張邦力

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 710043, 西安)

車輛基地作為檢修、整備、物資存儲(chǔ)等的重要后勤保障基地,其用電量占城市軌道交通總用電量的比例較大。降低車輛基地用電量,提升用電節(jié)能技術(shù)水平,降低運(yùn)營(yíng)成本,一直是車輛基地設(shè)計(jì)者及運(yùn)營(yíng)者不斷追求的目標(biāo)。車輛基地用電包括牽引用電與非牽引用電兩大部分,其中非牽引用電主要包括照明用電、檢修用電、辦公生活用電等。經(jīng)調(diào)研,北京某車輛段2020、2021年非牽引用電量分別為468萬kWh、476萬kWh,占該車輛段全年用電量的比例分別為79.0%、79.1%;廣州某車輛段2020、2021年度非牽引用電量分別為500萬kWh、507萬kWh,占該車輛段全年用電量的比例分別為80.3%、80.4%。由此可見:車輛基地非牽引用電量已占其總用電量的80%。而車輛基地內(nèi)的牽引用電,除車輛因素外,還與運(yùn)營(yíng)組織、檢修、洗車、調(diào)車頻率及車輛基地內(nèi)線路長(zhǎng)度等因素有關(guān),因此節(jié)約牽引用電量效果不顯著。

目前國(guó)內(nèi)已對(duì)車輛基地建筑節(jié)能、水節(jié)能設(shè)計(jì)等進(jìn)行了大量研究,但對(duì)車輛基地如何有效提升用電節(jié)能設(shè)計(jì)研究相對(duì)缺乏,尤其在可再生能源的利用以及新節(jié)能光源和能源智能化管控等方面的設(shè)計(jì)尚處于探索階段。

本文通過分析車輛基地功能布局、設(shè)備設(shè)施用電量,以及結(jié)合用電節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用狀況,從光能技術(shù)、節(jié)能燈具技術(shù)及智能照明控制技術(shù)等方面對(duì)車輛基地用電節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究與分析,可為城市軌道交通車輛基地用電節(jié)能技術(shù)研究提供思路及參考。

1 光能技術(shù)的應(yīng)用分析

1.1 太陽能加熱器

車輛基地制備熱水主要用于檢修、維修中心人員作業(yè)后的洗浴。由于車輛基地功能布置要求的特殊性及復(fù)雜性,目前大多數(shù)車輛基地?zé)崴墨@取靠電加熱。雖然電加熱器已采用節(jié)能技術(shù),但由于人員使用時(shí)間的不確定性,其一直處于運(yùn)行狀態(tài),不可避免地造成用電量的浪費(fèi)。

根據(jù)車輛基地功能設(shè)計(jì)及人員分布情況,可將洗浴室集中設(shè)置于綜合樓內(nèi),在樓頂合適位置設(shè)置太陽能加熱器,以充分利用光能技術(shù)。當(dāng)室外日照無法滿足太陽能加熱器正常產(chǎn)出熱水時(shí),可自動(dòng)開啟輔助電加熱器制備熱水,以保障使用需求。太陽能加熱器配套設(shè)置有單向電磁閥、智能溫度及液位控制器等[1],并考慮采用防雷、防風(fēng)、防雹及防震等措施。

以上海某城市軌道交通車輛段為例,對(duì)電熱水器與太陽能加熱器(帶輔助電加熱器)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析,如表1所示。

表1 電熱水器與太陽能加熱器的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表1可見:太陽能加熱器(帶輔助電加熱器)較電熱水器每年節(jié)約用電量18 921.6 kWh,節(jié)能率達(dá)64.3%。

1.2 光伏發(fā)電設(shè)施

光伏發(fā)電技術(shù)作為新能源技術(shù)已逐漸被推廣應(yīng)用,但城市軌道交通自身的特點(diǎn)限制了此技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用[2]。車輛基地建設(shè)有大面積工業(yè)廠房,其作為大宗性用地,主要具有檢修、維護(hù)等功能。經(jīng)研究,在滿足自然通風(fēng)、采光的前提下,光伏發(fā)電設(shè)施可結(jié)合廠房屋頂進(jìn)行布置,以達(dá)到節(jié)約占地面積、提升光照效果的目標(biāo)。

以坐落于上海崇明島的陳家鎮(zhèn)停車場(chǎng)為例,分析了分布式光伏發(fā)電設(shè)施的設(shè)計(jì)應(yīng)用。依據(jù)《上海市崇明區(qū)總體規(guī)劃暨土地利用總體規(guī)劃(2017—2035)》新建建筑原則不超過18 m的要求,該停車場(chǎng)周邊無高大建筑物的遮擋,運(yùn)用庫屋頂采光較好,常年接受陽光強(qiáng)度大,有利于分布式光伏發(fā)電設(shè)施將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,實(shí)現(xiàn)可再生資源的利用,為停車場(chǎng)提供電力能源,降低了環(huán)境污染,響應(yīng)了綠色生態(tài)建設(shè)的要求。

對(duì)陳家鎮(zhèn)停車場(chǎng)運(yùn)用庫采光、通風(fēng)天窗布置,以及分布式光伏發(fā)電設(shè)施布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。在滿足運(yùn)用庫內(nèi)自然采光、通風(fēng)的前提下,經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后可在其屋頂鋪設(shè)分布式光伏發(fā)電設(shè)施(見圖1),其面積約為1.2萬m2。

圖1 運(yùn)用庫屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)施鋪設(shè)效果圖

在運(yùn)用庫輔助用房?jī)?nèi)設(shè)有光伏發(fā)電設(shè)備房,其面積約100 m2。該設(shè)備房?jī)?nèi)配置有直流匯流箱、直流配電柜、逆變器及交流配電柜等,用于電能的變換、存儲(chǔ)、控制及輸配等。經(jīng)逆變轉(zhuǎn)換的AC 380 V可接至跟隨所(配電間)低壓柜,用于車輛基地內(nèi)綜合樓、輔助用房、路燈等照明設(shè)施用電。

陳家鎮(zhèn)停車場(chǎng)所采用的分布式光伏發(fā)電設(shè)施光電轉(zhuǎn)化率為13%～15%,計(jì)算所得設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電站實(shí)際發(fā)電效率約為65%,最大裝機(jī)量為1.5 MW,發(fā)電量約為100萬～110萬kWh/年,節(jié)省電費(fèi)約為80萬元/年。

1.3 管道式日光照明系統(tǒng)

隨著土地資源日益緊張,城市軌道交通車輛基地進(jìn)行物業(yè)開發(fā)或全地下建設(shè)成為了今后的設(shè)計(jì)趨勢(shì),同時(shí)自然采光效果差成為其不可避免的問題。為滿足運(yùn)營(yíng)、生產(chǎn)、管理的照度要求,需設(shè)置大量照明燈具,且停車列檢庫、咽喉區(qū)、道路等照明時(shí)間達(dá)24 h/d,用電量較大。

對(duì)于上蓋物業(yè)或全地下車輛基地而言,可結(jié)合上蓋物業(yè)進(jìn)行開發(fā)布置及景觀設(shè)計(jì),白天將自然光線引入蓋下,增加自然光的照明[3],以節(jié)約大量電能,降低運(yùn)營(yíng)成本,提升綠色生態(tài)設(shè)計(jì)水平。對(duì)某上蓋物業(yè)開發(fā)為綠地的城市軌道交通停車場(chǎng),進(jìn)行了庫內(nèi)采用管道式日光照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究,即通過室外采光裝置收集自然光,并將其導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部,經(jīng)導(dǎo)光管傳導(dǎo)后,至系統(tǒng)末端的漫射裝置,將自然光均勻散發(fā)到室內(nèi),其日光照明效果如圖2所示。

圖2 運(yùn)用庫內(nèi)日光照明效果

綜合考慮上蓋物業(yè)的道路布置、樓宇布置,以及蓋下設(shè)備管線布置等因素,在運(yùn)用庫及檢修庫內(nèi)分別布置了56套管道式日光照明系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算,在可利用日光的條件下庫內(nèi)照度可達(dá)80 lx。車輛檢修時(shí)可通過開啟部分燈具來補(bǔ)強(qiáng)照度,使之達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求;其余時(shí)間的照明需通過庫內(nèi)燈具來解決。

據(jù)氣象部門的數(shù)據(jù),崇明島年日照時(shí)長(zhǎng)約為2 928 h,按80%的利用率計(jì)算,日光照明系統(tǒng)的使用時(shí)長(zhǎng)約為2 342 h/年,則該基地全年可節(jié)約用電量約31.8萬kWh,節(jié)省電費(fèi)約25.4萬元。

2 節(jié)能燈具技術(shù)的應(yīng)用分析

車輛基地高大生產(chǎn)車間內(nèi)照明燈具品質(zhì)的優(yōu)劣,對(duì)檢修或物資管理等人員的使用至關(guān)重要。根據(jù)分析研究,這些高大廠房可選用的光源主要有金鹵燈、LED燈及無極燈等。

2.1 金鹵燈性能分析

1) 光衰:金鹵燈光衰較大,使用7 000 h后,其光通量維持率約為50%[4]。

2) 壽命:金鹵燈壽命為0.6萬～2.0萬h。

3) 啟動(dòng)時(shí)間:金鹵燈達(dá)到100%發(fā)光強(qiáng)度需5～15 min,電源中斷恢復(fù)供電后,光源需冷卻5～15 min才能再次點(diǎn)亮。

4) 顯色指數(shù):金鹵燈顯色指數(shù)為0～70,處于良好級(jí)。

5) 頻閃:金鹵燈有頻閃,易使人視覺疲勞。

6) 節(jié)能性能:較差。

2.2 LED燈性能分析

1) 光衰:LED(發(fā)光二極管)燈光衰較低,使用7萬h后,其光通量維持率約為50%[5]。

2) 壽命:LED燈壽命為5萬～10萬h。

3) 啟動(dòng)時(shí)間:LED燈達(dá)到100%發(fā)光強(qiáng)度需要約1 min,電源中斷恢復(fù)供電后,無需等待即可重新點(diǎn)亮。

4) 顯色指數(shù):LED燈顯色指數(shù)約為70,處于良好等級(jí)。

5) 頻閃:LED燈有頻閃,易使人視覺疲勞。

6) 節(jié)能性能:優(yōu)越。

2.3 無極燈性能分析

1) 光衰:無極燈光衰很低,使用6萬h后,其光通量維持率仍可保持在70%以上[6]。

2) 壽命:無極燈光源壽命極長(zhǎng),理論可達(dá)10萬h,實(shí)際使用壽命>6萬h。

首先，抗辯權(quán)行使時(shí)間的限制。只有當(dāng)一方當(dāng)事人的債務(wù)已屆清償期，但對(duì)方未履行或者未完全履行使義務(wù)時(shí)，對(duì)方當(dāng)事人才可以行使抗辯權(quán)。例如，只有在物業(yè)服務(wù)企業(yè)首先不履行或者不完全履行合同義務(wù)，并且經(jīng)業(yè)主或者業(yè)主委員會(huì)的要求改善后不履行的狀態(tài)繼續(xù)存在時(shí)，業(yè)主才可以行使抗辯權(quán)［9］45。

3) 啟動(dòng)時(shí)間:無極燈達(dá)到100%發(fā)光強(qiáng)度約1 min,電源中斷恢復(fù)供電后,無需等待即可重新點(diǎn)亮。

4) 顯色指數(shù):無極燈顯色指數(shù)>80,處于優(yōu)級(jí)。

5) 頻閃:無極燈無頻閃,人視覺不會(huì)產(chǎn)生疲勞。

6) 節(jié)能性能:優(yōu)越。

由上可知,無極燈較金鹵燈具有較大優(yōu)勢(shì),雖與LED燈性能相近,但其光衰很慢且無頻閃等特性,使其在車輛基地高大廠房中應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)。

2.4 照度及均勻性分析

以廣州地鐵21號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“21號(hào)線”)設(shè)置有上蓋物業(yè)的鎮(zhèn)龍車輛段運(yùn)用庫為例,分別對(duì)其采用金鹵燈與無極燈進(jìn)行了照度及其均勻性分析。試驗(yàn)條件:①燈具使用環(huán)境相同,均為運(yùn)用庫;②運(yùn)用庫照度不低于100 lx;③兩種燈具數(shù)量和布置間距相同;④安裝高度均為5.4 m。基于上述試驗(yàn)條件進(jìn)行了照度及其均勻性模擬分析。兩種燈具的偽色表現(xiàn)模擬圖如圖3所示。

a) 金鹵燈

b) 無極燈

由圖3可知:金鹵燈光線擴(kuò)散程度較低,光衰減較快,照度均勻性較差,會(huì)出現(xiàn)光暈,易使人員產(chǎn)生視覺疲勞感。而無極燈照度均勻性較好,且能避免產(chǎn)生大面積的光暈現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)量,采用無極燈時(shí),庫內(nèi)地面平均照度較金鹵燈高出約25 lx,在滿足照度標(biāo)準(zhǔn)的前提下,可減少無極燈數(shù)量,節(jié)約工程投資。綜上,無極燈在高大廠房?jī)?nèi)應(yīng)用具有較大的優(yōu)越性。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

鎮(zhèn)龍車輛段運(yùn)用庫、檢修庫、調(diào)機(jī)庫、工程車庫及物資庫均位于蓋下,自然采光較差。在滿足各庫房照度及使用功能要求的前提下,對(duì)各庫房分別采用相同數(shù)量的金鹵燈與無極燈進(jìn)行了用電量對(duì)比分析。金鹵燈與無極燈用電量對(duì)比,如表2所示。

表2 金鹵燈與無極燈用電量對(duì)比

經(jīng)計(jì)算,鎮(zhèn)龍車輛段各庫房采用無極燈較金鹵燈每年節(jié)約用電量為54.3萬kWh,節(jié)省電費(fèi)約43.4萬元/年,較大程度節(jié)約了運(yùn)營(yíng)成本。

3 智能照明控制技術(shù)的應(yīng)用分析

鎮(zhèn)龍車輛基地占地面積和建筑面積較大,燈具布置數(shù)量較多,尤其上蓋物業(yè)開發(fā)使得車輛基地?zé)艟邤?shù)量增加,照明時(shí)間加長(zhǎng),如不能有效管理,則會(huì)帶來較為嚴(yán)重的用電量浪費(fèi)[7]。經(jīng)研究分析,該車輛基地可采用智能照明控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的智能管理,到達(dá)高效節(jié)能的目的。

鎮(zhèn)龍車輛基地智能照明控制系統(tǒng)主要由照明總配電箱內(nèi)的模塊、網(wǎng)關(guān)及面板、彩色觸摸屏、通信網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用軟件等組成[8]。該系統(tǒng)組成及控制示意圖如圖4所示。

圖4 鎮(zhèn)龍車輛基地智能照明控制系統(tǒng)組成及控制示意圖

圖4中,室內(nèi)智能照明模塊設(shè)置在相應(yīng)區(qū)域的照明配電室內(nèi),室外照明智能模塊設(shè)置在門衛(wèi)照明配電室,遠(yuǎn)程控制器與智能照明模塊間通過網(wǎng)關(guān)和總線電纜進(jìn)行通信,同時(shí)預(yù)留BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))通信接口,將遠(yuǎn)程控制終端設(shè)置在DCC(車輛基地調(diào)度中心)內(nèi)。車輛基地智能照明控制系統(tǒng)具有各照明回路分合控制功能,以及具有時(shí)間、模式、群組等預(yù)設(shè)場(chǎng)景模式自動(dòng)控制功能,可根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求對(duì)所控區(qū)域的燈光預(yù)先設(shè)定全開/閉、部分開/閉、區(qū)域開/閉、照度控制等多場(chǎng)景。

鎮(zhèn)龍車輛基地智能照明控制系統(tǒng)可與管道式日光照明技術(shù)相結(jié)合,通過照度傳感器及紅外感應(yīng)來檢測(cè)、感知庫內(nèi)某區(qū)域照度是否達(dá)標(biāo),并通過照度智能監(jiān)控器來控制調(diào)節(jié)調(diào)光模塊,補(bǔ)強(qiáng)或減弱燈具的亮度。通常可按設(shè)定好的場(chǎng)景控制方式自動(dòng)打開、關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的燈具,實(shí)現(xiàn)對(duì)庫內(nèi)外照明燈具的智能控制和管理。

采用智能照明系統(tǒng),可使鎮(zhèn)龍車輛基地內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)按最佳的經(jīng)濟(jì)方式來運(yùn)行,最大限度地實(shí)現(xiàn)用電節(jié)能,與非智能照明系統(tǒng)相比,可實(shí)現(xiàn)10%～20%的照明節(jié)能,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語

1) 對(duì)上海鎮(zhèn)龍車輛段熱水制備分別采用太陽能加熱器(帶輔助電加熱器)及電熱水器的應(yīng)用對(duì)比得出,太陽能加熱器(帶輔助電加熱器)較電熱水器節(jié)約用電量18 921.6 kWh/年,節(jié)約率達(dá)64.3%,節(jié)能效益顯著。

2) 對(duì)陳家鎮(zhèn)停車場(chǎng)運(yùn)用庫屋頂采用的分布式光伏發(fā)電設(shè)施進(jìn)行了分析,其最大裝機(jī)量為1.5 MW,發(fā)電量為100萬～110萬kWh/年,節(jié)省電費(fèi)約80萬元/年,提升了綠色生態(tài)設(shè)計(jì)水平。

3) 對(duì)設(shè)置有上蓋物業(yè)的停車場(chǎng)采用管道式日光照明系統(tǒng)的可行性進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了將自然光線引入蓋下廠房?jī)?nèi)。經(jīng)分析得出該停車場(chǎng)節(jié)約用電量約31.8萬kWh/年,節(jié)省電費(fèi)約25.4萬元/年,取得了較好技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

4) 通過與金鹵燈、LED燈對(duì)比得出,無極燈在性能、照度、均勻性、偽色表現(xiàn)等方面優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)。以21號(hào)線設(shè)置有上蓋物業(yè)的鎮(zhèn)龍車輛段為例,計(jì)算得出采用無極燈較金鹵燈可節(jié)約用電量為54.3萬kWh/年,節(jié)約率為39.8%,節(jié)省電費(fèi)約43.4萬元/年,較大程度節(jié)約了運(yùn)營(yíng)成本,提升了節(jié)能設(shè)計(jì)水平。

5) 研究了車輛基地智能照明控制系統(tǒng)的組成,實(shí)現(xiàn)了對(duì)庫內(nèi)外不同區(qū)域照明的管理和控制,可與管道式日光照明技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)并調(diào)節(jié)區(qū)域照度,提升高效照明,實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。