關于城市軌道交通節能的思考及展望

徐妍彥

摘 要：城市軌道交通是各大城市的主要交通方式，基于軌道交通的里程長、數量大，城市軌道交通的總能耗大的特點，作者結合中學期間所學能量守恒和能量轉化知識，對城市軌道列車進站制動能量的轉換提出了機械能轉換為電能、迫使形成活塞風發電等節能思考，針對地鐵站內乘坐電梯人流較大這一現狀，提出了“上行和下行電梯串聯同步運行”的節能構想：即依靠下行電梯的重力勢能轉換為上行電梯的驅動力實現節能;針對地鐵隧道內白天需要照明，作者提出了用光導纖維將地面自然光傳送至地鐵隧道和地鐵站內用于照明這一技術思路，以期為城市軌道交通節能事業的發展提供技術參考。

關鍵詞：軌道交通;地鐵;能量轉換;活塞風;箱式電梯;同步運行

一、研究背景

在日新月異的現代社會中，我國城市公共交通日益發展，然而軌道交通是城市公共交通的主要形式，具有節能、省地、運量大、少污染、安全等特點，具有綠色環保交通體系，符合可持續發展的原則，特別適應于大中城市。常見的城市軌道交通主要有地鐵、輕軌、市郊鐵路、有軌電車以及懸浮列車等多種類型。

截止2017年底，全國內地開通運營城市軌道交通的城市共33個，開通線路150多條，運營里程超過4500公里，位居世界第一，到2020年全國城市軌道交通運營總里程預計超過7000公里。雖然軌道交通能耗比其他形式交通小，但由于其大運量的特點，其總耗能量相當大。1條運營里程25公里左右的地鐵線，1年的耗電量約為2億千瓦時。軌道交通成為各城市的用電大戶，仍有節能潛力。因此，盡快找到大幅降低軌道交通運行能耗的方法，已成為保持城市軌道交通高速度可持續發展必須解決的重要問題之一。

二、列車進站制動能量的轉換

軌道列車在運行過程中，由于車站間距一般較短，因此要求起動加速度和制動加速度比較大，并具有良好的起動和制動性能。列車在制動過程中，往往將制動能量轉化為電阻的熱能消耗，由于列車制動發熱引發站臺和地下隧道熱量積累、溫度上升，某些城市軌道系統隧道溫度高達50℃，不得不加大通風設備的容量，造成嚴重的二次能耗。因此，作者對軌道列車制動能量非熱能轉換進行了如下思考。

（1）思考一：利用導線切割磁力線感應出電勢的電磁感應原理，將軌道列車進站的動能變為電能輸出，同時導線還會受到與運動方向相反的磁場力的作用，形成列車制動力，幫助列車減速。如圖1所示，在每節軌道列車箱體內纏繞電樞線圈，在軌道列車進站前一定長度內隧道兩側分別安裝N磁極和S磁極。列車高速進站前，電樞線圈導線切割隧道兩側磁場中的磁感線產生電流，供列車照明或制動使用，由于導線就是通電導體，在磁場中受到磁場力的作用，阻礙列車行進的方向，也就形成了列車的制動力。

（2）思考二：利用軌道列車進站過程中形成的隧道活塞風進行風力發電。列車進站減速前行駛平均速度一般為60km/h，最快可以達到80km/h，列車高速行駛形成隧道活塞風的風速約5～7m/s，最高可以達到15m/s。軌道列車進站見圖2。

利用列車正常行駛時隧道活塞風發電是很多專家和學者研究的課題。這里筆者利用列車進站隧道活塞風進行發電的同時快速降低列車進站速度，將列車的動能間接轉化為電能。如圖3所示，在列車進站前區間隧道內設置進風口、出風口，在列車停車區域設置自動屏蔽門，在列車頂部設置多組自動升降擋風板（類似于飛機降落時自動打開的機翼擋風板，能快速迫使飛機減速）。

當列車進站時，自動打開列車車頂擋風板、隧道屏蔽門自動關閉，擋風板受到的空氣阻力能使列車快速減速;同時由于屏蔽門的封閉，列車前方形成一個相對密封的空間，列車行駛過程中壓縮隧道內空氣，使隧道內壓力增加，迫使列車速度減小，隧道內空氣從出風口快速排出，形成活塞風。當在隧道出風口安裝風力發電機時，活塞風發電，電能補給車站，同時利用風的阻力迫使列車降速。由于設置了進風口，及時給隧道補充了空氣，能有效防止隧道形成負壓。

三、地鐵站內電梯驅動串聯同步運行

隨著現代化生產規模不斷擴大和人們生活水平不斷提高，電梯的使用現在越來越多，電能供需矛盾日益突出，節電呼聲日益高漲。電梯節能是一項系統工程，經測算，一臺廂式垂直升降電梯每天用電量約為200度，一臺扶梯每天用電量超過400度，因此，研究電梯節約電能具有特別重要的社會意義和經濟效益。

電梯在上行和下行過程中，電機做功和輸出功率不同，當電梯負載下行時，可以通過能量回饋裝置將機械能轉化為電能，但是采取這一方式能量的轉化成本高、能量轉換的效率較低。在傳統廂式垂直升降電梯中，為減小轎廂滿載上行拽引電機電流，在轎廂拽引繩另一端配置一個與電梯載重量相當的實心配重塊，如圖4所示，當電梯滿載時，實心配重塊可以使電機額定載重運行最省力，起到節能的目的。這類傳統電梯運行時拽引電機必須對實心配重塊做功，電梯的能耗高，尤其是當電梯空載下行時，拽引電機的電流最大。

在人流量較大的地鐵站中，早晚高峰時段電梯基本處于滿負荷運行，電梯上下乘客的數量基本持平。參考傳統廂式電梯配載運行模式，設計如圖5所示的廂式并聯同步驅動電梯，這種電梯基于機械能守恒的原理，只要同步運行的兩臺電梯載荷基本相同，下行電梯在重力的作用下幾乎可以自行帶動上行電梯，驅動電機只需克服系統摩擦力做功，輸出功率較小，能耗小。當兩個轎廂內乘客不相同或差異較大（一個空載、一個滿載）時，可以將某一轎廂看作傳統電梯的實心配重塊，本實用新型電梯的能耗也不會比傳統廂式電梯的能耗大。由此可見，這類電梯非常適合人流較大的地鐵站等公共場所。

依據這一原理，地鐵站內的踏步式自動扶梯也可同樣采取這一驅動方式，單層電梯運行可參見示意圖6設置，對雙層電梯運行可參見圖7示意圖設置。

四、結論和展望

（1）結論。在當今世界能源日趨緊張情況下，厲行節能降耗，建設資源節約型社會，實現經濟社會的可持續發展顯得尤為重要。作者通過觀察地鐵列車進站、乘客乘坐電梯進出地鐵站等，結合中學物理知識，設想利用軌道列車進站做切割磁力線運動，不僅能快速減小列車進站動能，同時能將列車動能轉化為電能供地鐵站使用;設想利用列車進站形成的隧道活塞風不僅能快速減小列車動能，同時也能將列車動能轉化為電能;設想參考傳統廂式電梯配載運行模式，將地鐵站內電梯驅動并聯運行，通過將電梯滿載下行的重力勢能轉化為電梯上行所需的機械能，大大減少電梯用電量，上述地鐵站內的幾點節能設想值得專家學者研究和推廣。

（2）展望。地鐵站內的照明系統也是維持地鐵正常運行的重要組成，由于其工作時間長并且能耗大，因此地鐵照明系統的節能意義也非常重大，筆者設想如果利用光導纖維將地面以上的自然光引入地鐵站內或列車運行隧道內，滿足地鐵站內白天照明的需要，這將極大減少地鐵的運行能耗，相信這一科學技術在不久的將來能夠實現，光纖傳光見圖8。

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指導老師：韓浩，張露。