轨道交通节能技术.doc

10中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练 城市轨道交通节能技术发展趋势研究（中国矿业大学力建学院土木09-4班 孙兴旺）摘要：最近几年城市轨道交通发展十分迅猛，根据相关统计，中国内地共有28个城市上报了城市轨道交通发展规划方案，这些规划方案显示到2015年左右，全国将建设93条轨道交通线路，运营总里程将达到近2700多公里，城市轨道交通的机车车辆都是靠电能来进行驱动的，这对电能的需求量是非常大的，在国家中长期发展规划中提出发展循环经济、建设资源节约型、环境友好型社会，所以对轨道交通进行节能化改造意义重大。城市轨道交通节能技术可以从节能路线选择、运营组织、车辆节能、照明、通风、停车场节能、扶梯节能、设备监理等方面入手，优化处理，达到从各方面进行节能，从而实现低碳、环保、节能的社会责任。 关键词：轨道交通 节能目前，我国是世界上城市轨道交通发展最快的国家，轨道交通成为一种集约化的交通工具，但庞大的系统仍然使其跻身于城市能耗大户的行列。从控制系统角度研究，城市轨道交通网络的能耗具有可预测性、可调节性以及二次节能的特征，在降低能耗方面存在着巨大潜力。1 节能的路线线路节能设计主要考虑尽可能优化曲线半径，以减少车辆行驶过程中因曲线阻力大而增加电耗；优化线路节能坡，设置合理的进出站坡度，使列车进站时上坡，将动能转化为势能，列车出站时下坡，再将势能转化为动能，这样有利于减少牵引能耗；线路纵坡设计还综合考虑泵站位置等设备布置，以达到优化、合理、经济、节约能源的目的。可以通过建立多质点牵引计算模型，采用目标速度逼近算法求取牵引力撤除时间，既满足旅行速度又降低了运行能耗。提出了基于三角函数法设计节能线路纵断面竖曲线的设计方法， 通过对线路坡度、坡长等参数进行优化，改变了列车的受力条件，实现势能和动能的合理转化，同时和列车的运行操纵相匹配，达到了优化节能的目的。 2 能效管理系统节能2.1 架构设计硬件结构包括数据采集服务器、数据库服务器、应用服务器、Web服务器和维护工作站。软件构架包括数据采集层、基础技术支撑层和高级应用层。2.2 具体实施1） 参数采集系统通过通信传输网络，连接终端设备，采集统计各类数据，提供系统的检测，检测供能线路的情况，调用各种报表、数据及运行状态图，采集点数据分析等画面。同时可以根据相应数据源特点及功能，选用矢量图、数值表、趋势图等显示方式。2） 电能质量分析可采用小波变换，对时间序列过程从低分辨率到高分辨率进行电流的暂态和稳态的分析，研究电压偏压、电流电压谐波、频率、不平衡度、负载频率、电压波动与闪变、谐波潮流、功率因素等电能指标。3） 能好模型建立具体包含以下步骤:剪力能效管理系统现场数据采集模型建立多维数据集管理模型建立能效管理数据统计模型建立联机分级处理等多种分析工具模型。从量的分析入手，对数据进行充分的挖掘，对能源的综合平衡状态、结构系统、流转状况及综合利用状况进行综合分析研究，并运用统计分析方法、因素分析法、结构分析法、平衡分析法等数理分析原理和算法进行统计分析，形成详细的OLAP模型。4） 节能策略生成能效管理系统还具备能耗预测功能。在历史采样或设备性能参数数据的基础上，建立关于时间序列的高度非线性能耗网络模型。对城市轨道交通进行能效管理，有效地实现能耗的降低，已成为我国城市轨道交通发展的一个重要方向，且具有很好的实用性、智能型，从而引导轨道交通用户持续改进用能方式，有效地降低运营成本。3 车辆节能3.1 选用调频调压控制的交流牵引系统该系统通过变频调速避免了列车调速时由附加电阻消耗掉大量的电能，也不会因附加电阻的发热提高隧道内的温度而要求增加通风量和制冷电能。该系统能有效利用再生制动，利用车辆行车密度大、不同车辆同时处于不同牵引力、制动工况的概率较高的特点，可较多地回收车辆制动能量，理论上可回收25%左右。选用轻体车辆。车辆采用不锈钢车体，车辆自重比普通铸钢车体约减少3t，用等能量比较的方法推算，每辆车可节约运送50位乘客所需的能量。随着车体自重的减轻，相应能减轻轮轨磨耗，减少维修量等附加节能效果。 采用列车自动控制节能。电动客车采用微机控制自动驾驶。在信号系统设计时，根据线路的坡道、弯道及列车载重等情况，设计自动驾驶 A T O曲线，自动调整行驶速度，控制随行点使电动客车永远处于最佳运行状态，以便减少电耗，达到更进一步节能的目的。 3.2 加快研发环保型高架系统技术 城市轨道交通的高架线路具有建设安全风险小、建设速度快、投资见效快、运营成本低等优点。尤其是节省运营期的能耗，高架线的运营能耗仅为地下线的0.45倍，节能效果明显。但是多数已建高架线用于大运量城市轨道交通系统上，由于采用了较大轴重A、B型车辆， 已运营高架线的振动、噪声对沿线居住环境、土地的经济价值确实存在一定的负面影响。所以应该加快开展“ 环保型高架系统” 的研究，即将高架线路的桥梁梁式、减振降噪综合控制、景观等作为一体进行综合研究。力求解决高架线的振动噪声、景观协调、沿线土地利用等问题，为扩大高架线路的敷设提供技术支持，也才能取得城市轨道交通低耗资、高效益的目的。综合轨道、轨旁减振降噪系统的技术措施，力求部分代替或取消声屏障。适合敷设高架线的环境条件及技术条件研究。车辆、轨道的减振降噪技术和产品已有较系统的研究。目前应加快开展桥梁梁式对噪声尤其是结构二次噪声的影响研究，如研究城市轨道交通u型梁高架线系统等等。同时也需要开展适合高架线敷设方式的系统制式，应采用低噪声的系统制式，如直线电机系统、跨座式单轨系统等。 3.3 储能式轻轨车储能式轻轨车最大亮点：以超级电容储能器为动力能源，具有大电容，高比功率，高比能量等高性能指标，特别能适应城市轻轨交通频繁起停的特点：全线无需地面或架空供电系统，而是充分利用乘客的上下车时间，在停站的30S内快速完成充电，一次充电后能连续行驶2KM，到达下一个站点时再次充电。基于能量最优模式的自动驾驶控制运行和运行智能化联运联控管理模式。这样不仅为车辆运行带来极大方便，而且由于全线无供电网运行，可实现无输电损耗，无弓网磨损，从而到达能量的高效利用的目标：能量的高效利用率高达80%以上，比目前运行的城市轨道车辆能量回馈利用率提高了一倍以上。此外，储能式轻轨具有明显的经济优势。一是投资成本低：既有地铁建设成本为58亿/km，普通轻轨建设投资为23亿/km，而储能式轻轨投资仅为12亿/km。二是运营成本低：城市轨道交通系统总能耗约占全部运营成本的40%50%，牵引能耗成本占其2/3，辅助能耗成本占其1/3；储能式轻轨制动能量可高回收，总能耗可占30%40%。储能式轻轨交通具有绿色、低碳、美观三大优势，集灵活、安全、便捷于一身，其突出绿色智能理念将引领世界轨道交通未来的发展。相对于传统的地铁和普通轻轨交通系统，储能式轻轨的建设和运营的门槛较低，它在我国近百座中小型城市中推广具有很好的前景。4 照明的节能设计4.1 节能设计原则 在设计初期，应根据用电负荷的分布特点，在负荷中心合理设置照明配电室，以减少线路损耗；合理划分照明供电回路，根据客流的多少，合理投切照明回路，以减少电能损耗。 （1）节能设备选型 公共区照明灯具选用节能型荧光灯。车辆段大空间的照明场所采用金属卤化物灯等照明光源，所有气体放电灯均配以无功补偿装置，以提高功率因素。（2）车站广告照明节能 在站厅或出入口通道等安装广告灯箱之处，照明设计计算照度时应兼顾广告照明对公共区照明的影响，以尽可能地减少照明灯具的数量。在列车停运后，关闭车站的广告照明灯箱，以达到节能的目的。 （3）区间照明节能 为便于列车司机在行车时具有良好的视觉环境，区间隧道内的工作照明灯在列车正常运营时最好关闭，在晚上维修作业时，可将其打开。这样一方面方便了司机的行车驾驶，另一方面还达到了节能的目的。在列车运行时，区间隧道将只开应急照明，便于在紧急状况下，乘客的疏散和逃生，间接达到节能目的。区间工作照明、应急照明的控制可在车站控制室内进行。 （4）车辆段和停车场照明节能 车辆段、停车场照明灯具除选用金属卤化物灯并配以无功补偿外，在其室外道路照明采用光控与时问控制相结合的控制方式，达到节约能源的目的。（5）设置车站照明节电运行模式 根据以上对车站照明节电的设计思路，在合理设计配线回路的基础上，制定多种照明运行模式，纳入地铁机电设备监控系统，可以自动或人工设置各种照明节电运行模式。 4.2 节能具体措施 （1）选用高效节能荧光灯 荧光灯是轨道交通照明中用的最多的光源之一，选用高效节能的荧光灯是节能行之有效的方法。如目前市场上 T 5节能荧光灯，由于其内部采用电子线路，功率因素可达到0.980. 9 9，从而降低了线路电流，减少线路损耗，达到节能目的。（2）采用电子镇流器 电子镇流器是镇流器的一种，是指采用电子技术驱动电光源，使之产生所需照明的电子设备。电子镇流器分：荧光灯电子镇流器、高压钠灯电子镇流器、金属卤化物灯电子镇流器。“金卤灯电子镇流器”同样是金卤灯的重要电器附件，它的恒功率输出性能直接解决了传统金卤灯电感镇流器自身功率损耗大、系统功率因数低、体积大、重量重、有噪声、灯功率随电源电压的变化而变化、不便维修等缺点。（3）采用LED照明LED高效能已被普遍认可，它采用高亮度白色发光二极管作为光源，具有光效高、低损耗、低耗能、寿命长、易控制、免维护、安全环保等特点，此外它还可以美化环境。 （4）设置智能照明控制系统 可在轨道交通车站站厅和站台公共区、车辆段的联合车库、停车列检库、运用库、车辆段上盖平台等大空间区域考虑设置智能照明控制系统。例如，采用智能控制面板控制，可将某区域照明分多种灯光模式，如全开模式、全关模式、半开模式等；采用时钟控制模块定时控制， 可将此区域照明设定自动控制状态，根据实际照明的使用情况，将一天的照明分为白天、晚上、深夜三个时段；采用照度传感器感光控制，根据外界自然光的亮度自动开关控制，当外界亮度很强时，关闭室内的照明回路，当外界照度不够时，系统自动开启相应的照明回路， 补充照度。 5 通风空调系统节能通风空调系统作为地铁运行中的重要设备系统之一，担负着对地下空间的空气温度、湿度、空气流速和空气品质进行控制的任务，据统计，通风空调系统的能耗约为地下线能耗的3 30%以上，仅次于车辆牵引用电能耗，节能潜力巨大。 风机采用变频风机后，有较好的节能效果。但对于同一台风机，相同运行频率、不同运行模式下的实际运行功率有所差别，主要是因为管路特性曲线变化引起风机工作点发生变化， 变化的幅度一定程度上能够反映当时 实际产生风量的差异。全新风模式和全新风模式的区别仅在于表冷器的开启与关闭，全新风模式下，门式表冷器处于开启状态，风机无需克服表冷器的阻力，表现在测试数据上，则是送风机的 功率下降了1.1 k W，约为4. 5%，节省了运行能耗。对比全新风模式、送风 和排风模式的测试数据，发现其送、排风机的实际运行功率有所区别，但区别很小，考虑到其中的记录误差，可以认为由于出入口的面积较大，公共区采用机械送风、机械排风的方式，与采用机械排风、出入口自然进风或者机械送风、出入口自然排风两种方式产生的实际通风量差别不大，所以，采用后两种单排、单送的方式替代送、排的方式是很好的节能选择，而由于排风机的功率比送风机的功率有较大幅度的下降，所以，机械排风、出入口自然进风的方式是最为节能的方式。 地铁车站早、晚高峰特点较为明显，尤以早高峰温度上升较为明显。但是，由于现阶段冬季日间通风时间为10:0018:00，故在日间平峰时段内，站厅温度受到机械通风及列车活塞风效应的影响较大，室外低温空气的引入会造成站厅温度偏低的情况，日间局部时段出现接近 5 的低温。而该时段站台因有一定的人员发热及列车等设备发热，受到室外低温空气的影响较小，日间站台温度基本维持在1214 。 相对实际采用的机械送风、机械排风的方式，机械排风、出入口自然进风方式节能幅度达到 60 %，但其缺点是室外空气不经过滤直接进入地铁，会带进一部分灰尘，如果担心灰尘问题，可采用机械送风、自然排风的方式，也能收到40%左右的节能率。对于冬季，测试数据显示站厅、站台温度差距较大，说明列车运行活塞风对站厅的影响较大且站厅层的发热量较小，采用机械送风、自然排风的方式能够在一定程度上抵消活塞风引入的室外空气，站台层的热量也会进入站厅层，对缩小差距有很大帮助。在风机运行时问上，早高峰和晚高峰进行通风较好，其他时段则应采用闭式运行方式，每日运行时问缩短4 h，可节省50%的运行能耗。 采用机械排风配合自然进出风的技术创新和合理调节风系统工作运行时段，其节能的效果可以到达预期效果。因此，依据实际人员流动和季节温度变化的特点，优化设计方案，调整现有地铁通风空调系统布局，挖掘现有设备节能潜力，有着十分现实的指导意义。同时，也可以有效地降低大规模改造带来的成本压力，为新地铁线设计和建设提供帮助。6 停车场节能城市轨道交通停车场一般位于郊区，占地面积大，单体建筑多，功能分区明确，在利用阳光、 空气、水、绿化、土壤等自然资源方面有着得天独厚的有利条件。停车场的节能应从方案设计阶段开始，通过确定合理的建筑规模，高效率地利用空间，以节约土地特别是耕地的占用量；同时，应将新材料、新技术的应用和高品位的建筑设计融为一体，达到节约投资、减少建筑能源消耗的目的。 6.1 自然通风的运用 由于停车场的选址远离市区噪声源和污染源，故应尽量利用 自然通风，以改善建筑物内部环境。自然通风能为室内提供新鲜空气，有利于人们的身体健康，同时能有效实现被动式制冷，减少对空调的依赖，节约能源。为了有效利用 自然通风，在建筑布局时应使建筑物面向夏季夜间风向；房间进深不宜过大，一般情况下平面进深不超过楼层净高的5倍。6.2 利用雨水资源 从长远的观点看，充分利用雨水资源是非常值得推荐的。雨水属于优质杂排水，主要污染物为灰尘，处理方法简单。比如，目前上海轨道交通1号线梅陇基地的停车场水费支出一年就达数百万元，非常有必要开展节能研究。设计中在洗车库附近设置了沉淀过滤池的地埋式洗车废水回用装置。该装置对洗车废水进行 矿油分离等处理后循环使用，因此完全可以用经过处理的雨水来替代 自来水作为洗车用水。停车场可以实行生产、生活污水分流制，以及雨、污水分流制，雨水系统纳人场内新建雨水泵站，就近排人六里塘。这种设计为雨水的回收利用带来了便利。根据停车场的平面布置，可利用停车场的运用检修库、洗车库、镟轮库、材料库等屋面原有天沟排水系统收集雨水进行循环利用。一般来说，停车场运用检修库夏季室内高温闷热。如上海轨道交通3号线石龙路运用检修库由于是钢结构彩钢板建筑形式，保温隔热效果不佳，夏季白天室内温度高达40。而上海轨道交通4号线蒲汇塘停车场运用检修库采用预应力混凝土结构，屋面植被绿化，比较好地降低了室内的温度；但是预应力混凝土结构由于屋面自重较重，框架柱截面较大，减少了库内的使用空间， 且混凝土结构在建筑废弃后难以再利用和降解， 因此这种形式不建议推广。富锦路停车场运用检修库吸取了上述两种形式的优点，采用现浇钢筑混凝土排架结构，屋面采用网架结构，屋面透光性好，自重较轻；但夏天阳光照射仍可能引起室内温度过高，可以通过在屋面顶部安装喷洒蒸发装置对屋面进行冷却。6.3 太阳能利用 把天然光引进室内照明，不仅节约资源，保护环境，还可以创造出舒适的光照环境，有益于身心健康。大面积的窗户采光较好，但也会带来更多的热损失。窗户的数量和面积应根据建筑形式处理要求、自然光照和能耗等综合确定。比较合理的经验值是窗户面积为室内面积的 20%左右。相对于墙面上的窗户，透明屋顶将提供更好、更广泛的自然照明，但容易引起室内温度过高。停车场的运用检修库、洗车库等操作工区若选择在屋面顶部安装喷洒蒸发装置， 可考虑采用由阳光板或亚克力材料制作的透明屋顶，或增加采光带的面积，以获得更好的照明效果。此外，办公楼采用玻璃中庭向上部分逐渐扩大，将能获得更多的自然光线。进深较大的餐厅或开放式办公区为充分利用自然光，在必要的情况下可利用反光板采光。 6.4 绿化及水的利用 恰当的绿化是改善城市和建筑物微气候环境的有效生态因素。建筑物周围的绿化在夏季可有效降低地表温度，从而为室内的自然通风提供可能；浓荫可以代替遮阳板起到防止太阳热辐射的作用；植被可吸收二氧化碳而提高空气中的氧含量，是室内空气质量的最佳保证。停车场信号楼内主要安置信号设备，屋面面积大小适中、防水层处理较好、结构牢固，非常适于进行屋顶绿化。屋顶绿化可滞留50%的雨水，减少对排水设施的依赖。此外，植物屋顶能保持比较稳定的室内温度与温度条件，还有额外的隔音、消声功能，可以改善信号楼的生态环境。门卫室、材料库宜采用墙面绿化，使建筑物与周围景观融为一体综合办公楼可在中庭采用室内绿化，以改善室内温度、湿度和空气舒适度。水也是一个重要的生态要素，可以用来冷却空气。在综合办公楼附近挖人工池塘，将综合办公楼屋面及附近道路收集到的雨水送人池塘作为水源，并将进风口设在水面附近以冷却空气，达到自然通风降温的效果。在汛期， 此池塘也可以起到泄洪作用。7 扶梯节能目前国内外的扶梯节能应用主要有无人停梯、无人爬行、星一三角转换三种模式。无人停梯、无人爬行模式实现空载工况下的节能，星一三角转换模式实现轻载工况下的节能，分别是靠无人乘梯工况下减速运行或提高电机在轻载工况下工作效率的方式节能，受无人乘梯时间或提高电机效率范围的限制，节能效果都在10以内。而信息化和变频调速技术的节能应用从减小输出功率和减低损耗两方面人手，较全面地解决扶梯在各种工况下的节能问题，节能效果一般在30以上，并且在启动性能、运行性能、电气性能方面全面优于上述节能模式。7.1 变频器的节能模式配合扶梯的分时段运行（1）减小输出功率扶梯的运行时间每天达10小时以上，但运行在额定负载下的时间很短，大量扶梯大多时间都处于空载或轻载的情况下运行。特别是城市轨道交通，为了高效地输送旅客，轨道交通扶梯的额定速度是065m/s (理论输送能力是11700人/h)，一般商用扶梯的额定速度是0.50m/s ；轨道交通主要是周期性的高峰客流，一般时段的客流量较小，而且空载运行的情况也比较多，耗费大量电能。电机的输出功率P的一般表达式为： ( 1 )式中: k系数 T负载转矩； N电机的转速。输出功率与转速呈线性关系，电机速度下降时，电机的输出功率将减小，实现节能应用。（2）降低损耗负载的减小会引起电机的工作效率的下降。原理上，在轻载条件下，如果可以将过剩的励磁电流减少到仅仅与保持负荷的恒定转矩相匹配，使电机的工作效率提高就能减低损耗，实现节能应用。深圳地铁扶梯采用变频器的节能控制方式减低损耗。变频器的节能模式配合扶梯的分时段运行，能较全面地解决扶梯在各种运行工况下的节能问题，获得了最大的节能效果。7.2 实行扶梯的分时段运行扶梯是特种安全设备，乘客的安全始终是第一位的，应尽量减小调速的频度，而且客流很分散，不宜对扶梯进行实时调速，因此分时段运行是比较好的选择，也就是扶梯按照预先设定的速度时刻表运行。扶梯速度可以在0.130.65m/s之间无级调整，时间段可任意设置,但扶梯处于空载工况时，始终以0.13m/s速度运行，不受速度时刻表的限制。7.3 全变频调速系统，实现扶梯的无级调速控制空载扶梯以0.13m/s的速度运行，当有乘客进入探测区域时，光电感应装置立即向控制系统发出信号，扶梯开始加速直至达到默认速度。这一过程在变频器控制下逐渐地、平稳地完成，乘客并不会感觉到扶梯速度有明显的变化。在一段时间内，无乘客使用时，系统控制扶梯自动减速至013m/s速度。扶梯的整个运行过程中，驱动主机始终和变频器相连，由变频器控制其运行。扶梯控制器通过RS485接口与变频器进行数据交换，根据BAS系统下发的速度时刻表对变频器进行频率调节，实现扶梯的无级调速控制。当扶梯减速或重载下行时，电机处于再生制动状态，特别是重载大提升高度的扶梯，经过模拟测试，其再生能源是比较大的。对于不宜采用能耗电阻的扶梯，选择能源回馈模块处理再生能源。7.4 实现管理自动化采用计算机、现场总线、通讯技术，为全地铁的扶梯构建一个信息共享的平台，实现在控制中心、车站控制室、维修中心远程设置扶梯的速度时刻表及系统时钟校对，扶梯运行、报警、故