浅析“双碳”目标下城市轨道交通节能减排的措施

卢 丹 刘旭东

1.新疆工程学院

2.乌鲁木齐城市轨道集团有限公司

0 概述

2021年12月召开的中央经济工作会议确定了“稳字当头、稳中求进”的经济工作总基调，其中“双碳”目标是中国经济发展的重大战略，城市轨道交通作为城市耗能主体，在实现“双碳”目标上起着重要的作用。城市轨道交通不仅是消除交通瓶颈、解决交通供需、缓解道路压力、带动沿线经济发展的一种大运量、便捷、准时的交通方式，也是完善城市综合交通体系的需要。城市轨道交通虽为整个城市带来了利益，但由于其线路长、站点多、运营时间长等特点，其能耗也非常大。为节约能源，很多公司对地铁能耗进行了研究和改造，如同方泰德对北京地铁8 号线采用了风水联调技术，使单站点实现节电54 万kWh［1］；上海地铁应用地铁环境控制及能源管理系统，实现通风、空调水系统、风系统的全局优化和协同控制［2］；广州地铁从设计、运营管理、节能减排新技术方面实施了地铁节能降耗措施［3］。

1 设计方面节能减排措施

城市轨道交通设计方面节能减排措施包括：

1)因地制宜，采用合适的曲线半径，减小列车运行阻力；

2)按照城市轨道交通车站设计规范，合理布局站点，确定合适的站间距，以降低列车的频繁起动和制动，并充分发挥列车的惰力运行作用，减小列车运行阻力和运行时间，提高乘客的舒适度；

3)合理设计区间坡度及坡长，使列车在出站时利用区间的快速下坡将重力势能转化为动能，在消耗较少牵引电能的情况下获得列车运行所需的加速度和目标速度。

节能减排措施见图1。

图1 设计方面节能减排措施

2 设备方面节能减排措施

城市轨道交通是一个线长、面广的综合型大型工程，由于涉及多个领域，耗能系统和设备类型数量多且较大。为了更好地做到节能减排，需对轨道交通的每个耗能系统和设备进行详细研究，了解其耗能机制，提出切实可行的节能减排措施。

根据城市轨道交通设计规范及耗能设备的功能、用途、位置等，主要耗能设备与分布情况见表1。

表1 城市轨道交通主要耗能设备与分布情况

设备方面节能减排措施见图2。

图2 机电系统与设备节能减排措施

2.1 供电系统与设备

1)以交通线路长度和车站位置为设计依据选定牵引变电所位置，同时按设计规范在上、下行之间设置均流线以降低牵引网中的能耗。

2)中压环网在满足最低压降的情况下尽量选择线阻小的电缆，接线形式力求简单。

3)车站降压变电所尽量选用低损耗变压器，且位置靠近负荷中心以减少能耗。

4)采用再生能源逆变装置，将列车制动时的动能转变为电能作为本列车的辅助电源及本供电区间内其它列车的动力照明，在节省能源的同时还减缓了地铁隧道内温度的上升。

2.2 机电系统与设备

2.2.1 照明设备

1)根据区域照明地的照度和亮度要求选用照明光源及灯具，照度要求较高的场所采用混合照明，面积较大的场所采用一般照明。

2)根据照明区域功能要求选用和配置适宜的动力设施，配置灵活方便的开关用以照明，站厅、站台采用多路交叉方式供电以节约用电。

3)地面建筑采用天然采光和人工照明相结合的方式，室外照明配置节能控制器以便后半夜自动降低馈给灯具的电压。

2.2.2 通风空调设备

1)车站通风机采用变频调节技术，根据所需风量调节以降低运行能耗。

2)选用高效低噪的轴流风机或混流风机，设定合适的风量和风压。

3)水泵选型应使水泵运行在高效区，严禁大马拉小车现象。当空调水系统制冷和制热为同一个管网，且冬季供热水量和夏季供冷水量之差超过30%时按季节设置循环水泵。

2.2.3 给排水设备

1)给水系统应充分利用城市的自来水水压来保证管网直供的生活、生产用水，消防水泵直接接在市政管网上抽吸加压。

2)水泵选型应使水泵运行在高效区，应选用效率高、噪音低、体积小、重量轻、占地面积小和安装检修方便的高效节能产品。

3)排水系统应充分利用重力流，当高差不能满足要求时设排水泵。当采用压力排水系统时，排水泵站应尽量靠近地面以减小扬尘、降低功率。

4)给排水系统应采用自启停控制系统，利用高低水位探头监测水位，根据运行状况设置目标参数，使系统处于高效节能状态。

5)在设备、管材及管道接口等方面应用新技术、新工艺、新材料，减小管道摩擦阻力、提高水力性能，使设备节能、高效地运行。

2.2.4 电扶梯设备

1)选用永磁同步驱动电梯，采用高磁通密度永磁材料，将曳引轮直接安装在电机转子上，实现无损耗传动，效率远高于有齿轮曳引机，综合节能率达20%左右，此外涡轮涡杆的取消避免了齿轮油的大量应用。

2)采用变频变压VVVF（Variable Voltage and Variable Frequency）方式控制自动扶梯，在自动扶梯上加设变频装置，扶梯的启动由变频器控制。当安装在扶梯出入口处的传感器检测到有乘客乘梯时，自动扶梯立即响应，速度平稳升至100%额定速度；当在设定时间范围内传感器未感应到有乘客时，扶梯速度自动降至20%（0.13 m/s）的低速节能运行状态。

2.3 综合监控设备

1)选用多业务承载传送MSTP（Multi- Service Transport Platform）技术，使用统一平台承载语音、图像和数据，模块化设计使集成程度高、结构紧凑、能耗低。

2)在保证质量、安全的前提下，尽量选择能耗、辐射小的产品，设备室及IBP盘布置紧凑、电源配线路径简捷，以减少线路损耗和材料能耗。

2.4 通号设备

2.4.1 通信设备

1)将通信传输、乘客信息、安防等模块化设计，降低能耗。

2)通信干线采用双光缆线路，区间通信采用有线传输和无线通信相结合的方式，地区和站场也尽量采用光缆，减少电缆的使用。

3)通信电源采用智能化电源对通信设备集中供电，蓄电池采用免维护、转换效率高的蓄电池组。

2.4.2 信号设备

列车运行采用自动驾驶（ATO）系统中经济运营模式，充分利用列车的最大加速度产生的动能，实现惰行，减少控制频度，降低牵引能耗，使列车按最佳曲线运行。

2.5 车辆设备

1)车体材料使用铝合金或不锈钢以减轻车体重量，转向结构构架采用钢板压型焊接，减轻构架自重。

2)采用变频变压（VVVF）调速控制方式［4］。逆变器将直流转变成交流，通过电压和频率的变化控制交流电机，无换向部分，运行可靠、过载力强、重量轻。

3)采用“动+拖”混合编组方式。

4)将绝缘栅极双极型晶体管应用到辅助电源系统，不但大大提高转换效率，且输出电压频率精度高，高容量时可使用自然冷却方式降低能耗。

5)综合使用再生制动、电阻制动、空气制动，充分利用再生制动的优势，保证电制动的稳定性，最大程度地减少环境污染。

2.6 车辆段及停车场基地

1)在满足功能要求的同时尽量做到布局紧凑。股道布置要使车辆作业顺畅，避免车辆在段内交叉干扰和走行距离增加。管路铺设应短、直，建筑位置及朝向要充分利用自然采光和自然通风。

2)库内照明、段（场）路灯、办公设备及大能耗设备应选用国家或行业推荐的节能产品，积极使用新技术、新工艺、新材料和新设备，如采用太阳能路灯、太阳能热水器、库顶光伏供电等。在设备选型时，应充分考虑设备的各项指标，节约电能。

3)尽可能回收、循环利用资源，如列车洗车水经沉淀、过滤、消毒后二次循环利用；将生活用水和绿化用水分开水源，如生活用水水源来自自来水，绿化用水来自经循环处理后的中水。

4)根据当地气候、线路坡度、设备使用情况及常用负载等合理选用设备容量及动力提供方式。

3 管理方面节能减排措施

1)培养员工节能减排意识，树立自上而下的“低碳环保、绿色节能”理念，定期开展节能教育和技术培训，做到一级重管理，二级重实施，使节能减排工作落地生根。

2)成立专人负责的节能减排管理体系对用能系统进行统筹管理，建立、保持并完善具有明确职责范围、权限和奖惩制度的管理体系，落实管理职责。

3)建立节能减排管理制度，贯彻执行节能方针、法规、标准，制定和实施适用于本企业的节能管理细则、节能目标和管理标准。

4)做好节能减排运营统计工作，做好原始记录，制订各项能源消耗统计标准，实施节能减排奖惩制度，提高节能减排的积极性。

5)做到走出去、引进来的管理理念，知悉行业最前沿技术，吸纳同行业先进的管理模式和经营做法。

管理方面节能减排措施见图3。

图3 管理方面节能减排措施

4 结语

城市轨道交通作为城市运输领域的耗能行业，在国家“双碳”目标的驱动下不断向更绿色转型，在保证安全运营的前提下，不断使用绿色技术、绿色设备、绿色管理来实现节能降耗，提高能源的利用效率。