城市軌道交通與常規(guī)公交理論能耗的對比分析

　　摘 要：本文通過計算典型鋼輪鋼軌制式的軌道交通車輛和橡膠輪胎走行的常規(guī)公交車輛在不同滿載率和速度水平下，運送單位乘客理論上需要的牽引功率，從而得出城市軌道交通與常規(guī)公交理論能耗間的關(guān)系：在滿載情況下，常規(guī)公交的理論單位能耗在各個速度水平下，均為軌道交通的4～5倍；此外，還探討了滿載率和速度兩個因素對于公交車輛單位能耗的影響趨勢和程度。
　　關(guān)鍵詞：城市軌道交通 常規(guī)公交 對比分析 單位能耗
　　中圖分類號：TU984 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791(2011)10(b)-0000-00
　　
　　我國是一個人口眾多、資源相對匱乏的國家，大力發(fā)展城市公共交通，尤其是城市軌道交通這樣一種單位能耗少、環(huán)境污染低的交通方式才是緩解交通問題的根本出路。
　　在闡述城市軌道交通低能耗的這一優(yōu)點時，國內(nèi)外文獻(xiàn)一般采取定性的方式與常規(guī)公交對比；也有從鋼輪鋼軌之間以及橡膠輪與地面之間的摩阻力方面對比，或者從鐵路與公路貨物運輸?shù)哪芎膶Ρ?，來進(jìn)行定量分析【1】。但是城市客運公共交通有其自身的特點，以上方法都無法深入地對比城市軌道交通與常規(guī)公交運送單位乘客的能耗之間的關(guān)系，更無法探討影響單位能耗的重要因素，因此有必要從其他角度進(jìn)行剖析。
　　1．單位能耗計算
　　單位能耗的原始含義：某種公共交通車輛運送每位乘客每公里所消耗的能量，為該車型的單位能耗，其單位為J /人·km。
　　而在實際計算和比較過程中，車輛運行所需的牽引功率可以作為能耗比較的指標(biāo)，它間接反映車輛需克服阻力所作的功。其與能耗的關(guān)系可以表達(dá)為：
　　牽引功率×（1 km /車速）/ 乘客數(shù) ＝ 車輛運送每位乘客每公里所消耗的能量
　　在能耗的對比分析過程中，各車型的車速需相對固定，因此只比較牽引功率即可。文中將理論上車輛運送每位乘客消耗的牽引功率引申定義為單位能耗的指標(biāo)，以探討城市軌道交通與常規(guī)公交能耗間的關(guān)系以及影響因素。
　　1．1 車輛類型及基本參數(shù)和計算說明
　　本文選取三種典型的車型來進(jìn)行軌道交通與常規(guī)公交能耗的對比。分別是上海市軌道交通3號線車輛（大運量公交）、斯特拉斯堡Citadis新型有軌電車（中運量公交）和國產(chǎn)黃海DD6123S06型客車（低運量公交）。計算所需的車輛基本參數(shù)見表1
　　
　　
　　為了簡化研究，突出結(jié)果的普遍性，本文不考慮坡度阻力和曲線段的阻力，只研究平坡直線段的牽引功率。鋼輪鋼軌與橡膠輪胎車輛的牽引計算方式不同，載客量也不同，應(yīng)按照以下方法分別進(jìn)行計算牽引功率。
　　
　　1．2 計算結(jié)果
　　為了分析公共交通的滿載率對于單位能耗的影響，本文分別取滿載率50％，75％，100％，125％，求得各個車型運送單位乘客的功率消耗，列于表2
　　
　　2．單位能耗比較
　　2．1 滿載時速度對單位能耗的影響
　　由第1節(jié)公式可知，每種車型在滿載率一定的前提下，速度是影響單位能耗的唯一因素，表3和圖1反映了滿載情況下各種車型的單位能耗隨速度的變化。
　　
　　
　　從表3可以看到，隨著速度的增加，各車型的單位能耗增加的幅度都超過了速度增加的幅度，即對于所有公交方式而言，增加運行速度都要以增加更多的能耗為代價，因此公共交通需選擇合適的運行速度，既滿足服務(wù)水平的需要又適當(dāng)降低能耗。
　　隨著速度的增加，常規(guī)公交單位能耗的增加幅度比軌道交通大，即對常規(guī)公交而言，速度對于單位能耗的影響要大于軌道交通，在較高速度的運行水平下，軌道交通更能體現(xiàn)出節(jié)能的優(yōu)勢。
　　2．2 不同滿載率情況下能耗變化趨勢比較
　　顯然，本文提出的計算方式中，滿載率對于單位能耗的影響是最為關(guān)鍵的，以下按照不同的滿載率情況，分別比較各車型的單位能耗，并探討滿載率對單位能耗的影響規(guī)律。
　　為了表現(xiàn)不同滿載率下能耗的變化程度，將各滿載率水平下的能耗實際值與滿載時能耗相比，得到相對能耗指標(biāo)，作為對比分析的參考量。對于軌道交通而言，由第1節(jié)的公式可以推導(dǎo)出，在各速度下，不同滿載率的能耗的相對大小是固定的，即在不同速度下滿載率對于能耗的影響作用是相同的。于是，單位能耗隨滿載率的變化情況可以見表4及圖2和圖3。
　　
　　顯然，對于每種公交方式而言，滿載率不足50％時，單位能耗將比滿載時的能耗超出65％以上，很不經(jīng)濟(jì)。而提高滿載率可以有效得降低單位能耗，在滿載率125％時可以節(jié)省約14％的單位能耗。
　　另一點值得注意的是：按照通常的觀點，軌道交通的單位能耗受滿載率影響要遠(yuǎn)大于常規(guī)交通，這是由于軌道交通的空車質(zhì)量較重造成的。但從圖2可以看出，速度小于40km/h時，常規(guī)公交與軌道交通相比，滿載率對于單位能耗的影響程度小；而超過40km/h時，隨著速度的增加，常規(guī)公交滿載率50％時的能耗比100％時的能耗增加的幅度不斷加大，甚至超過了軌道交通。這說明低速時與我們的常規(guī)認(rèn)識較符合，軌道交通單位能耗受滿載率的影響較大，但高速時常規(guī)公交的能耗反而受滿載率的影響更大；同樣，在圖3的125％滿載率的單位能耗變化趨勢中也得到了相同的規(guī)律。
　　
　　
　　3．結(jié)論與待研究的問題
　　主要結(jié)論
　　大運量的城市軌道交通單位能耗比中運量的軌道交通低，但是二者比較接近。
　　滿載情況下，常規(guī)公交的單位能耗在各個速度水平下，均為軌道交通的4倍以上，能耗之比在4~5之間。
　　在城市公共交通的速度范圍之內(nèi)（≤100km/h），速度對于單位能耗的影響程度，常規(guī)公交要大于軌道交通。
　　對于常規(guī)公交和軌道交通而言，滿載率僅為50％時，單位能耗比100％滿載率時增加66％～71％，而125％的滿載率會使得單位能耗降低14％左右。提高公共交通的滿載率對于節(jié)約單位乘客能源消耗的效果是明顯的。
　　待研究的問題
　　車輛的不同操作方式、交叉口的信號優(yōu)先與否等條件對能耗有一定影響，需要進(jìn)一步研究理論能耗數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的差異。
　　以牽引功率作為能耗比較的指標(biāo)，可以比較鋼輪鋼軌系統(tǒng)和橡膠輪胎系統(tǒng)的理論意義上的能耗，但還不能反映車輛消耗能量的實際情況，例如內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)的效率大不相同，它們?yōu)檗D(zhuǎn)化牽引力所消耗的能量就不同，可以進(jìn)一步分析不同動力裝置的公交方式其能耗的對比。
　　
　　參考資料
　　[1] 馮卓津．城市有軌電車發(fā)展前景[J]．城市公共交通，2002，（3）：23
　　[2] 鐵道部第一勘測設(shè)計院．鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊－線路[M]．北京：中國鐵道出版社，1999，46－47
　　[3] 吳瑞麟，沈建武．道路規(guī)劃與勘測設(shè)計[M]．廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002，90－92
　　[4] 張學(xué)利，何勇．汽車動力性檢測中的滾動阻力[J]．公路交通科技，2000，（5）：93－95