文_李舟 柏赟 李旭

1 北京節(jié)能環(huán)保中心 2 北京交通大學(xué)

交通運(yùn)輸是我國節(jié)能減排的三大重點(diǎn)領(lǐng)域之一，加快交通運(yùn)輸行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型是落實(shí)碳達(dá)峰碳中和的重要舉措。城市軌道交通是低碳交通方式的領(lǐng)先者，但面對(duì)龐大的軌道路網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)營，其日益增長的運(yùn)行能耗及部分老舊線路能效較低問題不容小覷。因此，不斷優(yōu)化城市軌道交通設(shè)計(jì)水平與管理能力，深入挖掘各線路節(jié)能潛力，提升軌道交通綠色化水平是實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域節(jié)能減碳的一項(xiàng)重要工作。

1 北京市軌道交通能源消費(fèi)現(xiàn)狀

截止2021年，北京市軌道交通運(yùn)營線路24條，總里程783km（不含市郊鐵路），隨著路網(wǎng)規(guī)模快速擴(kuò)展，軌道交通能源消費(fèi)總量也由2016年的54萬tce增長到2020年的68萬tce，年均增長5.9%，占到全市交通運(yùn)輸行業(yè)（不含航空、鐵路）能耗總量的30%左右?！侗本┦小笆奈濉睍r(shí)期交通發(fā)展建設(shè)規(guī)劃》指出，到2025年軌道交通里程將達(dá)到1600km。預(yù)計(jì)能耗總量將超過110萬tce。

能源利用效率方面，通過調(diào)研，北京市地鐵各線路百車公里牽引單耗波動(dòng)范圍為130～384kWh，萬人公里牽引單耗波動(dòng)范圍為290～3550kWh。

能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)方面，城市軌道交通能耗由電力、天然氣（CNG）和外購熱力組成。其中，電力消耗占到總能耗的87%以上，主要包含列車牽引電耗和動(dòng)力照明電耗，分別占到總電耗的53%和42%。

2 軌道交通能耗分布及影響因素分析

根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及車載裝置采集的瞬時(shí)電耗數(shù)據(jù)分析，軌道交通進(jìn)線電耗中有50%～60%會(huì)傳輸給牽引系統(tǒng)使用，40%～50%電能會(huì)傳輸給車站系統(tǒng)使用。牽引系統(tǒng)中，牽引實(shí)耗（包括因牽引電機(jī)效率產(chǎn)生的牽引損耗及克服阻力做功的電耗）及制動(dòng)相關(guān)電耗（包括摩擦制動(dòng)動(dòng)能損失和再生能）占比較高，車載輔助設(shè)備電耗占比次之，線路損耗占比最小。

牽引電耗主要受各站間距及軌道縱斷面設(shè)計(jì)影響較大。一般情況下，站間距越小，列車頻繁制動(dòng)啟動(dòng)，引起電耗增高，萬車公里牽引電耗增長。在相鄰車站高程相近的情況下，區(qū)間縱斷面設(shè)計(jì)方案包括“高區(qū)間、低站位”的凸型坡和“高站位、低區(qū)間”的“V”型坡兩種設(shè)計(jì)形式，如圖1所示。當(dāng)縱斷面設(shè)計(jì)為“V”型坡時(shí)，列車出站下坡，可借助坡道勢能加速，將列車重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，縮短牽引加速時(shí)長，減少牽引電耗，更為節(jié)能。

圖1 軌道交通縱斷面設(shè)計(jì)形式

車站系統(tǒng)中，通風(fēng)空調(diào)、照明、自動(dòng)扶梯系統(tǒng)電耗占車站總電耗的60%～80%。而且地下線的通風(fēng)空調(diào)、電扶梯電耗占比遠(yuǎn)高于地上線，主要原因在于地下線車站通常更為封閉，通風(fēng)空調(diào)設(shè)備使用頻繁且運(yùn)行功率大，站房深度大，電梯數(shù)量多。此外，客流量及外界環(huán)境因素也是引起牽引電耗和車站電耗變化較大的因素。如疫情期間，客流量急劇減少，滿載率降低，引起車公里牽引電耗下降較大。地上線路冬季使用空調(diào)供暖、夏季使用空調(diào)制冷，牽引電耗呈現(xiàn)雙峰的變化趨勢。

3 北京市軌道交通綠色提升建議

電力消耗在軌道交通總能耗中占比達(dá)到87%，節(jié)約列車牽引用電和車站動(dòng)力照明用電是軌道交通綠色提升的重點(diǎn)。

3.1 降低城市軌道交通牽引電耗

3.1.1 設(shè)置符合列車運(yùn)行規(guī)律的線路縱斷面方案

為降低列車牽引單耗，城市軌道交通地下線縱斷面應(yīng)采用節(jié)能坡設(shè)計(jì)理念，可分為“V”型坡、“W”型坡和單面坡三種，如圖2所示。以設(shè)計(jì)速度為80km/h的線路為例，在相鄰兩站高程相差不大、站間距不超過1.3km時(shí)，宜設(shè)置“陡下坡+陡上坡”的V型坡，陡坡的坡度宜設(shè)置為20‰左右，坡長宜設(shè)置為200m；當(dāng)相鄰兩站高程相差不大、站間距超過1.3km時(shí)，宜設(shè)置“陡下坡+緩上坡+緩下坡+陡上坡”的W型坡，陡坡設(shè)置同上，緩坡坡度宜設(shè)置為5‰左右；當(dāng)兩相鄰車站高程差很大時(shí)，縱斷面宜設(shè)置先緩上坡、后陡上坡的單面坡。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段考慮列車運(yùn)行規(guī)律，合理設(shè)計(jì)線路縱斷面，可在不增加建設(shè)成本的情況下預(yù)期節(jié)約牽引單耗。

圖2 三種典型的城市軌道交通節(jié)能坡設(shè)計(jì)形式

3.1.2 合理選擇不同等級(jí)列車速度曲線

貫徹大站間距區(qū)間選擇高運(yùn)營速度曲線、小站間距區(qū)間選擇低運(yùn)營速度曲線原則。當(dāng)站間距在1km以下時(shí)，最高運(yùn)營速度不宜超過80km/h；站間距小于1.4km時(shí)，最高運(yùn)營速度不宜超過90km/h；站間距大于1.4km時(shí)，最高運(yùn)營速度可采用100km/h時(shí)。

在客流高峰時(shí)段宜選擇高運(yùn)營速度曲線、低峰時(shí)段宜選擇低運(yùn)營速度曲線?？土鞯头鍟r(shí)段的車站乘降量有所下降，可適當(dāng)壓縮停站時(shí)分、延長區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，在保證服務(wù)質(zhì)量與車底周轉(zhuǎn)的前提下節(jié)約牽引單耗。同時(shí)，可根據(jù)全天不同時(shí)段客流差異智能選擇速度曲線，節(jié)約牽引單耗。

3.1.3 加快牽引供電雙向變流技術(shù)與混合儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用

列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能可以通過逆變回饋裝置反饋至電網(wǎng)中重復(fù)使用，也可通過能量存儲(chǔ)裝置吸收與循環(huán)利用。在集中供電的地鐵線路，牽引供電系統(tǒng)宜采用雙向變流技術(shù)將再生制動(dòng)能反饋至電網(wǎng)，投資回報(bào)率較高。在發(fā)車間隔較大、分散供電模式（城市電網(wǎng)直接向各牽引變電所和降壓變電所供電）下，宜采用混合儲(chǔ)能裝置以提高再生制動(dòng)能利用率，進(jìn)而降低牽引單耗。

3.1.4 設(shè)置靈活高效的行車組織方案

結(jié)合道路網(wǎng)絡(luò)資源配置與客流時(shí)空分布規(guī)律，優(yōu)化行車組織方案，精準(zhǔn)投放列車運(yùn)力。針對(duì)區(qū)間斷面客流和不同時(shí)段客流差異較大的線路，宜分別采用多交路組織模式和多編組方案；針對(duì)連接中心城區(qū)與市郊地區(qū)的市域超長線，可采用快慢車組織模式；針對(duì)客流方向分布不均衡程度較高的線路，宜采用高峰時(shí)段開行部分單向車的不成對(duì)行車組織方案，并在滿足服務(wù)水平要求的前提下可節(jié)約牽引電耗。

3.2 降低車站動(dòng)力照明能源消耗

3.2.1 合理布設(shè)場站空間，加強(qiáng)綠色低碳設(shè)計(jì)

車站布設(shè)應(yīng)充分考慮客流需求，合理設(shè)計(jì)空間規(guī)模與電扶梯及空調(diào)通風(fēng)設(shè)備數(shù)量。按照滿足遠(yuǎn)期預(yù)測客流集散量和運(yùn)營管理用房需求設(shè)置車站規(guī)模，兼顧以人為本原則和綠色低碳理念。

3.2.2 加裝風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)

針對(duì)地下車站，可安裝風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)荷需求實(shí)現(xiàn)風(fēng)、水系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)調(diào)，降低通風(fēng)空調(diào)電耗。該系統(tǒng)可在只增加少量投資成本的情形下取得可觀的節(jié)能效益，節(jié)約車站動(dòng)力照明電耗15%～20%。

3.2.3 新能源及綠色智能照明系統(tǒng)應(yīng)用

對(duì)于地上車站與車輛基地，積極推進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)和光導(dǎo)照明系統(tǒng)，減少常規(guī)能源消耗及碳排放量。對(duì)于地下車站，采用智能LED燈照明，實(shí)現(xiàn)車站照明系統(tǒng)智能化管理，相較現(xiàn)有T8熒光燈能效提升一倍，可節(jié)約車站動(dòng)力照明電耗7%～8%。北京地鐵可繼續(xù)推進(jìn)其他線路的LED燈節(jié)能升級(jí)改造，降低車站動(dòng)力照明能耗。

智能照明控制系統(tǒng)基于環(huán)境信息獨(dú)立控制各設(shè)備的開關(guān)或調(diào)節(jié)設(shè)備的亮度，實(shí)現(xiàn)車站照明系統(tǒng)智能化管理，可節(jié)約車站動(dòng)照電耗。北京地鐵7號(hào)線環(huán)球影城站、上海地鐵2號(hào)線部分車站和杭州地鐵4號(hào)線景芳站采用智能照明系統(tǒng)可顯著節(jié)約照明電耗。

3.3 實(shí)現(xiàn)能源消耗及碳排放精細(xì)化管理

3.3.1 搭建交通能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺(tái)

搭建集列車牽引與車站動(dòng)力照明于一體的能耗監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)各專業(yè)能耗數(shù)據(jù)的全面覆蓋、自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)上傳與分級(jí)監(jiān)測。利用人工智能技術(shù)提升能耗數(shù)據(jù)挖掘水平，實(shí)時(shí)診斷異常能耗場景，為軌道交通的節(jié)能潛力分析、節(jié)能措施管理與效果驗(yàn)證提供支持。

3.3.2 健全節(jié)能減碳管理評(píng)價(jià)考核體系。

結(jié)合線路車站建設(shè)條件與外部客流特征，構(gòu)建城市軌道交通能耗多維評(píng)價(jià)體系，建立科學(xué)合理的能效評(píng)價(jià)機(jī)制，嚴(yán)格控制各線路各車站的能耗與排放上限。分別針對(duì)規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)營階段，設(shè)立各專業(yè)各系統(tǒng)的能耗考核方法，加強(qiáng)分專業(yè)分系統(tǒng)的考核驗(yàn)收，落實(shí)節(jié)能措施的科學(xué)獎(jiǎng)懲，引導(dǎo)促進(jìn)行業(yè)綠色發(fā)展。