轨道交通机电创新节能工作的思考与探索

刘彧 李文杰 张东海

摘要：随着我国轨道交通的快速发展，系统运营能耗快速增长，轨道交通已逐渐成为各城市的用电大户。开展轨道交通机电创新节能探索研究，既是相应国家节能减排号召，也是降低运营成本、实现企业可持续发展的迫切需要。在总结国内轨道交通机电创新节能成果和经验的基础上，研究提出了促进轨道交通机电创新节能工作的措施和方法，为国内轨道交通行业创新节能工作提供借鉴和参考。

关键词：轨道交通；运营能耗；创新节能；措施

引言

近年来，为满足人们日益增长的公共交通出行需求，全国各地市都在加快建设城际轨道交通。截止2017年末，我国内地共计35个城市开通轨道交通并投入运营，开通线路171条，运营线路总长度达到5083公里。轨道交通用电总负荷量大，已成为城市的用电大户。开展轨道交通领域创新节能探索与研究，对促进轨道交通可持续发展，降低能源消耗，节约运行成本具有重要意义。通过对北京、上海、杭州、宁波等城市轨道交通创新节能工作的深入调查，总结提炼有关做法和经验，结合杭海城际铁路机电工程实际，提出了轨道交通行业创新节能的对策和建议。

一、发展现状

（一）能耗分析

轨道交通机电系统组成复杂、设备数量众多，其在运营过程需要消耗大量能源。据统计，长约20km的轨道交通线路，北方城市和南方城市的年耗电量约为8000万kWh和10000万kWh。根据对国内轨道交通線路的用能情况统计分析，轨道交通运营过程中消耗能源的主要形式是电能和水。电能消耗主要分布在列车牵引用电和各种动力照明设备用电，如通风空调、自动扶梯、照明、弱电设备等方面。用水消耗主要是车站、控制中心及车辆段等生产生活用水等。

轨道交通能耗分布见下图1

如图1所示，列车牵引用电占总能耗的45～60%、通风空调用电占总能耗的30～40%、照明用电占总能耗的12～15%、电扶梯占总能耗的8～12%、给排水占总能耗的1～3%、其它占总能耗的5～8%。列车牵引供电、通风空调、电扶梯、照明等的能耗占总能耗的90%左右。

（二）发展趋势

目前轨道交通创新节能技术发展日新月异，技术和设备发展主要呈现人性化、自动化、智能化、数字化[1]等特点，国内多个城市已开展轨道交通创新节能方面的探索与研究，也有一些成功实施的案例，如车辆轻量化设计、车辆再生制动应用、供电系统变压器容量合理化[2]、弱电专业UPS电源集中供电、节能设备和太阳能资源利用等。现将各机电专业行业趋势及创新节能技术发展趋势如下：

1、车辆

轨道交通车辆采用的电动车组特点是车辆自重较大，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）减轻车辆自重。采用流线型车体设计，合理布置车下设备是减少牵引耗电的有效措施；

2）改进调速控制方式。采用交流变频变压传动装置（VVVF），减少列车调速时由附加电阻消耗掉的电能；

3）列车采用动拖混合编组形式，使用列车动力轴动态配置方式，控制降低能耗；

4）使用变频调节的空调设备和节能照明灯具；

5）采用填充隔热保温材料提高车辆密封性，以降低空调能量的消耗。

2、供配电系统

1）根据各类负荷特点和运行要求，合理选定变压器容量和采用无功补偿装置；

2）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；

3）各种设备电机选择高效电机[3]，同时保持其始终工作在高效率区；

4）推广应用再生制动能量循环利用技术[4]；

5）采用LED等高效节能灯具，根据不同运营时段和区间要求，实现按需照明。

3、弱电系统

1）通信、综合监控、AFC等系统UPS电源采用集中供电方式；

2）尽量采用结构简洁、设备配置少的系统；

3）采用高效节能的设备和器材；

4）在满足运营需求的情况下，采用节能模式运行。

4、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、集中供冷技术等达到环控系统节能。

1）空调通风系统采用智能控制技术、车站空调水系统变流量智能控制技术，推广应用再生能源的空调系统等；

2）车站通风空调系统风水联动节能控制；

3）采用节能、高效型空调、通风设备和配件；

4）冷冻泵站采用群控，提高供冷系统的能效比；

5）车站控制室、信号设备室、信号电源室等房间采用VRV系统，作为备用冷源。

5、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，实行分时管理，自动变速，达到有效节能的目的。

6、车辆段及综合基地

1）推广使用光伏发电、太阳能热水器等“四新”技术；

2）加强对废水的循环利用，将洗车后将水收集处理后循环使用[5]；

3）综合分析设备使用工况及负载状况，合理选用起重机、内燃机车和叉车等高能耗设备的容量；

4）充分利用自然采光措施，设计选用采光带、带孔砖等；

5）加强对列检检查坑照明系统的分级回路控制。

7、行车组织

1）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能耗；

2）通过列车采用节能运行图，降低牵引电机负荷和车辆制动能耗，从而达到减少列车牵引能耗；

3）研究制定节能合理的列车运行方式和行车组织；

4）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，使列车运行速度保持在最佳状态，以减少能耗；

5）在满足客流量要求的前提下，适当安排各时段的列车开行对数，提高列车满载率。

二、存在主要问题

1、各专业工程没有节能专项验收环节、节能工作基本是呈现专业、板块拼凑的现状；

2、城际铁路交通用能评价标准缺失，急需建立节能技术标准及评估、评价体系；

3、单一节能技术多，缺乏综合性和系统性的创新节能解决方案；

4、能耗基础数据零散，急需建立能耗大数据库和能源管控平台。

三、对策和建议

1、加强领导，建立相应考核激励措施

成立创新节能领导小组，制定节能管理办法，明确规定节能管理的要求和责任，重点从“列车运行组织优化、设备节能模式运行、定时通风排热、空调温度智能调节、分时段照明、节能用电用水” 等方面制定了机车、车站、车辆维修基地、控制中心等各类节能管理措施和办法，并出台了相应的奖惩措施。

2、广泛调研，全面掌握行业技术发展

对标国内外轨道交通技术标准和行业技术发展，深入广泛开展市场调研，组织开展国内外主流设备厂家技术交流，拓宽行业视野，全面了解掌握行业发展及创新节能措施，为后续设计优化、设备选型奠定了基础。

3、优化设计，切实落实创新节能要求

在借鉴国内轨道交通领域创新节能实施经验的基础上，结合杭海城铁工程“建设+运营”实际，坚持全寿命周期成本的理念，从设计源头抓起，组织设计院、运营公司等重点对牵引系统节能控制设计方案优化，并同步将有关创新节能要求落实到招标文件技术规格书。

4、创新引领，高起点明确机电设备标准

组织设计院、运营公司对技术规格书进行多次审查及确认，从可靠性、免维护性、智能化等方面，高标准地提出并明确了关键设备的技术标准和功能要求，确保选优配强物资设备，为打造品质工程奠定了基础。

5、提前谋划，稳步推进新技术的应用

加强与国内行业领先的企业、科研院所的交流合作，取长补短，依托其技术与研发优势，对标业内领先企业，积极跟踪无人驾驶、扫码过闸、互联互通、云平台与大数据等技术发展，切实推动创新节能技术的落地应用。针对轨道交通机电工程的重难点问题，联合开展专项技术攻关，突破一些创新节能的核心技术，取得一批实用性强、节能效果好的成果，有力支持机电工程的创新节能。

6、构建城际铁路用能评价体系

通过对城际铁路机电各专业能耗深入调研分析，掌握能耗用能规律特性，研究建立一套能耗指标评价体系，研发一套基于云平台的能源管理系统，通过对能耗数据的深度挖掘分析，实现对各用电系统及大型设备能耗数据的实时采集、分析对比、诊断预警及节能优化等精细化管理[6]，有效提升能源利用效率和管理水平。

7、全面深化BIM技术应用

结合机电工程实际，综合考虑BIM技术在机电工程建设、运营等阶段全过程的应用，建立涵盖设备信息、施工工艺等全过程的BIM数字化模型。利用BIM技术优化方案设计，提前发现并解决机电工程管线综合、深化设计难题，利用支吊架工厂化预制等措施，有效保障工程进度和质量，提升机电工程标准化管理。开发基于BIM模型的运营管理信息化系统，实现BIM技术在机电工程的全寿命周期应用。

8、全面推行标准化施工管理

坚持“走出去、引进来”，对标国内轨道交通機电工程管理经验，高标准建立机电工程施工、验收标准，全面推行实施机电工程标准化管理，结合劳动立功竞赛等活动，积极鼓励各施工单位加强对技术创新投入，优化工艺、工序及施工方法，全力打造杭海城铁品质工程、精品工程。

9、严格落实设备国产化要求

根据国家有关轨道交通机电设备国产率的有关要求，在不降低轨道交通建设标准的前提下，合理确定各种设备的国产化率，积极采用技术成熟、安全可靠、技术性能相对先进，便于维护管理的国产化设备及零部件，有效降低运营成本。

10、打造设备全寿命周期管理

坚持“建运维”一体化，始终将全寿命周期成本理念贯彻了工程的全过程，重点从设计、设备选型、施工管理、资产移交等方面着手，统筹创新节能设计，选择稳定可靠、便于维修管理的物资设备，全面提升工程品质，充分考虑建设与运维阶段数据的互联互通，实现全寿命周期管理。

四、结语

随着国内轨道交通的快速发展和创新节能要求的不断提高，针对轨道交通节能创新技术单一、基础数据零散、评价体系缺失等现状，结合工程建设实际，研究提出了建立考核激励机制、构建用能评价体系、实现设备全寿命周期、推行BIM技术的应用等措施，以“技术+管理”的模式实现轨道交通的创新节能管理，从而为国内同类轨道交通机电项目创新节能工作提供借鉴。

参考文献：

[1]宋敏华. 城市轨道交通节能技术发展趋势研究 [J]. 工程建设与设计，2009，（1）：15-19.

[2]赵建有，孔玄兵. 城市轨道交通与节能技术发展趋势研究[C]. //第八届全国交通运输领域青年学术会议论文集，2009，188-195.

[3]刘建刚. 现代城市轨道交通（地铁）机电一体化应用于节能创新技术的应用 [J]. 城市建设理论研究，2015，（3）：347-358.

[4]刘开国. 城市轨道交通供电系统的节能措施与经济运行 [J]. 电气时代2009，（12）：82-84.

[5]蔡昌俊，钟素银. 轨道交通节能减排分析与实施 [J].铁路技术创新，2011，5：23-25.

[6]曹守华. 城市轨道交通乘客交通特性分析及建模[D].北京交通大学，2009.