摘要：随着地铁项目的普及，地铁工程运营中的能耗节约也越来越受到地铁设计者、运营单位及全社会的重视。本文针对地铁工程用能特点，简要分析地铁工程设计中的一些节能措施及其节能效果。
关键词：地铁；节约能源；节能坡；再生制动；变频调速；LED光源
近年来，随着我国各地城市化，地区一体化进程的不断推进，我国各大城市对城市轨道交通工程尤其是地铁项目的重视度都有所提高。国内许多一、二线城市都已经规划了多条地铁线路，大量地铁工程已先后进入到设计、施工以及运营阶段。
地铁具有运输能力强、速度快捷、安全可靠、准时方便等特点，随着城市的快速发展，已成为公共交通系统的主要形式之一，相比于其它交通工具具有节能环保的优势。但由于地铁本身行车间隔小、设站密集等特点使得其整体工程的能源消耗量仍然处在较高的水平。此外，地铁项目本身涉及工程方案、用能设备均较多，因此也具有一定的节能潜力。
本文针对地铁工程用能特点，结合其设计、运营中存在的一些普遍问题，立足于节约地铁运营中的能源消耗，简要分析地铁工程设计中的一些节能措施及其节能效果。
1.采用节能坡
地铁项目中，经常采用“区间低、车站高”的线路纵断面形式。在这种纵断面形式下，车辆在进站时处于“上坡”状态，将其自身动能部分转化为重力势能，减少了制动过程中由于空气制动而耗散的能量。在出站端，车辆则处于“下坡”的状态，可以将其自身的重力势能转化为动能，减少了列车启动时所消耗的电能。
节能坡的设计利用了车辆动能和重力势能的相互转化，在车辆进站—停车—出站的过程中实现了能量的转化与储存，从而减少了地铁车辆运行过程中的牵引用电量。
有研究表明，进站上坡、出站下坡且坡度值在20‰~28‰之间、坡段长度在200m~300m间的坡段形式为节能坡，可以降低列车在此部分线路行驶牵引电力消耗的25%~35%。
节能坡的存在虽然能有效地降低了地铁项目车辆牵引用电的消耗，但其设置情况也受地铁线路纵断面形式及车站位置情况的限制。当相邻两车站水平高度相差较大时，设置节能坡就会变得非常困难，并且会大幅增加工程投资。因此地铁工程中通常只在有条件的情况下根据平、纵断面的情况，因地制宜的设计节能坡。
2.再生制动及逆变吸收装置
目前，国内使用的地铁车辆均具有再生制动功能，列车制动时优先采用再生制动。再生制动时通过启动与车辆轮轴相连的再生制动装置，使车辆动能转化为电能并将这部分能量返送回牵引网中，直至低速切换为空气制动。据运营经验，再生制动过程中产生的电能非常可观，若能合理利用，则可以节省大量运营能耗。
目前，大部分地铁工程对再生制动所产生的电能处理方法为：车辆上配置车载制动电阻，再生能量反馈回牵引网首先供相邻车辆牵引使用，若未被吸收则会使牵引网压升高超过阈值，此时启动车载制动电阻耗散掉多余能量。在这种情况下，当车辆发车间隔较大时，不但再生制动能量的不到充分的利用，还会因为车载电阻耗散能量导致区间和车站轨行区温度升高。
为了避免平峰时段再生制动能量的浪费，则需要将再生能量进行转化、储存。目前主要的转化、储存方法有逆变回馈型、电容储能型、飞轮储能型三种方式。其中电容储能型、飞轮储能型吸收装置均可重复利用再生制动能量，但国内技术尚不成熟，且投资较高，国内尚无应用先例。逆变回馈型可重复利用再生制动能量，目前技术日趋成熟，国内部分地铁线路已有应用。
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逆变型能量吸收装置可将再生能量逆变为交流电，反馈至地铁工程中压环网中，供给相邻车站及区间车辆牵引、动力照明等使用。因此避免了再生制动能量的浪费。
有资料表明，车辆再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的30%左右，除少部分供列车自用电使用外，其余能量按一定比例反馈至牵引网并被其它相邻取流列车吸收利用。若产生的电力未能被邻车利用，则由中压逆变吸收装置逆变至中压网络，供环网上其它设备使用。
3.采用自动扶梯变频节能装置
由于地铁工程客流量较大，车站分布较密集，且车站多为多层设计等特点，使得地铁全线自动扶梯数量很多，又因为自动扶梯多为大功率设备。因此在地铁工程中，自动扶梯设备用能不容忽视，根据相关项目计算结果，自动扶梯设备用电可占地铁项目总运营能耗的7%以上。
自动扶梯无论乘客多少，均需持续运转。在地铁开通初期，自动扶梯每天运行18小时，但运行于额定载荷下的时间很短，如果按初期每5分钟一班列车计算，扶梯的“高峰负载持续率”最大为30％左右，其余时间都在空载或很低的载荷下运行，电力消耗很大。
地铁自动扶梯的客流存在明显的高峰和低谷。自动扶梯在上下班时间存在客流高峰，在高峰之外的大部分时间都是处在轻载或空载的运行状态，特别是夜晚。在轻载情况下，如果扶梯电机仍能保持较高的效率，将有效降低自动扶梯的能耗。
根据上述分析，在一天的运行时间内，有较多的时间扶梯为空载运行，因此在空载时改变扶梯的运行模式——让扶梯采用变频技术以便其在空载时低速运行，将可较大幅度地降低自动扶梯的能耗。
根据估算，地铁运营初期，采用变频调速措施可以降低自动扶梯能耗达35%左右。
4.采用LED光源
由于地铁车站分布较为密集，且车站、区间多为地下空间，需要长时间照明等特点。地铁能耗中，照明能耗所占比重也较高。一般超过项目总运营能耗的5%。
目前，城市轨道交通项目常用的照明光源种类有荧光灯、高压钠灯、LED灯等，各类光源有着不同的发光效率与使用场所，其中LED以其效率高、功耗小、寿命长、响应快、可控性高、绿色环保等显著优点，被认为是“绿色照明光源”。近年来随着半导体照明产业的快速发展，LED照明产品技术日趋成熟，眩光、显色指数、光衰等一系列技术问题正逐步得到解决，从照明质量来看，高质量的LED灯具满足照明质量要求较高场所的照明标准，已无技术障碍。因此在一般城市轨道交通项目中，应大力推广LED光源应用，从而适应国家节能照明产业政策。
根据相关文献，使用LED光源可节约照明能耗达40%以上。
综上，本文从采用节能坡、采用再生制动及逆变吸收装置、采用自动扶梯变频节能装置及采用LED光源四方面阐述了地铁工程设计中可以应用的节能措施，并分别说明了其各自的节能功效。
地铁项目的的设计使用年限在几十年甚至上百年。随着其在我国越来越广泛的普及，越来越多的新型节能技术也会运用到地铁项目中来，其累积的节能效果也将越来越明显，强力的推动了我国实现绿色出行、绿色交通的目标的实现。
参考文献：
[1] 王琴 等.LED照明节能技术的研究与设计[J].太原师范学院学报，2010，9（2）：68 -- 70.
[2] 宋剑伟，地铁用电设备节能措施探讨[J]。都市快轨交通，2006，19（2）：76-80
论文作者:郑炎
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/19
标签：地铁论文; 节能论文; 能量论文; 车辆论文; 自动扶梯论文; 工程论文; 项目论文; 《基层建设》2017年2期论文;