绿色建筑理念在地铁节能设计中的应用研究

董书芸

(中国地铁工程咨询有限责任公司　北京　100037)



绿色建筑理念在地铁节能设计中的应用研究

董书芸

(中国地铁工程咨询有限责任公司北京100037)

借鉴绿色建筑的理念，从规划节能、车辆节能、运营组织节能等方面分析地铁节能措施，提出节能的理念应从规划阶段渗透，在设计阶段深化细化，以及在施工和运营阶段实施、落实，全面提高车辆的满载率，从而降低地铁的单位能耗。而这种理念的贯彻还需要有制度和规范的保证，地铁系统亟需建立健全“绿色地铁”的认证体系，从而推动地铁系统全寿命周期的节能、节材、节地、节水，更好地实现经济效益、社会效益和环境效益的统一。

城市轨道交通；节能；满载率；单位能耗

参照绿色建筑的理念，要实现地铁领域的可持续发展，不能简单地从减少能耗的角度去考虑，需要结合环境、规划等因素统筹考虑，从更高的视点和更全面的角度考虑节能，将起到更好的节能效果，收到更好的环境效益。

2014年4月GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》由住房和城乡建设部正式发布实施，是衡量和评价中国绿色建筑的标尺，绿色建筑要求统筹考虑建筑全寿命周期内，节能、节地、节水、节材、保护环境与满足建筑功能之间的辩证关系，实现经济效益、社会效益和环境效益的统一[1- 2]。

借鉴绿色建筑的理念，节能的理念应从规划阶段渗透，从设计阶段深化细化，从施工和运营阶段实施、落实，因此地铁节能应从这几个方面考虑：合理规划，车辆节能，节地与节省地下空间，运营组织，合理的平纵断面，选择节能设备和节能运行模式，节水与水资源利用，节材与资源利用。

1　地铁系统能耗构成

根据地铁项目特点，地铁在运行中使用的能源品种为电和天然气，主要耗能工质为水。

1) 电，地铁系统用电主要为地铁车辆牵引用电和车站、区间隧道、车辆段与综合基地、控制中心的动力照明用电。

地铁系统用电能耗主要由列车和车站运营能耗两部分构成，其中列车运行能耗占总能耗的40%～50%，通风空调能耗占25%～35%，电扶梯能耗占10%～14%，此3项能耗之和占到了地铁总能耗的90%，因此，列车运行、通风空调、电扶梯的节能应是重点关注的方面。

2) 天然气，车辆段或停车场生活食堂及锅炉房作为燃料使用。

3) 水，项目运行生产、生活用水。

2　规划层面的节能

2.1提高地铁利用率

根据有关资料，地铁的单位能耗只有公交车的50%，小汽车的6%[3]。对于尚未建设地铁的城市，从交通结构来看，主要出行方式为小汽车、公交巴士、自行车及步行，从能耗消耗种类来看，主要能耗为汽油和柴油。地铁线路建设完成后，由于交通方式的变化，部分出行者选择轨道交通，能源的消耗方式也由汽油、柴油转变成电力消耗。

根据客流预测，研究近、远期某市轨道交通线路日均发送乘客分别为47.05，81.49万人，近、远期平均运距为分别为8.27，7.83 km。根据规划可以预测，如不修建地铁，运量将转移到其他方式，表1为某城市有无地铁的情况下各种类型交通分担及能耗量。

表1　社会能源节约计算

注：小汽车按百公里8 L汽油计算，定员2人；摩托车百公里耗油2 L，定员1人；公交车按12 m公交计算，百公里耗油55 L，定员70人/辆，平均满载率60%计算。

根据计算，某城市某条地铁线路建成后，可以为该市在近期每年带来0.29万t标准煤、远期每年0.72万t标准煤的社会能源节约量。

以某城市的交通出行方式构成为例，可以假设其他方式逐渐转移到地铁上，计算出地铁分担比从0增加到100%时社会能源消耗量的变化情况(见图1)。

图1　地铁分担率与交通能耗的关系

从图中可以看出地铁分担率达到100%时，能耗为地铁分担率0时的68%。因此，提高地铁在城市交通中的分担率，可实现节能。

提高地铁在城市交通中的分担率，应做好地铁的交通衔接，调整公交线路及停靠站，真正做到公交与地铁的无缝衔接；合理规划地铁站点周边的停车配套，对主城区外部分具备条件的站点设置P+R，为小汽车客流乘坐地铁出行提供便利；合理设置自行车停车场，方便周边居民乘坐地铁出行；同时应进一步加强舆论宣传，加大对地铁出行准时、快捷、绿色环保等优势的突出宣传，使广大市民愿意更多地乘坐地铁出行，从而为地铁分担率的不断提高创造有利条件。

2.2提高地铁车辆满载率

提高地铁车辆的满载率，可以降低地铁单位能耗。当满载率达到100%时，地铁单位能耗仅为满载率10%时的15%。根据图2中单位能耗的变化规律来看，当满载率由10%增长至20%时，单位能耗降低了约50%，因此满载率超过20%可有较好的效果。综合考虑乘客舒适度和满载率，满载率达到100%时，车辆内乘客站立密度将达到6人/m2，普遍认为站立密度为3～6人/m2时兼顾了舒适度和经济效益，单位能耗也较低。综合来看，平均满载率应超过20%，高峰小时满载率应超过60%，才能实现较低的单位能耗。

因此，地铁节能应从根本做起，规划好线路，针对不同时期的客流量，配置合理数量的车辆，从而保证地铁车辆满载率在合理范围内，以实现节能。

图2　满载率与地铁单位能耗的关系

2.3选择合适的敷设方式

线路方案中的线路敷设方式对能耗的影响最大，地上车站通常采用自然通风和自然采光方式，地上车站比地下车站减少了通风空调和照明能耗。从建设过程来看，地下车站的能耗也远大于高架车站，因此在用地规划条件允许的情况下，采用适当的消声屏障，应更多地考虑采用地上车站以节约能源。

从轨道交通建筑工程费用来看，地下车站是地上车站的3倍多，因此在建设过程中，地下车站的能源消费量远大于地上车站；根据轨道交通设备系统选型可以估算出南方某城市地上车站和地下车站的年耗电量分别为：90万kW·h/站和452.31万kW·h/站，可见，在运营过程中地下车站的能源消费量远大于地上车站。仅从减少能源消费的角度来考虑，轨道交通应尽可能地采用地上线。

2.4通过资源共享、综合利用实现土地资源集约利用

轨道交通主变电所和车辆段通常在规划阶段统筹考虑，以实现资源共享、综合利用。车辆段的占地规模往往较大，每条线单独设置必然带来功能的重复和资源的浪费。如果在规划阶段全网统一车辆制式，则可以实现备品、备件的共享，减小车辆段规模和车辆维修成本，多条线共用车辆段也可提高车辆段的利用率，从而大大节约土地资源。

3　车辆节能

有研究表明，列车自重、牵引动力传递效率、车载辅助设备对系统总能耗影响最为显著，列车运行控制技术如速度均衡性和预判距离、编组方案、技术速度对系统总能耗有着重要影响[4]。因此，列车的选型对于节能也有重要的影响。

3.1减轻车辆自重

根据国内外地铁车辆车体采用不锈钢和铝合金的实践经验，地铁车辆耐候钢车体自重为9～10 t ，不锈钢车体自重为6～7 t ，铝合金车体自重为4～5 t。如果以耐候钢车体自重为基准，则不锈钢车体可减轻自重30%左右，铝合金车体可减轻自重50%左右[5]。因此，铝合金车体轻量化效果比不锈钢车体更明显些。

由于车辆自重的减轻，减少了列车牵引和制动时产生的热量和粉尘，也减轻了隧道的温升和污染；轮轨磨耗也相应减少，可节省一定数量的维修费用；改善了列车运行品质，提高了运行速度，缩短了制动距离，减少了振动和噪声等。同时，车辆自重的减轻可减少列车能耗，据统计，车辆能耗约为0.06 kW·h/(t·km)。根据车体重量可估算出不同材料车辆能耗如表2、图3所示。

表2　不同车体材料车辆能耗

注：车辆载重根据某城市线路近期全日平均满载率计算。

图3　车辆自重、满载率与地铁单位能耗的关系

值得注意的是，车体自重的增加将引起车辆单位能耗的提高，而自重不变载重增加时车辆的车公里能耗是增加的，但车辆的单位能耗是降低的。

3.2实现再生制动

电气制动可实现再生制动，将车辆动能回馈至牵引网，供相邻车辆吸收。根据经验,地铁再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的20%～40%，甚至更多[6-8]。与电阻制动相比，再生制动节能的效果显著。

但再生电能并不是都能被其他牵引车辆吸收，剩余部分则消耗在车辆制动电阻上并转变为热能散发到空气中，其结果是加速了隧道的温升。因此，选择合适的再生制动能量吸收装置也很重要。

采用再生制动能量吸收装置以后，当处于再生制动工况下的列车产生的制动电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备吸收时，线路上设置的再生制动能量吸收装置立即投入工作，可吸收多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度地发挥电制动性能。

目前，常用的吸收装置包括电容储能装置、逆变回馈型装置、电阻吸收装置，电容储能装置和逆变回馈型装置均有很好的节能作用。

4　运营组织

前文提到保证车辆的满载率在合理的范围内，可以实现节能，但规划线路沿线客流存在不均衡性，尤其在初期部分区段周边尚未实现规划，客流量较小，因此合理的交路组织尤为重要。大小交路的设置可以很好地避免局部区段的运能浪费，使得车辆在全线有较高的满载率。

地铁全线高峰客流量如图4所示，呈现出中间高两边低的特点，则可考虑设置小交路，按照高峰小时大交路12对，小交路6对考虑，则平均满载率可由单一交路的34%提升到41%，列车走行可减少约350万车公里，列车牵引耗电量可减少760万kW·h。因此，合理地设置小交路，可以实现节能。而衡量交路设置合理性的关键参数就是车辆的平均满载率。

图4　高峰客流量

实际上，客流除了在空间上分布不均衡外，在时间上的分布也是不均衡的，每日有平峰和高峰的区别，工作日与节假日也有区别；同时随着城市的发展，初近远期的客流也存在较大差别。对于不同时期的客流特点制订详细的行车计划，可以更好地提升车辆的利用率，使车辆在各个时段都有较合理的满载率，以避免运能的浪费。

服务水平和满载率是一对矛盾，满载率的提高将降低地铁的单位能耗，但满载率过高则会因舒适度过低而降低服务水平。因此，不可过度追求高满载率，降低单位能耗，应为乘客提供一个相对舒适的乘车环境。

5　其他节能措施

在平纵断面的设计中，线路坡度、曲线半径以及站间距等要素对列车运行能耗均有影响。设置节能坡可显著降低列车的运行能耗，利用纵断面的凸型条件设置10‰的节能坡，可节约6.7%的列车运行能耗；小曲线半径可导致列车运行能耗额外增加，当曲线半径在800 m以上时，对列车运行能耗的影响几乎可忽略；在相同停站次数的情况下，列车的单位距离运行能耗会随着站间距的增加而递减[9]。

因此,地铁系统应配置合理，做好不同系统的整合，避免功能重复；做好接口管理，发挥系统的最大效能；各专业统筹考虑牵引机车，减少设备配置；设备系统选择高能效设备，并应用变频技术；在选择车辆、设备时，应全网统筹考虑，尽量选择同类型设备，实现全网资源共享[10]。

6　结论

地铁节能应从规划阶段深入考虑，而不应仅仅局限于选择节能高效的设备，应更多从规划阶段重视线路规划，在设计阶段做好节能设计，在运营阶段做好运营组织，全面提高车辆的满载率，从而降低地铁的单位能耗。而这种理念的贯彻还需要有制度和规范的保证，地铁系统亟须建立健全“绿色地铁”的认证体系，从而可推动地铁系统全寿命周期的节能、节材、节地、节水，更好地实现经济效益、社会效益和环境效益的统一。

[1] 住房和城乡建设部.绿色建筑评价标准：GB/T 50378—2014[S].北京：中国建筑工业出版社，2014:2-10.

[2] 住房和城乡建设部科技发展促进中心.绿色建筑评价技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2010:1-18.

[3] 张卫华，王炜，胡刚.基于低交通能源消耗的城市发展策略[J].公路交通科技，2003,20(1)：80-84.

[4] 王玉明.城市轨道交通系统能耗影响因素的量化分析[D].北京：北京交通大学， 2011.

[5] 肖彦君，杨润栋.地铁车辆车体材料的选型分析[J].现代城市轨道交通，2005(1)：12-24.

[6] 赵立峰，张发明.北京地铁5号线再生制动电能吸收装置[J].现代城市轨道交通，2008(1)：6-8.

[7] 连鹏飞.深圳地铁2号线工程再生制动能量吸收装置设置方案研究[J].铁道工程学报，2007(6)：85-89.

[8] 鲁玉桐，赵小皓，赵叶辉.再生制动能量吸收装置在北京地铁中的应用[J].都市快轨交通，2014，27(4)：105-108.

[9] 陶明鹤.轨道交通线路纵断面节能坡设置研究[J].城市道桥与防洪，2011(6)：23-25.

[10] 杨雪峰.城市轨道交通列车节能运行模式的研究[J].城市轨道交通研究，2010(8)：68-72.

(编辑：郝京红)

Study on the Application of Green Building Concept in Metro Energy Saving Design

Dong Shuyun

(China Metro Engineering Consulting Corporation, Beijing 100037)

Learning from the concept of green building, we analyze the subway energy saving measures from the aspects of planning, vehicle, operation organization and so on. We put forward the concept that energy conservation should be incorporated into all stages of construction. The requirements of energy conservation should be considered in the planning stage, the energy saving measures in the design stage should be emphasized and the energy saving measures in the construction and operation stages should be implemented. To save energy, it also needs to improve the full load rate in all aspects to reduce energy consumption of the subway. And the implementation of the concept needs to be ensured by improving the specification. The subway system needs to establish and improve the certification system of "green subway", which can promote the subway system in the full life cycle of energy saving, material saving, land saving and water saving, and can realize the unification of economic, social and environmental benefits.

subway; energy saving; full load rate; energy consumption

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.027

2015-10-20

2015-12-11

董书芸，女，博士，高级工程师，从事轨道交通设备节能研究，dsyuu@163.com

U231

A

1672-6073(2016)01-0114-04大力发展公共交通，提高城市公共交通平均出行分担率，减少私人轿车出行，是实现城市交通节能减排的一项重要措施。地铁是公共交通领域最为节能的交通方式，提高地铁利用率可以更好地节能。但地铁仍然是城市的用电大户，1条线路的年用电量常常在1亿kWh以上，因此尽可能地挖掘地铁各用能系统的节能潜力，减少总能耗，可以更大限度地节能。