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城市轨道交通节能分析
发布时间：
2015-11-04 12:00
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随着全球能源形势日趋严峻，我国政府对节能工作越来越重视，不仅制订颁布了有关的法律法规，而且明确提出了“十一五”期间节能的工作目标，同时各级地方政府根据中央的要求针对各行业特点对行业节能目标进行了细化和分解，并制定了相应的工作措施。
城市轨道交通行业是当前国内正逐渐发展壮大的新兴行业，是城市大运量公共交通的主要方式。有关研究资料表明，同等运量条件下城市轨道交通比汽车等能耗低3～4倍，因此城市轨道交通是一种节能型的公共交通方式。
尽管如此，由于城市轨道交通系统组成复杂、设备数量众多，其在运营过程中还是需要消耗大量能源，如果在规划、设计、建设以及运营等各环节做好节能研究、策划和管理工作，一定程度上还是可以节约能源的。
1 城市轨道交通能耗的主要特点
城市轨道交通是结合土木工程、车辆、信号、通信、供电、环控以及自动控制等各专业的综合性系统工程，现代化的城市轨道交通更是应用了大量新技术和新设备，在能源消耗方面主要有以下特点。
1.1 电力是主要能源
轨道交通运用的各类主要设备由电力驱动，仅有少量辅助设备消耗煤气、燃油等能源，另外在运营过程中也消耗少量的水资源。因此，轨道交通的主要能源是电力，这也是节能的主要控制对象。
(1)能耗峰谷明显
轨道交通作为公共交通一年四季都在运营，一般每天运营的时间大概从凌晨5点左右至深夜11点多，在运营期间电力消耗要占90%以上，运营结束后有一些设备维修、调试工作以及部分设备静态运行，也会有一定电力消耗。
此外，随着全球气候变暖，上海等一些南方城市夏季高温时间越来越长，轨道交通空调工况运营的时间一般要5～6个月左右，这段时间内的电力消耗很大。
根据历史数据统计，在运营条件比较成熟的轨道交通线路上通常情况下用于列车牵引的电力消耗比重超过50%，其它各类动力照明等电力消耗不到总量的一半。
(2)各种线路能耗可比性不足
由于轨道交通线路和车站有地下、高架、地面、沟堑等多种多样形式，一条线可能也是多种形式相结合的，在线路上运行的列车、在站场配备的各设备系统等也是各有差异，客运量大小也各不相同，即使在同一个城市里也几乎不可能建成各种条件基本相同的2条线路。因此，对不同线路之间的能源消耗和节能效果进行比评有一定难度。
2 城市轨道交通节能的主要工作思路
针对电力消耗是轨道交通主要能耗的特点，节约电力消耗主要可考虑三个方面的工作：一是减少非必要的机电设备数量或控制设备运行的时间，如控制变压器容量、减少非运行时段照明数量等;二是提高设备的效率或改变运行方式来降低电力消耗，如环控设备和电梯等采用变频器、节能坡和节能运行图等;三是应用新能源替代电能，如太阳能光源、地热能空调和风能发电等。这些工作需要从设计、工程建设以及运营管理等各个环节齐抓共管才能取得一定成效。
2.1 城市轨道交通节能理念及设计
虽然城市轨道交通在世界上已经有100多年的历史，但是现代化的城市轨道交通在国内真正大规模发展也只是近10多年来逐渐开始的。这个领域内节能的有关标准、技术要求等方面还很少涉及，而且国外在这方面也还没有系统化，目前也很难借鉴。因此，在设计阶段提出合理的节能理念对于提高节能效果有重要意义。
从城市轨道交通的实际情况分析，要建设一条节能效果良好的线路基本可以从线路、建筑、车辆及运行控制方式、供电系统、站场机电设备系统等专业设计以及运行图编制等方面考虑。目前在这些专业领域都已经分别取得一些成果，如节能坡、车辆再生制动的应用、供电系统变压器容量合理化、弱电专业UPS 综合化、节能设备和太阳能应用等等，但在一条线路上全面考虑和综合应用还比较少。为了取得良好节能效果，在设计时对于节能可作系统性考虑，即不仅要应用好已有的单项节能措施，而且处理好各专业的接口，提高节能措施的综合效率。
此外，对于线路各项节能设计要作专题审查，对综合节能效果要有量化评估，在设计阶段就要明确一条线路的能耗水平。
(1)节能设备的应用及前提条件
现在节能设备种类繁多，日常应用也比较广泛，通常主要是电子整流设备，如节能灯、LED光源、变频器等，还有一些是新能源设备，如太阳能设备、风能设备等等。但是城市轨道交通对安全性要求很高，在应用节能设备需要考虑对其它系统的影响，尤其是一些电子整流设备的应用对于供电系统谐波污染比较严重，部分设备还存在电磁干扰，对于依赖自动控制的城市轨道交通有较大的安全影响。在线路设计和工程施工阶段对于这些节能设备的选用将对今后运营阶段有重要影响，因此在应用这类节能设备时不仅要考虑设备的节能效果，还要考虑对谐波治理和防电磁干扰采取有效的应对措施。
(2)合同能源管理模式的应用
虽然城市轨道交通行业是公共服务产品，但是随着市场化运作逐渐推广，对于公共服务产品控制成本也显得更加重要。由于种种原因，现在节能应用时经济效益并不突出，有的还出现节能不节钱的情况，为此在做好节能同时如何节省成本是当前节能工作需要重视的问题。合同能源管理是一种基于市场化运作的新的节能机制，由专业化的能源管理公司通过与客户签订能源服务合同来为客户实施节能项目，为客户提供能源系统诊断和节能项目可行性分析，帮助项目融资，进行项目设计、原材料和设备采购、安装调试、工程验收、节能量监测、系统的运行维护以及项目管理和操作人员培训等一条龙服务。合同能源管理在其它一些行业和专业领域已经取得了一定的成效，上海政府部门也正在推广，但在城市轨道交通领域应用还比较少，可以考虑在工程建设或运营管理方面作一些尝试。
(3)加强日常管理提高节能效果
从国内其它城市和相关行业的经验来看，最能直接体现节能成效的还是要加强日常管理。城市轨道交通在运营阶段加强节能的日常管理也可以最大限度发挥节能效果，这主要可以从以下几个方面考虑。
① 建立有效制度
节能工作并不是一时的事情，必须制度化长期进行。管理单位可从能源和设备使用、节能绩效评估和考核、新技术研究等方面建立有效制度，并且在日常管理工作中加以落实。
组建管理机构
为了促进节能的日常管理，可由管理单位主要领导亲自挂帅组建一个专门的管理机构来开展工作是比较有成效的方法。这个机构主要可以负责制定节能策略和工作目标、编制规划和工作计划、节能数据统计和分析、节能绩效考核等有关方面的工作。
② 加强宣传教育
对于节能的意义、政策以及工作制度和措施等要大力宣传，由于行业的特殊性，不仅要行业的从业人员都学习和执行有关节能政策、制度，而且要对广大乘客宣传，共同理解和促进节能工作。
3 城市轨道交通能耗指标和计量
随着国内城市轨道交通的快速发展，已陆续编制、颁布了大量工程设计、建设以及运营方面的标准、规范，但与节能相关的标准和规范还比较少，因此很难对城市轨道交通线路能耗水平作量化评判。为了能更准确地掌握线路的能耗水平，确定正确的节能目标，需要根据各地方的实际情况，尽快制定和完善城市轨道交通节能相关的标准和规范，建立节能评价体系。
3.1 能耗指标的分类及考核指标选择
城市轨道交通的能耗指标可以从不同的角度分析，大体有以下几种。
(1)与客运周转量挂钩
千瓦时/人公里，即以单线(或网络)年度总耗电量与客运周转量的比值。类似可以引申分类能耗指标，如牵引能耗指标，即以单线(或网络)年度牵引系统耗电量与客运周转量的比值。
(2)与客流量挂钩
千瓦时/人次，即以单线(或网络)年度总耗电量与客流量的比值。
(3)与运能挂钩
千瓦时/车公里，即以单线(或网络)年度总耗电量与列车总行驶里程(或运营里程)的比值。
(4)与票务收入挂钩
千瓦时/元，即以单线(或网络)年度总耗电量与票务收入的比值。
由于城市轨道交通有多个专业系统组成，能耗指标还可以按系统进行分类。这些能耗指标分别体现了与城市轨道交通相关各个方面与能耗的关系，通过分类统计和计算都可以掌握能耗的实际情况和变化趋势。
为了实现提出的节能工作目标，城市轨道交通管理单位一般都会确定相应的节能考核指标。在确定节能考核指标需考虑城市轨道交通运营具有比较明显的公益性的特性，也要考虑公共交通运营服务工作的特点，对于管理多条线路的企业可以对不同线路提出不同的考核指标。为了真实反映运营服务的实际工作状况，建议考虑选择与运能挂钩的能耗指标来考核节能工作。
3.2 节能评价体系
其实一条线路实际的能耗水平以及节能的潜力在线路设计时已基本确定，在线路投入运营后基本只能通过加强管理保持或略微降低线路的能耗水平。因此，如果能在设计阶段就对线路的能耗水平有比较客观的评价，就有助于线路运营后制定正确的节能目标和考核节能工作成效。
为了准确对线路能耗水平作评价，在设计时需要综合考虑当地气候、地理条件以及公共交通客流状况和服务水平，并把线路各专业与能耗相关的所有因素进行分类，根据因素影响的大小建立相关的数学模型，经过详细计算后形成量化的线路能耗评价。这可以根据城市轨道交通设计不同运营时期提出不同的能耗评价结果，而且在线路运营后还可根据实际线路能耗的统计情况对照设计阶段的线路能耗评价结论，对运营阶段的节能管理水平有比较明确的评价。目前，上海城市轨道交通的研究部门已经开始着手研究和建设这样的能耗评价体系。
3.3 合理设置计量系统
不管采用什么能耗指标，要正确反映线路或网络的能耗状况必须建立在能耗准确计量的基础上。目前上海地区的各条轨道交通线路对电力系统都设置了总计量装置，但这些计量装置一般都设在主变电所，牵引变电所和降压变电所计量装置还不尽完善。这些计量数据的采集主要依靠人工方法，实时性和准确性都不够理想，往往造成原始统计数据出错，影响能耗分析结果;还有对车站各专业系统的分类计量设置还不够细致，这样对于线路能耗变化的具体原因分析比较困难，也就难以对症下药采取正确的节能措施。
因此，在线路供电系统计量设计时充分考虑能耗计量的实际需求很重要，上海的新建线路已明确提出了计量系统设置的具体要求，可以通过合理设置计量表具和智能仪表，在电力综合监控系统中实现分级、分类和实时的远程自动计量功能。对已运营的老线路也正在根据既有计量系统实际状况研究改造的方案。
4 城市轨道交通节能与提高服务质量的关系
随着我国经济快速发展，物质生活和精神文明水平大幅提升，同时国内各主要大城市国际交流也比较广泛，国际化程度越来越高，广大乘客对城市轨道交通的服务要求不仅局限于准时快捷，对于舒适性要求也愈来愈高。目前国内的城市轨道交通不仅车站和列车基本都配备空调，车站自动扶梯和无障碍设施也已普及，上海地区还开始推广客服中心和无人售票的服务模式，新建线路车站温度控制指标也有一定提高。提高服务质量在一般情况下需要硬件配套支持，当然这也意味着会增加部分设备，总体上也就增加了线路能耗。因此在作节能策划时需要考虑节能和提高服务质量的关系，根据相关节能政策和乘客合理需求确定合适的节能目标和节能措施，在对节能成效进行评估时也需要考虑这方面的影响因素。
城市轨道交通作为快捷和节能的公共交通方式已经受到广泛关注，虽然在这个行业领域的节能工作还是比较新的课题，与其它行业相比节能的成效也许也并不显著，但是如果专业人士和广大乘客共同努力，节能还是有潜力可挖，有大量的工作要可做的，事业也是可持续发展的，最终也就能够为改善我们的环境条件作出贡献。
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