文 // 韋媚媚 劉德權(quán) 項定先王愛軍

1 武漢市節(jié)能監(jiān)察中心 2 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司

地鐵和輕軌等城市軌道交通，能有效改善城市公共交通狀況，在城市交通中發(fā)揮著越來越重要的作用。但隨著城市軌道交通運(yùn)量的加大，能耗也隨之不斷增長。因此，對城市軌道交通項目進(jìn)行節(jié)能評估和審查，是在項目前期優(yōu)化建設(shè)方案，增強(qiáng)用能合理性，從源頭上對能源消費(fèi)總量和消費(fèi)強(qiáng)度進(jìn)行“雙控”的重要工作。

1 城市軌道交通項目用能特點(diǎn)及案例

城市軌道交通系統(tǒng)通常由軌道路線、車輛、輔助和附屬設(shè)施等組成。資料顯示，城市軌道交通能源消費(fèi)種類主要為電力，其中，列車牽引能耗約占項目總能耗的40%，暖通空調(diào)占30%～40%，升降系統(tǒng)（電梯、扶梯）占10%～15%，照明占8%～10%，給排水能耗占2%～3%。影響城市軌道交通節(jié)能的主要包括線路選址和縱斷面設(shè)計、車輛選型和行車組織、車站建筑以及供電、暖通空調(diào)、電梯、照明、給排水和通信信號等系統(tǒng)。

以武漢某城市軌道交通地鐵延長線項目為例，分析其城市軌道交通項目建設(shè)方案及節(jié)能措施、綜合能耗及能效水平等方面的節(jié)能評估技術(shù)要點(diǎn)。該城市軌道交通項目的基本情況為：線路長13.35km，均為地下線，設(shè)站10座、停車場1個，平均站間距為1307m。采用B型車，DC750V接觸軌供電，最高運(yùn)行速度為80km/h，旅行速度約37.5km/h。供電系統(tǒng)采用集中供電方式，新建110kV主變電所，中壓環(huán)網(wǎng)電壓等級采用35kV；正線共設(shè)置7座牽引降壓混合變電所、3座降壓變電所，停車場設(shè)置1座牽引降壓混合變電所。

2 城市軌道交通項目節(jié)能評估技術(shù)要點(diǎn)

2.1 建設(shè)方案及節(jié)能措施評估

2.1.1 工藝方案節(jié)能評估

（1）線路選址和縱斷面設(shè)計

軌道線路選址關(guān)系到周邊用地和資源使用情況、列車行走距離和運(yùn)行阻力大小，影響列車牽引能耗。能評報告應(yīng)介紹線路選址基本方案，包括運(yùn)量等級、速度目標(biāo)、線路走向與構(gòu)成、正線數(shù)量與長度、站間距、線路平面最小曲線半徑、軌道材料等主要技術(shù)參數(shù)。凡區(qū)間有條件，線路縱斷面應(yīng)設(shè)計成節(jié)能坡，應(yīng)介紹節(jié)能坡最大坡度要求、實際坡度、使用比例等。評估方案的合理性，分析它和先進(jìn)方案在節(jié)能方面存在的差異，提出優(yōu)化措施。

如圖1所示，案例中對兩種軌道選線方案進(jìn)行對比，其中東側(cè)引入方案線路與城市道路紅線及主要建筑物平行，減少了車站用地和附近地塊切割，避免了搬遷改造，利于換乘站實施和用能設(shè)備共享；平均站間距為1309m（市區(qū)內(nèi)平均站間距為1km左右較經(jīng)濟(jì)），對節(jié)電有利；線路平面最小平面曲線半徑為350m，優(yōu)于規(guī)范中一般地段取300m、困難地段取250m的標(biāo)準(zhǔn)，充分利用了大曲線半徑，減少列車經(jīng)過曲線段時的運(yùn)行阻力；軌道采用無縫線路結(jié)構(gòu)，可降低行車阻力和牽引電損。

如圖2所示，節(jié)能坡將車站設(shè)在縱斷面最高處，車站兩端均為下坡，可利用自然加減速，減少列車運(yùn)行阻力。根據(jù)文獻(xiàn)，采用節(jié)能坡設(shè)計后列車牽引系統(tǒng)可節(jié)能20%～30%。案例中只有20%的車站縱斷面設(shè)計節(jié)能坡，能評提出了優(yōu)化建議，共設(shè)計5處節(jié)能坡，數(shù)量占比達(dá)到50%。

（2）車輛選型和行車組織

應(yīng)介紹車輛運(yùn)能、速度目標(biāo)、限值坡度、牽引類型、牽引控制系統(tǒng)、車體材料等基本參數(shù)。車輛類型應(yīng)根據(jù)預(yù)測客流量、線路條件和運(yùn)輸能力等合理確定，速度目標(biāo)值、限制坡度、牽引類型等對車輛牽引能耗影響較大。應(yīng)介紹列車編組、交路和運(yùn)行方案，并分析其合理性。

應(yīng)主要考慮采用列車輕量化、變頻控制、再生制動能量回收等節(jié)能措施。軌道交通車輛自重約占定員車總重的75%，牽引用電主要消耗在列車自重上，因此減輕車輛自重、合理布置車下設(shè)備可有效減少牽引電耗。香港地鐵長期運(yùn)營研究實驗表明，列車空載重量每減輕1t每年可減少電耗8000kWh。案例中車體材料、空調(diào)系統(tǒng)及電氣設(shè)備輕量化，選用的車輛自重占定員車總重的69.6%，超員時為64.4%，采用VVVF變頻變壓車輛控制方式，采用再生制動能量回收措施。據(jù)測算，采用再生制動可使項目整體節(jié)約牽引電耗5%以上。為提高列車再生能量利用率，同一牽引區(qū)段內(nèi)制動列車與出站列車重疊時間值較大，避免列車在同一牽引區(qū)段同時制動。車輛在運(yùn)營期間，采用微機(jī)控制自動駕駛ATO曲線，根據(jù)線路的坡度、彎道及列車載重等情況，自動調(diào)整行車速度，控制惰行點(diǎn)，使列車速度保持在最佳狀態(tài)，降低牽引能耗。

圖1 軌道線路選址圖

圖2 縱斷面節(jié)能坡設(shè)計圖

2.1.2 輔助和附屬設(shè)施節(jié)能評估

（1）車站布局和建筑節(jié)能

車站應(yīng)滿足客流需求，提高列車滿載率和能源利用率；站廳、站臺、出入口通道、樓梯、扶梯等部位的通過能力應(yīng)根據(jù)該站超高峰設(shè)計客流量確定；停車場布置應(yīng)考慮綜合維修中心、物資總庫及其它設(shè)施功能要求；車站布置應(yīng)考慮與其它線路的銜接，出站口、隧道應(yīng)盡量與城市建筑結(jié)合；確保車站能源供應(yīng)管線沿程損耗降低。案例中某個車站設(shè)置的10個出入口，有的離得過近，不利于周邊客流需求，投資浪費(fèi)，能評提出優(yōu)化措施。

應(yīng)對地上車站、停車場建筑朝向、采光、遮陽、通風(fēng)等布局方案，屋面、墻體、門窗等建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱構(gòu)造形式、熱工參數(shù)進(jìn)行分析，評估建筑能耗水平，應(yīng)充分利用自然通風(fēng)、天然采光措施。

（2）供電系統(tǒng)

應(yīng)介紹項目電力負(fù)荷分級、外部電源供電方案及變配電所設(shè)置、變壓器容量及能效指標(biāo)等。變配電所位置應(yīng)深入負(fù)荷中心，并適當(dāng)提高供電電壓，降低線損；適當(dāng)提高變壓器負(fù)荷率，降低變壓器容量，減小空載和負(fù)載損耗；采用無功補(bǔ)償方式提高供電功率因數(shù)；進(jìn)行治理諧波等。牽引供電系統(tǒng)損耗對牽引能耗有較大影響，應(yīng)從牽引供電布局、供電方式、受電電壓、運(yùn)行方式、變壓器選型等方面進(jìn)行分析。案例中主變電所設(shè)置在和其它線路換乘車站附近，與其它線路共享，牽引變電所集中設(shè)置，與車站降壓變電所合建，采用集中供電方式，比分散式的環(huán)網(wǎng)電壓高，電損較小。

（3）暖通空調(diào)系統(tǒng)

暖通空調(diào)系統(tǒng)包括車站公共區(qū)、設(shè)備管理用房的暖通空調(diào)系統(tǒng)，區(qū)間和車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)。應(yīng)介紹車站室內(nèi)外環(huán)境溫濕度、氣流速度、噪聲、負(fù)荷需求，空調(diào)主機(jī)、末端和控制系統(tǒng)選型方案，評估設(shè)備參數(shù)是否合理，進(jìn)行設(shè)備能效對標(biāo)。

應(yīng)考慮空調(diào)基于客流量自動監(jiān)測和調(diào)節(jié)、集中供冷站、冰蓄冷、屏蔽門、自然通風(fēng)等節(jié)能措施。其中基于客流量自動監(jiān)測和調(diào)節(jié)的空調(diào)方案、集中供冷站均利于節(jié)能，后者對周邊居民的噪聲影響較??；夏季采用冰蓄冷技術(shù)，可減少夏季用電負(fù)荷；屏蔽門能夠減少站內(nèi)冷空氣進(jìn)入隧道以及列車制動時的熱量進(jìn)入站臺候車區(qū)域，根據(jù)國內(nèi)外既有地鐵運(yùn)營統(tǒng)計及武漢軌道交通2號線研究結(jié)果，該系統(tǒng)可使得項目整體節(jié)能32%以上。案例中區(qū)間隧道采用雙活塞風(fēng)道自然通風(fēng)模式，如圖3所示，充分利用列車運(yùn)行時的活塞作用對隧道進(jìn)行自然通風(fēng)降溫，模擬測算數(shù)據(jù)顯示，比全線采用單活塞風(fēng)道模式隧道內(nèi)溫度降低1.1℃，且地鐵線路投資每公里可節(jié)約上千萬元。

（4）其它系統(tǒng)

①升降系統(tǒng)：應(yīng)從電梯和扶梯的功率、運(yùn)行速度、載重量、電梯變頻調(diào)速與控制方式等方面進(jìn)行能評。案例中自動扶梯采用微機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能措施。②照明系統(tǒng)：評估照明光源、燈具類型、照度、功率密度值、照明控制方式等方案。案例中車站站臺、站廳、出入口等公共區(qū)域及附屬用房照明選用T5系列三基色熒光燈，局部使用LED光源，并設(shè)置智能照明控制系統(tǒng)。③給排水系統(tǒng)：應(yīng)對車站出入口設(shè)置、排水泵和排污泵選型參數(shù)合理性、能效水平等進(jìn)行評估。案例中各車站、區(qū)間的水源均從附近市政管網(wǎng)接入，充分利用管網(wǎng)余壓供水；出入口比地面高，避免雨水倒灌。④通信、信號等系統(tǒng)：對液晶顯示器、電源屏、信號燈、自動售檢票等設(shè)備進(jìn)行評估，并提出節(jié)能措施。⑤能源在線監(jiān)測管理系統(tǒng)：應(yīng)提出項目能源計量器具配備方案，列出能源計量器具一覽表，包括名稱、規(guī)格、準(zhǔn)確度等級、用途和數(shù)量等，并預(yù)留能源在線監(jiān)測管理系統(tǒng)接口，以利于能源計量、監(jiān)管。

圖3 雙活塞風(fēng)道布置圖

2.1.3 可再生能源應(yīng)用

應(yīng)加強(qiáng)太陽能光熱、光伏，水資源循環(huán)利用等可再生能源技術(shù)應(yīng)用。案例中職工浴室生活熱水采用集中式太陽能熱水系統(tǒng)；終點(diǎn)站停車場屋面建設(shè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，供應(yīng)車站內(nèi)通風(fēng)空調(diào)、電梯以及照明等設(shè)備用電，部分車站出入口廣場可采用太陽能光伏發(fā)電LED照明系統(tǒng)，白天蓄能，夜間為廣場照明；車站的屋面可設(shè)置雨水收集系統(tǒng)，用于沖廁等。能評階段應(yīng)給出可再生能源應(yīng)用基本方案、節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性分析。

表1 項目近期能效水平分析對照表

圖4 用能系統(tǒng)及能源流向示意圖

2.2 綜合能耗計算和能效水平評估

2.2.1 綜合能耗計算

項目用能系統(tǒng)和設(shè)備類型多、數(shù)量大，用能系統(tǒng)的劃分如圖4所示，電耗主要為牽引與供能用能系統(tǒng)兩部分。其中牽引電耗可進(jìn)行行車牽引模擬得到一對車高峰時段、非高峰時段的牽引電耗，依據(jù)各年度行車組織方案及車輛編組等條件，參照公式計算（牽引電耗=一對車高峰時段牽引電耗×行車對數(shù)×運(yùn)行天數(shù)+非高峰時段牽引電耗×行車對數(shù)×運(yùn)行天數(shù)），牽引變壓器損耗與接觸軌線損合計損耗率約占牽引系統(tǒng)總能耗的3%。供能用能系統(tǒng)可參照《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》計算公式（電耗=計算負(fù)荷×年平均負(fù)荷系數(shù)×年實際工作小時數(shù)×需要系數(shù)），電能損耗主要包括系統(tǒng)線路和系統(tǒng)變壓器的電損，可參考手冊計算。

2.2.2 能效水平評估

城市軌道交通項目應(yīng)采用單位正線公里能耗、平均每站年能耗、單位客運(yùn)量能耗、車公里牽引電耗等較直觀的指標(biāo)作為能效水平評估指標(biāo)。由于目前城市軌道交通行業(yè)還未發(fā)布能耗限額標(biāo)準(zhǔn)，可以按照類比分析法進(jìn)行對標(biāo)，如表1所示，案例近期單位客運(yùn)量能耗略高于武漢2號線，但會隨著客運(yùn)量加大而降低。

3 結(jié)束語

城市軌道交通項目用能系統(tǒng)復(fù)雜、能耗高，能評要在項目前期起到技術(shù)指導(dǎo)和能耗把關(guān)作用。以上結(jié)合節(jié)能評估實例和節(jié)能評審實踐，分析了城市軌道交通項目建設(shè)方案及節(jié)能措施、綜合能耗計算和能效水平等節(jié)能評估技術(shù)要點(diǎn)，為具體能評工作提供了實用性參考。