城轨道交通节能技术发展趋势研究报告.pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用 城市轨道交通节能技术发展趋势研究 1 城市轨道交通与节能 1.1 城市轨道交通是节能的公共交通 城市轨道交通相对于其它城市公共交通工具而言，具有安全舒 适、快速环保、运能大和能源消耗少的特点。按照同等运能比较， 轨道交通的能耗只相当于小汽车的1/9，公交车的 1/2 。因此，轨道 交通本身就具有重要的节能减排意义。城市轨道交通相对于其它城 市交通工具的另一个特点是以耗电能为主，而不是燃油。石油作为 国家核心能源，是工业经济的命脉，当今世界几乎所有国家都把石 油安全置于能源战略的核心位置。石油安全直接关系到国家能源安 全，关系到经济社会的可持续发展。因此在特大城市、大城

2、市中， 以城市轨道交通为骨干、提高占公共交通的出行比例，符合国家宏 观经济层面的能源政策，有利于建设资源节约型、环境友好型社会。 我国城市交通节能的措施之一，是建立绿色城市交通系统，应 对城市化进程和交通机动化快速增长的挑战，构建可持续性的城市 交通系统模式。超大、特大城市将加快轨道交通建设，形成立体城 市交通系统，大力发展城市公共交通系统。通过优化城市交通系统 结构和完善城市间交通模式，提高城市交通系统效率并达到系统节 能目的。 2 城市轨道交通节能意义 个人资料整理仅限学习使用 城市轨道交通的节能减排工作也十分重要。虽然按同等运能比 较，轨道交通能耗比其他形式交通方式小，但由于其大运量的特

3、点， 使得总耗电量相当大，是耗能大户，仍有节能潜力。因此，轨道交 通建设和运营在遵循以人为本，方便旅客的出行和换乘，做到“ 方便、 快捷、准时、舒适 ” 等原则的同时，作为重点用能单位，严格遵守 中华人民共和国节约能源法合理用能的原则，一直致力于加强 节能管理、推进技术进步、提高能源利用效率、减少环境污染方面 的研究。国家发展和改革委员会在交通基础设施建设工程审批程序 中也要求必须进行 “ 节能专篇 ” 的研究，要求工程应遵循的合理用能 标准及节能设计规范、工程能源消耗种类和数量分析、工程所在地 能源供应状况分析、能耗指标、节能措施和节能效果分析等内容。 应结合具体运营规模、技术标准和工程实施

4、条件，进行城市轨道交 通节能研究，并将具体措施融合到建设中。 节能涉及到多项专业技术，应以有限的能源消耗取得最大的经 济利益为目标，充分调动各方面积极因素，把节能分析、节能设计、 节能管理紧密结合起来，达到降低综合能耗指标的目的。 3 城市轨道交通节能技术现状及存在的问题 3.1 城市轨道交通主要能耗种类 在轨道交通运营过程中主要消耗电能，基本不消耗其它形式的 能源。耗电可以将其归结为车辆运行的牵引耗电和其它设备耗电两 大类。 个人资料整理仅限学习使用 据初步统计，北京地铁1992 年一线、环线正线的全年牵引耗电 量为 80196300kw h，占全年总耗电量的70.6% ，其余为动力照明 耗

5、电，以及车辆段、停车场的牵引耗电，调试、维修等耗电。以北 京地铁为例， 2002 年一线地铁全年耗电量52 139 240 kw h，环线 地铁全年耗电量为75 751 220kw h，复八线地铁全年耗电量为50 734 670 kwh，三条线全年耗电总量为178625130kw h。其中三条 线路的牵引耗电总量占全年总耗电量的57%。新建的城市轨道交通 工程除上述耗电内容外，还需增加车站空调和车辆空调等耗电。 3.2 目前城市轨道交通能耗方面的问题 能源消耗总量过大是目前城市轨道交通面临的一大问题。轨道 交通运营成本高居不下的问题日显突出，其中有近50来自于列车 牵引能耗。按照目前我国城市轨

6、道交通的发展速度，城市轨道交通 的能耗将达到相当的规模。应该说，尽快找到大幅降低轨道交通运 行能耗的方法，已成为保持城市轨道交通高速度可持续发展必须解 决的重要问题之一。北京轨道交通线网规划用电总量的趋势图如图 1 所示。 个人资料整理仅限学习使用 根据以往多年的建设和运营经验数据，城市轨道交通列车牵引 供电系统和通风空调系统是轨道交通中最主要的用电大户，分别占 到轨道交通系统总能耗的1/2 和 1/3，节能潜力也相对最大。对于 其它设备系统，虽然能耗比例不高，但能耗总量也不低，结合高效 低耗设备及其它节能措施的应用，也存在一定的节能潜力。 通过对北京及全国各地既有城市轨道交通线路运营情况的调

7、研， 我们发现电能费用占城市轨道交通运营费的50左右，车辆牵引用 电又占城市轨道交通用电的50以上。用目前城市轨道交通电动车 组普遍采用 “ 再生制动电阻制动机械制动” 的制动方式，制动能 量可达到牵引能量的30以上，部分再生制动的能量可以被线路上 相邻车辆吸收，如不能被吸收则转换为电阻或空气制动，制动能量 被白白消耗，初步估算该部分消耗的电能占制动能量的40左右。 通风空调系统作为城市轨道交通中的重要设备系统之一，是城 市轨道交通运行的能耗大户，其用电量排在牵引供电之后，位居第 二；在运营初期的特定条件下，其用电量甚至超过牵引供电，成为 第一用电大户。因此，如何降低城市轨道交通通风空调系统运

8、行能 耗，是解决城市轨道交通运营能耗过高问题的重要内容。 4 已采用的主要节能降耗措施 1 ）线路选线与运营组织重视节能 线路节能设计主要考虑尽可能优化曲线半径，以减少车辆行驶 过程中因曲线阻力大而增加电耗；优化线路节能坡，设置合理的进 出站坡度，使列车进站时上坡，将动能转化为势能，列车出站时下 个人资料整理仅限学习使用 坡，再将势能转化为动能，这样有利于减少牵引能耗；线路纵坡设 计还综合考虑泵站位置等设备布置，以达到优化、合理、经济、节 约能源的目的。 确定全线的总体运营规模、合理确定利车编组、合理设置运营 交路、合理安排列车运营对数等技术措施，将有效降低人车公里能 耗。 2 ）车辆节能 选

9、用调频调压控制的交流牵引系统。该系统通过变频调速避免 了列车调速时由附加电阻消耗掉大量的电能，也不会因附加电阻的 发热提高隧道内的温度而要求增加通风量和制冷电能。该系统能有 效利用再生制动，利用车辆行车密度大、不同车辆同时处于不同牵 引、制动工况的概率较高的特点，可较多地回收车辆制动能量。理 论上可回收 25%左右。 选用轻体车辆。车辆采用不锈钢车体，车辆自重比普通铸钢车 体约减少 3t，用等能量比较的方法推算，每辆车可节约运送50 位 乘客所需的能量。随着车体自重的减轻，相应能减轻轮轨磨耗，减 少维修量等附加节能效果。 采用列车自动控制节能。电动客车采用微机控制自动驾驶。在 信号系统设计时，

10、根据线路的坡道、弯道及列车载重等情况，设计 自动驾驶 ATO曲线，自动调整行驶速度，控制随行点使电动客车永 远处于最佳运行状态，以便减少电耗，达到更进一步节能的目的。 3 ）供电系统节能 个人资料整理仅限学习使用 牵引供电系统节能设计。合理设置中压供电网络接线形式，既 减少系统电缆的长度，也可以减少开关设备数量，降低设备损耗和 线路损耗，达到节能的效果。合理设置各种类型变电所。牵引网采 用导电率较高的钢铝复合接触轨，牵引网电能损失较少，减少变电 所的空载能耗。牵引变电所预留设置车辆再生储能设备安装条件， 如果每座变电所均设置该设备，每年可降低牵引用电量约5% 左右。 选用环保节能设备，如配电变

11、压器选用非晶合金变压器，虽然一次 投资有所增加，但是长期运行与普通变压器相比，可节约相当电能。 动力照明系统节能设计。动力照明配电设计按照负荷分级供电 的原则进行，对各种负荷，按其重要程度分为一、二、三级。减化 了供电系统，节约配电设备。采用集中无功自动补偿和和分散无功 补偿措施，提高功率因数，降低线路损耗。在照明产品的选择上， 选择高效、节能的光源、灯具。选用先进节能的电机电器设备，电 扶梯及大型风机、水泵等采用变频控制，节约设备用电。从运营管 理上，当车站高峰过后，可以关闭部分公共照明设备，变频电梯低 速运行。 4 ）通风空调系统节能 系统形式节能设计。根据地区的气候环境条件及对通风空调系

12、 统方案的比选，城市轨道交通通风空调系统形式。尽量利用列车活 塞效应，从而采用自然通风方式，节省风机的能耗。 风机变频控制。通风空调系统的设备一般按远期高峰小时运行 情况进行配置，而系统负荷随列车的对数、客流的变化而变化。在 个人资料整理仅限学习使用 运行初期、近期客流及行车对数远没有达到设计水平，因此设备容 量有较大的富裕量；同样在非高峰时段的系统负荷较高峰时段也有 较大的差距，也存在设备容量富裕的问题。 表冷器开启降低能耗。该设备设计为门式，两侧设轴，可以在 通风季节电控延轴开启，降低系统的通风阻力和能耗。根据实测结 果，8 万 m 3/h 的组合式空调机组，表冷器打开前的风机功率为 50

13、kw，打开后风机功率降为36.8kW。通过表冷器开启，在通风季 节能耗可以降低 28% 左右。对于通风季节长的城市来说，节能意义 非常重大。 采用节能运行模式。由于城市轨道交通内部的发热量大，具有 全年热负荷的特性，通风空调系统的设计应充分利用非空调季节室 外的天然冷源对城市轨道交通内部进行冷却，尽量减少空调系统的 运行时间，节约能耗。 其它节能措施。车站的各风机及空调机组，根据环境的变化自 动启动或停止设备，减少不必要的能耗。采用有效的空调风管、冷 媒管等保温措施，减少冷量运输能耗。选用合理的室内温湿度标准， 尽量取用温湿度的上限值，以减少空调冷负荷，降低制冷能耗。详 细计算空调负荷及管路水

14、力计算，选用合适的设备容量以避免浪费。 5 ）设备监控系统节能 采用综合监控系统对全线各车站内的变电所系统设备、通风空 调系统设备、给排水系统设备、电梯系统设备、低压照明系统设备 进行综合性的监控与调度管理。可以对全线的变电所系统的基础设 个人资料整理仅限学习使用 备进行集中管理；根据不同季节、各车站不同的客流情况、室内外 的环境情况，做到合理送排风空调），使空调得到有效的利用； 通过综合监控系统程序的合理设计、运营调度人员的合理组织可以 减少能耗损失。 6 ）给排水系统 最大限度地利用市政自来水供水压力，采用生产生活用水由市 政自来水直接供水，消防给水系统平常运行时尽量市政自来水稳压。 选用

15、行之有效的新技术、新工艺、新材料和新设备，以提高供水的 安全可靠性，降低能耗和水损。 车辆段应最大限度地利用市政自来水供水压力，给水加压采用 变频供水设备或无负压供水设备，职工浴室热源可采用太阳能热水 器。车辆冲洗和检修废水经处理、消毒后再回用于洗车或冲洗零部 件，既节约用水，又保护环境，完全符合国家节能环保政策。建立 中水处理和回用系统，并考虑雨水利用，以最大限度地节约水资源， 进而减少环境污染。在有条件收集、处理和利用雨水时，应尽量利 用雨水。 7 ）自动扶梯 采用具有变频调速功能的公共交通重载荷型自动扶梯，其特点 是当扶梯空驶一段时间后，会自动将运行速度由0.65m/s 切换到 0.13

16、m/s 的节能运行速度。当有人乘坐扶梯时，通过其部传感器感 知到有乘客后，其内部变频器将控制扶梯速度由0.13m/s 平稳过渡 到 0.65m/s 的正常运行速度，保证及时将乘车送至目的地。 个人资料整理仅限学习使用 8 ）车站综合 UPS电源系统 均需要设置 UPS电源，新建城市轨道交通线路的弱电系统如通 信、信号、综合监控、 AFC等，设置综合 UPS电源系统，对各设备 系统的 UPS电源进行技术整合设置。这种方式符合系统集成的发展 趋势，并具有实现资源共享，减少UPS电源设备的重复设置的节能 效果。 5 城市轨道交通节能技术发展方向研究 根据我国目前城市轨道交通的现状、能源利用情况以及技

17、术水 平，以下几个方向应该作为未来我国城市轨道交通节能技术发展的 重点。 1 ）加快研发环保型高架系统技术 城市轨道交通的高架线路具有建设安全风险小、建设速度快、 投资见效快、运营成本低等优点。尤其是节省运营期的能耗，高架 线的运营能耗仅为地下线的0.45 倍，节能效果明显。但是多数已建 高架线用于大运量城市轨道交通系统上，由于采用了较大轴重A、B 型车辆，已运营高架线的振动、噪声对沿线居住环境、土地的经济 价值确实存在一定的负面影响。 所以应该加快开展 “ 环保型高架系统 ” 的研究，即将高架线路的 桥梁梁式、减振降噪综合控制、景观等作为一体进行综合研究。力 求解决高架线的振动噪声、景观协调

18、、沿线土地利用等问题，为扩 大高架线路的敷设提供技术支持，也才能取得城市轨道交通低耗资、 个人资料整理仅限学习使用 高效益的目的。综合轨道、轨旁减振降噪系统的技术措施，力求部 分代替或取消声屏障。适合敷设高架线的环境条件及技术条件研究。 车辆、轨道的减振降噪技术和产品已有较系统的研究。目前应 加快开展桥梁梁式对噪声尤其是结构二次噪声的影响研究，如研究 城市轨道交通 U型梁高架线系统等等。同时也需要开展适合高架线 敷设方式的系统制式，应采用低噪声的系统制式，如直线电机系统、 跨座式单轨系统等。 2 ）加快开发高效、低耗的新型设备与设备系统 针对目前城市轨道交通能耗大，能源利用效率较低的现状，最

19、首要的工作就是抓紧开发高效、低耗的设备系统与新型设备。这里 应包括设备系统和设备两个部分。 设备系统的开发主要是设计单位在方案研究阶段，将系统节能 作为重要的设计目标，并且勇于创新，开发研究并采用新型的各种 节能方案。例如：在通风空调系统中采用变频变风量、表冷器可开 启的集成通风空调系统；在控制系统的设计中采用智能环境控制系 统，对车站与隧道内部的温、湿度、空气质量、照明等进行有效的 实时调控。 设备的开发主要是城市轨道交通有关设备供货商通过技术革新， 降低所供设备的能耗。例如：供电系统的能量回收装置可以通过回 收列车刹车的机械能损耗用于其它列车的牵引供电，可以大大降低 列车牵引能耗。但是由于

20、国内产品不成熟，目前多采用进口设备。 个人资料整理仅限学习使用 投资很高，影响了技术的推广。此外，集成通风空调系统中的可电 动开启表冷器也是通过多次技术研发产生的节能产品。 3 ）提高城市轨道交通装备节能标准 目前，城市轨道交通尚没有专用的节能标准，通车套用一般楼 宇建筑设备节能标准。考虑到轨道交通的特殊性与影响性，其标准 应高于一般楼宇建筑设备的标准。对城市轨道交通装备的能耗标准 应进行严格规定，以便在设计选型、设备采购时有据可依。 在轨道交通装备的招标采购中，不应简单地采用低价中标原则。 应综合考虑设备的各项性能参数，突出重点，使国内生产厂家对其 引起足够的重视，把精力投入到提高产品性能上

21、来，避免单纯的价 格恶性竞争。这样，有利于整个行业向高端发展，提高轨道交通的 服务水平。 4 ）建立城市轨道交通设计节能标准 目前国内尚没有城市轨道交通设计节能标准。城市轨道交通应 根据不同地区的气候特点，逐步建立完善各种能耗标准，指导与考 核工程节能设计，并作为工程审批的条件。 5 ）鼓励城市轨道交通采用新型能源 随着科学技术的发展，太阳能、地热能源、海洋能源等新型能 源已开始应用于很多行业，对于城市轨道交通来说，属于城市公共 交通，能耗量巨大，若能合理使用这些新型能源，会产生很好的经 济和社会效益。我们应该紧密跟踪各种新型能源的发展状态，适时 的将其引入城市轨道交通建设。 个人资料整理仅限

22、学习使用 6 ）加强城市轨道交通运营节能管理 城市轨道交通的能耗水平除了与设施是否先进有关，还与运营 节能管理是否到位密切相关。例如，运营部门应充分了解设备系统 的节能设计思想，按照设计模式进行系统控制，并根据具体情况进 行优化。保证各种节能设施的正常运转，例如空调系统根据室内温 度调节冷水机组与通风机的工作状态，如果反应室内温度的传感器 故障而没有得到及时修复，就会影响系统的正常运行，增加空调系 统的能耗。 7 ）处理好节能与环保的关系 在节能的同时应处理好与环保的关系。有的系统方案能够节省 能耗，但会影响环境，在这种情况下应服从环境保护的目标。例如， 地下水水源热泵空调系统可以降低空调系统能耗，但是会对地下水 资源造成一定的污染和破坏，可能造成地下水水位下降，地面下沉 等危险。因此，当节能与环保发生矛盾是应服从环保目标。 8 ）将节能作为建设决策的重要标准 节能不能仅停留在口号上，必须将是否节能作为工程建设决策 的重要指标。例如：对于南方炎热地区，屏蔽门系统可以有效降低 空调季节的空调能耗，应大力推广使用；但是在北方寒冷甚至严寒 地区，屏蔽门系统在非空调季节的通风能耗会高于非屏蔽门系统， 不宜采用。在车站设置屏蔽门还是非屏蔽门的问题上，就应该根据 节能的原则，在不同地区采用不同的方案，而不应该盲目攀比建设 标准，不顾地区特点，全部设置屏蔽门。 个人资料整理仅限学习使用