城市軌道交通低碳技術(shù)應(yīng)用研究

■ 楊穎

1 低碳技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 碳排放

自工業(yè)革命以來(lái)，人類向大氣排入的二氧化碳（CO2）等吸熱性強(qiáng)的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也隨之增強(qiáng)，引發(fā)全球氣候變暖等一系列嚴(yán)重問題，引起世界各國(guó)的關(guān)注。近100年，全球平均氣溫升高0.6 ℃，聯(lián)合國(guó)氣候?qū)＜翌A(yù)測(cè)，到21世紀(jì)中葉，全球平均氣溫將進(jìn)一步升高1.5～4.5 ℃。

碳排放是針對(duì)溫室氣體排放的簡(jiǎn)稱。溫室氣體中最主要的是CO2，用碳（Carbon）一詞作為代表，將“二氧化碳排放”簡(jiǎn)稱為“碳排放”，讓社會(huì)民眾更快地了解和記住這個(gè)概念，從而使“控制碳排放”這樣的術(shù)語(yǔ)更容易被大多數(shù)人理解、接受，最終促使更多的人思考和改變生活方式。

1.2 聯(lián)合國(guó)低碳宣言

《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》。是聯(lián)合國(guó)成員國(guó)政府1992年6月在巴西里約熱內(nèi)盧舉行的聯(lián)合國(guó)環(huán)發(fā)大會(huì)（地球首腦會(huì)議）上就氣候變化問題達(dá)成的公約，是世界上第一個(gè)為全面控制CO2等溫室氣體排放、應(yīng)對(duì)全球氣候變暖給人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來(lái)不利影響的國(guó)際公約，也是國(guó)際社會(huì)在應(yīng)對(duì)全球氣候變化問題上進(jìn)行國(guó)際合作的一個(gè)基本框架。

《京都議定書》。全稱為《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的京都議定書》，是聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的補(bǔ)充條款，是1997年12月在日本京都由聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約參加國(guó)第三次會(huì)議制定的?！毒┒甲h定書》規(guī)定工業(yè)化國(guó)家要減少溫室氣體排放。

《哥本哈根協(xié)議》。2009年12月，超過85個(gè)國(guó)家元首或政府首腦、192個(gè)國(guó)家的環(huán)境部長(zhǎng)出席了在丹麥?zhǔn)锥几绫竟e行的世界氣候大會(huì)，商討《京都議定書》一期承諾到期后的后續(xù)方案，就未來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化的全球行動(dòng)簽署新的協(xié)議。中國(guó)政府總理溫家寶代表中國(guó)參加了此次會(huì)議并簽署了《哥本哈根協(xié)議》。

1.3 我國(guó)政府的低碳宣言

胡錦濤主席在聯(lián)合國(guó)氣候變化峰會(huì)上承諾：“加強(qiáng)節(jié)能、提高能效工作，大力發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，積極發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，研發(fā)和推廣氣候友好技術(shù)?！?/p>

溫家寶總理在哥本哈根氣候會(huì)議上承諾：“我國(guó)到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%。”

由此可見我國(guó)政府在可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境方面的堅(jiān)定決心和信心，表明上至國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人、政府，下至廣大民眾已深刻認(rèn)識(shí)到發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、控制碳排放既是對(duì)世界負(fù)責(zé)，也是對(duì)國(guó)家和民眾負(fù)責(zé)。

1.4 低碳技術(shù)

低碳（low carbon）是指低的或較低的溫室氣體（CO2為主）排放。低碳技術(shù)是指所有能夠直接和間接降低CO2排放的技術(shù)，主要是以下5類：低能耗和能源的高效利用；有害物的低污染、低排放；二次回收與重復(fù)利用技術(shù)；綠色能源的開發(fā)利用技術(shù)；CO2捕獲與埋存技術(shù)。

對(duì)于大眾而言，倡導(dǎo)低碳生活最重要的是節(jié)約電能。節(jié)約電能是一種最直接降低CO2排放的行動(dòng)方式，因?yàn)槲覈?guó)主要采用火力發(fā)電，每生產(chǎn)1 kW·h電能平均消耗約0.3 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于排放約0.78 kg的CO2；對(duì)于企業(yè)而言，倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)最重要到是在產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)用低碳技術(shù)，如采用高效節(jié)能空調(diào)、LED照明、清潔能源等。

2 城市軌道交通碳排放和能耗現(xiàn)狀

為解決日益緊張的城市交通問題，國(guó)家和地方政府大力發(fā)展城市軌道交通，倡導(dǎo)綠色、低碳交通，以實(shí)現(xiàn)降低能耗、減少碳排放的目標(biāo)。城市軌道交通系統(tǒng)主要包含車站、運(yùn)營(yíng)車輛、車輛段設(shè)備和維護(hù)車輛等幾大部分。

2.1 車站

城市軌道交通系統(tǒng)一般每隔1～1.5 km設(shè)置一個(gè)車站，車站可以設(shè)置在地下、地面和高架上。受我國(guó)城市土地資源匱乏及既有道路和房屋難以拆遷的限制，絕大多數(shù)城市軌道交通車站修筑在地下。

地下車站的直接排放主要是進(jìn)出乘客呼吸的CO2，間接排放是空調(diào)通風(fēng)、自動(dòng)扶梯和照明所消耗的電能，尤其是后者所等效排放的CO2數(shù)量十分巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前者。根據(jù)上海、廣州等大型城市地鐵最新的能耗統(tǒng)計(jì)，車站能耗約占地鐵總能耗的50%以上，已超過運(yùn)營(yíng)車輛的能耗。因此，如何降低地鐵車站的能耗已成為一個(gè)刻不容緩的問題。

以一個(gè)日均10萬(wàn)人客流的地下車站為例，每人在其中按停留15 min計(jì)僅排放約3 t CO2，但車站設(shè)備每日消耗電能可高達(dá)1萬(wàn) kW·h，換算為年排放約4 000 t CO2。

目前，國(guó)內(nèi)最大地鐵車站是上海地鐵的人民廣場(chǎng)站，因其可換乘1、2、8號(hào)線，日均客流達(dá)近100萬(wàn)人次，各線換乘客流約50萬(wàn)人次，每日電能消耗可超過3萬(wàn) kW·h，換算為年排放約1.4萬(wàn) t CO2。

有效降低車站能耗的低碳技術(shù)有：采用自動(dòng)感應(yīng)電梯和具備再生反饋的電梯逆變器；采用變頻調(diào)速的通風(fēng)系統(tǒng)和減少冷氣散失的屏蔽門；配備根據(jù)CO2濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)新風(fēng)和制冷的高效節(jié)能空調(diào)；采用LED高效節(jié)能照明等。如何降低車站能耗是城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司十分關(guān)注的課題。

2.2 運(yùn)營(yíng)車輛

根據(jù)上海、廣州等大型城市地鐵最新的能耗統(tǒng)計(jì)，運(yùn)營(yíng)車輛的能耗均低于地鐵車站的總能耗，不到地鐵車站總能耗的50%。主要是地鐵車輛牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和控制設(shè)備及照明系統(tǒng)的能耗。

（1）牽引系統(tǒng)能耗是指從直流電網(wǎng)（DC 1 500 V或DC 750 V）獲取的驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行的能耗，一般占車輛總能耗的60%～70%。

（2）輔助系統(tǒng)能耗是指車輛空調(diào)通風(fēng)、設(shè)備風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)等輔助設(shè)備的能耗，一般占車輛總能耗的30%～35%。

（3）控制設(shè)備及照明系統(tǒng)采用DC 110 V，能耗一般約占車輛總能耗的5%。

2.3 車輛段設(shè)備及維護(hù)車輛

車輛段設(shè)備及維護(hù)車輛包含檢修維護(hù)設(shè)備（洗車機(jī)、架車機(jī)、天車等）和庫(kù)內(nèi)調(diào)車及線路供電檢修車輛（目前國(guó)內(nèi)全部是內(nèi)燃機(jī)調(diào)車機(jī)），雖然能耗不高，估算約占總能耗的3%，但其直接碳排放和有害廢氣排放卻十分驚人。

以一臺(tái)447.4 kW（600馬力）的地鐵工程維護(hù)車輛為例，每年消耗燃油約60 t，等效排放CO2約160 t，并排出大量有害廢氣滯留在隧道內(nèi)。目前國(guó)內(nèi)各地鐵公司共有各種大小工程車數(shù)百臺(tái)，每年的有害廢氣和碳排放總量也十分巨大。

如何降低運(yùn)營(yíng)車輛的能耗是城市軌道交通車輛制造企業(yè)及城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司共同關(guān)注的課題，值得深入研究。

3 降低碳排放和車輛能耗的應(yīng)用技術(shù)研究

3.1 車輛輕量化

在滿足使用要求的前提下降低列車質(zhì)量，可降低運(yùn)營(yíng)能耗和全壽命周期成本（Life Cycle Cost）。香港地鐵長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)研究經(jīng)驗(yàn)表明，空載質(zhì)量每輕1 t，每年可節(jié)電8 000 kW·h，降低CO2排放6.2 t，30年壽命期內(nèi)可節(jié)電24萬(wàn)kW·h，降低CO2排放186 t。

車輛輕量化中最為關(guān)鍵的是車體輕量化，因?yàn)檐圀w在車輛質(zhì)量中所占比重最大（約占四分之一）。采用輕量化材料是降低車體質(zhì)量的關(guān)鍵（見圖1、圖2、圖3）。

其他一些車輛輕量化措施有：

（1）設(shè)備合理選型。車輛設(shè)計(jì)中應(yīng)選取合適的牽引電機(jī)和主逆變器功率，在滿足運(yùn)營(yíng)速度的前提下盡可能選用較小功率的部件，避免功率過大導(dǎo)致的資源浪費(fèi)及增加重量。如在制定上海地鐵11號(hào)線北段工程車輛招標(biāo)技術(shù)規(guī)格書要求時(shí)，在滿足合同要求的旅行速度37 km/h前提下，建議適當(dāng)放寬0～100 km/h平均加速度的要求，從0.5 m/s2降低至0.4 m/s2，這樣牽引電機(jī)功率即可從230 kW降低至190 kW，單電機(jī)質(zhì)量減少75 kg，每列車16個(gè)電機(jī)可減重1 200 kg。

（2）牽引系統(tǒng)通風(fēng)方式優(yōu)化。采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的牽引系統(tǒng)，可顯著降低設(shè)備質(zhì)量。以同等功率的VVVF地鐵牽引變流器和制動(dòng)電阻進(jìn)行比較，強(qiáng)迫風(fēng)冷比自然走行風(fēng)冷分別降低800 kg和240 kg，并能顯著提高車輛再生制動(dòng)能力。另一方面，強(qiáng)迫風(fēng)冷方式也有一定能耗。因此，在車輛設(shè)計(jì)中要綜合評(píng)估，才能得出最佳通風(fēng)冷卻方式。

（3）部件集成化。車輛設(shè)計(jì)中，對(duì)于車下高低壓箱、輔助逆變器、充電機(jī)、制動(dòng)設(shè)備等應(yīng)盡量采用集成安裝，避免分散安裝而增加質(zhì)量。如輔助逆變器和充電機(jī)可集成在一個(gè)箱體里面；空氣壓縮機(jī)和空氣干燥器可集成安裝在一起；制動(dòng)模塊和各種制動(dòng)風(fēng)缸可集成安裝在一起，降低設(shè)備骨架和懸掛質(zhì)量。

（4）車下設(shè)備箱。蓋板和附件盡可能采用鋁合金材料，設(shè)備箱骨架可減重15%～20%。

圖1 不同材料的車體質(zhì)量對(duì)比

圖2 鋁合金車體

圖3 不銹鋼車體

（5）立柱扶手和內(nèi)裝材料。立柱扶手盡量采用鋁合金，每節(jié)車可減重120 kg；內(nèi)裝材料采用鋁蜂窩板比鋁板可減重30%。

（6）設(shè)備懸掛。盡量不采用貫通梁而采用C型導(dǎo)槽懸掛，每節(jié)車可減重150 kg。

上述各項(xiàng)輕量化措施實(shí)施后，車輛質(zhì)量可顯著降低。采用某項(xiàng)車輛輕量化技術(shù)必須在確保車輛安全、可靠和性能的前提下做詳細(xì)計(jì)算和研究試驗(yàn)。

近年來(lái)我國(guó)自主研發(fā)的A型車車輛減重效果對(duì)比見表1，能耗統(tǒng)計(jì)見表2。其中，深圳地鐵1號(hào)線一期車輛為2001年龐巴迪設(shè)計(jì)的MOVIA鋁合金鉚接車輛，上海地鐵4號(hào)線車輛為西門子2002年設(shè)計(jì)的全焊接鋁合金車輛，深圳地鐵1號(hào)線二期車輛為南車株洲電力機(jī)車有限公司2008年交付的全焊接鋁合金車輛，上海地鐵1號(hào)線6輛編組改為8輛編組車輛為南車株洲電力機(jī)車有限公司2009年交付的全焊接鋁合金車輛，同比國(guó)外設(shè)計(jì)的車輛每節(jié)減重1～2 t，車輛輕量化效果十分顯著，獲得一致好評(píng)。

3.2 牽引、輔助及控制系統(tǒng)高效節(jié)能

年耗能根據(jù)地域、地下或地面的不同略有差異，一般在150萬(wàn)～190萬(wàn)kW·h，約相當(dāng)于2 000戶家庭年用電量[1]，能耗十分巨大。因此，在車輛設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)用時(shí)應(yīng)采取各種措施，以降低車輛運(yùn)營(yíng)能耗。主要措施有：

（1）提高系統(tǒng)部件效率，如主逆變器、牽引電機(jī)、齒輪傳動(dòng)等。主逆變器選用高效功率元件可降低能量傳輸損耗。GTO逆變器能量傳輸效率較低，一般只有0.98；最新IGBT逆變器能量傳輸效率可達(dá)0.99。直流牽引電機(jī)效率較低，一般只有0.9～0.91；交流牽引電機(jī)效率可提升至0.92～0.93；而最新永磁同步電機(jī)效率為0.96～0.97。一級(jí)齒輪傳動(dòng)效率一般為0.98；二級(jí)齒輪傳動(dòng)效率略低，為0.975；最新同軸傳動(dòng)取消了齒輪傳動(dòng)裝置，機(jī)械傳動(dòng)效率為1。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率是上述3個(gè)效率的乘積。

（2）提高再生制動(dòng)能力，盡可能實(shí)現(xiàn)全速度范圍內(nèi)不補(bǔ)充摩擦制動(dòng)。

城市軌道交通車輛在停站過程中，牽引電機(jī)可從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，通過主逆變器控制將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為再生電能反饋回電網(wǎng)，一旦同一個(gè)供電區(qū)間中有其他車輛需要吸收能量，該再生反饋能量即可被其他車輛吸收，達(dá)到節(jié)約能源的目的（見圖4）。

表1 A型車車輛減重效果 t

表2 上海、廣州、深圳地鐵A型車能耗統(tǒng)計(jì)

如上海地鐵3、4號(hào)線有相當(dāng)長(zhǎng)的重疊運(yùn)行路段，2種不同類型的車輛同時(shí)在上面運(yùn)行，而制動(dòng)閘瓦更換率相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，前者每年更換1～2次，后者運(yùn)營(yíng)五年尚未因磨耗到限而更換過閘瓦，這充分說明再生制動(dòng)能力的提升可大大降低摩擦制動(dòng)的施加，從而達(dá)到高效節(jié)能的目的（見圖5），并避免能量的無(wú)謂損失和污染隧道環(huán)境。

（3）空調(diào)根據(jù)載客量或CO2含量自動(dòng)調(diào)節(jié)新風(fēng)（見圖6）。車輛空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的能耗一般要占輔助系統(tǒng)能耗的80%以上。為降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，必須采用能夠根據(jù)載客量或CO2含量自動(dòng)調(diào)節(jié)新風(fēng)和制冷（熱）量的節(jié)能型空調(diào)。在客流稀少的早晨和夜間，降低車廂內(nèi)部新風(fēng)量可避免不必要的冷（熱）氣流失，從而達(dá)到節(jié)能的目的。上海地鐵已在4、5號(hào)線上進(jìn)行了二年多的新風(fēng)調(diào)節(jié)空調(diào)試驗(yàn)，結(jié)果表明可節(jié)約高達(dá)30%的能耗（見圖7）。在自主設(shè)計(jì)的上海地鐵11號(hào)線396節(jié)A型地鐵車輛上設(shè)計(jì)配置了具有四檔制冷調(diào)節(jié)和二檔新風(fēng)調(diào)節(jié)的792臺(tái)節(jié)能型空調(diào)機(jī)組，相比傳統(tǒng)二檔制冷調(diào)節(jié)和無(wú)新風(fēng)調(diào)節(jié)的空調(diào)機(jī)組，年節(jié)能可達(dá)400萬(wàn)kW·h以上。

（4）選用節(jié)能型LED光源。LED光源具有光效高（110 lm/W）和壽命長(zhǎng)（3萬(wàn)～5萬(wàn) h）等顯著特點(diǎn)，而傳統(tǒng)光源中最節(jié)能的熒光燈也僅有80 lm/W的光效和約5 000 h的壽命，這種新型光源在城市軌道交通車輛上正逐步開始大批量運(yùn)用（見圖8）。如在自主研制的深圳地鐵5號(hào)線180輛A型車項(xiàng)目中，總共采用約6 000個(gè)20 W的LED照明模塊替代36 W的熒光燈管，節(jié)能可達(dá)40%，年節(jié)電約50萬(wàn) kW·h。

圖4 城市軌道交通車輛能量再生反饋示意圖

圖5 全速度范圍內(nèi)不補(bǔ)充摩擦制動(dòng)的再生制動(dòng)特性圖

圖6 空調(diào)機(jī)組新風(fēng)調(diào)節(jié)示意圖

圖7 空調(diào)機(jī)組調(diào)節(jié)新風(fēng)后客室CO2含量實(shí)測(cè)

（5）根據(jù)運(yùn)營(yíng)客流情況進(jìn)行優(yōu)化，使列車以節(jié)能方式運(yùn)行。香港和新加坡地鐵的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)研究表明，城市軌道交通車輛的旅行速度與能耗相關(guān)性十分顯著，微小的旅行速度差異可以帶來(lái)巨大的能耗差異，使得低峰時(shí)段發(fā)車密度不高時(shí)可以通過優(yōu)化運(yùn)行時(shí)分來(lái)節(jié)約能源，因?yàn)榇藭r(shí)的乘客對(duì)旅行速度的微小差異不敏感。如設(shè)計(jì)旅行速度35 km/h的車輛當(dāng)降速至33 km/h運(yùn)行時(shí)，其能耗降低高達(dá)40%，而實(shí)際旅行時(shí)間僅差一分多鐘，影響很小（見圖9）[2]。

城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司通過合理調(diào)整運(yùn)營(yíng)時(shí)分，可在高峰時(shí)按設(shè)計(jì)旅行速度全速運(yùn)行，確保大運(yùn)量輸送，在低峰時(shí)段則按照適當(dāng)降低的速度運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。1992—1995年，香港地鐵通過上述優(yōu)化，運(yùn)營(yíng)車輛能耗下降了25%（見圖10）[2]。

以上所有節(jié)能措施中，根據(jù)運(yùn)營(yíng)客流情況進(jìn)行速度優(yōu)化使列車以節(jié)能方式運(yùn)行效果最為顯著，中國(guó)香港、新加坡的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明其年節(jié)能可高達(dá)數(shù)千萬(wàn)度。目前，中國(guó)大陸地鐵還尚未開展上述研究，車輛的車公里能耗遠(yuǎn)高于中國(guó)香港、新加坡等先進(jìn)地鐵（約2.0 kW·h/車公里）。目前南車株洲電力機(jī)車有限公司正與深圳地鐵公司一起共同研究通過優(yōu)化運(yùn)行圖實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能的課題，力爭(zhēng)盡早填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

3.3 供電系統(tǒng)反饋儲(chǔ)能及利用

由于城市軌道交通車輛采用再生制動(dòng)，停車時(shí)需要向電網(wǎng)回饋能量，如果電網(wǎng)的吸收能力不足，多余的能量將會(huì)消耗在車輛自身攜帶的制動(dòng)電阻或摩擦空氣制動(dòng)上，能量利用率就較低。根據(jù)廣州地鐵長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，從電網(wǎng)吸收的能量中約有40%可回饋給電網(wǎng)，從而被其他車輛使用[3]。

如果能夠在供電電網(wǎng)中增加儲(chǔ)存能量的裝置（如超級(jí)電容），不能被其他車輛吸收的能量可迅速儲(chǔ)存在超級(jí)電容上，并在車輛需要加速運(yùn)行時(shí)釋放出來(lái)，從而節(jié)約能耗（如北京地鐵5號(hào)線）。超級(jí)電容回饋、儲(chǔ)存和利用見圖11。

圖8 各種光源的光效比較

圖9 旅行速度與能耗的關(guān)系圖

圖10 香港地鐵車輛能耗年度趨勢(shì)圖

圖11 超級(jí)電容回饋、儲(chǔ)存和利用示意圖

這種電容儲(chǔ)能的方式儲(chǔ)存容量有限，一般只用在客流較小的線路或輕軌車輛上，對(duì)于大運(yùn)量的城市軌道交通線路需要更高容量的解決方案。新加坡地鐵率先在供電系統(tǒng)中采用了逆變裝置，一旦車輛再生回饋能量無(wú)法被電網(wǎng)吸收，逆變裝置能夠通過檢測(cè)網(wǎng)壓抬升迅速投入工作，將多余的能量反饋回供電變壓器原邊側(cè)或其他中壓供電系統(tǒng)中。實(shí)際運(yùn)用情況表明，可節(jié)約8%的車輛能耗，節(jié)能效果較明顯。具體實(shí)施方案見圖12。目前國(guó)內(nèi)尚未大規(guī)模展開相關(guān)節(jié)能運(yùn)用的研究和驗(yàn)證工作，主要原因是城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司對(duì)節(jié)能的投入和產(chǎn)出沒有定量認(rèn)識(shí)，因此節(jié)能工作的推進(jìn)極為緩慢。而國(guó)際上一種嶄新的節(jié)能項(xiàng)目模式（ENERGY MANAGEMENT CONTRACT，EMC）正在被廣泛采用。EMC是指以既有能源消耗定額為基礎(chǔ)，通過與用戶簽訂能源管理合同，加裝節(jié)能設(shè)備和采取節(jié)能措施等手段，共同獲得節(jié)能收益的一種服務(wù)模式。

3.4 工程維護(hù)車輛的節(jié)能減排

工程維護(hù)車輛雖然占整個(gè)城市軌道交通總能耗比率很小，但由于其采用內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)，是我國(guó)城市軌道交通中的排放大戶，特別是在地下隧道內(nèi)，柴油機(jī)排出的廢氣（黑煙）難以擴(kuò)散，直接威脅工作人員及乘客的健康。

目前，中國(guó)香港、新加坡等地鐵已經(jīng)逐步淘汰內(nèi)燃工程車，采用蓄電池電力工程車替代升級(jí)。電力牽引的能源轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)燃牽引，并能吸收和存儲(chǔ)制動(dòng)能量，其能源消耗成本不足內(nèi)燃機(jī)車的三分之一，碳排放和廢氣排放也遠(yuǎn)低于內(nèi)燃牽引。

中國(guó)南車株洲電力機(jī)車有限公司已向新加坡提供了14臺(tái)蓄電池電力工程車（見圖13），也向深圳地鐵提供了2臺(tái)，并同北京、昆明、寧波、廣州等多個(gè)城市地鐵公司簽訂了供貨合同。國(guó)內(nèi)地鐵擁有各種內(nèi)燃工程維護(hù)車輛數(shù)百臺(tái)，即將淘汰或更新，市場(chǎng)前景十分看好。

圖12 逆變裝置能量利用示意圖

圖13 中國(guó)南車株洲電力機(jī)車有限公司蓄電池電力工程車

蓄電池電力工程車主要技術(shù)參數(shù)：

電流制：DC 750 V或1 500 V；

軌距：1 435 mm；

傳動(dòng)方式：直-交電力傳動(dòng)；

軸式：Bo-Bo；

輪徑：840 mm；

軸重：12.5 t；

整備質(zhì)量：50 t；

最大速度：65 km/h（電網(wǎng)）/40 km/h（蓄電池）；

起動(dòng)牽引力：100 kN；

輪周牽引功率：400 kW（電網(wǎng)）/300 kW（蓄電池）；

蓄電池類型/容量：膠體式酸性/400 Ah；

車鉤型式：半自動(dòng)式車鉤；

外形尺寸：15 460 mm×2 780 mm×3 587 mm。

目前，單純從采購(gòu)成本看，蓄電池電力工程車高于內(nèi)燃工程車。根據(jù)配置容量大小，蓄電池電力工程車最高600多萬(wàn)元/臺(tái)，內(nèi)燃工程車約350萬(wàn)元/臺(tái)，采購(gòu)成本約高250萬(wàn)元。但全壽命周期成本蓄電池電力工程車遠(yuǎn)低于內(nèi)燃工程車。蓄電池電力工程車壽命高達(dá)30年，內(nèi)燃工程車約15年，即使按30年計(jì)算，蓄電池電力工程車全壽命周期成本比內(nèi)燃工程車低600萬(wàn)元，碳排放降低4 800 t，且基本沒有有害廢氣排放。

低碳技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用前景廣闊，效益可觀，但我國(guó)城市軌道交通的低碳技術(shù)應(yīng)用與先進(jìn)國(guó)家相比仍十分落后。作為城市軌道交通車輛制造企業(yè)，中國(guó)南車株洲電力機(jī)車有限公司有責(zé)任和義務(wù)與城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司一道加快低碳技術(shù)的推廣應(yīng)用。

[1] 徐世軍. 一號(hào)線列車牽引系統(tǒng)能耗分析報(bào)告[R]，2007

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

[3] 劉寶林. 地鐵列車能耗分析[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2007(4)