地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用的探討

李瑞梅 吳煉

摘要：節(jié)約能源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著重要的戰(zhàn)略地位。因此，在社會(huì)主義建設(shè)中，必須積極堅(jiān)持“能源節(jié)約與開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能源并舉，一定要積極把節(jié)約能源放在首位”的指導(dǎo)思想。城市軌道交通是一種綠色的交通工具，由于城市軌道交通，它自身具有高效快捷、緩堵保暢、生態(tài)環(huán)保舒適的優(yōu)越特性，因此深受市民的歡迎與期待，近年來(lái)，各大城市掀起軌道交通的建設(shè)高潮。城市軌道交通替代了傳統(tǒng)的出行方式，可大規(guī)模減少公交、小汽車(chē)等地面交通的開(kāi)行數(shù)量，據(jù)統(tǒng)計(jì)，相同運(yùn)量下建設(shè)城市軌道交通節(jié)能率可達(dá)60%以上，對(duì)于所在城市節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重大意義。

關(guān)鍵詞：地鐵;供電系統(tǒng);節(jié)能降耗技術(shù);應(yīng)用

引言

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)地鐵建設(shè)發(fā)展迅猛，充分帶動(dòng)了地下空間資源的優(yōu)化利用與地鐵沿線經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。地鐵具有安全舒適、快速準(zhǔn)點(diǎn)、規(guī)模范圍較大等優(yōu)點(diǎn)，能夠綜合高效地解決城市用地緊張、環(huán)境污染、交通流量大等現(xiàn)代城市交通普遍存在的問(wèn)題。地鐵車(chē)站作為連接城市交通樞紐、旅游景點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)商圈和居民住宅的節(jié)點(diǎn)，已成為城市居民和游客出行必經(jīng)的場(chǎng)所，其中，以通勤需求尤為突出。所以，為了持續(xù)提高地鐵車(chē)站的質(zhì)量，做好地鐵設(shè)計(jì)工作十分重要。

1城市軌道交通能耗特征

城市軌道交通工程在運(yùn)行中需要大量的設(shè)備系統(tǒng)，其中有部分設(shè)備是城市軌道交通必不可少的（如車(chē)輛、供電、信號(hào)、通信等），但也有部分主要是為了方便旅客，以更好地服務(wù)乘客為目的（如扶梯/電梯、通風(fēng)空調(diào)、照明等），而這些設(shè)施往往是能耗較大的設(shè)備，特別是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。軌道交通系統(tǒng)能源消費(fèi)品種主要為電能，約占工程總能耗的95%。其中牽引用電量的占比較大，約為60%以上，其次為通風(fēng)空調(diào)和照明耗電，約占總用電量的30%左右。故在城市軌道交通設(shè)計(jì)工作中必須從主要耗能工序出發(fā)，考慮如何盡量減少這些系統(tǒng)設(shè)備的能耗。在滿足城市運(yùn)營(yíng)需要的基礎(chǔ)上，合理地確定服務(wù)水平，將節(jié)能的總要求貫徹在設(shè)計(jì)的全過(guò)程;同時(shí)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式提出合理的運(yùn)營(yíng)方案，對(duì)今后的城市軌道交通節(jié)能運(yùn)營(yíng)節(jié)能具有重大意義。

2城軌列車(chē)能耗分析

城軌交通系統(tǒng)的總能耗可以分為以下兩部分：列車(chē)運(yùn)行能耗和站內(nèi)運(yùn)營(yíng)能耗。站內(nèi)運(yùn)營(yíng)能耗包括站內(nèi)照明、空調(diào)器及電梯等能耗，由于本文主要考慮列車(chē)能耗，因此這部分能耗不予考慮。由于列車(chē)用于空調(diào)器、照明系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)能耗值較為固定且占整車(chē)能耗的比值較小，本文也不考慮列車(chē)輔助能耗，而主要考慮列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的牽引能耗。不同的線路條件下，列車(chē)所需提供的牽引力或者制動(dòng)力不同。因此，考慮列車(chē)能耗時(shí)不僅要考慮列車(chē)牽引能耗，還要考慮線路條件這一因素。具體的能耗構(gòu)成如圖1所示。

3地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用的探討

3.1牽引系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

在城市軌道交通用電系統(tǒng)中，列車(chē)牽引耗能占較大比重，其耗能受方案設(shè)計(jì)的影響較大。牽引用電節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）科學(xué)的交通線路設(shè)計(jì)，可以降低牽引損耗，或盡可能降低坡道的相對(duì)高度。（2）行車(chē)交路需要從多個(gè)角度進(jìn)行方案對(duì)比，例如，交路長(zhǎng)度、配線路徑、客流量以及運(yùn)營(yíng)等，在確保客流量滿足需求的情況下，分時(shí)段設(shè)計(jì)行車(chē)交路和列車(chē)對(duì)數(shù)，提高列車(chē)載客量，減少跑空車(chē)的次數(shù)，在空車(chē)和乘客量少時(shí)，適當(dāng)減少牽引用電量。（3）合理選擇牽引供電方式。牽引網(wǎng)供電方式普遍采用自耦變壓器供電方式，即AT供電方式。對(duì)節(jié)能角度而言，AT供電方式牽引網(wǎng)阻抗較TRNF供電方式相比有明顯優(yōu)勢(shì)。因此采用AT供電方式可大幅度降低牽引網(wǎng)能源損耗。此外AT供電方式供電能力也更強(qiáng)一些，適合于需經(jīng)常停啟的城市軌道交通。（4）借助模擬仿真技術(shù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，合理規(guī)劃需要設(shè)置牽引變電所的車(chē)站，合理地選取牽引變壓器容量。

3.2城市地鐵軌道車(chē)站設(shè)備間余熱回收

城市軌道車(chē)站可通過(guò)水環(huán)熱泵技術(shù)，將車(chē)站設(shè)備間余熱回收并加以利用。城市軌道車(chē)站機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備常年散熱，國(guó)內(nèi)常規(guī)做法是通過(guò)新風(fēng)和排風(fēng)設(shè)備將大量的熱量排出室外。另一方面，城市軌道車(chē)站冬季無(wú)采暖，運(yùn)營(yíng)人員工作環(huán)境陰冷潮濕。可設(shè)置熱泵機(jī)組，將設(shè)備間余熱吸收，通過(guò)水循環(huán)熱交換，由熱風(fēng)幕排放到站臺(tái)或者管理用房。經(jīng)初步估算，城市軌道系統(tǒng)消耗1kW的電，可以提供高達(dá)4.9kW的熱量，能效比很高。該措施為國(guó)內(nèi)城市軌道交通車(chē)站通風(fēng)空調(diào)的設(shè)計(jì)，開(kāi)拓一條新的研究方向。

3.3使用新能源

利用可再生能源，設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)。在高架車(chē)站屋面設(shè)置光伏發(fā)電面板，在收到采光和遮陽(yáng)效果的同時(shí)，利用光電效應(yīng)產(chǎn)生電能，電能并入低壓側(cè)電網(wǎng)，為車(chē)站動(dòng)力照明系統(tǒng)提供電力。車(chē)站屋面通過(guò)設(shè)置光伏組件并接入組串式逆變器，通過(guò)匯流箱匯流后通過(guò)電力電纜引到車(chē)站附屬設(shè)備房400V低壓開(kāi)關(guān)柜室并網(wǎng)柜，并入至車(chē)站三級(jí)負(fù)荷母排開(kāi)關(guān)。常規(guī)光伏系統(tǒng)由以下組件組成：①多晶硅雙玻璃光伏組;②光伏逆變器;③交流匯流箱;④并網(wǎng)柜。光伏發(fā)電系統(tǒng)向車(chē)站交流電網(wǎng)饋送電能的質(zhì)量（諧波、電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變電壓不平衡度、功率因數(shù)、頻率等）在符合滿足現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范、規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，持續(xù)為車(chē)站提供源源不斷的綠色清潔能源。在城市軌道交通中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)還可以應(yīng)用到多個(gè)項(xiàng)目中，例如停車(chē)場(chǎng)、車(chē)輛段和客運(yùn)中心等場(chǎng)所，達(dá)到節(jié)能的目的。

3.4節(jié)能環(huán)保

地鐵車(chē)站的節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足地下軌道交通對(duì)功能的需求為主，合理確定與車(chē)站功能相匹配的空間，盡量避免設(shè)置不必要的空間，控制車(chē)站主體規(guī)模和附屬設(shè)施的面積，從而降低車(chē)站建設(shè)成本。多數(shù)地鐵車(chē)站完全埋于地下，與外部的冷熱交換相對(duì)較弱，能源消耗主要為車(chē)站建筑內(nèi)部照明、空調(diào)和通風(fēng)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能合理利用空間，減小地下車(chē)站的規(guī)模和埋深，從而使與之相匹配的機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量和設(shè)備數(shù)量相應(yīng)減少，以從總體上控制地下車(chē)站照明、空調(diào)和通風(fēng)的能源消耗總量，減少工程投資，同時(shí)，為今后運(yùn)營(yíng)期間的節(jié)能管理創(chuàng)造條件。地鐵站出入口的設(shè)計(jì)要結(jié)合采光、通風(fēng)和照明需要，在為地下區(qū)域帶來(lái)光照，有利于空氣流通的同時(shí)，應(yīng)根據(jù)出入口的朝向，在保持地鐵全線統(tǒng)一風(fēng)格的前提下，采用合理的遮陽(yáng)設(shè)施，減少夏季陽(yáng)光對(duì)地下空間的過(guò)分熱輻射導(dǎo)致的高溫情況，有效處理負(fù)荷增大的負(fù)面影響。

3.5城市軌道隧道壁毛細(xì)管熱泵系統(tǒng)

城市軌道交通工程可采用隧道壁毛細(xì)管熱泵系統(tǒng)為車(chē)輛基地建筑供熱，該系統(tǒng)是基于土壤源熱泵的新技術(shù)，非常具有項(xiàng)目特色。城市軌道列車(chē)在隧道內(nèi)行駛，產(chǎn)生的熱量通常利用排熱風(fēng)機(jī)排出，青島某城市軌道交通工程作為節(jié)能示范，在一段隧道壁的一襯與二襯之間敷設(shè)毛細(xì)管，吸收隧道內(nèi)熱量，通過(guò)水循環(huán)將熱量送至熱泵機(jī)組，冬季為采暖建筑供熱。

結(jié)束語(yǔ)

目前，城市軌道交通已成為大中型城市的動(dòng)脈、城市發(fā)展的引領(lǐng)、城市公共交通的主導(dǎo)。隨著行業(yè)的迅猛發(fā)展，以及運(yùn)營(yíng)線路數(shù)量的快速增加，其運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)壓力也在不斷增大，智能化及可持續(xù)發(fā)展已成為城市軌道交通發(fā)展的必然趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)

參考文獻(xiàn)

[1]楊靜.地鐵牽引系統(tǒng)供電的節(jié)能優(yōu)化[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2019（18）：55-56.

[2]龔素文.軌道交通列車(chē)運(yùn)行能耗優(yōu)化研究[J].工程數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)，2019，36（06）：627-636.

[3]高東升.城市軌道交通能耗特性分析及評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].電氣化鐵道，2019，30（06）：78-82.

[4]張桐，毛保華，許奇，馮佳，唐繼孟.考慮節(jié)能目標(biāo)的有軌電車(chē)時(shí)刻表優(yōu)化[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2019，19（06）：171-181.

[5]蔡偉棟.直流集中供電系統(tǒng)在軌道交通照明中的應(yīng)用前景[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（23）：122-124.