关于城市轨道交通节能的思考及展望

徐妍彦

摘 要：城市轨道交通是各大城市的主要交通方式，基于轨道交通的里程长、数量大，城市轨道交通的总能耗大的特点，作者结合中学期间所学能量守恒和能量转化知识，对城市轨道列车进站制动能量的转换提出了机械能转换为电能、迫使形成活塞风发电等节能思考，针对地铁站内乘坐电梯人流较大这一现状，提出了“上行和下行电梯串联同步运行”的节能构想：即依靠下行电梯的重力势能转换为上行电梯的驱动力实现节能;针对地铁隧道内白天需要照明，作者提出了用光导纤维将地面自然光传送至地铁隧道和地铁站内用于照明这一技术思路，以期为城市轨道交通节能事业的发展提供技术参考。

关键词：轨道交通;地铁;能量转换;活塞风;箱式电梯;同步运行

一、研究背景

在日新月异的现代社会中，我国城市公共交通日益发展，然而轨道交通是城市公共交通的主要形式，具有节能、省地、运量大、少污染、安全等特点，具有绿色环保交通体系，符合可持续发展的原则，特别适应于大中城市。常见的城市轨道交通主要有地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车以及悬浮列车等多种类型。

截止2017年底，全国内地开通运营城市轨道交通的城市共33个，开通线路150多条，运营里程超过4500公里，位居世界第一，到2020年全国城市轨道交通运营总里程预计超过7000公里。虽然轨道交通能耗比其他形式交通小，但由于其大运量的特点，其总耗能量相当大。1条运营里程25公里左右的地铁线，1年的耗电量约为2亿千瓦时。轨道交通成为各城市的用电大户，仍有节能潜力。因此，尽快找到大幅降低轨道交通运行能耗的方法，已成为保持城市轨道交通高速度可持续发展必须解决的重要问题之一。

二、列车进站制动能量的转换

轨道列车在运行过程中，由于车站间距一般较短，因此要求起动加速度和制动加速度比较大，并具有良好的起动和制动性能。列车在制动过程中，往往将制动能量转化为电阻的热能消耗，由于列车制动发热引发站台和地下隧道热量积累、温度上升，某些城市轨道系统隧道温度高达50℃，不得不加大通风设备的容量，造成严重的二次能耗。因此，作者对轨道列车制动能量非热能转换进行了如下思考。

（1）思考一：利用导线切割磁力线感应出电势的电磁感应原理，将轨道列车进站的动能变为电能输出，同时导线还会受到与运动方向相反的磁场力的作用，形成列车制动力，帮助列车减速。如图1所示，在每节轨道列车箱体内缠绕电枢线圈，在轨道列车进站前一定长度内隧道两侧分别安装N磁极和S磁极。列车高速进站前，电枢线圈导线切割隧道两侧磁场中的磁感线产生电流，供列车照明或制动使用，由于导线就是通电导体，在磁场中受到磁场力的作用，阻碍列车行进的方向，也就形成了列车的制动力。

（2）思考二：利用轨道列车进站过程中形成的隧道活塞风进行风力发电。列车进站减速前行驶平均速度一般为60km/h，最快可以达到80km/h，列车高速行驶形成隧道活塞风的风速约5～7m/s，最高可以达到15m/s。轨道列车进站见图2。

利用列车正常行驶时隧道活塞风发电是很多专家和学者研究的课题。这里笔者利用列车进站隧道活塞风进行发电的同时快速降低列车进站速度，将列车的动能间接转化为电能。如图3所示，在列车进站前区间隧道內设置进风口、出风口，在列车停车区域设置自动屏蔽门，在列车顶部设置多组自动升降挡风板（类似于飞机降落时自动打开的机翼挡风板，能快速迫使飞机减速）。

当列车进站时，自动打开列车车顶挡风板、隧道屏蔽门自动关闭，挡风板受到的空气阻力能使列车快速减速;同时由于屏蔽门的封闭，列车前方形成一个相对密封的空间，列车行驶过程中压缩隧道内空气，使隧道内压力增加，迫使列车速度减小，隧道内空气从出风口快速排出，形成活塞风。当在隧道出风口安装风力发电机时，活塞风发电，电能补给车站，同时利用风的阻力迫使列车降速。由于设置了进风口，及时给隧道补充了空气，能有效防止隧道形成负压。

三、地铁站内电梯驱动串联同步运行

随着现代化生产规模不断扩大和人们生活水平不断提高，电梯的使用现在越来越多，电能供需矛盾日益突出，节电呼声日益高涨。电梯节能是一项系统工程，经测算，一台厢式垂直升降电梯每天用电量约为200度，一台扶梯每天用电量超过400度，因此，研究电梯节约电能具有特别重要的社会意义和经济效益。

电梯在上行和下行过程中，电机做功和输出功率不同，当电梯负载下行时，可以通过能量回馈装置将机械能转化为电能，但是采取这一方式能量的转化成本高、能量转换的效率较低。在传统厢式垂直升降电梯中，为减小轿厢满载上行拽引电机电流，在轿厢拽引绳另一端配置一个与电梯载重量相当的实心配重块，如图4所示，当电梯满载时，实心配重块可以使电机额定载重运行最省力，起到节能的目的。这类传统电梯运行时拽引电机必须对实心配重块做功，电梯的能耗高，尤其是当电梯空载下行时，拽引电机的电流最大。

在人流量较大的地铁站中，早晚高峰时段电梯基本处于满负荷运行，电梯上下乘客的数量基本持平。参考传统厢式电梯配载运行模式，设计如图5所示的厢式并联同步驱动电梯，这种电梯基于机械能守恒的原理，只要同步运行的两台电梯载荷基本相同，下行电梯在重力的作用下几乎可以自行带动上行电梯，驱动电机只需克服系统摩擦力做功，输出功率较小，能耗小。当两个轿厢内乘客不相同或差异较大（一个空载、一个满载）时，可以将某一轿厢看作传统电梯的实心配重块，本实用新型电梯的能耗也不会比传统厢式电梯的能耗大。由此可见，这类电梯非常适合人流较大的地铁站等公共场所。

依据这一原理，地铁站内的踏步式自动扶梯也可同样采取这一驱动方式，单层电梯运行可参见示意图6设置，对双层电梯运行可参见图7示意图设置。

四、结论和展望

（1）结论。在当今世界能源日趋紧張情况下，厉行节能降耗，建设资源节约型社会，实现经济社会的可持续发展显得尤为重要。作者通过观察地铁列车进站、乘客乘坐电梯进出地铁站等，结合中学物理知识，设想利用轨道列车进站做切割磁力线运动，不仅能快速减小列车进站动能，同时能将列车动能转化为电能供地铁站使用;设想利用列车进站形成的隧道活塞风不仅能快速减小列车动能，同时也能将列车动能转化为电能;设想参考传统厢式电梯配载运行模式，将地铁站内电梯驱动并联运行，通过将电梯满载下行的重力势能转化为电梯上行所需的机械能，大大减少电梯用电量，上述地铁站内的几点节能设想值得专家学者研究和推广。

（2）展望。地铁站内的照明系统也是维持地铁正常运行的重要组成，由于其工作时间长并且能耗大，因此地铁照明系统的节能意义也非常重大，笔者设想如果利用光导纤维将地面以上的自然光引入地铁站内或列车运行隧道内，满足地铁站内白天照明的需要，这将极大减少地铁的运行能耗，相信这一科学技术在不久的将来能够实现，光纤传光见图8。

参考文献：

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指导老师：韩浩，张露。