淺析“雙碳”目標(biāo)下城市軌道交通節(jié)能減排的措施

盧 丹 劉旭東

1.新疆工程學(xué)院

2.烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司

0 概述

2021年12月召開(kāi)的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議確定了“穩(wěn)字當(dāng)頭、穩(wěn)中求進(jìn)”的經(jīng)濟(jì)工作總基調(diào)，其中“雙碳”目標(biāo)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略，城市軌道交通作為城市耗能主體，在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)上起著重要的作用。城市軌道交通不僅是消除交通瓶頸、解決交通供需、緩解道路壓力、帶動(dòng)沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一種大運(yùn)量、便捷、準(zhǔn)時(shí)的交通方式，也是完善城市綜合交通體系的需要。城市軌道交通雖為整個(gè)城市帶來(lái)了利益，但由于其線路長(zhǎng)、站點(diǎn)多、運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，其能耗也非常大。為節(jié)約能源，很多公司對(duì)地鐵能耗進(jìn)行了研究和改造，如同方泰德對(duì)北京地鐵8 號(hào)線采用了風(fēng)水聯(lián)調(diào)技術(shù)，使單站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)電54 萬(wàn)kWh［1］；上海地鐵應(yīng)用地鐵環(huán)境控制及能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、空調(diào)水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)的全局優(yōu)化和協(xié)同控制［2］；廣州地鐵從設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理、節(jié)能減排新技術(shù)方面實(shí)施了地鐵節(jié)能降耗措施［3］。

1 設(shè)計(jì)方面節(jié)能減排措施

城市軌道交通設(shè)計(jì)方面節(jié)能減排措施包括：

1)因地制宜，采用合適的曲線半徑，減小列車運(yùn)行阻力；

2)按照城市軌道交通車站設(shè)計(jì)規(guī)范，合理布局站點(diǎn)，確定合適的站間距，以降低列車的頻繁起動(dòng)和制動(dòng)，并充分發(fā)揮列車的惰力運(yùn)行作用，減小列車運(yùn)行阻力和運(yùn)行時(shí)間，提高乘客的舒適度；

3)合理設(shè)計(jì)區(qū)間坡度及坡長(zhǎng)，使列車在出站時(shí)利用區(qū)間的快速下坡將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在消耗較少牽引電能的情況下獲得列車運(yùn)行所需的加速度和目標(biāo)速度。

節(jié)能減排措施見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)計(jì)方面節(jié)能減排措施

2 設(shè)備方面節(jié)能減排措施

城市軌道交通是一個(gè)線長(zhǎng)、面廣的綜合型大型工程，由于涉及多個(gè)領(lǐng)域，耗能系統(tǒng)和設(shè)備類型數(shù)量多且較大。為了更好地做到節(jié)能減排，需對(duì)軌道交通的每個(gè)耗能系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)研究，了解其耗能機(jī)制，提出切實(shí)可行的節(jié)能減排措施。

根據(jù)城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范及耗能設(shè)備的功能、用途、位置等，主要耗能設(shè)備與分布情況見(jiàn)表1。

表1 城市軌道交通主要耗能設(shè)備與分布情況

設(shè)備方面節(jié)能減排措施見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)電系統(tǒng)與設(shè)備節(jié)能減排措施

2.1 供電系統(tǒng)與設(shè)備

1)以交通線路長(zhǎng)度和車站位置為設(shè)計(jì)依據(jù)選定牽引變電所位置，同時(shí)按設(shè)計(jì)規(guī)范在上、下行之間設(shè)置均流線以降低牽引網(wǎng)中的能耗。

2)中壓環(huán)網(wǎng)在滿足最低壓降的情況下盡量選擇線阻小的電纜，接線形式力求簡(jiǎn)單。

3)車站降壓變電所盡量選用低損耗變壓器，且位置靠近負(fù)荷中心以減少能耗。

4)采用再生能源逆變裝置，將列車制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茏鳛楸玖熊嚨妮o助電源及本供電區(qū)間內(nèi)其它列車的動(dòng)力照明，在節(jié)省能源的同時(shí)還減緩了地鐵隧道內(nèi)溫度的上升。

2.2 機(jī)電系統(tǒng)與設(shè)備

2.2.1 照明設(shè)備

1)根據(jù)區(qū)域照明地的照度和亮度要求選用照明光源及燈具，照度要求較高的場(chǎng)所采用混合照明，面積較大的場(chǎng)所采用一般照明。

2)根據(jù)照明區(qū)域功能要求選用和配置適宜的動(dòng)力設(shè)施，配置靈活方便的開(kāi)關(guān)用以照明，站廳、站臺(tái)采用多路交叉方式供電以節(jié)約用電。

3)地面建筑采用天然采光和人工照明相結(jié)合的方式，室外照明配置節(jié)能控制器以便后半夜自動(dòng)降低饋給燈具的電壓。

2.2.2 通風(fēng)空調(diào)設(shè)備

1)車站通風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，根據(jù)所需風(fēng)量調(diào)節(jié)以降低運(yùn)行能耗。

2)選用高效低噪的軸流風(fēng)機(jī)或混流風(fēng)機(jī)，設(shè)定合適的風(fēng)量和風(fēng)壓。

3)水泵選型應(yīng)使水泵運(yùn)行在高效區(qū)，嚴(yán)禁大馬拉小車現(xiàn)象。當(dāng)空調(diào)水系統(tǒng)制冷和制熱為同一個(gè)管網(wǎng)，且冬季供熱水量和夏季供冷水量之差超過(guò)30%時(shí)按季節(jié)設(shè)置循環(huán)水泵。

2.2.3 給排水設(shè)備

1)給水系統(tǒng)應(yīng)充分利用城市的自來(lái)水水壓來(lái)保證管網(wǎng)直供的生活、生產(chǎn)用水，消防水泵直接接在市政管網(wǎng)上抽吸加壓。

2)水泵選型應(yīng)使水泵運(yùn)行在高效區(qū)，應(yīng)選用效率高、噪音低、體積小、重量輕、占地面積小和安裝檢修方便的高效節(jié)能產(chǎn)品。

3)排水系統(tǒng)應(yīng)充分利用重力流，當(dāng)高差不能滿足要求時(shí)設(shè)排水泵。當(dāng)采用壓力排水系統(tǒng)時(shí)，排水泵站應(yīng)盡量靠近地面以減小揚(yáng)塵、降低功率。

4)給排水系統(tǒng)應(yīng)采用自啟?？刂葡到y(tǒng)，利用高低水位探頭監(jiān)測(cè)水位，根據(jù)運(yùn)行狀況設(shè)置目標(biāo)參數(shù)，使系統(tǒng)處于高效節(jié)能狀態(tài)。

5)在設(shè)備、管材及管道接口等方面應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料，減小管道摩擦阻力、提高水力性能，使設(shè)備節(jié)能、高效地運(yùn)行。

2.2.4 電扶梯設(shè)備

1)選用永磁同步驅(qū)動(dòng)電梯，采用高磁通密度永磁材料，將曳引輪直接安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗傳動(dòng)，效率遠(yuǎn)高于有齒輪曳引機(jī)，綜合節(jié)能率達(dá)20%左右，此外渦輪渦桿的取消避免了齒輪油的大量應(yīng)用。

2)采用變頻變壓VVVF（Variable Voltage and Variable Frequency）方式控制自動(dòng)扶梯，在自動(dòng)扶梯上加設(shè)變頻裝置，扶梯的啟動(dòng)由變頻器控制。當(dāng)安裝在扶梯出入口處的傳感器檢測(cè)到有乘客乘梯時(shí)，自動(dòng)扶梯立即響應(yīng)，速度平穩(wěn)升至100%額定速度；當(dāng)在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)傳感器未感應(yīng)到有乘客時(shí)，扶梯速度自動(dòng)降至20%（0.13 m/s）的低速節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 綜合監(jiān)控設(shè)備

1)選用多業(yè)務(wù)承載傳送MSTP（Multi- Service Transport Platform）技術(shù)，使用統(tǒng)一平臺(tái)承載語(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)，模塊化設(shè)計(jì)使集成程度高、結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低。

2)在保證質(zhì)量、安全的前提下，盡量選擇能耗、輻射小的產(chǎn)品，設(shè)備室及IBP盤布置緊湊、電源配線路徑簡(jiǎn)捷，以減少線路損耗和材料能耗。

2.4 通號(hào)設(shè)備

2.4.1 通信設(shè)備

1)將通信傳輸、乘客信息、安防等模塊化設(shè)計(jì)，降低能耗。

2)通信干線采用雙光纜線路，區(qū)間通信采用有線傳輸和無(wú)線通信相結(jié)合的方式，地區(qū)和站場(chǎng)也盡量采用光纜，減少電纜的使用。

3)通信電源采用智能化電源對(duì)通信設(shè)備集中供電，蓄電池采用免維護(hù)、轉(zhuǎn)換效率高的蓄電池組。

2.4.2 信號(hào)設(shè)備

列車運(yùn)行采用自動(dòng)駕駛（ATO）系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)模式，充分利用列車的最大加速度產(chǎn)生的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)惰行，減少控制頻度，降低牽引能耗，使列車按最佳曲線運(yùn)行。

2.5 車輛設(shè)備

1)車體材料使用鋁合金或不銹鋼以減輕車體重量，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)構(gòu)架采用鋼板壓型焊接，減輕構(gòu)架自重。

2)采用變頻變壓（VVVF）調(diào)速控制方式［4］。逆變器將直流轉(zhuǎn)變成交流，通過(guò)電壓和頻率的變化控制交流電機(jī)，無(wú)換向部分，運(yùn)行可靠、過(guò)載力強(qiáng)、重量輕。

3)采用“動(dòng)+拖”混合編組方式。

4)將絕緣柵極雙極型晶體管應(yīng)用到輔助電源系統(tǒng)，不但大大提高轉(zhuǎn)換效率，且輸出電壓頻率精度高，高容量時(shí)可使用自然冷卻方式降低能耗。

5)綜合使用再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)、空氣制動(dòng)，充分利用再生制動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，保證電制動(dòng)的穩(wěn)定性，最大程度地減少環(huán)境污染。

2.6 車輛段及停車場(chǎng)基地

1)在滿足功能要求的同時(shí)盡量做到布局緊湊。股道布置要使車輛作業(yè)順暢，避免車輛在段內(nèi)交叉干擾和走行距離增加。管路鋪設(shè)應(yīng)短、直，建筑位置及朝向要充分利用自然采光和自然通風(fēng)。

2)庫(kù)內(nèi)照明、段（場(chǎng)）路燈、辦公設(shè)備及大能耗設(shè)備應(yīng)選用國(guó)家或行業(yè)推薦的節(jié)能產(chǎn)品，積極使用新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備，如采用太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能熱水器、庫(kù)頂光伏供電等。在設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)充分考慮設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)，節(jié)約電能。

3)盡可能回收、循環(huán)利用資源，如列車洗車水經(jīng)沉淀、過(guò)濾、消毒后二次循環(huán)利用；將生活用水和綠化用水分開(kāi)水源，如生活用水水源來(lái)自自來(lái)水，綠化用水來(lái)自經(jīng)循環(huán)處理后的中水。

4)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、線路坡度、設(shè)備使用情況及常用負(fù)載等合理選用設(shè)備容量及動(dòng)力提供方式。

3 管理方面節(jié)能減排措施

1)培養(yǎng)員工節(jié)能減排意識(shí)，樹(shù)立自上而下的“低碳環(huán)保、綠色節(jié)能”理念，定期開(kāi)展節(jié)能教育和技術(shù)培訓(xùn)，做到一級(jí)重管理，二級(jí)重實(shí)施，使節(jié)能減排工作落地生根。

2)成立專人負(fù)責(zé)的節(jié)能減排管理體系對(duì)用能系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，建立、保持并完善具有明確職責(zé)范圍、權(quán)限和獎(jiǎng)懲制度的管理體系，落實(shí)管理職責(zé)。

3)建立節(jié)能減排管理制度，貫徹執(zhí)行節(jié)能方針、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，制定和實(shí)施適用于本企業(yè)的節(jié)能管理細(xì)則、節(jié)能目標(biāo)和管理標(biāo)準(zhǔn)。

4)做好節(jié)能減排運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)工作，做好原始記錄，制訂各項(xiàng)能源消耗統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施節(jié)能減排獎(jiǎng)懲制度，提高節(jié)能減排的積極性。

5)做到走出去、引進(jìn)來(lái)的管理理念，知悉行業(yè)最前沿技術(shù)，吸納同行業(yè)先進(jìn)的管理模式和經(jīng)營(yíng)做法。

管理方面節(jié)能減排措施見(jiàn)圖3。

圖3 管理方面節(jié)能減排措施

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通作為城市運(yùn)輸領(lǐng)域的耗能行業(yè)，在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下不斷向更綠色轉(zhuǎn)型，在保證安全運(yùn)營(yíng)的前提下，不斷使用綠色技術(shù)、綠色設(shè)備、綠色管理來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高能源的利用效率。