城市轨道交通低碳技术应用研究

■ 杨颖

1 低碳技术简介

1.1 碳排放

自工业革命以来，人类向大气排入的二氧化碳（CO2）等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，引发全球气候变暖等一系列严重问题，引起世界各国的关注。近100年，全球平均气温升高0.6 ℃，联合国气候专家预测，到21世纪中叶，全球平均气温将进一步升高1.5～4.5 ℃。

碳排放是针对温室气体排放的简称。温室气体中最主要的是CO2，用碳（Carbon）一词作为代表，将“二氧化碳排放”简称为“碳排放”，让社会民众更快地了解和记住这个概念，从而使“控制碳排放”这样的术语更容易被大多数人理解、接受，最终促使更多的人思考和改变生活方式。

1.2 联合国低碳宣言

《联合国气候变化框架公约》。是联合国成员国政府1992年6月在巴西里约热内卢举行的联合国环发大会（地球首脑会议）上就气候变化问题达成的公约，是世界上第一个为全面控制CO2等温室气体排放、应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约，也是国际社会在应对全球气候变化问题上进行国际合作的一个基本框架。

《京都议定书》。全称为《联合国气候变化框架公约的京都议定书》，是联合国气候变化框架公约的补充条款，是1997年12月在日本京都由联合国气候变化框架公约参加国第三次会议制定的。《京都议定书》规定工业化国家要减少温室气体排放。

《哥本哈根协议》。2009年12月，超过85个国家元首或政府首脑、192个国家的环境部长出席了在丹麦首都哥本哈根举行的世界气候大会，商讨《京都议定书》一期承诺到期后的后续方案，就未来应对气候变化的全球行动签署新的协议。中国政府总理温家宝代表中国参加了此次会议并签署了《哥本哈根协议》。

1.3 我国政府的低碳宣言

胡锦涛主席在联合国气候变化峰会上承诺：“加强节能、提高能效工作，大力发展绿色经济，积极发展低碳经济和循环经济，研发和推广气候友好技术。”

温家宝总理在哥本哈根气候会议上承诺：“我国到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%。”

由此可见我国政府在可持续发展、节能减排、保护环境方面的坚定决心和信心，表明上至国家领导人、政府，下至广大民众已深刻认识到发展低碳经济、控制碳排放既是对世界负责，也是对国家和民众负责。

1.4 低碳技术

低碳（low carbon）是指低的或较低的温室气体（CO2为主）排放。低碳技术是指所有能够直接和间接降低CO2排放的技术，主要是以下5类：低能耗和能源的高效利用；有害物的低污染、低排放；二次回收与重复利用技术；绿色能源的开发利用技术；CO2捕获与埋存技术。

对于大众而言，倡导低碳生活最重要的是节约电能。节约电能是一种最直接降低CO2排放的行动方式，因为我国主要采用火力发电，每生产1 kW·h电能平均消耗约0.3 kg标准煤，相当于排放约0.78 kg的CO2；对于企业而言，倡导低碳经济最重要到是在产品研发中应用低碳技术，如采用高效节能空调、LED照明、清洁能源等。

2 城市轨道交通碳排放和能耗现状

为解决日益紧张的城市交通问题，国家和地方政府大力发展城市轨道交通，倡导绿色、低碳交通，以实现降低能耗、减少碳排放的目标。城市轨道交通系统主要包含车站、运营车辆、车辆段设备和维护车辆等几大部分。

2.1 车站

城市轨道交通系统一般每隔1～1.5 km设置一个车站，车站可以设置在地下、地面和高架上。受我国城市土地资源匮乏及既有道路和房屋难以拆迁的限制，绝大多数城市轨道交通车站修筑在地下。

地下车站的直接排放主要是进出乘客呼吸的CO2，间接排放是空调通风、自动扶梯和照明所消耗的电能，尤其是后者所等效排放的CO2数量十分巨大，远远超过前者。根据上海、广州等大型城市地铁最新的能耗统计，车站能耗约占地铁总能耗的50%以上，已超过运营车辆的能耗。因此，如何降低地铁车站的能耗已成为一个刻不容缓的问题。

以一个日均10万人客流的地下车站为例，每人在其中按停留15 min计仅排放约3 t CO2，但车站设备每日消耗电能可高达1万 kW·h，换算为年排放约4 000 t CO2。

目前，国内最大地铁车站是上海地铁的人民广场站，因其可换乘1、2、8号线，日均客流达近100万人次，各线换乘客流约50万人次，每日电能消耗可超过3万 kW·h，换算为年排放约1.4万 t CO2。

有效降低车站能耗的低碳技术有：采用自动感应电梯和具备再生反馈的电梯逆变器；采用变频调速的通风系统和减少冷气散失的屏蔽门；配备根据CO2浓度自动调节新风和制冷的高效节能空调；采用LED高效节能照明等。如何降低车站能耗是城市轨道交通运营公司十分关注的课题。

2.2 运营车辆

根据上海、广州等大型城市地铁最新的能耗统计，运营车辆的能耗均低于地铁车站的总能耗，不到地铁车站总能耗的50%。主要是地铁车辆牵引系统、辅助系统和控制设备及照明系统的能耗。

（1）牵引系统能耗是指从直流电网（DC 1 500 V或DC 750 V）获取的驱动车辆运行的能耗，一般占车辆总能耗的60%～70%。

（2）辅助系统能耗是指车辆空调通风、设备风机、空气压缩机等辅助设备的能耗，一般占车辆总能耗的30%～35%。

（3）控制设备及照明系统采用DC 110 V，能耗一般约占车辆总能耗的5%。

2.3 车辆段设备及维护车辆

车辆段设备及维护车辆包含检修维护设备（洗车机、架车机、天车等）和库内调车及线路供电检修车辆（目前国内全部是内燃机调车机），虽然能耗不高，估算约占总能耗的3%，但其直接碳排放和有害废气排放却十分惊人。

以一台447.4 kW（600马力）的地铁工程维护车辆为例，每年消耗燃油约60 t，等效排放CO2约160 t，并排出大量有害废气滞留在隧道内。目前国内各地铁公司共有各种大小工程车数百台，每年的有害废气和碳排放总量也十分巨大。

如何降低运营车辆的能耗是城市轨道交通车辆制造企业及城市轨道交通运营公司共同关注的课题，值得深入研究。

3 降低碳排放和车辆能耗的应用技术研究

3.1 车辆轻量化

在满足使用要求的前提下降低列车质量，可降低运营能耗和全寿命周期成本（Life Cycle Cost）。香港地铁长期运营研究经验表明，空载质量每轻1 t，每年可节电8 000 kW·h，降低CO2排放6.2 t，30年寿命期内可节电24万kW·h，降低CO2排放186 t。

车辆轻量化中最为关键的是车体轻量化，因为车体在车辆质量中所占比重最大（约占四分之一）。采用轻量化材料是降低车体质量的关键（见图1、图2、图3）。

其他一些车辆轻量化措施有：

（1）设备合理选型。车辆设计中应选取合适的牵引电机和主逆变器功率，在满足运营速度的前提下尽可能选用较小功率的部件，避免功率过大导致的资源浪费及增加重量。如在制定上海地铁11号线北段工程车辆招标技术规格书要求时，在满足合同要求的旅行速度37 km/h前提下，建议适当放宽0～100 km/h平均加速度的要求，从0.5 m/s2降低至0.4 m/s2，这样牵引电机功率即可从230 kW降低至190 kW，单电机质量减少75 kg，每列车16个电机可减重1 200 kg。

（2）牵引系统通风方式优化。采用强迫风冷的牵引系统，可显著降低设备质量。以同等功率的VVVF地铁牵引变流器和制动电阻进行比较，强迫风冷比自然走行风冷分别降低800 kg和240 kg，并能显著提高车辆再生制动能力。另一方面，强迫风冷方式也有一定能耗。因此，在车辆设计中要综合评估，才能得出最佳通风冷却方式。

（3）部件集成化。车辆设计中，对于车下高低压箱、辅助逆变器、充电机、制动设备等应尽量采用集成安装，避免分散安装而增加质量。如辅助逆变器和充电机可集成在一个箱体里面；空气压缩机和空气干燥器可集成安装在一起；制动模块和各种制动风缸可集成安装在一起，降低设备骨架和悬挂质量。

（4）车下设备箱。盖板和附件尽可能采用铝合金材料，设备箱骨架可减重15%～20%。

图1 不同材料的车体质量对比

图2 铝合金车体

图3 不锈钢车体

（5）立柱扶手和内装材料。立柱扶手尽量采用铝合金，每节车可减重120 kg；内装材料采用铝蜂窝板比铝板可减重30%。

（6）设备悬挂。尽量不采用贯通梁而采用C型导槽悬挂，每节车可减重150 kg。

上述各项轻量化措施实施后，车辆质量可显著降低。采用某项车辆轻量化技术必须在确保车辆安全、可靠和性能的前提下做详细计算和研究试验。

近年来我国自主研发的A型车车辆减重效果对比见表1，能耗统计见表2。其中，深圳地铁1号线一期车辆为2001年庞巴迪设计的MOVIA铝合金铆接车辆，上海地铁4号线车辆为西门子2002年设计的全焊接铝合金车辆，深圳地铁1号线二期车辆为南车株洲电力机车有限公司2008年交付的全焊接铝合金车辆，上海地铁1号线6辆编组改为8辆编组车辆为南车株洲电力机车有限公司2009年交付的全焊接铝合金车辆，同比国外设计的车辆每节减重1～2 t，车辆轻量化效果十分显著，获得一致好评。

3.2 牵引、辅助及控制系统高效节能

年耗能根据地域、地下或地面的不同略有差异，一般在150万～190万kW·h，约相当于2 000户家庭年用电量[1]，能耗十分巨大。因此，在车辆设计、制造和运用时应采取各种措施，以降低车辆运营能耗。主要措施有：

（1）提高系统部件效率，如主逆变器、牵引电机、齿轮传动等。主逆变器选用高效功率元件可降低能量传输损耗。GTO逆变器能量传输效率较低，一般只有0.98；最新IGBT逆变器能量传输效率可达0.99。直流牵引电机效率较低，一般只有0.9～0.91；交流牵引电机效率可提升至0.92～0.93；而最新永磁同步电机效率为0.96～0.97。一级齿轮传动效率一般为0.98；二级齿轮传动效率略低，为0.975；最新同轴传动取消了齿轮传动装置，机械传动效率为1。牵引传动系统的总效率是上述3个效率的乘积。

（2）提高再生制动能力，尽可能实现全速度范围内不补充摩擦制动。

城市轨道交通车辆在停站过程中，牵引电机可从电动机转换为发电机，通过主逆变器控制将车辆动能转化为再生电能反馈回电网，一旦同一个供电区间中有其他车辆需要吸收能量，该再生反馈能量即可被其他车辆吸收，达到节约能源的目的（见图4）。

表1 A型车车辆减重效果 t

表2 上海、广州、深圳地铁A型车能耗统计

如上海地铁3、4号线有相当长的重叠运行路段，2种不同类型的车辆同时在上面运行，而制动闸瓦更换率相差一个数量级，前者每年更换1～2次，后者运营五年尚未因磨耗到限而更换过闸瓦，这充分说明再生制动能力的提升可大大降低摩擦制动的施加，从而达到高效节能的目的（见图5），并避免能量的无谓损失和污染隧道环境。

（3）空调根据载客量或CO2含量自动调节新风（见图6）。车辆空调通风系统的能耗一般要占辅助系统能耗的80%以上。为降低空调系统能耗，必须采用能够根据载客量或CO2含量自动调节新风和制冷（热）量的节能型空调。在客流稀少的早晨和夜间，降低车厢内部新风量可避免不必要的冷（热）气流失，从而达到节能的目的。上海地铁已在4、5号线上进行了二年多的新风调节空调试验，结果表明可节约高达30%的能耗（见图7）。在自主设计的上海地铁11号线396节A型地铁车辆上设计配置了具有四档制冷调节和二档新风调节的792台节能型空调机组，相比传统二档制冷调节和无新风调节的空调机组，年节能可达400万kW·h以上。

（4）选用节能型LED光源。LED光源具有光效高（110 lm/W）和寿命长（3万～5万 h）等显著特点，而传统光源中最节能的荧光灯也仅有80 lm/W的光效和约5 000 h的寿命，这种新型光源在城市轨道交通车辆上正逐步开始大批量运用（见图8）。如在自主研制的深圳地铁5号线180辆A型车项目中，总共采用约6 000个20 W的LED照明模块替代36 W的荧光灯管，节能可达40%，年节电约50万 kW·h。

图4 城市轨道交通车辆能量再生反馈示意图

图5 全速度范围内不补充摩擦制动的再生制动特性图

图6 空调机组新风调节示意图

图7 空调机组调节新风后客室CO2含量实测

（5）根据运营客流情况进行优化，使列车以节能方式运行。香港和新加坡地铁的长期运营研究表明，城市轨道交通车辆的旅行速度与能耗相关性十分显著，微小的旅行速度差异可以带来巨大的能耗差异，使得低峰时段发车密度不高时可以通过优化运行时分来节约能源，因为此时的乘客对旅行速度的微小差异不敏感。如设计旅行速度35 km/h的车辆当降速至33 km/h运行时，其能耗降低高达40%，而实际旅行时间仅差一分多钟，影响很小（见图9）[2]。

城市轨道交通运营公司通过合理调整运营时分，可在高峰时按设计旅行速度全速运行，确保大运量输送，在低峰时段则按照适当降低的速度运行，以实现节能。1992—1995年，香港地铁通过上述优化，运营车辆能耗下降了25%（见图10）[2]。

以上所有节能措施中，根据运营客流情况进行速度优化使列车以节能方式运行效果最为显著，中国香港、新加坡的长期运营经验表明其年节能可高达数千万度。目前，中国大陆地铁还尚未开展上述研究，车辆的车公里能耗远高于中国香港、新加坡等先进地铁（约2.0 kW·h/车公里）。目前南车株洲电力机车有限公司正与深圳地铁公司一起共同研究通过优化运行图实现车辆节能的课题，力争尽早填补国内空白。

3.3 供电系统反馈储能及利用

由于城市轨道交通车辆采用再生制动，停车时需要向电网回馈能量，如果电网的吸收能力不足，多余的能量将会消耗在车辆自身携带的制动电阻或摩擦空气制动上，能量利用率就较低。根据广州地铁长期运营经验和实际测试数据，从电网吸收的能量中约有40%可回馈给电网，从而被其他车辆使用[3]。

如果能够在供电电网中增加储存能量的装置（如超级电容），不能被其他车辆吸收的能量可迅速储存在超级电容上，并在车辆需要加速运行时释放出来，从而节约能耗（如北京地铁5号线）。超级电容回馈、储存和利用见图11。

图8 各种光源的光效比较

图9 旅行速度与能耗的关系图

图10 香港地铁车辆能耗年度趋势图

图11 超级电容回馈、储存和利用示意图

这种电容储能的方式储存容量有限，一般只用在客流较小的线路或轻轨车辆上，对于大运量的城市轨道交通线路需要更高容量的解决方案。新加坡地铁率先在供电系统中采用了逆变装置，一旦车辆再生回馈能量无法被电网吸收，逆变装置能够通过检测网压抬升迅速投入工作，将多余的能量反馈回供电变压器原边侧或其他中压供电系统中。实际运用情况表明，可节约8%的车辆能耗，节能效果较明显。具体实施方案见图12。目前国内尚未大规模展开相关节能运用的研究和验证工作，主要原因是城市轨道交通运营公司对节能的投入和产出没有定量认识，因此节能工作的推进极为缓慢。而国际上一种崭新的节能项目模式（ENERGY MANAGEMENT CONTRACT，EMC）正在被广泛采用。EMC是指以既有能源消耗定额为基础，通过与用户签订能源管理合同，加装节能设备和采取节能措施等手段，共同获得节能收益的一种服务模式。

3.4 工程维护车辆的节能减排

工程维护车辆虽然占整个城市轨道交通总能耗比率很小，但由于其采用内燃驱动，是我国城市轨道交通中的排放大户，特别是在地下隧道内，柴油机排出的废气（黑烟）难以扩散，直接威胁工作人员及乘客的健康。

目前，中国香港、新加坡等地铁已经逐步淘汰内燃工程车，采用蓄电池电力工程车替代升级。电力牵引的能源转换效率远远高于内燃牵引，并能吸收和存储制动能量，其能源消耗成本不足内燃机车的三分之一，碳排放和废气排放也远低于内燃牵引。

中国南车株洲电力机车有限公司已向新加坡提供了14台蓄电池电力工程车（见图13），也向深圳地铁提供了2台，并同北京、昆明、宁波、广州等多个城市地铁公司签订了供货合同。国内地铁拥有各种内燃工程维护车辆数百台，即将淘汰或更新，市场前景十分看好。

图12 逆变装置能量利用示意图

图13 中国南车株洲电力机车有限公司蓄电池电力工程车

蓄电池电力工程车主要技术参数：

电流制：DC 750 V或1 500 V；

轨距：1 435 mm；

传动方式：直-交电力传动；

轴式：Bo-Bo；

轮径：840 mm；

轴重：12.5 t；

整备质量：50 t；

最大速度：65 km/h（电网）/40 km/h（蓄电池）；

起动牵引力：100 kN；

轮周牵引功率：400 kW（电网）/300 kW（蓄电池）；

蓄电池类型/容量：胶体式酸性/400 Ah；

车钩型式：半自动式车钩；

外形尺寸：15 460 mm×2 780 mm×3 587 mm。

目前，单纯从采购成本看，蓄电池电力工程车高于内燃工程车。根据配置容量大小，蓄电池电力工程车最高600多万元/台，内燃工程车约350万元/台，采购成本约高250万元。但全寿命周期成本蓄电池电力工程车远低于内燃工程车。蓄电池电力工程车寿命高达30年，内燃工程车约15年，即使按30年计算，蓄电池电力工程车全寿命周期成本比内燃工程车低600万元，碳排放降低4 800 t，且基本没有有害废气排放。

低碳技术在城市轨道交通中的应用前景广阔，效益可观，但我国城市轨道交通的低碳技术应用与先进国家相比仍十分落后。作为城市轨道交通车辆制造企业，中国南车株洲电力机车有限公司有责任和义务与城市轨道交通运营公司一道加快低碳技术的推广应用。

[1] 徐世军. 一号线列车牵引系统能耗分析报告[R]，2007

[2] Albert Chui. Energy saving opportunities for existing and new railway systems[C]. China Modern Rail，2010

[3] 刘宝林. 地铁列车能耗分析[J]. 电力机车与城轨车辆，2007(4)