南寧城市軌道交通2號線節能設計研究*

柳 林

（南寧軌道交通集團有限責任公司，530021，南寧∥博士，高級工程師）

南寧城市軌道交通2號線節能設計研究*

柳 林

（南寧軌道交通集團有限責任公司，530021，南寧∥博士，高級工程師）

以南寧城市軌道交通2號線為例，依據能耗分析，主要從牽引耗電和通風空調系統兩大方面采取節能設計。從設置節能坡、采用再生制動吸收裝置、使用變頻技術等方面采取節能措施，達到了線路、行車、車輛、供電、通風空調等專業綜合節能的目的。研究結果表明，該設計節能效果明顯，可有效地降低運營成本，實現較高的經濟效益和環境效益。

城市軌道交通；牽引耗電；通風空調；節能坡；變頻技術

Author'saddressNanning Rail Transit Group Co.，Ltd.，530021，Nanning，China

城市軌道交通由于其大運量的特點，使得總耗電量相當大，是耗能大戶，但仍有節能潛力。如何最大限度地做好城市軌道交通的節能減排工作，已成為各位專家學者重點研究課題。目前，這項課題主要從運營組織、車輛系統、供電系統等方面進行了大量的優化研究［1-6］。本文將以南寧市軌道交通2號線的設計探討相關的節能措施。

1 工程概況

作為《南寧市城市軌道交通建設規劃（2008-2015）》的南北向骨干線，南寧市軌道交通2號線工程南起玉洞，北至西津，線路經過良慶區、江南區、興寧區、西鄉塘區，全長21.0 km；全線共設16座車站，2座主變電站，采用6輛B型車編組。該線以解決城市中心組團與周邊組團的南北向客流交通為主，對拉開城市布局、形成城市軌道交通“十”字骨架線網、進一步提升城市地位等都將起到重要的作用。

2 能耗分析

軌道交通系統的能耗服務對象除運送旅客的電動車輛外，還有為旅客在旅行中提供良好環境和秩序的通風空調設施、自動扶梯、自動售檢票、排水泵、排污泵、通信、信號、消防設施和各種照明等。這些負荷構成了地鐵用戶的龐大用電群體。項目能源消耗量如表1所示。

由表1可見，南寧市軌道交通2號線的能耗中電能為最重要的構成部分，主要分布在牽引供電系統、機電設備系統、弱電系統等。其中：供電系統包括牽引系統、動照系統等；機電設備系統主要為設備耗電，含有通風空調、車站設備、給排水及消防、電梯及扶梯等；弱電系統主要包含通信、信號、綜合監控、火災報警系統（FAS）、環境與設備監控系統（BAS）、門禁系統（ACS）等。

根據計算，南寧市軌道交通2號線的近期能耗分布如圖1所示。其中：牽引系統的能耗最大，約占41%；通風空調系統能耗次之，約占38%。

表1 南寧市軌道交通2號線綜合能耗

圖1 南寧市軌道交通2號線近期能耗分布圖

3 節能設計

根據南寧市軌道交通2號線近期能耗分布情況，節能設計涉及的系統主要集中在牽引耗電和通風空調系統兩大方面，照明和電扶梯也是節能的重點；節能措施具體有設置節能坡、采用再生制動吸收裝置、采用輕型車體材料、使用變頻技術、選用屏蔽門制式、選用節能燈具等。

3.1 節能坡設計

線路設計在滿足相關技術指標的基礎上，盡量將地下車站布置在縱斷面的凸形部位上，并設置合理的進出站坡度即：列車進站時上坡，將動能轉化為勢能；列車出站時下坡，再將勢能轉化為動能。這樣有利于減少車輛牽引和制動時的能耗，從而達到節能的目的。本工程全線共設置8處節能坡，平均坡度為20‰，長度為300 m。根據文獻［7］研究成果，本工程中一個節能坡在列車一次運行過程中相對可節電3～4 k Wh；根據運行交路和列車運行計劃可估算初期年節能約為249萬kWh，近期年節能約為350萬k Wh，遠期年節能約為433萬k Wh（如表2所示）。

表2 節能坡節能量

3.2 風機變頻設計

變風量系統可減少介質輸送能耗。由于每日客流量隨時間變化，所以人員散熱量也將不同。根據客流量的變化可以計算出全日的負荷變化。平峰總散熱量約為高峰的80%。設計風量是按照早高峰負荷進行計算的。若根據負荷的變化調整風機風量，可減少風機能耗。

安裝變頻器可根據日客流量的變化（見圖2）調整風機的運行工況。若選擇在10：00-16：00和20：00-23：00時間段風機按85%負荷運轉，其余時間滿負荷運轉，則一天之內，風機通過變頻可以減少7%左右的風量。采用變風量的通風系統全年可節約用能20%。根據2號線能耗分布計算結果，通風系統用能初、近、遠期分別為970 kWh/年、1 235 k Wh/年、1 355 k Wh/年，則初期節能約194萬k Wh/年，近期節能約247萬k Wh/年，遠期節能約271萬k Wh/年。

3.3 再生制動設計

電氣制動可實現再生制動，將車輛動能回饋至牽引網，供相鄰車輛吸收。根據已建地鐵相關經驗，與

電阻制動相比，再生制動節能效果顯著，采用再生制動及再生制動吸收裝置，再生回饋電能在40%左右。但由于非高峰時段行車密度低，故再生率低，只有約15%的電能被再生制動吸收裝置吸收。2號線列車運行一個單程的牽引電能消耗總量約為325.08 kWh，全日發車對數在初、近、遠期分別為142、188/12（總的配屬車/小交路）、209/38（總的配屬車/小交路）對。經計算，電容式再生制動吸收裝置比電阻式吸收裝置初期節能約505萬kWh/年，近期節能約706萬kWh/年，遠期節能約874萬kWh/年。

3.4 中壓供電設計

項目選用35 k V的中壓供電網絡，在同等線路長度和負荷情況下，與分散式供電系統供電網絡的10 k V電壓等級相比，可節省線路損耗約10%。采用平均功率乘系統K的方法估算可得2號線35 k V中壓供電網絡年損耗為142.68萬kWh，與10 k V供電網絡相比則每年可節約電能16萬kWh左右。

3.5 牽引供電設計

供電系統采用1 500 V接觸軌為列車供電，與750 V接觸軌相比，可使牽引變電所數量減少，相同牽引功率下牽引網的電流也較小，相應的牽引網能耗更低。采用1 500 V供電每公里年節約牽引網能耗約4萬k Wh［8］，每年可節約電能約84萬k Wh。不同電壓等級下相關參數如表3所示。

3.6 變壓器容量設計

降壓變電所根據各專業負荷情況合理配置變壓器容量為1 000 k VA，在滿足項目用電需求的同時不設置過大容量的變壓器。計算可得年綜合功率損耗為196.48萬k Wh/年；與類似地鐵工程地下車站變壓器采用1 250 k VA相比，節約電能約10.37萬k Wh/年。變壓器空、負載損耗值如表4所示。

表4 不同容量變壓器空載、負載損耗比較

3.7 變頻自動扶梯設計

據統計自動扶梯采用變頻運行方式（VVVF方式），其低速運行時耗電量僅為設計負荷用電量的10%，整體可以節約電能50%左右（見表5）。計算可得到變頻扶梯和普通扶梯的年耗電量，如表6所示。

表5 自動扶梯電機功率

表6 變頻扶梯與普通扶梯年耗電量比較

3.8 輕型車體材料設計

選用不同的車體材料，車體自重就不同，牽引能耗也不同。耐候鋼、不銹鋼、鋁合金車體自重分別為44.23 t、41.53 t、39.73 t，其載重同為3.2 t。2號線玉洞—西津段不同車體的牽引能耗量見表7。經計算可知，近期選用不銹鋼車比耐候鋼車節能297萬kWh，選用鋁合金車比耐候鋼車節能494萬kWh。

表7 不同車體材料牽引能耗量

3.9 LED照明設計

由于LED（發光二極管）燈光效高，比日光燈節能，本工程采用LED燈具照明。不同燈具的能耗量見表8。

表8 不同燈具的能耗量

南寧市軌道交通2號線共13座地下站和3座高架站，因此全線照明系統采用LED燈可節約能耗約為567萬k Wh/年。采用了3座高架站，比全地下站可節約照明能耗約為73萬k Wh/年。

3.10 通風空調系統采用屏蔽門設計

南寧地區全年使用空調季節長，且氣溫高、空氣濕度大。地鐵車站設置屏蔽門后，車站公共區空調冷負荷將大大減小（約為普通閉式空調系統的1/ 3），通風空調系統的初投資、運行費用和土建初投資也會比閉式系統節省。根據2號線能耗分布計算結果，空調系統用能近期約為2 789 kWh/年，估算每座地下車站可節約運行能耗80萬k Wh/年。

4 結語

節能設計是軌道交通設計中重要的環節。南寧城市軌道交通2號線在節能設計方面采取了一系列措施，從工程設計、建設、運營三個不同階段出發，結合軌道交通工程設備專業多、車站建筑工藝復雜的特點，著重從材料選擇、系統方案、節能設備選型這幾個方面采取節能措施。所采取的節能措施，在滿足城市軌道交通可靠運行的前提下，體現較好的節能效果，可有效地降低運營成本，實現較高的經濟效益和環境效益。

［1］ 葉大華，馮雅薇.推進軌道交通節能減排建設節約型綜合交通系統［J］.北京規劃建設，2009（3）：20.

［2］ 宋敏華.城市軌道交通節能技術發展趨勢研究［J］.工程建設與設計，2009（1）：15.

［3］ 劉海東，毛保華，丁勇，等.城市軌道交通列車節能問題及方案研究［J］.交通運輸系統工程與信息，2007（5）：68.

［4］ 梁廣深.地鐵節能線路縱斷面設計研究［J］.都市快軌交通，2009（8）：37.

［5］ 汪永新，馮磊，許巍，等.南京地鐵2號線節能策略探討［J］.現代城市軌道交通，2011（5）：83.

［6］ 王彥峰.廣州市軌道交通5號線節能措施淺談［J］.都市快軌交通，2004（17）：20.

［7］ 王玉明.城市軌道交通系統能耗影響因素的量化分析［D］.北京：北京交通大學，2011.

［8］ 曹小相，劉卡丁，江安.直流1500V接觸軌節能研究［J］.都市快軌交通，2011，24（2）：93.

Energy-saving Design and Application for Nanning Metro Line 2

Liu Lin

Taking Nanning metro Line 2 as a case study，and based on an analysis of energy consumption，the energysaving measures are adopted from 2 aspects：the traction power supply loss；the ventilation and air conditioning system.By setting energy conservation section，adopting regenerative braking energy absorption devices，using frequency conversion technology and so on，the goal of energy-saving is achieved in the fields of track，operation，vehicle，power supply and ventilation.The research results show that the energy-saving effect is obvious，and the implemented measures can effectively reduce the operating costs，achieve higher economic and environmental benefits.

urban rail transit；traction power supply loss；ventilation and air conditioning；energy conservation section；frequency conversion technology

TK 018：U 231

2013-12-20）

*南寧市科學研究與技術開發計劃項目（20123121）