袁宏偉 孔令洋

(1.北京市發(fā)展和改革委員會 北京 100031;2.北京市基礎設施投資有限公司 北京 100101)

城市軌道交通能耗影響因素及測算研究

袁宏偉1孔令洋2

(1.北京市發(fā)展和改革委員會 北京 100031;2.北京市基礎設施投資有限公司 北京 100101)

指出城市軌道交通是一種資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的綠色公共交通方式，同時又是城市的用電大戶。討論城市軌道交通車輛能耗、車站能耗的影響因素，剖析單位車公里、單位人公里、單位噸公里等能耗指標及其特征，建立城市軌道交通線網能耗測算模型?；诟骶€路能耗統計數據，測算北京市軌道交通網絡的全年總能耗量，分析不同線路條件下車輛能耗、車站能耗的特征和規(guī)律，為進一步優(yōu)化線路規(guī)劃設計、節(jié)約系統能耗等提供參考。

城市軌道交通;能耗;影響因素;指標;測算

1 研究背景

與其他城市交通模式相比，城市軌道交通具有運量大、占地少、速度快、節(jié)能環(huán)保、安全準時等特點，而且城市軌道交通使用電能，不直接消耗不可再生的有機能源，符合國家的能源和環(huán)境戰(zhàn)略，是一種資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、安全便捷型的城市交通方式［1］。因此，為緩解地面交通能力不足、能耗巨大、污染嚴重等問題，發(fā)展城市軌道交通成為我國大城市緩解交通擁堵、實現城市交通可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

就能耗數量而言，城市軌道交通是城市電能消耗的大戶。資料顯示，長約20 km的軌道交通線路，北方城市無空調的車站年用電量約6 000萬kW·h、設空調的車站年用電量約8 000萬kW·h，南方城市的車站年用電量約1億kW·h。若城市建成300 km的軌道交通線路，年用電量將達到9億～15億kW·h［2］。

近年來，我國許多城市電力供應緊張，出現用電高峰時段必須分區(qū)域拉閘限電的情況，嚴重影響了國民經濟發(fā)展。因此，一方面需要城市供電部門加大保障能力，確保高峰時期的軌道交通用電需要;另一方面軌道交通行業(yè)部門也需要深入分析軌道交通用能規(guī)律，優(yōu)化設計，減少系統能耗，并對未來軌道交通網絡的用能需求總量做出預測。

結合北京市發(fā)展低碳交通的有關要求，筆者在分析城市軌道交通能耗影響因素、指標特征的基礎上，研究提出城市軌道交通能耗測算模型，以初步分析北京市軌道交通網絡的能耗特征和規(guī)律。

2 城市軌道交通能耗影響因素

城市軌道交通系統的電力消耗可以分為兩大類，一是車輛能耗，二是車站能耗。在車輛能耗中，又可分為“車輛運行消耗電能”和“車輛運行以外車輛空調等消耗電能”兩類。城市軌道交通系統的電能消耗量，會受車輛制式和類型、客流量、線路敷設方式、車站規(guī)模等方面因素的影響，因此各類電能消耗在系統總能耗中所占比率會因線路不同而有所不同，但大體比例和發(fā)展趨勢如圖1所示［3］。

圖1 城市軌道交通能耗負荷比率

2.1 車輛能耗影響因素

影響軌道交通車輛能耗的因素很多，除直接決定行車總數量的線路里程、運行交路、發(fā)車間隔、車輛編組、車載輔助設備數量及容量以外，車輛能耗還受客流規(guī)模(列車滿載率)、車輛制式及車型、線路敷設方式、季節(jié)等因素的影響。

2.1.1 客流規(guī)模

客流量對車輛能耗影響較大，主要體現在以下兩個方面:一是客流量越大，相應的發(fā)車列次越多，從而列車的運營里程也越大，車輛能耗也隨之增大;二是隨著列車滿載率的變化，車輛能耗變化明顯，列車在滿載情況下，乘客質量一般占列車總質量的25% ～30%，滿載甚至超員的列車相對乘客稀少的列車牽引能耗顯然要高，同時車載空調設備的負荷也相應增加。

2.1.2 車輛制式及類型

城市軌道交通系統的車輛制式和車型對車輛能耗起著決定性的作用。不同制式車輛的能耗差別非常大，其一般規(guī)律是普通輪軌、跨座式單軌、直線電機、中低速磁浮這幾種制式的能耗效率依次降低，同等運量情況下能耗量依次增大。

同種車輛制式的不同車型，不僅車輛尺寸及容量存在差別，而且車輛的自重、運營速度等技術指標有較大的不同，從而影響整個系統的車輛能耗。同一制式的軌道交通車輛有動車和拖車、帶司機室和不帶司機室等多種形式，寬度為2.8～3 m，定員為200～320人，最高運行速度可達80～110 km/h，車體材料有碳素鋼、不銹鋼或鋁合金。這些因素決定了列車的自重，從而影響著列車的車輛能耗狀況。車輛自重越大，要求車輛的啟動、制動力矩越大，車輛電機的耗電量也越大。

2.1.3 線路敷設方式

在同等車輛和客流等條件下，地下線路比地上線路的車輛能耗更大，因為列車在地下隧道中行駛要克服空氣阻力而消耗額外的電能。比如，北京地鐵1號線2009年的年平均單位噸公里能耗約268 kW·h，而行駛條件與之相當的地鐵八通線的這一指標為227 kW·h，前者比后者高約18%。

2.1.4 季節(jié)因素

圖2為北京地鐵5號線2009年各月車輛能耗，從其變化情況來看，季節(jié)變化規(guī)律明顯。從5月份開始，電耗會有較大幅度的上漲，并在7月份達到最大值，隨后從9月份開始逐漸下降，主要是夏季列車的空調設備電耗占比增大。

2.2 車站能耗影響因素

圖2 北京地鐵5號線2009年的月車輛能耗

城市軌道交通的動力照明電耗主要是指集中在車站內的電力消耗，其中環(huán)控通風、照明、電扶梯等設施的用電量較大。車站能耗主要由車站及區(qū)間設備(如風機、空調、自動扶梯、照明、售檢票機等)的數量、容量、效率、運行方式等決定，同時也受到車站敷設方式、車站規(guī)模、客流量、環(huán)控模式、季節(jié)等因素的影響。

2.2.1 車站敷設方式

地下車站空間封閉，需要通風空調系統對溫度、濕度進行控制，同時也需要更多的自動扶梯等實現垂直的人員輸送，能耗較大;而地上車站一般只有通風系統而沒有空調系統，甚至只用自然通風，能耗較小。北京地鐵5號線以地下線路為主，23座車站中有16座地下車站，7座地上車站，2009年部分月份的平均能耗如表1所示。同一月份，地下站的能耗一般為地上站的2倍以上，在夏季甚至達到5倍以上。

表1 北京地鐵5號線2009年部分月份能耗

2.2.2 車站建筑規(guī)模

車站的建筑規(guī)模，即車站站廳層及站臺層的建筑面積大小，這在一定程度上直接決定了車站電耗量。

2.2.3 車站客流量

車站客流量越大，車站所需設備(閘機、樓扶梯、自動售票機等)的數量越多，維護車站環(huán)境的空調、環(huán)控設備數量也越多，用電量就越大。

2.2.4 車站環(huán)控系統

軌道交通環(huán)控系統主要有開式系統和閉式屏蔽門系統兩種。開式系統主要應用于高架和地面站。屏蔽門系統主要應用于地下站，因為相對于開式系統，屏蔽門的設置減少了隧道對車站溫度和濕度的影響，能夠達到較好的節(jié)能效果。

2.2.5 季節(jié)因素

相比車輛能耗，季節(jié)對車站(特別是地下車站)的電耗量影響更大。從北京地鐵5號線的數據看，地下閉式屏蔽門系統車站在6—10月份的車站月能耗值明顯大于其他月份的車站月能耗值，而地上開式車站的月能耗隨著季節(jié)變化也有一定的波動，但是波動范圍不大，如圖3所示。

圖3 北京地鐵5號線地下、地上車站月能耗

3 城市軌道交通能耗指標及特征

為進一步對能耗水平和效率進行分析比較，城市軌道交通能耗可以從單位車公里能耗、單位人公里能耗、單位噸公里能耗等方面進行分解剖析。

3.1 單位車公里能耗

單位車公里能耗為1節(jié)車輛每運行1 km所需消耗的能量，其計算公式為

單位車公里能耗指標具有以下特征:

1)單位車公里能耗主要與車體大小、質量、載客量有關，車輛越小，單位車公里電耗越小。A型車單位車公里能耗應高于B型車單位車公里能耗，地鐵車輛單位車公里能耗應高于輕軌車輛單位車公里能耗。

2)同等車輛、客流條件下，高架線路車輛一般較地下線路車輛的單位車公里能耗要低。

3)站間距越大，單位車公里的牽引電耗就越小。

4)單位車公里能耗與車輛是否設有空調等設備、車站環(huán)控系統模式等有關。

3.2 單位人公里能耗

單位人公里能耗為每將1位乘客運送1 km所需消耗的能量，其計算公式為

單位人公里能耗反映了城市軌道交通的運行及能耗使用效率，相對較低的單位人公里能耗，體現出城市軌道交通是一種能耗節(jié)約、綠色環(huán)保的大容量公共交通方式。車輛滿載率越高，單位車輛運送乘客越多，每位乘客平均消耗的能量就越低。當列車滿載率下降到運營管理公司可以接受的50%狀態(tài)時，乘客質量占列車總質量的比重將下降到17%左右。換言之，隨著滿載率的下降，車輛能耗將主要用于無效車輛。隨著列車滿載率從100%逐漸降低到50%以下時，單位客流量的能耗將迅速上升;當滿載率低于40%后，單位人公里能耗甚至將成倍增長。

3.3 單位噸公里能耗

單位噸公里能耗為每將1噸重的列車及乘客運送1 km所需消耗的能量，其計算公式為

(注:乘客體重按60 kg/人計算)

單位噸公里能耗反映了城市軌道交通系統的車輛及其電機的效率，與車輛制式和線路狀況直接相關。一般而言，傳統旋轉電機的功率因數和電機效率高于直線電機，在相同的線路條件和列車質量條件下，最新旋轉電機VVVF驅動地鐵車輛相比直線電機驅動地鐵車輛的單位噸公里能耗要高出不少［4］。線路進行節(jié)能坡設計，能夠有效降低單位噸公里能耗［5］。

4 北京市軌道交通能耗測算及分析

城市軌道交通線路較少，能耗形式單一且有專門的統計數據，較容易進行城市軌道交通能耗測算和分析。基于北京市軌道交通的線路特征、運行情況和能耗統計數據，可對北京市軌道交通能耗情況進行簡要測算和分析。

4.1 能耗測算模型

將現有各條線路車輛和車站動力照明兩種能耗加總，即可得到北京城市軌道交通能耗，可采用如下測算模型來計算北京市的軌道交通總能耗(分別按照空調季度和非空調季度計算)，測算公式為

式中:E總能耗為城市軌道交通總能耗，萬 kW·h;Ei車輛為第i條軌道交通線的車輛總能耗，萬kW·h;Ei車站為第i條軌道交通線的車站總能耗，萬kW·h;Eij車站為第i條軌道交通線上的第j號車站能耗，萬kW·h。

(注:列車的空調照明等輔助系統能耗包含在車輛能耗中)

4.2 能耗測算

根據2009年北京市各線路車站能耗和車輛能耗，利用測算模型，可計算全網全年能耗(不含軌道交通機場快軌專線)，如表2所示。

表2 北京市軌道交通2009年總能耗

4.3 能耗分析

4.3.1 車輛能耗分析

在上述8條運營線路中，地鐵1、2、10號線全為地下線，13號線和八通線全為地上線，可分別計算地下線和地上線的車輛單位荷載周轉量能耗，并進行比較分析。表3為2009年不同敷設方式運營線路車輛能耗及各線路單位荷載周轉量能耗數據。

表3 2009年地上線和地下線車輛能耗

由表3可知，北京城市軌道交通地上線和地下線平均單位噸公里能耗分別為509.34和394.23 kW·h/t·km，地下線比地上線高約29%。同時數據顯示，相同敷設方式線路的車輛單位荷載周轉量能耗值較為接近，可以取其均值作為預測同類在建及規(guī)劃線路車輛能耗預測的基本測算指標。

4.3.2 車站能耗分析

北京城市軌道交通環(huán)控系統主要有開式系統和屏蔽門系統，其中1號線、2號線屬于地下開式系統，10號線、奧運支線、4號線為地下屏蔽門系統，其余新建線路或規(guī)劃線路均為地上開式或地下屏蔽門系統。

根據2009年北京城市軌道交通車站能耗統計數據、結構車站類型劃分進行分析，可計算得出各類型車站分別在空調季度(6—9月)和非空調季度的平均動力照明能耗，如表4所示。

表4 2009年各類型車站平均月車站動力照明能耗

由表4可知，在空調季度和非空調季度，北京城市軌道交通地下屏蔽門式車站的車站動力照明能耗，分別為地下開式車站和地上開式車站的 1.4、2.4 倍和 1.5、4.7倍。數據顯示，地面車站的能耗較地下車站的能耗要低得多，因此從降低能耗的角度，宜更多地選用高架線路。

5 結語

通過對能耗影響因素分析及運營線路能耗測算，初步探索了北京市軌道交通能耗特征和規(guī)律，如地下線能耗指標遠高于地上線能耗指標、車站能耗的季節(jié)變化明顯等。在軌道交通新線的規(guī)劃、設計中，一是應盡量選擇地上線敷設方式，既能節(jié)約工程投資，又可大幅減少運營期的系統能耗;二是應注重節(jié)能坡設計，采用變頻、綜合監(jiān)控等先進技術，挖掘系統的節(jié)約潛力。

另外，利用本研究提出的能耗測算模型，可以結合軌道交通線網規(guī)劃情況，應用類比法預測未來軌道交通網絡的整體能耗量級及特征，提前規(guī)劃布局供電資源，保障城市軌道交通用電需要。

［1］施仲衡.依靠科技創(chuàng)新加快發(fā)展節(jié)約型城市軌道交通［J］.都市快軌交通，2006，19(1):卷首語.

［2］北京交通大學，北京交通發(fā)展研究中心.城市交通資源節(jié)約問題研究報告［R］.北京，2006.

［3］日本地下鐵協會直線電機地鐵推進部.關于鐵道系統所需的電能［R］.東京，2004.

［4］孔令洋，梁青槐，張巖，等.直線電機輪軌交通系統牽引能耗研究［J］.鐵道學報，2007，29(6):106-112.

［5］龐淵.線路節(jié)能坡設計方案對地鐵能耗的影響［J］.鐵路工程造價管理，2008(1):10-13.

［6］梁青槐，孔令洋.超前規(guī)劃適時建設建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型城市軌道交通［J］.都市快軌交通，2006，19(3):1-2.

［7］石靜雅，蘇永清，岳繼光.軌道交通能耗影響因素分析及能耗評價體系的建立［J］.鐵道運輸與經濟，2008，30(9):46-49.

［8］李鯤鵬，張振生.直線電機軌道交通系統能耗分析［J］.都市快軌交通，2006，19(1):31-33.

Study and Calculation of Influencing Factors on Urban Rail Transit Energy Consumption

Yuan Hongwei1Kong Lingyang2
(1.Beijing Municipal Commission of Development and Reform，Beijing 100031;2.Beijing Infrastructure Investment Co.，Ltd.，Beijing 100101)

Abstract:Urban rail transit is a resource-saving，environment-friendly urban public traffic mode and also the main power consumer of the city.This paper analyzed the factors influencing the energy consumption of vehicles and stations of urban rail transit，studied the energy consumption indexes and their characteristics including energy consumption per vehicle per kilometer，per passenger per kilometer and per ton per kilometer，and established the energy consumption calculation model of urban rail transit network.Based on the statistical data of energy consumption of each line，the annual energy consumption of Beijing urban rail transit network was calculated，and the features and regulation of vehicle energy consumption and station energy consumption under different line conditions were summarized，which can provide guidelines for the optimization of new line planning and design to reduce energy consumption of the system.

Key words:urban rail transit;energy consumption;influencing factors;index;calculation

F530.7;F206

A

672-6073(2012)02-0041-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.011

收稿日期:2011-11-21

2012-02-13

作者簡介:袁宏偉，男，工學博士，副處長，高級工程師，主要從事城市交通基礎設施項目規(guī)劃及投資管理工作，yuanhw@bjpc.gov.cn

(編輯:郭 潔)