中探索出一条“用户主导创新”的节能新路。

1 地铁节能创新源于改革开放的试验田

1999年，深圳地铁公司就清醒地认识到:地铁公司是国有全资企业，地铁企业的产品是交通运输服务，企业提供的产品属于服务产品，地铁服务的用户是乘客。地铁的所有装备的用户是地铁公司，地铁建设是形成交通运输服务产品的过程，地铁公司使用的装备是为运营提供服务的保障，运营服务的安全、节能、高效等质量主要取决于地铁的装备。因此，只有装备搞好了，才能为高质量的运营服务创造条件。地铁成套装备是运营服务产品的金刚钻，必须扬长避短，自力更生，洋为中用，用信息化技术自主创新地铁成套装备，才能实现全面超越。

地铁节能的工作创新直接关系到地铁的经济和社会效益。地铁是百年大业，本着“预则立，不预则废”的指导思想，深圳地铁未雨绸缪地在节能创新领域的一张白纸上率先提出应用变频控制技术在地铁装备中实现节能的构想。当时，国家还没有提出节能减排的明确要求，在国内外地铁行业中，没有一个地铁公司提出过创新应用变频技术实现装备节能的要求，国内外地铁没有先例，更没有所需要的设备。因此，在一个新组建的深圳地铁公司提出地铁节能的观念和构思方案，引发了较大的观念碰撞，赞成节能创新做法的是极少数。众人对创新应用变频技术实现装备节能的第一反应是诧异或不理解，理由似乎非常充分:地铁的设计规范有要求，没有运用经验、不成熟的技术在地铁里不能采用。当时，地铁用的空调、扶梯也的确没有变频的节能产品，深圳地铁装备需要吃第一个螃蟹。因为，深圳地铁承载着先行先试的历史责任。

2 主动抓住节能创新的机会

深圳地铁公司首先认识到，地铁是以电力为动力的耗电较多的大运量交通工具，虽然在机动化交通方式中，城市轨道交通的人均耗能是相对较低的。但是，城市轨道交通的运能大、用电量也就大，在城市能耗总量中所占比重也大。

根据香港和新加坡地铁的耗电情况，通风空调、电扶梯的耗电占地铁总耗电的50%以上，是地铁耗电最多的设备。从多快好省、可持续发展城市轨道交通的主观愿望出发，以耗电多的设备节约能耗为原则，提出先在耗能较大的通风空调、电扶梯上创新地应用变频技术实现节能。在南方的地铁中，通风空调系统是必须配置的，如果不在地铁建设期提出节能要求，就会失去装备节能创新的最佳时机，对一个改革前沿的深圳地铁来说，将意味着看着成千万甚至上亿的电力资源被浪费。因此，作为用户的负责人深刻认识到:创新应用变频技术实现装备节能的现实和历史意义重大。所以，强烈要求在深圳地铁先行先试、坚持深圳地铁第一个吃螃蟹的敢闯敢试理念，承担起了做地铁节能排头兵的责任。最终，争取到在220台扶梯、2个小规模车站创新应用变频技术实现装备节能的历史性机会。

3 深圳地铁节能创新综合效果分析

深圳市2013年全年的总用电量为710亿kW·h，仅深圳地铁集团公司运营的1、2、5号3条线，全年总用电量就达到4.47亿kW·h，占全市全年总用电量约0.63%，在全市算名副其实的用电大户。这3条线路总长117 km，共86座车站，其中4座高架车站，5个车辆段和停车场，采用6节4动2拖A型车运营。

3.1 首创变频节能控制技术用于地铁空调通风系统，效益显著

通过创新应用变频控制技术，在保证车站温度、湿度、新风量和换气次数的情况下，使地铁车站实现了节能运行。深圳地铁通过对同一车站使用变频控制技术前后耗电数值的对比得出结论:运营初期，采用变频技术后1座车站的空调通风系统节能70%以上，每座车站每年平均节电40万kW·h，按深圳的电价，1座车站每年节约38万元左右的电费。目前，86座车站的空调通风系统已全部采用变频控制技术，每年节约电费可达3 230万元。

2013年底，全国运营的地铁为2 539 km，按300座车站改造空调通风系统采用变频技术节能，1年可以节电1.2亿kW·h。到2020年，我国预计至少新建地铁运营的线路超过3 000 km，若按1 000座车站采用空调通风变频技术节能，1年可以节电4亿kW·h。由此可见，地铁节能存在较大空间，倘若能应用节能技术，节能的效果会对节约型社会产生非常巨大的影响。

在实践创新的基础上，深圳地铁获得了创新应用变频技术实现通风、空调节能的实用新型专利。

3.2 首创地铁车站空调通风装备和用房面积减半的实践标准

创新应用变频节能技术实现了地铁空调通风系统大幅度节能，减少了工程造价和使用维护费用。车站应用该技术后，节能量超过70%，从而进一步发现了每座车站设置4台空调通风机组能力过剩的问题。通过对空调通风耗电自动计量数据核算，每座车站只需要2台空调通风机组就可以满足需要。由此，从创新应用的实践中，得到了地铁车站空调通风系统设备和用房面积减半的实践标准。

从2006年开始，深圳地铁二期工程在地铁车站的设计中，将原来采用4台空调机组的设计均改成了2台变频空调机组，从而节约了2台机组所占用的造价昂贵的地下建筑空间，使每座地下车站的设备和土木结构的投资减少60万元。目前，该节能技术已被住房与城乡建设部推广应用。若新建1 000座车站，可以节省建设投资6亿元。

到目前为止，仅深圳地铁建成的1、2、5号线车站就节约了3 300万元建设资金。设备和车站面积都需要消耗能源，节约设备和车站面积间接地实现了节能减排效益。

3.3 首次在地铁交通重载型电扶梯上采用全变频控制节能技术，效果明显

电扶梯创新应用全变频控制节能技术后，妥善解决了扶梯在不同运行模式下的节能运行，该技术实现了设定模式、控制速度运行等功能，同时具备了耗电的计量功能。通过对同一座车站使用全变频技术前后耗电数量的对比得出结论:采用全变频技术后，1部电扶梯节电20%，平均1部电扶梯每年节电约1万kW·h。目前，深圳地铁已使用860部全变频控制节能扶梯，年平均节电860万kW·h，节约电费约800万元。

目前，全国运营的地铁为2 539 km，若按800座车站，每座车站安装8部扶梯计算，则采用变频电扶梯节能技术1年可以节电6 400万kW·h。

然而，在2001年，深圳地铁第1个在招标书中要求应用全变频节能扶梯时，中标220部扶梯的是电扶梯鼻祖OTS、变频电梯鼻祖三菱，这两个厂家均没有所需要的产品，只能按深圳地铁用户的特殊技术要求专门研制扶梯带变频的节能产品。这种节能产品2004年底诞生在深圳地铁，已在深圳地铁运营9年多，共节电达3 650万kW·h。

目前，OTS、三菱及其他扶梯公司将这种全变频节能扶梯作为标准产品广泛应用于全球市场，1年生产扶梯超过万部，若都用此技术，1年节电过亿kW·h。可见，深圳地铁创新应用的节能技术也为全球的扶梯节能做出了贡献。

4 移动设备节能的重点

从深圳地铁总用电、牵引用电、行车公里、客流量之间的关系中发现节电的重点所在(见图1)。2011年6月28日深圳地铁运营线路增加98 km，车站增加68座。

图1 深圳地铁1号线2005—2013年用电情况分析

从图1和运营9年统计数字分析得出，客流从5 766万增加到32 529万人次，增加了4.64倍;9年列车的平均满载率40%，乘客重量占牵引重量的13.2%，列车自重占牵引重量的86.8%，若按牵引的重量衡量耗电，则深圳地铁1号线9年的平均能耗，列车上的乘客平均耗电占列车的牵引耗电约13.2%，列车自重平均耗电占牵引耗电约86.8%。同时，地铁客流全天各时段存在明显的规律性波动，在客流高峰、平峰时段实施灵活编组的运营方案，将显著节省满载率较低时的列车牵引耗电量。

行车公里数从844万车公里增加到4 626.35万车公里，增加了4.48倍;列车的牵引耗电从2 456.44万kW·h增加到9 919.22万kW·h，增加了3.04倍。列车的牵引耗电没有与客流和行车公里数同比例增加，主要原因是行车密度增加后同一供电区间内运行车辆增加了再生制动能量，前后车相互利用。由此可以看出:增大供电距离可以节能。

地铁总耗电量从10 438.89万kW·h增加到20 884.644万kW·h，增加了1倍，其中，列车的牵引耗电从占总耗电量的23.53%增加到了47.49%，上升的主要原因是运行列车的行车公里数从844万车公里增加到4 626.35万车公里;车站的动力和照明用电由占总耗电量76.47%减少到52.51%，下降的主要原因是2011年6月底二期工程的1号线新增了23 km，其15座车站均采用了变频控制的通风空调系统。

5 持续创新应用节能技术

深圳地铁创新以“苟日新、日日新、又日新”的持续创新精神，自1999年开始，15年里持续不断地创新和应用节能技术。深圳地铁一期工程创新地应用了变频控制技术在地铁空调通风系统和电扶梯中，试用了太阳能热水器，车站采用了屏蔽门系统隔离空调区与隧道的非空调区;自2007年开始在地铁车站照明中采用LED替换传统日光灯，列车等照明也应用LED;2013年，全面将地铁照明和广告灯箱照明改造和更换为LED，在车辆上开始使用变频空调。

2013年，深圳地铁集团依托北京交通大学施仲衡院士、西南交通大学钱清泉院士团队的科研实力，在广东省科委申请建立了广东省深圳地铁集团节能减排技术研发院士工作站，这是地铁行业的第一个由院士团队参加共同研发的节能新技术研发组织，主要有运营行车的列车组织管理系统、车辆牵引再生制动能量车上回收系统和直流3 000伏供电系统。研发的项目内容:针对深圳地铁列车自重平均耗电占牵引耗电约85%以上、客流全天不同时段规律性波动明显等情况，研究列车灵活编组运营关键技术，通过实施服务频率与列车编组优化组合的运营方案，以高服务水平满足客流波动规律，实现高行车密度条件下的节能目标。创新提出行车密度节能的系统管理技术;对直流3 000 V供电系统拉长供电区间，让更多的车运行在一个供电区间的节能新系统;车辆上安装再生制动能量回收节能的设备系统，及时回收利用再生制动产生的能量。创新技术研发集中在地铁车辆牵引和制动、供电、运行管理领域的节能，使深圳地铁达到全面节能的更高水平。

深圳地铁坚持持续创新，应用节能技术，先后在车站设备节能、照明、车辆、供电、太阳能、运营管理等方面全方位地开展了节能创新工作，并已经取得大量成果，今后将持续扩大和收获创新节能技术的成果。

6 节能创新的实践和理论总结

深圳地铁作为用户和节能应用的创新主体，主导了地铁节能技术的创新应用，为地铁节能技术创新探索了新路。第一次提出了节能的创新理念和需求，并且冲破了技术规范和各种束缚，在没有科研经费的前提下，以产品应用端的用户发起并且组织和主导了节能创新技术应用的实践。体现了用户在重大技术装备应用创新活动中的主导地位和作用，并以用户主导为主线，形成了一套适用于装备技术创新的理论，其核心为:用户是创新的主体。所谓创新的“主体”，是指提出、组织、出资、第一次商业应用、承担风险、牵引和把握创新活动朝着既定目标不断进展的承担者;而用户又是技术装备的直接使用者，使用者的客观要求是创新满足应用需要，应用对创新成功率提出了更高的要求。因此，用户既是创新主体又是应用主体，用户创新必然最关心创新风险的过程控制，从而创新的风险控制能力得到了成倍的强化，创新成功的概率就成倍地增加。深圳地铁装备节能创新应用的成功，证明了用户既作为创新主体又作为应用主体，两者相统一时，创新的风险是可控的。创新需要的费用可以与工程投资紧密结合，创新需要的时间可以与工程竣工的时间相互协调。

“用户主导创新”的理论基本内涵是:创新依托重大工程或项目的用户为创新主体，起始于用户的创新决策，以用户独一无二的使用需求为导向，用户的领军人物主导项目技术、装备的创新和应用，把常规工程建设项目提升为创新工程，把常规工程管理提升为创新风险管理，将风险化解在创新的过程中，造就新产品、技术或系统产品的诞生，进而实现产品和产业水平的整体跃升。这里，用户虽然不是各项产品和技术创新的具体生产的承担者，但是作为创新产品的发起者、决策者、组织者、出资者、管理者、第一个使用者、风险承担者和共同权益人，用户自始至终搭建和支撑着产品和技术创新的基础平台，主导着产品和技术集成创新的总体水平和效用，是成就创新产品和技术的不可替代的决定因素。

7 建议

7.1 以制度创新驱动节能减排

深圳地铁公司超前进行了具有开创性的地铁装备创新应用节能技术，开始虽然遇到了强大的传统观念和各种阻挠;然而，最终取得了明显的节能效益。这不仅需要节能领军者的智慧和胆识，更需要制度创新的跟进才能扩大节能成果，为总结实践经验以点带面地推广应用成果、出现更多的开创性节能创新保驾护航。深圳地铁经过15年的持续不懈的创新和努力，不断地实现着节能的更高目标。然而，深圳地铁总有一种在孤军突围、挺进、一个接一个打着节能歼灭战的感觉。让创新的技术发挥更大作用的推广应用工作急待加强。期望国家有关方面将鼓励节能减排的各项制度的创新及时跟进，及时发现和总结实践中好的节能发明、发现和创新的成果，并提炼升华，上升为创新的制度，用制度强制推广应用，取得更大的成果。节能减排是一项长期的战略，需要制度创新的引领，在更大范围内实现节能技术创新。例如，政府发布规章，强制采用变频节能的地铁空调通风装备、电扶梯等;修改或制定地铁设计规范、产品标准等，从使用的源头上扩大节能减排的成果。

7.2 以管理创新驱动节能减排

政策和策略是执政者管理节能减排事业的生命，来自基层好的节能减排的实践信息就是执政者管理节能减排事业的新鲜血液，各级管理者应创新建立自下而上、覆盖全面的信息通畅制度渠道，随时从实践中发现好的节能做法，及时自上而下、以点带面地总结和推广。以管理创新的方法和行政规章固化已有的好的节能做法，用有形的手推动节能减排事业的健康快速发展。例如，国家创新制定用节能减排最终成果作为申报和评价标准的专项奖励制度;制定按月实际节电量的比例提成的日常考核奖励制度，或由供电部门进行奖励电费等。以制度创新鼓励和引导更大规模的节能，为实现更大规模的创新驱动节能减排事业的发展提供支撑。

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