北京市城市轨道交通能耗现状及节能措施建议

■　戴华明　李照星　宋　杰

北京市城市轨道交通能耗现状及节能措施建议

■戴华明李照星宋杰

截至2014年12月，北京市城市轨道交通运营总里程已达527 km，线网总电耗高达14.3亿kW·h。掌握轨道交通系统运营与能耗特点，分析北京市城市轨道交通能耗现状，提出加快建立城市轨道交通节能评价体系、深化节能设计改进及创新、加强节能管理、建设能耗统计与监测平台等节能工作建议，不仅可应用于既有线路的节能改造，服务于新建轨道交通，还可为其他行业提供参考，提供节能替代产品，满足日益增长的消费需求，为企业带来新的利润增长点。

城市轨道交通；电耗；节能；统计与监测平台

0　引言

截至2014年12月，北京已开通城市轨道交通线路18条，共设车站318座，总运营里程达到527 km。2014年，北京市城市轨道交通年客运总量达33.9亿人次，日均客流量953万人次；线网总耗电量约为14.3亿kW·h。在城市轨道交通的运营费用中，主要部分为员工工资，由社会的平均工资水平决定，不属于节省范畴；其次为电耗费用，占运营成本的20%以上。依据北京市城市总体规划和综合交通规划：2020年，北京市城市轨道交通线网总运营里程为1 177 km；2021年，北京市公共交通占机动化出行量比例为60%，轨道交通占公共交通出行量比例为62%。届时，不仅北京市能源供给负担沉重，运营单位也将承受巨大的成本压力［1］。因此，探索有效的节能技术措施和管理手段，降低能耗成本，对于北京市城市轨道交通运营部门来说意义重大。

1　能耗构成

城市轨道交通系统主要由车辆、轨道、供电、通信、信号、安全门、综合监控、自动扶梯、自动售检票、通风空调、动力照明、导向标识等系统构成［2］，主要能源消耗为电耗［3］。根据城市轨道交通变配电系统的用电关系及系统构成，主要用电设备系统可分为2类：（1）车辆系统。其电耗设备包括牵引、制动、车载照明、车载空调等。（2）车站设备系统。其电耗设备包括通风空调、自动扶梯、车站照明等。结合目前运营线路电耗分类、分项的计量方式，建立城市轨道交通电耗统计指标体系（见图1），实现对电耗的计量和统计。

据统计，北京市城市轨道交通的牵引电耗占总能耗的53%左右，车站电耗占总能耗的42%左右。其中，列车辅助系统能耗（如通风空调、照明、控制系统等）占列车运行能耗的30%～40%；车站通风空调系统、照明系统、自动扶梯等能耗占车站设备系统能耗的70%～80%［4］。

2　能耗现状

2.1车站电耗

车站通风空调系统、照明设备及自动扶梯等设备的能耗占车站总能耗的80%以上，其电耗影响因素如下。

图1　城市轨道交通电耗统计指标体系

（1）车站通风空调系统：主要受车站负荷影响，包括车站设备负荷、新风负荷、列车及人员负荷等。其中，车站设备负荷与车站规模、设备数量、运营时间、环控系统制式（开、闭屏蔽门）、环境温度等有关。

（2）照明设备：主要受运营时间及照明面积影响。

（3）自动扶梯设备：与车站客流及扶梯提升高度等有关。

2010—2014年北京市城市轨道交通单位小时车站电耗见图2。分别统计地下线为主线路和地上线为主线路的车站电耗。地下线车站电耗为361.58 kW/（站·h），地上线车站电耗为232.33 kW/（站·h），地下线比地上线的单位小时车站电耗高出56%。

2.2牵引电耗

轨道交通牵引电耗的影响因素主要有：车辆自质量（与车辆类型与满载率有关）、线路敷设方式、平均站间距、季节、编组类型等。2010—2014年牵引电耗统计分析如下。

2.2.1车公里牵引电耗

北京市城市轨道交通单位车公里牵引电耗指标在0.65～1.10 kW/（车·km）波动，而13号线、机场线等地上线单位车公里牵引电耗指标在0.65～0.82 kW/（车·km），明显低于地下线；6号线与5号线牵引电耗指标较高，分别为1.10 kW/（车·km）和1.09 kW/（车·km）（见图3）。

图2　2010—2014年北京市城市轨道交通单位小时车站电耗

图3　北京市城市轨道交通单位车公里牵引电耗

2.2.2人公里牵引电耗

北京市城市轨道交通人公里牵引电耗变化范围为19.0～72.7 W/（人·km），变化范围较大，主要因为各条线路客流量差异较大，该指标值与客流量大小成反比，如1号线、2号线和10号线客流量较大，指标值较低，分别为21.8、22.7、24.3 W/（人·km）；13号线的人公里牵引电耗最小，为19.0 W/（人·km）（见图4）。

图4　北京市城市轨道交通人公里牵引电耗

从数据分析可知，北京市城市轨道交通单位小时车站电耗差异较大。由于地下线环控设备的电耗也比地上线用电量大许多，故地下线单位小时车站电耗明显高于高架站。同时，地下线的单位车公里牵引电耗约为地上线的1.4倍。人公里牵引电耗以运效为考察对象，该指标值与满载率成反比关系。对于相同的线路条件，反映车站电耗的单位小时车站电耗指标差异较大，而反映列车车辆运行时能耗效率的单位车公里牵引电耗指标差异较小，表明影响各车站设备系统能耗的因素差异性较大，影响车辆牵引系统能耗的因素差异相对较小。因此，进一步研究不同线路车站差异性因素，如车站规模、设备选型等，获取较低单位小时车站能耗指标的车站相关参数，具有借鉴意义。

单从节能的角度，地上线要比地下线有较大的节能优势，而且满载率越高，轨道交通运效也越高，节能效果越明显。另一方面，城市轨道交通系统节能可从轨道交通系统的规划、设计、建设、运营、评估等方面着手，通过管理、技术等途径，降低无服务能耗和辅助服务能耗；对系统能量处理节点进行节能技术改造，降低目标服务能耗。

3　措施与建议

3.1加快构建节能评价体系，保障节能措施有效落实

城市轨道交通节能减排必须以不降低服务水平、不影响运营安全为前提，以节能降耗、科学发展轨道交通为目标，坚持网络化、以人为本、资源共享、效率成本的理念，从工程建设抓设计源头、网络运营抓运行操作。建立健全管理机制和保障体系，实现城市轨道交通节能降耗的实效性和长效性。

目前，国内城市轨道交通节能技术应用较为广泛，大量新技术在新建线路中逐步推广应用；同时，也有一些节能新技术难于推广，对节能设计不够重视，难以保障节能措施的有效落实。由于缺乏节能评价体系，节能措施所带来的收益难以量化，无法提高参与各方的积极性。因此，建立一套功能完善、科学、便捷的节能评价体系是节能措施有效落实的基础。建立适应我国国情的城市轨道交通节能评价体系，对各种节能减排措施进行评价分析，指导工程规划、设计和施工，指导已运营和建成项目的节能减排改造，并有针对性地实施城市轨道交通节能措施，实现有效的节能减排，能够得到国家和地方政府的大力支持。

3.2深化节能设计改进及创新，实现技术节能

技术节能是实现企业自身低碳发展的基础方式，通过试验、试点和推广节能技术举措，有效降低设备能耗和废弃物排放，实现节能减排的战略目标。通过节能设计，促进标准化建设、优化机电设备选型，从设施资源配置、系统节能技术措施、替代能源和再生能源应用、土建工程节能等方面，推动技术措施的落实［5］。

在牵引系统节能方面，采用交流变频变压（VVVF）传动装置，减少列车调速时由附加电阻消耗掉的电能；采用列车节能运行图，降低牵引电机负荷、减少车辆制动能耗、降低列车牵引系统能耗；采用列车冷热一体化变频空调技术、列车照明应用节能型光源等，降低列车空调和照明辅助系统能耗；采用非晶合金变压器，与常规变压器相比，空载损耗下降70%～80%、空载电流下降约75%、负载损耗下降20%～30%，能够很好地适应城市轨道交通系统配电变压器容量大、低负荷率时间长的运营特点。

在动力系统节能方面，空调通风系统采用智能控制技术、车站空调水系统变流量智能控制技术，推广应用再生能源或低品位能源的空调系统等。

其他动力系统方面，车站自动扶梯采用变频、相控节能技术，车辆基地采用太阳能热水技术等；照明系统推广应用节能环保型荧光灯、LED灯等高效节能光源和灯具，并通过采用光控、时控、模式控等智能照明控制技术。

3.3加强节能管理，实现节能管理目标

通过建立完善的监、测、管、控体系，充分调动参与各方节能工作的积极性，有效推进各种管理节能举措，实现节能减排的目标。

充分发挥监理单位作用。在工程设计阶段，提出节能方案和设计要求；在设备采购阶段，协助建设单位招投标、组织设计联络和审查工作、关键设备驻厂监造及对设备首件、样机、出厂等环节进行验收，全过程控制设备采购质量；在节能管理方面，将节能设计落实到产品中，核实节能效果，重点验收设备的接口配置，以期设备节能目标的实现；在设备安装及调试阶段，监理单位通过现场监督、质量验收等形式，对设备安装、调试质量进行控制。设备监理单位通过工程的全过程管理，对设备的节能技术有较深的见解，有效推动节能、减排、环保技术的全面实施。

建设单位在规划、设计阶段对线路的能耗水平进行客观评价，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。城市轨道交通在项目立项阶段应对项目的节能及环保措施效果进行评估，在建设过程中，设计单位应针对节能措施进行设计交底，施工单位应当按照节能设计要求进行施工。在项目验收阶段，建设单位应按节能设计要求进行验收。

运营单位作为节能工作的最大受益者，一方面，应积极推进节能新技术的应用，组织列车、环控、照明、自动扶梯等专业系统节能技术的推广；另一方面，应采取优化运营组织、加强设备运行管理和列车维修及培训管理等措施，适时引入合同能源管理新机制，加快轨道交通节能降耗实施进程，从而实现节能降耗的目标。

3.4加快能耗统计与监测平台建设

建立轨道交通能耗统计与监测平台，实现对能耗信息的自动化管理（监测、统计、分析、查询等），实时采集能耗数据，对耗能设备进行实时分析，有效加强各用电设备的能源管理和监控，指导设备系统的维护和节能技术改造。

4　结束语

北京市城市轨道交通每天承载着巨大的客流，其能耗问题也越来越受到重视，分析轨道交通系统运行与能耗特点，积极推进轨道交通结构性和技术性节能减排，是实现北京市城市轨道交通可持续发展的必然选择。建议加快建立城市轨道交通节能评价体系，保障节能措施有效落实；深化节能设计改进及创新，实现技术节能；加强节能管理，实现节能管理目标；加快能耗统计与监测平台建设，指导项目节能技术改造，使北京市轨道交通更加节能、环保。

［1］ 顾岷.我国城市轨道交通发展现状与展望［J］.中国铁路，2011（10）：53-56.

［2］ 戴华明，李照星，孙宁.城市轨道交通的节能低碳发展［J］.设备监理，2014（2）：8-11.

［3］ 戴华明，宋杰，李照星.北京市城市轨道交通能耗调研与分析［J］.设备监理，2015（3）：36-40.

［4］ 孙宁，李照星，戴华明.城市轨道交通能耗指标体系与节能措施研究［J］.设备监理，2011（1）：15-18.

［5］ 宋敏华.城市轨道交通节能技术发展趋势研究［J］.工程建设与设计，2009（1）：15-19.

戴华明：中国铁道科学研究院城市轨道交通中心，工程师，北京，100081

李照星：中国铁道科学研究院城市轨道交通中心，高级工程师，北京，100081

宋杰：北京地铁运营有限公司，高级工程师，北京，100088

责任编辑苑晓蒙

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