用戶主導地鐵節能技術創新的實踐與綜合效果

簡 煉

(深圳地鐵集團有限公司 廣東深圳518026)

深圳地鐵地處中國改革開放的前沿，是國家創新的窗口和試驗田，深圳地鐵是國家決策地鐵裝備國產化率達到70%的第一個項目，也是深圳承載創新地鐵成套裝備建設的第一個國家重點工程項目，也是深圳市建市以來最大的政府投資項目。因此，從1999年開始，深圳地鐵就自覺地承擔起節能創新先行先試的歷史責任。統計數據表明，我國的單位GDP能源消耗量是美國的2倍，是日本的11.5倍。深圳地鐵節能創新實踐具有開創性，值得認真總結，從中探索出一條“用戶主導創新”的節能新路。

1 地鐵節能創新源于改革開放的試驗田

1999年，深圳地鐵公司就清醒地認識到:地鐵公司是國有全資企業，地鐵企業的產品是交通運輸服務，企業提供的產品屬于服務產品，地鐵服務的用戶是乘客。地鐵的所有裝備的用戶是地鐵公司，地鐵建設是形成交通運輸服務產品的過程，地鐵公司使用的裝備是為運營提供服務的保障，運營服務的安全、節能、高效等質量主要取決于地鐵的裝備。因此，只有裝備搞好了，才能為高質量的運營服務創造條件。地鐵成套裝備是運營服務產品的金剛鉆，必須揚長避短，自力更生，洋為中用，用信息化技術自主創新地鐵成套裝備，才能實現全面超越。

地鐵節能的工作創新直接關系到地鐵的經濟和社會效益。地鐵是百年大業，本著“預則立，不預則廢”的指導思想，深圳地鐵未雨綢繆地在節能創新領域的一張白紙上率先提出應用變頻控制技術在地鐵裝備中實現節能的構想。當時，國家還沒有提出節能減排的明確要求，在國內外地鐵行業中，沒有一個地鐵公司提出過創新應用變頻技術實現裝備節能的要求，國內外地鐵沒有先例，更沒有所需要的設備。因此，在一個新組建的深圳地鐵公司提出地鐵節能的觀念和構思方案，引發了較大的觀念碰撞，贊成節能創新做法的是極少數。眾人對創新應用變頻技術實現裝備節能的第一反應是詫異或不理解，理由似乎非常充分:地鐵的設計規范有要求，沒有運用經驗、不成熟的技術在地鐵里不能采用。當時，地鐵用的空調、扶梯也的確沒有變頻的節能產品，深圳地鐵裝備需要吃第一個螃蟹。因為，深圳地鐵承載著先行先試的歷史責任。

2 主動抓住節能創新的機會

深圳地鐵公司首先認識到，地鐵是以電力為動力的耗電較多的大運量交通工具，雖然在機動化交通方式中，城市軌道交通的人均耗能是相對較低的。但是，城市軌道交通的運能大、用電量也就大，在城市能耗總量中所占比重也大。

根據香港和新加坡地鐵的耗電情況，通風空調、電扶梯的耗電占地鐵總耗電的50%以上，是地鐵耗電最多的設備。從多快好省、可持續發展城市軌道交通的主觀愿望出發，以耗電多的設備節約能耗為原則，提出先在耗能較大的通風空調、電扶梯上創新地應用變頻技術實現節能。在南方的地鐵中，通風空調系統是必須配置的，如果不在地鐵建設期提出節能要求，就會失去裝備節能創新的最佳時機，對一個改革前沿的深圳地鐵來說，將意味著看著成千萬甚至上億的電力資源被浪費。因此，作為用戶的負責人深刻認識到:創新應用變頻技術實現裝備節能的現實和歷史意義重大。所以，強烈要求在深圳地鐵先行先試、堅持深圳地鐵第一個吃螃蟹的敢闖敢試理念，承擔起了做地鐵節能排頭兵的責任。最終，爭取到在220臺扶梯、2個小規模車站創新應用變頻技術實現裝備節能的歷史性機會。

3 深圳地鐵節能創新綜合效果分析

深圳市2013年全年的總用電量為710億kW·h，僅深圳地鐵集團公司運營的1、2、5號3條線，全年總用電量就達到4.47億kW·h，占全市全年總用電量約0.63%，在全市算名副其實的用電大戶。這3條線路總長117 km，共86座車站，其中4座高架車站，5個車輛段和停車場，采用6節4動2拖A型車運營。

3.1 首創變頻節能控制技術用于地鐵空調通風系統，效益顯著

通過創新應用變頻控制技術，在保證車站溫度、濕度、新風量和換氣次數的情況下，使地鐵車站實現了節能運行。深圳地鐵通過對同一車站使用變頻控制技術前后耗電數值的對比得出結論:運營初期，采用變頻技術后1座車站的空調通風系統節能70%以上，每座車站每年平均節電40萬kW·h，按深圳的電價，1座車站每年節約38萬元左右的電費。目前，86座車站的空調通風系統已全部采用變頻控制技術，每年節約電費可達3 230萬元。

2013年底，全國運營的地鐵為2 539 km，按300座車站改造空調通風系統采用變頻技術節能，1年可以節電1.2億kW·h。到2020年，我國預計至少新建地鐵運營的線路超過3 000 km，若按1 000座車站采用空調通風變頻技術節能，1年可以節電4億kW·h。由此可見，地鐵節能存在較大空間，倘若能應用節能技術，節能的效果會對節約型社會產生非常巨大的影響。

在實踐創新的基礎上，深圳地鐵獲得了創新應用變頻技術實現通風、空調節能的實用新型專利。

3.2 首創地鐵車站空調通風裝備和用房面積減半的實踐標準

創新應用變頻節能技術實現了地鐵空調通風系統大幅度節能，減少了工程造價和使用維護費用。車站應用該技術后，節能量超過70%，從而進一步發現了每座車站設置4臺空調通風機組能力過剩的問題。通過對空調通風耗電自動計量數據核算，每座車站只需要2臺空調通風機組就可以滿足需要。由此，從創新應用的實踐中，得到了地鐵車站空調通風系統設備和用房面積減半的實踐標準。

從2006年開始，深圳地鐵二期工程在地鐵車站的設計中，將原來采用4臺空調機組的設計均改成了2臺變頻空調機組，從而節約了2臺機組所占用的造價昂貴的地下建筑空間，使每座地下車站的設備和土木結構的投資減少60萬元。目前，該節能技術已被住房與城鄉建設部推廣應用。若新建1 000座車站，可以節省建設投資6億元。

到目前為止，僅深圳地鐵建成的1、2、5號線車站就節約了3 300萬元建設資金。設備和車站面積都需要消耗能源，節約設備和車站面積間接地實現了節能減排效益。

3.3 首次在地鐵交通重載型電扶梯上采用全變頻控制節能技術，效果明顯

電扶梯創新應用全變頻控制節能技術后，妥善解決了扶梯在不同運行模式下的節能運行，該技術實現了設定模式、控制速度運行等功能，同時具備了耗電的計量功能。通過對同一座車站使用全變頻技術前后耗電數量的對比得出結論:采用全變頻技術后，1部電扶梯節電20%，平均1部電扶梯每年節電約1萬kW·h。目前，深圳地鐵已使用860部全變頻控制節能扶梯，年平均節電860萬kW·h，節約電費約800萬元。

目前，全國運營的地鐵為2 539 km，若按800座車站，每座車站安裝8部扶梯計算，則采用變頻電扶梯節能技術1年可以節電6 400萬kW·h。

然而，在2001年，深圳地鐵第1個在招標書中要求應用全變頻節能扶梯時，中標220部扶梯的是電扶梯鼻祖OTS、變頻電梯鼻祖三菱，這兩個廠家均沒有所需要的產品，只能按深圳地鐵用戶的特殊技術要求專門研制扶梯帶變頻的節能產品。這種節能產品2004年底誕生在深圳地鐵，已在深圳地鐵運營9年多，共節電達3 650萬kW·h。

目前，OTS、三菱及其他扶梯公司將這種全變頻節能扶梯作為標準產品廣泛應用于全球市場，1年生產扶梯超過萬部，若都用此技術，1年節電過億kW·h?？梢?，深圳地鐵創新應用的節能技術也為全球的扶梯節能做出了貢獻。

4 移動設備節能的重點

從深圳地鐵總用電、牽引用電、行車公里、客流量之間的關系中發現節電的重點所在(見圖1)。2011年6月28日深圳地鐵運營線路增加98 km，車站增加68座。

圖1 深圳地鐵1號線2005—2013年用電情況分析

從圖1和運營9年統計數字分析得出，客流從5 766萬增加到32 529萬人次，增加了4.64倍;9年列車的平均滿載率40%，乘客重量占牽引重量的13.2%，列車自重占牽引重量的86.8%，若按牽引的重量衡量耗電，則深圳地鐵1號線9年的平均能耗，列車上的乘客平均耗電占列車的牽引耗電約13.2%，列車自重平均耗電占牽引耗電約86.8%。同時，地鐵客流全天各時段存在明顯的規律性波動，在客流高峰、平峰時段實施靈活編組的運營方案，將顯著節省滿載率較低時的列車牽引耗電量。

行車公里數從844萬車公里增加到4 626.35萬車公里，增加了4.48倍;列車的牽引耗電從2 456.44萬kW·h增加到9 919.22萬kW·h，增加了3.04倍。列車的牽引耗電沒有與客流和行車公里數同比例增加，主要原因是行車密度增加后同一供電區間內運行車輛增加了再生制動能量，前后車相互利用。由此可以看出:增大供電距離可以節能。

地鐵總耗電量從10 438.89萬kW·h增加到20 884.644萬kW·h，增加了1倍，其中，列車的牽引耗電從占總耗電量的23.53%增加到了47.49%，上升的主要原因是運行列車的行車公里數從844萬車公里增加到4 626.35萬車公里;車站的動力和照明用電由占總耗電量76.47%減少到52.51%，下降的主要原因是2011年6月底二期工程的1號線新增了23 km，其15座車站均采用了變頻控制的通風空調系統。

5 持續創新應用節能技術

深圳地鐵創新以“茍日新、日日新、又日新”的持續創新精神，自1999年開始，15年里持續不斷地創新和應用節能技術。深圳地鐵一期工程創新地應用了變頻控制技術在地鐵空調通風系統和電扶梯中，試用了太陽能熱水器，車站采用了屏蔽門系統隔離空調區與隧道的非空調區;自2007年開始在地鐵車站照明中采用LED替換傳統日光燈，列車等照明也應用LED;2013年，全面將地鐵照明和廣告燈箱照明改造和更換為LED，在車輛上開始使用變頻空調。

2013年，深圳地鐵集團依托北京交通大學施仲衡院士、西南交通大學錢清泉院士團隊的科研實力，在廣東省科委申請建立了廣東省深圳地鐵集團節能減排技術研發院士工作站，這是地鐵行業的第一個由院士團隊參加共同研發的節能新技術研發組織，主要有運營行車的列車組織管理系統、車輛牽引再生制動能量車上回收系統和直流3 000伏供電系統。研發的項目內容:針對深圳地鐵列車自重平均耗電占牽引耗電約85%以上、客流全天不同時段規律性波動明顯等情況，研究列車靈活編組運營關鍵技術，通過實施服務頻率與列車編組優化組合的運營方案，以高服務水平滿足客流波動規律，實現高行車密度條件下的節能目標。創新提出行車密度節能的系統管理技術;對直流3 000 V供電系統拉長供電區間，讓更多的車運行在一個供電區間的節能新系統;車輛上安裝再生制動能量回收節能的設備系統，及時回收利用再生制動產生的能量。創新技術研發集中在地鐵車輛牽引和制動、供電、運行管理領域的節能，使深圳地鐵達到全面節能的更高水平。

深圳地鐵堅持持續創新，應用節能技術，先后在車站設備節能、照明、車輛、供電、太陽能、運營管理等方面全方位地開展了節能創新工作，并已經取得大量成果，今后將持續擴大和收獲創新節能技術的成果。

6 節能創新的實踐和理論總結

深圳地鐵作為用戶和節能應用的創新主體，主導了地鐵節能技術的創新應用，為地鐵節能技術創新探索了新路。第一次提出了節能的創新理念和需求，并且沖破了技術規范和各種束縛，在沒有科研經費的前提下，以產品應用端的用戶發起并且組織和主導了節能創新技術應用的實踐。體現了用戶在重大技術裝備應用創新活動中的主導地位和作用，并以用戶主導為主線，形成了一套適用于裝備技術創新的理論，其核心為:用戶是創新的主體。所謂創新的“主體”，是指提出、組織、出資、第一次商業應用、承擔風險、牽引和把握創新活動朝著既定目標不斷進展的承擔者;而用戶又是技術裝備的直接使用者，使用者的客觀要求是創新滿足應用需要，應用對創新成功率提出了更高的要求。因此，用戶既是創新主體又是應用主體，用戶創新必然最關心創新風險的過程控制，從而創新的風險控制能力得到了成倍的強化，創新成功的概率就成倍地增加。深圳地鐵裝備節能創新應用的成功，證明了用戶既作為創新主體又作為應用主體，兩者相統一時，創新的風險是可控的。創新需要的費用可以與工程投資緊密結合，創新需要的時間可以與工程竣工的時間相互協調。

“用戶主導創新”的理論基本內涵是:創新依托重大工程或項目的用戶為創新主體，起始于用戶的創新決策，以用戶獨一無二的使用需求為導向，用戶的領軍人物主導項目技術、裝備的創新和應用，把常規工程建設項目提升為創新工程，把常規工程管理提升為創新風險管理，將風險化解在創新的過程中，造就新產品、技術或系統產品的誕生，進而實現產品和產業水平的整體躍升。這里，用戶雖然不是各項產品和技術創新的具體生產的承擔者，但是作為創新產品的發起者、決策者、組織者、出資者、管理者、第一個使用者、風險承擔者和共同權益人，用戶自始至終搭建和支撐著產品和技術創新的基礎平臺，主導著產品和技術集成創新的總體水平和效用，是成就創新產品和技術的不可替代的決定因素。

7 建議

7.1 以制度創新驅動節能減排

深圳地鐵公司超前進行了具有開創性的地鐵裝備創新應用節能技術，開始雖然遇到了強大的傳統觀念和各種阻撓;然而，最終取得了明顯的節能效益。這不僅需要節能領軍者的智慧和膽識，更需要制度創新的跟進才能擴大節能成果，為總結實踐經驗以點帶面地推廣應用成果、出現更多的開創性節能創新保駕護航。深圳地鐵經過15年的持續不懈的創新和努力，不斷地實現著節能的更高目標。然而，深圳地鐵總有一種在孤軍突圍、挺進、一個接一個打著節能殲滅戰的感覺。讓創新的技術發揮更大作用的推廣應用工作急待加強。期望國家有關方面將鼓勵節能減排的各項制度的創新及時跟進，及時發現和總結實踐中好的節能發明、發現和創新的成果，并提煉升華，上升為創新的制度，用制度強制推廣應用，取得更大的成果。節能減排是一項長期的戰略，需要制度創新的引領，在更大范圍內實現節能技術創新。例如，政府發布規章，強制采用變頻節能的地鐵空調通風裝備、電扶梯等;修改或制定地鐵設計規范、產品標準等，從使用的源頭上擴大節能減排的成果。

7.2 以管理創新驅動節能減排

政策和策略是執政者管理節能減排事業的生命，來自基層好的節能減排的實踐信息就是執政者管理節能減排事業的新鮮血液，各級管理者應創新建立自下而上、覆蓋全面的信息通暢制度渠道，隨時從實踐中發現好的節能做法，及時自上而下、以點帶面地總結和推廣。以管理創新的方法和行政規章固化已有的好的節能做法，用有形的手推動節能減排事業的健康快速發展。例如，國家創新制定用節能減排最終成果作為申報和評價標準的專項獎勵制度;制定按月實際節電量的比例提成的日?？己霜剟钪贫龋蛴晒╇姴块T進行獎勵電費等。以制度創新鼓勵和引導更大規模的節能，為實現更大規模的創新驅動節能減排事業的發展提供支撐。

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