地铁电气节能设计的改进与创新

【摘要】当前国际国内在设计建设地铁线时已将节能纳入重要的考量环节，以适应当今社会节能低碳的环保主流。地铁节能的关键在于电气节能，而电气节能的根本在于电气设备系统的统一设计和协调规划。多重节能措施并举，最终统一于管理节能，通过对节能数据的分析整理，从中找到各用能环节的真正问题和有效的节能途径，是实现地铁电气节能的突破口与创新点所在。

【关键词】地铁节能；节能设计；管理节能

[Abstract] the current international and domestic in the design and construction of subway has energy conservation into consideration important link, in order to adapt to today's society energy-saving low carbon environmental mainstream. The key lies in the subway energy saving electrical energy, and the fundamental electrical energy saving of the electrical equipment system of unified design and planning. Simultaneously multiple energy-saving measures, finally unified in management of energy conservation, through analyzing the energy saving data, find the real problems can link and effective way of energy saving, is a breakthrough and innovation of electrical energy-saving in subway.

[keyword] subway energy-saving; energy-saving design; energy-saving management

中图分类号：TU201.5文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

尽管我们不断强调地铁电气的节能降耗，但目前国内地铁在电气节能方面所采取的种种措施成果显著。对比国际地铁协会统计的26家主要地铁运营公司能耗数据，北京地铁平均每名乘客每公里的总能耗最低，仅耗电0.046千瓦时。列车每公里的平均牵引能耗同样最低，只消耗1.764千瓦时。按照同等运力比较，轨道交通的能耗只相当于小汽车的1/9，公交车的1/2。尽管如此，在能源日益紧张的格局下，寻找电气节能设计上的改进和创新仍然是当今地铁设计的关键所在。

一、地铁电气节能设计现状分析

能源消耗总量过大是地铁运营所面临的棘手问题之一，这一问题直接影响到地铁的运营成本，实现地铁电气节能设计的改进与创新，意义重大。据统计，地铁电气消耗由高到低排序如下：列车牵引供电耗能（45%―50%），空调及通风系统（25%―35%），电梯扶梯（10%―14%），而照明及其他能耗约占10%。从中不难看出，机车的牵引是地铁系统中的用电大户，和通风空调系统分别占到轨道交通系统总能耗的一半和三分之一。因此在这两项上节能潜力也相对最大。打造绿色地铁，是地铁参与轨道交通及城市交通运营的一张新名片，也是基于改善交通运输条件、促进城市协同发展、以人为本理念的体现。目前，规划和正在建设的地铁线，已经综合考虑节能降耗措施，从机车、空调、供电、照明、扶梯等各系统设备采取了相关的节能措施。

二、地铁电气节能设计的改进与创新策略

（一）做好节能坡设计的改进

所谓地铁节能坡，即在列车运行区间设计适当角度的缓坡。当列车进站时上坡，从而达到减速的目的，这样一来对列车制动系统也有极好的保护作用。当列车出站时，通过下坡启动加速，进而保护列车牵引系统。这些在区间线路上精心设计的纵坡，正好使列车出站下坡、进站上坡，从而巧妙的利用自然加速和减速达到节能目的，最终达到节省牵引过程的耗电的目的。这一看似微小的设计改变，对节能及机车保护有着双重功效，势必将成为站台节能设计的风向标。据北京市轨道交通建设管理公司消息，地铁节能缓坡广泛应用在地铁9号线的线路设计中。目前一共设计有22个节能坡，占到全线总里程的46%。

地铁节能坡概念从引入到设计再到实施的时间较短，因此设计方法和模型上不健全。哈尔滨工业大学相关学者曾发表文章，基于机车动力和制动系统，建立了地铁节能缓坡的理论模型和计算方法。该模型将这个过程分为五个阶段：加速阶段、下坡节能、惰行、上坡节能以及制动。并通过动能和势能的变化计算了缓坡长度，作者认为节能缓坡长度约为228米到330米。

（二）处理好能量回收中的细节问题

高速行驶的列车一般采用电制动与空气制动相结合的模式，部分新型列车则主要依靠电制动（如北京地铁九号线）。在电制动过程中，根据能量转化和守恒原理，制动高速行驶的、具有较大动能的机车，势必消耗很多电能。在此过程中，机车消耗电能用以制动的同时，本身所具有的动能也被白白浪费。如果我们能够将后者所提及的动能转化并回收，即回收刹车能量，从一定程度上也能达到节能降耗的目的。其原理是当机车进站或紧急制动时，牵引电机将随之进入发电状态，将刹车产生的能量回传到电网。这部分能量通过逆变回馈装置输送电网系统后提供给机车，或者与车站机电设备协调使用。据测算，9号线列车牵引供电整体节电5%以上。

但是制动能量回收也存在着一些问题。如老的地铁线中，电网建设系统化不够，回传到电网的这部分能量往往只能提供给附近的机车所使用。然而，在列车行驶车隔大等情况下，这部分回收的能量不能被其他机车所吸收，而且这部分电能并不能直接并入总电网供地铁线其他用电设施所使用，最终仍然被浪费。

（三）加大对节能设备的改进及新能源的利用

国内各新建地铁线都很重视节能工作，从空调、供电、照明、扶梯等各系统设备采用了新型节能产品。再如北京地铁九号线在站台、站厅、出入口公共区照明选用T5系列荧光灯，同样照度的前提下，节约照明用电20%以上。空调通风系统在地铁运营中的能耗仅次于列车牵引。北京地铁九号线六里桥东站首次采用直接蒸发式空调系统。该系统是把制冷剂通过直接蒸发的方式输送到空调末端对空气降温除湿，以此省去空调冷冻水循环系统。该制冷系统将节省四分之一以上的能耗。

与传统交通工具相比，地铁使用相对清洁的电能作为动力源，然而电能的使用目前也间接地、较大程度的依赖着化石燃料。太阳每秒辐射到地球的能量则为499,400,00,000焦，它作为一种新兴的可再生能源，越来越受到各个国家的关注。北京地铁九号线所采用的热水系统为承压式二次换热系统。该系统高效，节能，安全稳定。在郭公庄车辆段，太阳能应用解决了集中热水系统的能源消耗，部分车站出入口广场也选用太阳能照明系统，白天蓄能，夜间为广场提供照明。北京地铁十四号线终点站则利用其高架的优势，在车站屋顶设计、安装了太阳能板发电。整个屋顶共安装有近1000块太阳能板，面积达2500平米。通过太阳能板所产生的电可供应车站内空调、扶梯以及照明等设备用电。这是全国地铁建设中首次将太阳能板用在地铁站建设中。

但是目前太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题。这是限制新能源在地铁系统广泛利用的主要问题。然而随着地球能源日益紧张的现状，太阳能灯清洁能源在未来必将成为地铁系统供电的主力之一。

（四）实现管理节能机制的优化和创新

通过对能源消耗进行准确监测和科学分析，从而采取相应的管理措施和技术措施、从而达到节能的目的而进行的工作叫做管理节能。节能管理要求定量化、标准化和手段多样化。在地铁电气节能中，管理节能概念的提出是基于当前诸多地铁运营单位常在节能监管中的职能缺失，地铁运营单位对地铁设备的运行和节能效果缺乏有效的统计和管理，具体表现在难以提供完整的分项电耗记录表和用电分析资料。因此统一的、全面的能源管理系统建设便迫在眉睫。能源管理系统基于计算机网络技术，集监测、控制、分析等功能于一体，全面发挥发挥其协调能力，合理调度，科学分配，实时监测，最终为地铁进一步实施节能降耗目标给出科学参考。能源管理系统结构设置为“一个中心，多级联动”，一个中心即中央级能源管理系统，负责整合各下级能源管理系统的监督、数据整合及分析功能。而基于各车站的下一级能源管理系统则具体负责各个能源消耗点的统一管理、能源分配、数据采集、故障报警等功能。这些数据最终将通过地铁骨干网上传到中央能源管理系统整合处理。这种系统的设计的意义在于统一协调，优化管理。通过对各项节能数据的整合，进而优化现有电气节能设计。

三、结论

总之，如上所述诸多节能措施最终将落实到定量描述能耗的具体状况，及归结于管理节能，这也是是地铁节能工作的重要基础和最重要的创新点，以此避免一些名为节能措施而实际效果不明显，却需要大量增加投资的行为。通过对节能数据的分析整理，从中找到各用能环节的真正问题和有效的节能途径。

参考文献：

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