305 浅谈城市轨道交通的环保节能与未来展望

浅谈城市轨道交通的环保节能与未来展望

张旻铭

（上海地铁维护保障有限公司，上海 201103）

摘 要：近年来轨道交通在大陆发展迅速，各省会城市均在建设或正准备建设轨道交通，部分二级城市也开始发展轨道交通。地铁是大运量的城市轨道交通运输系统，也是耗电量的大户。本文通过对轨道交通能源使用的现状进行分析、比较与展望，从而使轨道交通趋于低碳节能的方向和满足未来的可持续发展。 关键词：轨道交通；能源；节能；可持续发展

1 地铁能源使用情况分析

随着全球能源形势日趋严峻，政府对节能工作越来越重视，不仅制订颁布了有关的法律法规，同时各级地方政府根据中央的要求针对各行业特点对行业节能目标进行了细化和分解，并制定了相应的工作措施。

城市轨道交通行业是当前大陆正逐渐发展壮大的新兴行业，是城市大运量公共交通的主要方式。有关研究资料表明，同等运量条件下城市轨道交通比汽车能耗低3～4倍，因此城市轨道交通是一种节能型的公共交通方式。

尽管如此，由于城市轨道交通系统组成复杂、设备数量众多，其在运营过程中还是需要消耗大量能源，如果在规划、设计、建设以及运营等各环节做好节能研究、策划和管理工作，一定程度上还是可以节约能源的。

地铁运营过程中消耗能源的主要形式是电能。根据对地铁的用电负荷统计分析,能耗主要分布在列车牵引用电和各种动力照明设备用电,如通风空调、自动扶梯、照明、弱电设备等方面。

从图1中可见,地铁列车牵引用电和各种动力、照明用电量比例约各占50%。牵引供电、通风空调、电扶梯、照明等的能耗占地铁总能耗的90%左右,是节能工作的重点。

因此,应对地铁中主要用电设备以及持续性运转的大负荷容量设备加强能源管理和监控,并对采用变频等节能技术措施的设备做好经济技术考核和对比分析工作。

  图1 地铁铁各系统耗耗能分布图 地铁能源源管理系统是是以稳定可可靠的计算机机网络构成成的集中式数数据采集监监控分析析管理系统统。全线设置置一个能源管管理中心。能源管理中中心可通过过地铁既有综综合监控控系统的骨骨干网络从各各车站、车车辆段等能源源子站中获获取能源数据据,以实现全全线的能能源数据集集中监控和管管理。 2 城城市轨道交交通节能理念念 虽然城市市轨道交通在在世界上已已经有100多多年的历史，但是现代代化的城市轨轨道交通通在大陆真真正大规模发发展也只是是近10多年来来逐渐开始始的。这个领领域内节能的的有关标标准、技术要要求等方面面还很少涉及及，而且国国外在这方面面也还没有有系统化，目前也很很难借鉴。因此，因在设设计阶段提出出合理的节节能理念对于于提高节能能效果有重要要意义。 从城市轨轨道交通的实实际情况分分析，要建设设一条节能效效果良好的的线路基本可可以线路、建筑、车辆及运运行控制方式式、供电系系统、站场机机电设备系系统等专业设设计从线以及及运行图编制等方面考考虑。 目前在这这些专业领域域都已经分分别取得一些些成果，如节节能坡、车车辆再生制动动的应用用、供电系统变压器容容量合理化化、弱电专业业UPS综合化化、节能设设备和太阳能能应用等等等，但在一一条线路上上全面考虑和和综合应用用还比较少。。为了取得良良好节能效效果，在设设计时对于于节能可作系系统性考虑虑，即不仅要要应用好已有有的单项节节能措施，而且而处理理好各专业业的接口，提提高节能措措施的综合效效率。  

地铁在满足公共交通功能需求的同时,应按照合理用能的原则,推进先进节能技术的应用,加强节能管理和能耗控制,以提高能源利用效率,降低运营成本。 3 城市轨道交通节能实例

在地下空间内采用绿色、高效、环保以及耐久性能好、使用寿命长的LED光源代替传统的直管荧光灯和高压钠灯，并对洞内照度作现场总线网络的无级自动调光控制，其应用前景良好。

2008年，香港地铁与九洲光电，在全球最先引入LED作为地铁车厢和站台照明光源，受到了广泛关注。时至今日，九洲光电的LED车厢光源经历了2年的实际测试，真正做到了零故障、零光衰，受到了香港地铁和社会各界的一致好评。香港环保促进会将明智环保采购大奖授予香港地铁，彰显其对社会的责任及打造香港成为绿色城市上作出的贡献。

图2 香港地铁车站

地铁运营的能耗主要集中在三个方面：牵引机车、内部照明、空调系统。目前牵引机车、空调系统的各项技术已经成熟，而且各项新技术在已经完工的地铁中无法大规模应用，对节能贡献不大。目前地铁系统中能进一步挖掘节能潜力的就是地铁的内部照明。地铁环境中无法应用自然光，车厢、站台、通道内必须完全使用人工光源进行24小时照明，因此地铁内部照明系统的能耗甚至要高于其空调系统。

香港地铁采用了九洲光电为地铁专门设计的车厢用LED光源。此款光源为优

化设计的28瓦LED光源，替代车厢内原有的2根36瓦荧光灯，一根LED节能灯每一千小时节电就达到了49度；按照六年寿命周期内每天亮灯20小时计算，一根LED节能灯将节电2146度，减少2.36吨的温室气体排放。

环保促进会的相关人士对地铁的LED照明推崇备至，其绿色环保的概念不仅仅表现在电能的节省上，同时减少了对地铁车厢的频繁维护，降低了维修过程中的人工、材料开支，提高了车辆的出勤率。更重要的是，如果采用荧光灯管，6年内需要更换6次，一支LED灯具就减少了12支荧光灯管的使用，避免了荧光灯中汞元素对环境的污染。 4 城市轨道交通新能源

太阳能是一种清洁、可再生能源，同时还具有无污染、无噪声、规模大小随意的特点。因此，如需用一种能源来代替现有的电能，那太阳能无疑是第一选择。

每条轨道交通线路均设有停车场、车辆段和控制中心，部分轨道交通还设有高架站和高架区间，其场地上的优势为太阳能光伏发电系统在城市轨道交通中的应用提供了可能。

图3 太阳能光伏发电系统

4.1 太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池（组）等组成。

（1）太阳能电池板。将太阳的辐射能力转换为电能，送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

（2）太阳能控制器。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，控制器还应具备温度补偿的功能。控制器还可以增加光控开关、时控开关等其他附加功能。

（3）蓄电池。一般为铅酸电池，其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

（4）逆变器。太阳能的直接输出一般都是DC12、24、48V。为能向AC220V电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此，需要使用DC-AC逆变器。 4.2 太阳能光伏发电系统的分类

太阳能光伏发电系统分为离网发电系统和并网发电系统。 4.2.1 离网发电

离网发电系统通常配备蓄电池组和逆变器，白天光伏组件产生的电能经过控制提供给负载，并将多余的电能存入蓄电池组内，夜间或阴雨天蓄电池组内的能量经逆变器转换成交流电后供给负载。常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电，航标灯塔、路灯等。 4.2.2 并网发电

并网发电系统是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用太阳能阵列所发的电力，从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。 4.3 太阳能光伏发电系统在城市轨道交通中的应用 4.3.1 车辆段及停车场应用方案

城市轨道交通车辆段一般有2座检修库以及办公楼、食堂及物资总库等房屋若干。2座检修库的面积一般在20000～35000m2，按目前的技术条件，每平米太

阳能电池板的安装容量可达100W左右，2座检修库的屋顶均可安装太阳能电池板，屋顶利用率按50%计算，则每个检修库的装机容量可达1.0～1.75MW。

城市轨道交通停车场一般有1座停车列检库，1栋综合办公楼以及材料库及洗车库等房屋若干。停车列检库的面积一般在20000m2以上，屋顶利用率按50%计算，装机容量可达1.0MW。 4.3.2 控制中心应用方案

城市轨道交通控制中心一般位于市内交通繁忙地段，高度一般在50～100m，地理位置上的优势为其创造商业价值提供了条件，在控制中心靠南的一面墙壁装设太阳能光伏幕墙，并在幕墙上安装LED广告牌，白天利用太阳能幕墙吸收太阳能，并将太阳能转换的电能存储于蓄电池组，夜晚蓄电池组释放能量，点亮LED广告牌，可以做到既美观又节能环保，而轨道交通公司则可以通过出租或出售广告牌的方式获取商业利益。 4.3.3 高架站及高架区间应用方案

部分城市轨道交通线路在靠郊区位置拥有一定数量的高架车站和高架区间，高架车站的屋顶和高架区间桥的侧面可以考虑装设太阳能光伏发电系统，在高架区间可以装设太阳能检修灯，这样做不仅美观，而且示范效果显著。 4.3.4 应用形式车辆段和停车场

由于可安装的光伏发电系统容量较大，其应用形式应为并网发电，这样不仅便于管理维护，而且可以取消蓄电池的配置。白天天气晴朗时，太阳能光伏发电系统发出的电能可供停车场和车辆段部分负荷使用，差额部分从中压环网中获取；夜晚或阴雨天，停车场和车辆段的负荷从环网中获取电能。

太阳能光伏发电系统在控制中心、高架车站和高架区间的应用形应为离网发电系统，该系统配置蓄电池组。白天天气晴朗时，太阳能光伏发电系统储存能量；夜晚或阴雨天，蓄电池组通过逆变装置向负载供电，当蓄电池组能量耗尽时，由自动转换装置将负载切换到环网供电系统。 4.4 国外可借鉴的经验

欧洲首座太阳能铁路隧道在比利时投入运营，该隧道属巴黎--荷兰阿姆斯特丹高铁的一部分，长约3．2km，已于2011年6月第1列“绿色火车”经过比利时区段开始启用。火车运行所需电力全部由16000块太阳能电池板提供，电池板设置

在隧道越岭的山体表面。

4.5 太阳能光伏发电系统在轨道交通应用的发展前景

太阳能光伏发电系统目前正处于初期推广阶段，在城市轨道交通实际应用中建议按以下优先顺序考虑太阳能光伏发电系统的安装：控制中心、车辆段、停车场、高架区间、高架车站，即优先考虑在控制中心的安装，最后考虑在高架车站的安装。太阳能光伏发电系统的造价较高，在实际使用中如遇到投资受限，则可以通过减小系统规模，达到系统造价与投资额的匹配。 5 地铁节能的未来与展望

在太阳能、风能、生物质能、潮汐能等各类可再生能源中，太阳能成为专家们的首选。不管从资源的数量、分布的普遍性，还是从清洁性、技术的可靠性来看，太阳能都比其他可再生能源更具有优越性。

目前我国已成为世界第二大二氧化碳排放国。二氧化碳产生的污染不仅对居民健康和工农业生产造成严重损害，还使我们面临巨大的国际压力。

我国地处北半球，太阳能资源异常丰富，总面积2/3以上地区年日照时数大于2200h。目前太阳能光伏发电技术已日趋成熟，是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术之一。

对于节能减排，最为行之有效的方法，除了使用太阳能替代现在的电能，我们还可以使用LED照明替换现有的照明系统。

低碳环保不是为了大幅度降低企业的生产运营成本，而是在重视社会、环境责任的同时也要关注企业自身的利益，采用LED等各项新技术不但能减少对环境的污染，同时也能给企业带来更多的利润。在这一点上，香港地铁的经验是值得大家学习的。

采取绿色低碳经济发展策略是大陆城市轨道交通发展的必然选择。在积极探索发展新模式过程中，应采取措施从根本上实现能源体系的转型，解决好传统的自然资源短缺的问题，大力降低温室气体排放量，实现城市经济的可持续发展。有条件地逐步开发太阳能光伏发电、采用LED照明系统以及进一步推广智能型LED节能照明灯具等都是重要方面。建立节能型的地下空间，是一项争取逐步实现的远大目标。

参考文献

[1] 段晨宁.地铁列车节能技术的应用[J].铁路通信信号,2003,39(8). [2] 龙潭.地铁能源管理系统[Z].

[3] 孙钧.面向低碳经济城市地下空间/轨交地铁的节能减排与环保问题[J].隧道建设,2011,31(6):643～647.

[4] 王海芹.能源管理系统在城市轨道交通中的应用[Z].

[5] 陈屹. 太阳能光伏发电系统在轨道交通中的应用研究[J].现代城市轨道交通 2010:59～61.

[6] 佚名.把绿色照进地铁[Z].

Abstract：Rail transit in China has developed rapidly in recent years, the provincial capital cities under construction or are preparing to construction of rail transit, some secondary cities also began to develop rail transit. The subway is a big traffic volume of urban rail transit systems, and large power consumption. This article through to the current situation of the analysis on the use of rail transit energy, comparison and prospect, so that the rail transit tends to the direction of low carbon energy saving and meet the sustainable development of the future.

Key Words：rail transit; energy; energy saving; the sustainable development

作者简介:张旻铭、男、25岁、浙江省宁波市、上海地铁维护保障有限公司十号线维保管理部通号车间,工学学士学位，地址：吴中路1779号,电话：63189188*504226,邮箱：570958807@qq.com