建筑节能论文[城市轨道交通工程节能技术与策略浅论]

城市轨道交通节能技术与实施策略浅论

冯西培

(北京城建设计发展集团股份有限公司北京 100037)

摘要:能源是发展国民经济、改善人民生活的重要物质基础。能源的紧张,将严重阻碍人们未来的正常生活、社会进步和经济的可持续发展,人类的现代文明将付诸东流。结合城市轨道交通能耗特点与实施节能的背景,并提出节能策略。

关键词:城市轨道交通 节能技术 实施策略

Abstract: Abstract: Energy is developing the national economy, improving people's lives is an important material foundation. Energy, tension, will seriously impede the normal life of the future, social progress and sustainable economic developments, the modern human civilization will go down the drain. Considering the specialties of energy consumption of urban rail transit and the requirements of energy-saving implementation, the paper postulates the strategies of energy saving for urban rail transit.

Keywords: urban rail transit, energy conservation technology, implementation strategies

1. 我国城市轨道交通能耗现状

1.1. 城市轨道交通的能耗特点

城市轨道交通相对于其它城市公共交通工具而言,具有安全舒适、快速环保、运能大和能源消耗少的特点。按照同等运能比较,轨道交通的能耗只相当于小汽车的1/9,公交车的1/2。虽然按同等运能比较,轨道交通能耗比其他形式交通方式小,但由于其大运量的特点,使得总耗电量相当

大,是耗能大户,仍有节能潜力。因此,轨道交通建设和运营在遵循以人为本,方便旅客的出行和换乘,做到“方便、快捷、准时、舒适”等原则的同时,作为重点耗能工程,应严格遵守《中华人民共和国节约能源法》合理用能的原则,一定要致力于加强节能技术研究、推进技术进步、提高能源利用效率、减少环境污染方面的研究。

城市轨道交通主要能耗就是电能耗,由牵引和动力照明两部分构成。地下线和高架线牵引能耗分别占总能耗的50%~60%和60%~70%,其中主系统能耗为30%~40%,辅助系统能耗为30%~40%;地下线和高架线动力照明系统能耗占总能耗的40%~50%和30%~40%,主要为车站通风空调系统、照明系统、自动扶梯等设备系统能耗。城市轨道交通能耗有以下几个特点。

(1) 总体设计方案和设备系统方案对能耗有一定影响,线路总体布局与敷设方式、工程建设标准、系统模式与制式、各专业系统设计及设备配置的合理化程度,决定了城市轨道交通系统对能源资源的需求量。

(2) 轨道交通的运行模式与运营管理水平,也是能耗大小的一个控制性因素,运行模式及操作方式的合理性、运营管理的科学性与精细化、检修维护社会化程度,会影响城市轨道交通系统的节能效果。

(3) 城市轨道交通的网络化设计与运营对节能有较大影响,网络统筹综合、资源配置集约化程度、维护体系总体布局的合理性,也是影响城市轨道交通能耗的重要因素。

(4) 涉及国产化等政策:车辆及系统设备选用、进口节能技术装备采用,还需满足国产化政策要求,节能技术措施的实施受到一定的约束。

1.2. 城市轨道交通主要能耗种类

在轨道交通运营过程中主要消耗电能,基本不消耗其它形式的能源。耗电可以将其归结为车辆运行的牵引耗电和其它设备耗电两大类。

据初步统计,北京地铁1992年一、环线正线的全年牵引耗电量为80196300kw·h,占全年总耗电量的70.6%,其余为动力照明耗电,以及车辆段、停车场的牵引耗电,调试、维修等耗电。

以北京地铁为例,2002年一号线地铁全年耗电量52139240kw·h,环线地铁全年耗电量为75751220kw·h,复八线地铁全年耗电量为50734670kw·h,三条线全年耗电总量为178625130kw·h。其中三条线路的牵引耗电总量占全年总耗电量的57%。新建的城市轨道交通工程除上述

耗电内容外,还需增加车站空调和车辆空调等耗电。

1.3. 城市轨道交通发展对节能带来的问题

1.3.1. 线路运营服务与系统运行维护

随着城市社会的发展,人们对出行条件的要求越来越高,对轨道交通的服务要求更是全方位的:更高的行车密度、更快的旅行速度、更舒适的乘车环境、更便捷的服务设施、更人性化的服务品质。高品质的客运服务使得城市轨道交通对能源资源的需求越来越大,节能实施必须以保障城市轨道交通系统安全、可靠、高效运营为基本前提。

1.3.2. 工程建设与技术装备

城市轨道交通处于集中建设发展时期,工程建设工期紧,投资控制要求高,一些设备还依赖于进口,且城市轨道交通系统专业性强、复杂程度高,各专业系统关联性大,节能实施是一个很复杂的工作。

1.3.3. 节能工作与运营管理保障

城市轨道交通节能管理环节多,涉及面广,能耗计量统计、检测等技术支撑缺乏,各类运行操作规程、评估考核管理制度不健全,需建立健全节能管理保障体系和技术支撑体系。

2. 节能降耗的策略与节能技术

目前在政府、建设、设计等各个层面已经认识道路轨道交通建设和运营过程中存在的能耗问题,且在当前的轨道交通建设过程中,已经采取了一些节能措施。

2.1. 已采用的主要节能降耗措施

2.1.1. 线路方案与运营组织重视节能要求

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。

确定全线的总体运营规模、合理确定列车编组、合理设置运营交路、合理安排列车运营对数等技术措施,将有效降低人车公里能耗。

2.1.2. 车辆节能技术

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、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ATO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。

2.1.3. 供电系统节能技术与措施

牵引供电系统节能设计。合理设置中压供电网络接线形式,既减少系统电缆的长度,也可以减少开关设备数量,降低设备损耗和线路损耗,达到节能的效果。合理设置各种类型变电所。牵引网采用导电率较高的钢铝复合接触轨,牵引网电能损失较少,减少变电所的空载能耗。牵引变电所预留设置车辆再生储能设备安装条件,如果每座变电所均设置该设备,每年可降低牵引用电量约5%左右。选用环保节能设备,如配电变压器选用非晶合金变压器,虽然一次投资有所增加,但是长期运行与普通变压器相比,可节约相当电能。

动力照明系统节能设计。动力照明配电设计按照负荷分级供电的原则进行,对各种负荷,按其重要程度分为一、二、三级。减化了供电系统,节约配电设备。采用集中无功自动补偿和和分散无功补偿措施,提高功率因数,降低线路损耗。在照明产品的选择上,选择高效、节能的光源、灯具。选用先进节能的电机电器设备,电扶梯及大型风机、水泵等采用变频控制,节约设备用电。从运营管理上,当车站高峰过后,可以关闭部分公共照明设备,变频电梯低速运行。

2.1.4. 通风空调系统节能技术

系统形式节能设计。根据地区的气候环境条件及对通风空调系统方案的比选,城市轨道交通通风空调系统形式。尽量利用列车活塞效应,从而采用自然通风方式,节省风机的能耗。

风机变频控制。通风空调系统的设备一般按远期高峰小时运行情况进行配置,而系统负荷随列车的对数、客流的变化而变化。在运行初期、近期客流及行车对数远没有达到设计水平,因此设备容量有较大的富裕量;同样在非高峰时段的系统负荷较高峰时段也有较大的差距,也存在设备容量富裕的问题。

表冷器开启降低能耗。该设备设计为门式,两侧设轴,可以在通风季节电控延缓开启,降低系统的通风阻力和能耗。根据实测结果,8万m3/h的组合式空调机组,表冷器打开前的风机功率为50kw,打开后风机功率降为36.8kW。通过表冷器开启,在通风季节能耗可以降低28%左右。对于通风季节长的城市来说,节能意义非常重大。

采用节能运行模式。由于城市轨道交通内部的发热量大,具有全年热负荷的特性,通风空调系统的设计应充分利用非空调季节室外的天然冷源对城市轨道交通内部进行冷却,尽量减少空调系统的运行时间,节约能耗。

其它节能措施。车站的各风机及空调机组,根据环境的变化自动启动或停止设备,减少不必要的能耗。采用有效的空调风管、冷媒管等保温措施,减少冷量运输能耗。选用合理的室内温湿度标准,尽量取用温湿度的上限值,以减少空调冷负荷,降低制冷能耗。详细计算空调负荷及管路水力计算,选用合适的设备容量以避免浪费。

2.1.5. 设备监控系统节能技术与设备

采用综合监控系统对全线各车站内的变电所系统设备、通风空调系统设备、给排水系统设备、电梯系统设备、低压照明系统设备进行综合性的

监控与调度管理。可以对全线的变电所系统的基础设备进行集中管理;根据不同季节、各车站不同的客流情况、室内外的环境情况,做到合理送排风(空调),使空调得到有效的利用;通过综合监控系统程序的合理设计、运营调度人员的合理组织可以减少能耗损失。

2.1.6. 给排水系统节能

最大限度地利用市政自来水供水压力,采用生产生活用水由市政自来水直接供水,消防给水系统平常运行时尽量市政自来水稳压。选用行之有效的新技术、新工艺、新材料和新设备,以提高供水的安全可靠性,降低能耗和水损。

车辆段应最大限度地利用市政自来水供水压力,给水加压采用变频供水设备或无负压供水设备,职工浴室热源可采用太阳能热水器。车辆冲洗

和检修废水经处理、消毒后再回用于洗车或冲洗零部件,既节约用水,又保护环境,完全符合国家节能环保政策。建立中水处理和回用系统,并考虑雨水利用,以最大限度地节约水资源,进而减少环境污染。在有条件收集、处理和利用雨水时,应尽量利用雨水。

2.1.7. 自动扶梯节能设备与运营管理节能措施

采用具有变频调速功能的公共交通重载荷型自动扶梯,其特点是当扶梯空驶一段时间后,会自动将运行速度由0.65m/s切换到0.13m/s的节能运行速度。当有人乘坐扶梯时,通过其部传感器感知到有乘客后,其内部变频器将控制扶梯速度由0.13m/s平稳过渡到0.65m/s的正常运行速度,保证及时将乘车送至目的地。

尽管目前已经采取了一些节能措施,采取一些节能技术,但是节能是一个系统性的工作,需要有政策、有制度性推行。所以就需要建立采取一些管理措施保障节能措施和技术得到实用。

2.2. 构建节能实施管理保障体系

2.2.1. 建立节能工作政策保障体系

研究建立节能激励和引入机制,制定机电设备系统招标节能技术引入办法,编制列车空调、车站照明、通风空调系统等节能产品名录,逐步加大运营线路节能专项改造项目投入,建立并积极争取政府节能减排专项资金。

2.2.2. 完善节能工作管理保障体系

建立并完善轨道交通节能管理机构体系;制定列车、车站、基地、控制中心等各类用电管理办法,工程建设项目节能验收管理办法,节能目标指标及考核管理办法。

2.2.3. 建立节能工作技术保障体系

建立轨道交通能耗计量系统及能耗数据自动采集与监测系统,建设轨道交通节能管理平台;构建轨道交通能源利用科学评价体系,建设轨道交通节能评价认证中心。

2.3. 做好轨道交通节能实施规划

组织研究并编制城市轨道交通节能规划实施纲要和实施详细规划;以项目建设单位及其总体设计单位为主体,组织编制轨道交通工程建设项目

的节能实施详细规划;以运营和维护单位为主体,组织编制轨道交通运营与维护节能实施详细规划。通过对建设项目和线路运营节能实施的详细规划,保证轨道交通项目建设与运营实施节能的系统性和有效性。

2.4. 健全运营管理规程规范体系

研究编制主要能耗设备系统的节能运行操作规程,包括轨道交通列车节能运行操作规程、轨道交通车站通风与空调系统节能操作运行规程、轨道交通车站自动扶梯节能操作运行规程、车站照明系统节能操作运行规程、轨道交通车辆基地停车列检库相关检修动力及照明设备节能操作运行规程等。逐步健全轨道交通运营操作规程规范体系,确保轨道交通运营实施节能的规范性和高效性。

2.5. 推进节能技术措施的推广应用

为了使轨道交通节能实施及早地取得显著成效,按照城市轨道交通节能规划实施纲要,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。组织编制列车节能型空调、车站照明系统、车站自动扶梯变频技术实施意见等节能建设指导性技术文件,组织对运营线路系统性能的测试、能耗调查及节能评估等工作,并总结提出合理化建议,指导新线建设和既有线节能技术改造;推动完成运营线路车站自动扶梯加装变频装置,车站、车辆基地照明系统的节能改造,更新改造现有落后的能耗系统设备;加强工程项目的节能专项审查,督促节能措施的有效落实。

2.6. 推动节能“四新”技术试点研究

在充分落实现有节能技术措施的基础上,按推广应用、试点示范、研发试点3个层次,开展节能“四新”技术(新技术、新工艺、新材料、新设备)的试点与应用研究,推动城市轨道交通节能降耗的持续进行,促进节能降耗技术的发展,确保轨道交通节能实施的长效性和可持续性。开展车站通风空调系统集成改造、车站通风空调系统智能化控制技术应用、列车变频空调改造和照明系统节能试点研究,推动轨道交通车辆基地光热(太阳能热水、太阳能空调)、光伏(太阳能发电并网)系统的示范应用,组织开展城市轨道交通综合节能技术的应用研究。

2.7. 积极开展节能技术交流与培训活动

加强对操作员工的岗位培训,使员工能适应新系统设备运行的要求,掌握正确操作系统设备的技能;组织“四新”节能技术交流,把握节能技术发展趋势,提高专业技术水平;以媒体等形式进行节能宣传,以多种多样形式组织群众性活动(如节能合理化建议征集等),营造实施节能的良好氛围,提高节能意识,增强节能主动性,为轨道交通节能工作开展奠定广泛的群众基础,从而使轨道交通节能降耗工作成为一项群众性活动。

3. 城市轨道交通节能降耗措施

根据我国目前城市轨道交通的现状、能源利用情况以及技术水平,以下几个方向应该作为未来我国城市轨道交通节能技术发展的重点。

3.1. 加快研发环保型高架轨道交通线路的系统技术

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型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。

3.2. 加快研发低能耗的新型设备与技术

针对目前城市轨道交通能耗大,能源利用效率较低的现状,最首要的工作就是抓紧开发高效、低耗的设备系统与新型设备。这里应包括设备系统和设备两个部分。

设备系统的开发主要是设计单位在方案研究阶段,将系统节能作为重要的设计目标,并且勇于创新,开发研究并采用新型的各种节能方案。例如:在通风空调系统中采用变频变风量、表冷器可开启的集成通风空调系

统;在控制系统的设计中采用智能环境控制系统,对车站与隧道内部的温、湿度、空气质量、照明等进行有效的实时调控。

设备的开发主要是城市轨道交通有关设备供货商通过技术革新,降低所供设备的能耗。例如:供电系统的能量回收装置可以通过回收列车刹车的机械能损耗用于其它列车的牵引供电,可以大大降低列车牵引能耗。但是由于国内产品不成熟,目前多采用进口设备。投资很高,影响了技术的推广。此外,集成通风空调系统中的可电动开启表冷器也是通过多次技术研发产生的节能产品。

3.3. 鼓励城市轨道交通采用新技术新能源

随着科学技术的发展,太阳能、地热能源、海洋能源等新型能源已开始应用于很多行业,对于城市轨道交通来说,属于城市公共交通,能耗量巨大,若能合理使用这些新型能源,会产生很好的经济和社会效益。我们应该紧密跟踪各种新型能源的发展状态,适时的将其引入城市轨道交通建设。

3.4. 提高城市轨道交通设备节能标准

目前,城市轨道交通尚没有专用的节能标准,通车套用一般楼宇建筑设备节能标准。考虑到轨道交通的特殊性与影响性,其标准应高于一般楼宇建筑设备的标准。对城市轨道交通装备的能耗标准应进行严格规定,以便在设计选型、设备采购时有据可依。

在轨道交通装备的招标采购中,不应简单地采用低价中标原则。应综合考虑设备的各项性能参数,突出重点,使国内生产厂家对其引起足够的

重视,把精力投入到提高产品性能上来,避免单纯的价格恶性竞争。这样,有利于整个行业向高端发展,提高轨道交通的服务水平。

3.5. 处理好节能与环保两者之间的关系

在节能的同时应处理好与环保的关系。有的系统方案能够节省能耗,但会影响环境,在这种情况下应服从环境保护的目标。例如,地下水水源热泵空调系统可以降低空调系统能耗,但是会对地下水资源造成一定的污染和破坏,可能造成地下水水位下降,地面下沉等危险。因此,当节能与环保发生矛盾是应服从环保目标。

3.6. 建立城市轨道交通设计节能标准,引领节能发展方向

目前国内尚没有城市轨道交通设计节能标准。城市轨道交通应根据不同地区的气候特点,逐步建立完善各种能耗标准,指导与考核工程节能设计,并作为项目审批的条件。

3.7. 加强城市轨道交通运营节能管理

城市轨道交通的能耗水平除了与设施是否先进有关,还与运营节能管理是否到位密切相关。例如,运营部门应充分了解设备系统的节能设计思想,按照设计模式进行系统控制,并根据具体情况进行优化。保证各种节能设施的正常运转,例如空调系统根据室内温度调节冷水机组与通风机的工作状态,如果反应室内温度的传感器故障而没有得到及时修复,就会影响系统的正常运行,增加空调系统的能耗。

3.8. 将节能措施和方案作为轨道交通建设决策的重要标准之一

节能不能仅停留在口号上,必须将是否节能作为工程建设决策的重要

指标。例如:对于南方炎热地区,屏蔽门系统可以有效降低空调季节的空调能耗,应大力推广使用;但是在北方寒冷甚至严寒地区,屏蔽门系统在非空调季节的通风能耗会高于非屏蔽门系统,不宜采用。在车站设置屏蔽门还是非屏蔽门的问题上,就应该根据节能的原则,在不同地区采用不同的方案,而不应该盲目攀比建设标准,不顾地区特点,全部设置屏蔽门。

4. 城市轨道交通节能发展方向展望

在新规划的城市轨道交通发展时期,将按“推广应用、试点示范、研发试点”3个层次,推进18项(类)节能新技术、新设备、新工艺、新材料,实施应用研发,推动城市轨道交通节能持续进行,促进节能专项技术的发展。

4.1. 积极引导和推动城市轨道交通新技术新设备的试点研发

对于尚无现成节能技术但节能空间较大的主能耗设备系统,在积极引进、消化和吸收国外节能技术的基础上,自主研究开发节能新技术、新产品和综合节能技术,如基于全热交换器列车空调通风系统、列车节能运行技术、再生能量利用与新型变流节能技术研究、轨道交通能耗评估体系、轨道交通能源利用综合管理平台、轨道交通建筑节能综合技术、低能耗新型轨道交通模式(制式)等。

4.2. 推广节能新技术在城市轨道交通的应用

对于已经应用于城市轨道交通及类似工程并取得良好效果的节能新技术,加大力度推广应用,如列车空调通风系统变频调速技术、车站通风空调系统变频调速技术、通风空调系统智能化控制技术、变频调速及红外感

应自动扶梯、节能环保荧光灯、LED高效节能照明产品、节能环保玻璃涂料和外墙隔热涂料等。

4.3. 在城市轨道交通建设中推行试点示范技术

对于已经应用于其他工程或国外轨道交通并取得良好效果的节能新技术,积极做好试点示范工作,并适时推广应用,如非晶态合金等低损耗变压器产品技术、太阳能光热光伏综合应用技术、智能化节电装置、中央空调集成改造工程技术等。

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