關(guān)于城市軌道交通節(jié)能的思考及展望

徐妍彥

摘 要：城市軌道交通是各大城市的主要交通方式，基于軌道交通的里程長(zhǎng)、數(shù)量大，城市軌道交通的總能耗大的特點(diǎn)，作者結(jié)合中學(xué)期間所學(xué)能量守恒和能量轉(zhuǎn)化知識(shí)，對(duì)城市軌道列車(chē)進(jìn)站制動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換提出了機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能、迫使形成活塞風(fēng)發(fā)電等節(jié)能思考，針對(duì)地鐵站內(nèi)乘坐電梯人流較大這一現(xiàn)狀，提出了“上行和下行電梯串聯(lián)同步運(yùn)行”的節(jié)能構(gòu)想：即依靠下行電梯的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為上行電梯的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)節(jié)能;針對(duì)地鐵隧道內(nèi)白天需要照明，作者提出了用光導(dǎo)纖維將地面自然光傳送至地鐵隧道和地鐵站內(nèi)用于照明這一技術(shù)思路，以期為城市軌道交通節(jié)能事業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通;地鐵;能量轉(zhuǎn)換;活塞風(fēng);箱式電梯;同步運(yùn)行

一、研究背景

在日新月異的現(xiàn)代社會(huì)中，我國(guó)城市公共交通日益發(fā)展，然而軌道交通是城市公共交通的主要形式，具有節(jié)能、省地、運(yùn)量大、少污染、安全等特點(diǎn)，具有綠色環(huán)保交通體系，符合可持續(xù)發(fā)展的原則，特別適應(yīng)于大中城市。常見(jiàn)的城市軌道交通主要有地鐵、輕軌、市郊鐵路、有軌電車(chē)以及懸浮列車(chē)等多種類型。

截止2017年底，全國(guó)內(nèi)地開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通的城市共33個(gè)，開(kāi)通線路150多條，運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)4500公里，位居世界第一，到2020年全國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)總里程預(yù)計(jì)超過(guò)7000公里。雖然軌道交通能耗比其他形式交通小，但由于其大運(yùn)量的特點(diǎn)，其總耗能量相當(dāng)大。1條運(yùn)營(yíng)里程25公里左右的地鐵線，1年的耗電量約為2億千瓦時(shí)。軌道交通成為各城市的用電大戶，仍有節(jié)能潛力。因此，盡快找到大幅降低軌道交通運(yùn)行能耗的方法，已成為保持城市軌道交通高速度可持續(xù)發(fā)展必須解決的重要問(wèn)題之一。

二、列車(chē)進(jìn)站制動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換

軌道列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，由于車(chē)站間距一般較短，因此要求起動(dòng)加速度和制動(dòng)加速度比較大，并具有良好的起動(dòng)和制動(dòng)性能。列車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中，往往將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電阻的熱能消耗，由于列車(chē)制動(dòng)發(fā)熱引發(fā)站臺(tái)和地下隧道熱量積累、溫度上升，某些城市軌道系統(tǒng)隧道溫度高達(dá)50℃，不得不加大通風(fēng)設(shè)備的容量，造成嚴(yán)重的二次能耗。因此，作者對(duì)軌道列車(chē)制動(dòng)能量非熱能轉(zhuǎn)換進(jìn)行了如下思考。

（1）思考一：利用導(dǎo)線切割磁力線感應(yīng)出電勢(shì)的電磁感應(yīng)原理，將軌道列車(chē)進(jìn)站的動(dòng)能變?yōu)殡娔茌敵?，同時(shí)導(dǎo)線還會(huì)受到與運(yùn)動(dòng)方向相反的磁場(chǎng)力的作用，形成列車(chē)制動(dòng)力，幫助列車(chē)減速。如圖1所示，在每節(jié)軌道列車(chē)箱體內(nèi)纏繞電樞線圈，在軌道列車(chē)進(jìn)站前一定長(zhǎng)度內(nèi)隧道兩側(cè)分別安裝N磁極和S磁極。列車(chē)高速進(jìn)站前，電樞線圈導(dǎo)線切割隧道兩側(cè)磁場(chǎng)中的磁感線產(chǎn)生電流，供列車(chē)照明或制動(dòng)使用，由于導(dǎo)線就是通電導(dǎo)體，在磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力的作用，阻礙列車(chē)行進(jìn)的方向，也就形成了列車(chē)的制動(dòng)力。

（2）思考二：利用軌道列車(chē)進(jìn)站過(guò)程中形成的隧道活塞風(fēng)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電。列車(chē)進(jìn)站減速前行駛平均速度一般為60km/h，最快可以達(dá)到80km/h，列車(chē)高速行駛形成隧道活塞風(fēng)的風(fēng)速約5～7m/s，最高可以達(dá)到15m/s。軌道列車(chē)進(jìn)站見(jiàn)圖2。

利用列車(chē)正常行駛時(shí)隧道活塞風(fēng)發(fā)電是很多專家和學(xué)者研究的課題。這里筆者利用列車(chē)進(jìn)站隧道活塞風(fēng)進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)快速降低列車(chē)進(jìn)站速度，將列車(chē)的動(dòng)能間接轉(zhuǎn)化為電能。如圖3所示，在列車(chē)進(jìn)站前區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)置進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口，在列車(chē)停車(chē)區(qū)域設(shè)置自動(dòng)屏蔽門(mén)，在列車(chē)頂部設(shè)置多組自動(dòng)升降擋風(fēng)板（類似于飛機(jī)降落時(shí)自動(dòng)打開(kāi)的機(jī)翼?yè)躏L(fēng)板，能快速迫使飛機(jī)減速）。

當(dāng)列車(chē)進(jìn)站時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)列車(chē)車(chē)頂擋風(fēng)板、隧道屏蔽門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，擋風(fēng)板受到的空氣阻力能使列車(chē)快速減速;同時(shí)由于屏蔽門(mén)的封閉，列車(chē)前方形成一個(gè)相對(duì)密封的空間，列車(chē)行駛過(guò)程中壓縮隧道內(nèi)空氣，使隧道內(nèi)壓力增加，迫使列車(chē)速度減小，隧道內(nèi)空氣從出風(fēng)口快速排出，形成活塞風(fēng)。當(dāng)在隧道出風(fēng)口安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，活塞風(fēng)發(fā)電，電能補(bǔ)給車(chē)站，同時(shí)利用風(fēng)的阻力迫使列車(chē)降速。由于設(shè)置了進(jìn)風(fēng)口，及時(shí)給隧道補(bǔ)充了空氣，能有效防止隧道形成負(fù)壓。

三、地鐵站內(nèi)電梯驅(qū)動(dòng)串聯(lián)同步運(yùn)行

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大和人們生活水平不斷提高，電梯的使用現(xiàn)在越來(lái)越多，電能供需矛盾日益突出，節(jié)電呼聲日益高漲。電梯節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，經(jīng)測(cè)算，一臺(tái)廂式垂直升降電梯每天用電量約為200度，一臺(tái)扶梯每天用電量超過(guò)400度，因此，研究電梯節(jié)約電能具有特別重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

電梯在上行和下行過(guò)程中，電機(jī)做功和輸出功率不同，當(dāng)電梯負(fù)載下行時(shí)，可以通過(guò)能量回饋裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，但是采取這一方式能量的轉(zhuǎn)化成本高、能量轉(zhuǎn)換的效率較低。在傳統(tǒng)廂式垂直升降電梯中，為減小轎廂滿載上行拽引電機(jī)電流，在轎廂拽引繩另一端配置一個(gè)與電梯載重量相當(dāng)?shù)膶?shí)心配重塊，如圖4所示，當(dāng)電梯滿載時(shí)，實(shí)心配重塊可以使電機(jī)額定載重運(yùn)行最省力，起到節(jié)能的目的。這類傳統(tǒng)電梯運(yùn)行時(shí)拽引電機(jī)必須對(duì)實(shí)心配重塊做功，電梯的能耗高，尤其是當(dāng)電梯空載下行時(shí)，拽引電機(jī)的電流最大。

在人流量較大的地鐵站中，早晚高峰時(shí)段電梯基本處于滿負(fù)荷運(yùn)行，電梯上下乘客的數(shù)量基本持平。參考傳統(tǒng)廂式電梯配載運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)如圖5所示的廂式并聯(lián)同步驅(qū)動(dòng)電梯，這種電梯基于機(jī)械能守恒的原理，只要同步運(yùn)行的兩臺(tái)電梯載荷基本相同，下行電梯在重力的作用下幾乎可以自行帶動(dòng)上行電梯，驅(qū)動(dòng)電機(jī)只需克服系統(tǒng)摩擦力做功，輸出功率較小，能耗小。當(dāng)兩個(gè)轎廂內(nèi)乘客不相同或差異較大（一個(gè)空載、一個(gè)滿載）時(shí)，可以將某一轎廂看作傳統(tǒng)電梯的實(shí)心配重塊，本實(shí)用新型電梯的能耗也不會(huì)比傳統(tǒng)廂式電梯的能耗大。由此可見(jiàn)，這類電梯非常適合人流較大的地鐵站等公共場(chǎng)所。

依據(jù)這一原理，地鐵站內(nèi)的踏步式自動(dòng)扶梯也可同樣采取這一驅(qū)動(dòng)方式，單層電梯運(yùn)行可參見(jiàn)示意圖6設(shè)置，對(duì)雙層電梯運(yùn)行可參見(jiàn)圖7示意圖設(shè)置。

四、結(jié)論和展望

（1）結(jié)論。在當(dāng)今世界能源日趨緊張情況下，厲行節(jié)能降耗，建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。作者通過(guò)觀察地鐵列車(chē)進(jìn)站、乘客乘坐電梯進(jìn)出地鐵站等，結(jié)合中學(xué)物理知識(shí)，設(shè)想利用軌道列車(chē)進(jìn)站做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，不僅能快速減小列車(chē)進(jìn)站動(dòng)能，同時(shí)能將列車(chē)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能供地鐵站使用;設(shè)想利用列車(chē)進(jìn)站形成的隧道活塞風(fēng)不僅能快速減小列車(chē)動(dòng)能，同時(shí)也能將列車(chē)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能;設(shè)想?yún)⒖紓鹘y(tǒng)廂式電梯配載運(yùn)行模式，將地鐵站內(nèi)電梯驅(qū)動(dòng)并聯(lián)運(yùn)行，通過(guò)將電梯滿載下行的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電梯上行所需的機(jī)械能，大大減少電梯用電量，上述地鐵站內(nèi)的幾點(diǎn)節(jié)能設(shè)想值得專家學(xué)者研究和推廣。

（2）展望。地鐵站內(nèi)的照明系統(tǒng)也是維持地鐵正常運(yùn)行的重要組成，由于其工作時(shí)間長(zhǎng)并且能耗大，因此地鐵照明系統(tǒng)的節(jié)能意義也非常重大，筆者設(shè)想如果利用光導(dǎo)纖維將地面以上的自然光引入地鐵站內(nèi)或列車(chē)運(yùn)行隧道內(nèi)，滿足地鐵站內(nèi)白天照明的需要，這將極大減少地鐵的運(yùn)行能耗，相信這一科學(xué)技術(shù)在不久的將來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)，光纖傳光見(jiàn)圖8。

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指導(dǎo)老師：韓浩，張露。