浅谈城市轨道交通项目节能评估技术要点

2015-01-14韦媚媚刘德权项定先王爱军

节能与环保 2015年3期

文 // 韦媚媚刘德权项定先王爱军

1 武汉市节能监察中心 2 中铁第四勘察设计院集团有限公司

地铁和轻轨等城市轨道交通，能有效改善城市公共交通状况，在城市交通中发挥着越来越重要的作用。但随着城市轨道交通运量的加大，能耗也随之不断增长。因此，对城市轨道交通项目进行节能评估和审查，是在项目前期优化建设方案，增强用能合理性，从源头上对能源消费总量和消费强度进行“双控”的重要工作。

1 城市轨道交通项目用能特点及案例

城市轨道交通系统通常由轨道路线、车辆、辅助和附属设施等组成。资料显示，城市轨道交通能源消费种类主要为电力，其中，列车牵引能耗约占项目总能耗的40%，暖通空调占30%～40%，升降系统（电梯、扶梯）占10%～15%，照明占8%～10%，给排水能耗占2%～3%。影响城市轨道交通节能的主要包括线路选址和纵断面设计、车辆选型和行车组织、车站建筑以及供电、暖通空调、电梯、照明、给排水和通信信号等系统。

以武汉某城市轨道交通地铁延长线项目为例，分析其城市轨道交通项目建设方案及节能措施、综合能耗及能效水平等方面的节能评估技术要点。该城市轨道交通项目的基本情况为：线路长13.35km，均为地下线，设站10座、停车场1个，平均站间距为1307m。采用B型车，DC750V接触轨供电，最高运行速度为80km/h，旅行速度约37.5km/h。供电系统采用集中供电方式，新建110kV主变电所，中压环网电压等级采用35kV；正线共设置7座牵引降压混合变电所、3座降压变电所，停车场设置1座牵引降压混合变电所。

2 城市轨道交通项目节能评估技术要点

2.1 建设方案及节能措施评估

2.1.1 工艺方案节能评估

（1）线路选址和纵断面设计

轨道线路选址关系到周边用地和资源使用情况、列车行走距离和运行阻力大小，影响列车牵引能耗。能评报告应介绍线路选址基本方案，包括运量等级、速度目标、线路走向与构成、正线数量与长度、站间距、线路平面最小曲线半径、轨道材料等主要技术参数。凡区间有条件，线路纵断面应设计成节能坡，应介绍节能坡最大坡度要求、实际坡度、使用比例等。评估方案的合理性，分析它和先进方案在节能方面存在的差异，提出优化措施。

如图1所示，案例中对两种轨道选线方案进行对比，其中东侧引入方案线路与城市道路红线及主要建筑物平行，减少了车站用地和附近地块切割，避免了搬迁改造，利于换乘站实施和用能设备共享；平均站间距为1309m（市区内平均站间距为1km左右较经济），对节电有利；线路平面最小平面曲线半径为350m，优于规范中一般地段取300m、困难地段取250m的标准，充分利用了大曲线半径，减少列车经过曲线段时的运行阻力；轨道采用无缝线路结构，可降低行车阻力和牵引电损。

如图2所示，节能坡将车站设在纵断面最高处，车站两端均为下坡，可利用自然加减速，减少列车运行阻力。根据文献，采用节能坡设计后列车牵引系统可节能20%～30%。案例中只有20%的车站纵断面设计节能坡，能评提出了优化建议，共设计5处节能坡，数量占比达到50%。

（2）车辆选型和行车组织

应介绍车辆运能、速度目标、限值坡度、牵引类型、牵引控制系统、车体材料等基本参数。车辆类型应根据预测客流量、线路条件和运输能力等合理确定，速度目标值、限制坡度、牵引类型等对车辆牵引能耗影响较大。应介绍列车编组、交路和运行方案，并分析其合理性。

应主要考虑采用列车轻量化、变频控制、再生制动能量回收等节能措施。轨道交通车辆自重约占定员车总重的75%，牵引用电主要消耗在列车自重上，因此减轻车辆自重、合理布置车下设备可有效减少牵引电耗。香港地铁长期运营研究实验表明，列车空载重量每减轻1t每年可减少电耗8000kWh。案例中车体材料、空调系统及电气设备轻量化，选用的车辆自重占定员车总重的69.6%，超员时为64.4%，采用VVVF变频变压车辆控制方式，采用再生制动能量回收措施。据测算，采用再生制动可使项目整体节约牵引电耗5%以上。为提高列车再生能量利用率，同一牵引区段内制动列车与出站列车重叠时间值较大，避免列车在同一牵引区段同时制动。车辆在运营期间，采用微机控制自动驾驶ATO曲线，根据线路的坡度、弯道及列车载重等情况，自动调整行车速度，控制惰行点，使列车速度保持在最佳状态，降低牵引能耗。

图1 轨道线路选址图

图2 纵断面节能坡设计图

2.1.2 辅助和附属设施节能评估

（1）车站布局和建筑节能

车站应满足客流需求，提高列车满载率和能源利用率；站厅、站台、出入口通道、楼梯、扶梯等部位的通过能力应根据该站超高峰设计客流量确定；停车场布置应考虑综合维修中心、物资总库及其它设施功能要求；车站布置应考虑与其它线路的衔接，出站口、隧道应尽量与城市建筑结合；确保车站能源供应管线沿程损耗降低。案例中某个车站设置的10个出入口，有的离得过近，不利于周边客流需求，投资浪费，能评提出优化措施。

应对地上车站、停车场建筑朝向、采光、遮阳、通风等布局方案，屋面、墙体、门窗等建筑围护结构保温隔热构造形式、热工参数进行分析，评估建筑能耗水平，应充分利用自然通风、天然采光措施。

（2）供电系统

应介绍项目电力负荷分级、外部电源供电方案及变配电所设置、变压器容量及能效指标等。变配电所位置应深入负荷中心，并适当提高供电电压，降低线损；适当提高变压器负荷率，降低变压器容量，减小空载和负载损耗；采用无功补偿方式提高供电功率因数；进行治理谐波等。牵引供电系统损耗对牵引能耗有较大影响，应从牵引供电布局、供电方式、受电电压、运行方式、变压器选型等方面进行分析。案例中主变电所设置在和其它线路换乘车站附近，与其它线路共享，牵引变电所集中设置，与车站降压变电所合建，采用集中供电方式，比分散式的环网电压高，电损较小。

（3）暖通空调系统

暖通空调系统包括车站公共区、设备管理用房的暖通空调系统，区间和车站隧道通风系统。应介绍车站室内外环境温湿度、气流速度、噪声、负荷需求，空调主机、末端和控制系统选型方案，评估设备参数是否合理，进行设备能效对标。

应考虑空调基于客流量自动监测和调节、集中供冷站、冰蓄冷、屏蔽门、自然通风等节能措施。其中基于客流量自动监测和调节的空调方案、集中供冷站均利于节能，后者对周边居民的噪声影响较小；夏季采用冰蓄冷技术，可减少夏季用电负荷；屏蔽门能够减少站内冷空气进入隧道以及列车制动时的热量进入站台候车区域，根据国内外既有地铁运营统计及武汉轨道交通2号线研究结果，该系统可使得项目整体节能32%以上。案例中区间隧道采用双活塞风道自然通风模式，如图3所示，充分利用列车运行时的活塞作用对隧道进行自然通风降温，模拟测算数据显示，比全线采用单活塞风道模式隧道内温度降低1.1℃，且地铁线路投资每公里可节约上千万元。

（4）其它系统

①升降系统：应从电梯和扶梯的功率、运行速度、载重量、电梯变频调速与控制方式等方面进行能评。案例中自动扶梯采用微机变频调速节能措施。②照明系统：评估照明光源、灯具类型、照度、功率密度值、照明控制方式等方案。案例中车站站台、站厅、出入口等公共区域及附属用房照明选用T5系列三基色荧光灯，局部使用LED光源，并设置智能照明控制系统。③给排水系统：应对车站出入口设置、排水泵和排污泵选型参数合理性、能效水平等进行评估。案例中各车站、区间的水源均从附近市政管网接入，充分利用管网余压供水；出入口比地面高，避免雨水倒灌。④通信、信号等系统：对液晶显示器、电源屏、信号灯、自动售检票等设备进行评估，并提出节能措施。⑤能源在线监测管理系统：应提出项目能源计量器具配备方案，列出能源计量器具一览表，包括名称、规格、准确度等级、用途和数量等，并预留能源在线监测管理系统接口，以利于能源计量、监管。

图3 双活塞风道布置图

2.1.3 可再生能源应用

应加强太阳能光热、光伏，水资源循环利用等可再生能源技术应用。案例中职工浴室生活热水采用集中式太阳能热水系统；终点站停车场屋面建设太阳能光伏发电系统，供应车站内通风空调、电梯以及照明等设备用电，部分车站出入口广场可采用太阳能光伏发电LED照明系统，白天蓄能，夜间为广场照明；车站的屋面可设置雨水收集系统，用于冲厕等。能评阶段应给出可再生能源应用基本方案、节能效果和经济性分析。

表1 项目近期能效水平分析对照表

图4 用能系统及能源流向示意图

2.2 综合能耗计算和能效水平评估

2.2.1 综合能耗计算

项目用能系统和设备类型多、数量大，用能系统的划分如图4所示，电耗主要为牵引与供能用能系统两部分。其中牵引电耗可进行行车牵引模拟得到一对车高峰时段、非高峰时段的牵引电耗，依据各年度行车组织方案及车辆编组等条件，参照公式计算（牵引电耗=一对车高峰时段牵引电耗×行车对数×运行天数+非高峰时段牵引电耗×行车对数×运行天数），牵引变压器损耗与接触轨线损合计损耗率约占牵引系统总能耗的3%。供能用能系统可参照《工业与民用配电设计手册》计算公式（电耗=计算负荷×年平均负荷系数×年实际工作小时数×需要系数），电能损耗主要包括系统线路和系统变压器的电损，可参考手册计算。

2.2.2 能效水平评估

城市轨道交通项目应采用单位正线公里能耗、平均每站年能耗、单位客运量能耗、车公里牵引电耗等较直观的指标作为能效水平评估指标。由于目前城市轨道交通行业还未发布能耗限额标准，可以按照类比分析法进行对标，如表1所示，案例近期单位客运量能耗略高于武汉2号线，但会随着客运量加大而降低。