“雙碳”背景下城市軌道交通節(jié)能減排有效措施分析

摘要：“雙碳”背景下，節(jié)能減排成為各領(lǐng)域發(fā)展的重大任務(wù)，軌道交通也不例外。城市軌道交通作為正在快速發(fā)展階段的公共交通基礎(chǔ)措施，是“雙碳”背景下實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的發(fā)展任務(wù)、減少能源消耗和減少碳排放量的關(guān)鍵也是軌道交通發(fā)展的重點(diǎn)。研究在總結(jié)城市軌道交通碳排放現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)能源消耗結(jié)構(gòu)和影響因素進(jìn)行分析，提出了供電節(jié)能、車站節(jié)能、車輛節(jié)能和運(yùn)輸組織模式節(jié)能的主要措施，并指出了城市軌道交通節(jié)能的主要方向，以期能為行業(yè)節(jié)能減排提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；車輛能耗；車站能耗；節(jié)能減排

課題項(xiàng)目：2023年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（科技類）——基于PyroSim的綜合實(shí)訓(xùn)室火災(zāi)模擬與疏散研究（JAT231240）

引言

“雙碳”目標(biāo)是我國基于碳排放量增加、環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的顯示問題而提出的。2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上提出“我國C02排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。目前，“雙碳”目標(biāo)已經(jīng)成為我國長期轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略。

城市軌道交通作為城市基礎(chǔ)設(shè)施與公共交通的核心，以其電氣化和大運(yùn)量的特性，在碳減排領(lǐng)域占據(jù)重要地位。中國城市軌道交通協(xié)會(huì)年報(bào)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年我國范圍內(nèi)城市軌道交通的能耗為213.1億kWh，同比增長率超23.6%，表明我國城市軌道交通發(fā)展與綠色節(jié)能降碳之間的矛盾日益凸顯。因此，為推動(dòng)城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展，并助力“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)，我國城市軌道交通領(lǐng)域急需研究和制定可行的綠色節(jié)能技術(shù)路線，實(shí)施科學(xué)的碳排放管理，并通過不斷的科技進(jìn)步和創(chuàng)新實(shí)踐，構(gòu)建更加綠色、低碳、可持續(xù)的城市軌道交通體系，為城市的可持續(xù)發(fā)展和居民的幸福生活作出更大貢獻(xiàn)[1]。

1城市軌道交通耗能現(xiàn)狀分析

城市軌道交通高效運(yùn)作依賴大量電能，其中列車牽引和車站內(nèi)部設(shè)施能耗相當(dāng)，中央空調(diào)、通風(fēng)和照明等設(shè)備能耗尤為突出，因此牽引和環(huán)控環(huán)節(jié)是軌道交通減少碳排放的關(guān)鍵所在。

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2022年度我國城市軌道交通總電能能耗227.92億kWh，僅牽引能耗單項(xiàng)就占113.15億kWh。未來，伴隨著新開線路的不斷增多，整個(gè)軌道交通行業(yè)本身的能耗也會(huì)隨之而進(jìn)一步攀升，因此總體碳排放量也會(huì)隨之進(jìn)一步增長。另外，相關(guān)數(shù)據(jù)也顯示，2022年，我國各城市平均人/km總電能耗同比上升 34.02%，達(dá)到0.144 kWh；軌道交通平均車/km總電能耗同比下降 0.48%，達(dá)到3.72 kWh。由此可見，伴隨國內(nèi)城市軌道交通客運(yùn)強(qiáng)度的不斷提升，平均人/km的能耗會(huì)隨之呈現(xiàn)下降趨勢，人均碳排放量同樣也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢[2]。因此，這些數(shù)據(jù)和事實(shí)，為城市軌道交通綠色轉(zhuǎn)型和節(jié)能減排策略提供了重要參考。

2城市軌道交通碳排放與耗能構(gòu)成及其影響因素

軌道交通的碳排放量與能耗直接掛鉤，城市軌道交通的能耗大體分為車輛能耗和車站能耗2大方面。其中，車輛能耗部分主要受列車屬性、線路條件和運(yùn)輸組織模式等因素影響，細(xì)分下去又可分為列車自重、牽引效率、輔助能耗、線路坡度、站間距及技術(shù)速度和駕駛控制等方面的能耗；車站能耗主要是扶梯直梯、通風(fēng)照明系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施部分的能耗。

在車輛能耗中，屬于列車屬性部分的車輛自重對(duì)城市軌道交通運(yùn)行能耗的影響較為顯著。輔助變流器在運(yùn)營中則為列車供電，其總功率和效率對(duì)中低壓供電及總運(yùn)行能耗也存在明顯影響。同時(shí)，由于線路條件對(duì)于軌道交通系統(tǒng)而言較為難以變動(dòng)，因而“雙碳”背景下城市軌道交通節(jié)能減排工作的關(guān)注重點(diǎn)、有效措施與方向應(yīng)主要集中在列車屬性、組織運(yùn)輸模式及車站能耗方面的改進(jìn)。

明確城市軌道交通耗能的各方面影響因素，以及其在總能耗內(nèi)部的占比、各自歸屬的影響因素，不僅對(duì)城市軌道交通節(jié)能減排的具體突破方向有著引導(dǎo)意義，還能對(duì)城市軌道交通車輛型號(hào)的選擇、運(yùn)行線路的規(guī)劃及未來新車型的設(shè)計(jì)等工作提供有效的指導(dǎo)，同時(shí)也能為城市軌道交通節(jié)能減排指明努力方向。因此，本文系統(tǒng)性地總結(jié)了城市軌道交通能耗的主要影響因素，并從影響因素入手，圍繞組織運(yùn)輸模式、車站和車輛等因素總結(jié)了現(xiàn)行的主要節(jié)能方向，從而對(duì)“雙減”背景下城市軌道交通節(jié)能減排的有效措施進(jìn)行分析，助力城市軌道交通綠色低碳發(fā)展。

3 城市軌道交通主要節(jié)能措施

在城市軌道交通能耗中，車輛能耗和車站能耗的占比持平，二者均為節(jié)能減排戰(zhàn)略下需要關(guān)注的重點(diǎn)節(jié)能突破項(xiàng)，因此城市軌道交通的主要節(jié)能措施也可分為車輛節(jié)能措施和車站節(jié)能措施2個(gè)方面。

3.1 車輛節(jié)能措施

《中國城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》在“城市軌道交通節(jié)能降碳增效行動(dòng)”中明確提出，“車輛節(jié)能措施的主要方向?yàn)橥茝V節(jié)能技術(shù)、采用永磁同步牽引技術(shù)、高頻輔助變逆變、輕量化技術(shù)等新興綠色技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低列車自重，以及減少輔助設(shè)備能耗，進(jìn)而完成節(jié)能減排的任務(wù)”。

3.1.1 輕量化技術(shù)

輕量化技術(shù)是一種重要的軌道交通節(jié)能減排策略。以香港地鐵為例，其運(yùn)營數(shù)據(jù)表明，采用輕量化技術(shù)，每當(dāng)列車的重量減少1t，每年就可以節(jié)省8000kWh的電能，并減少6.2t的二氧化碳排放。在列車的30年設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，輕量化技術(shù)帶來的節(jié)能減排效果驚人，可累計(jì)達(dá)到24萬kWh電能和186t二氧化碳的減排[3]。

由于車體本身是車體輕量化設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)，因而對(duì)比碳鋼及不銹鋼的車體類型，鋁合金車體在重量、柔韌性及耐用程度等多方面都具備一定的優(yōu)勢。如，中車浦鎮(zhèn)公司自主研發(fā)的B型鋁合金地鐵拖車和動(dòng)車車體，分別實(shí)現(xiàn)了22.4%和23.2%的顯著減重率。除車體部分外，車輛的調(diào)速控制模塊也可采用變頻變壓的調(diào)速控制方式，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，電壓和頻率的變動(dòng)控制交流電機(jī)，同時(shí)取消換向部分，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行可靠、自重較輕且過載力強(qiáng)的調(diào)速。

3.1.2 牽引節(jié)能技術(shù)

牽引節(jié)能設(shè)計(jì)涵蓋線路規(guī)劃、技術(shù)速度選擇及客流量驅(qū)動(dòng)的編組策略。合理設(shè)置城市軌道交通車站間距可減少列車頻繁起制動(dòng)，進(jìn)而降低能耗。研究表明，城市軌道交通車站間距在2km以下時(shí)，單耗隨間距增加而迅速下降，之后則趨于穩(wěn)定。因此，適度增加車站間距有助于城市軌道交通節(jié)能減排，同時(shí)在線路設(shè)計(jì)時(shí)采用直線和大半徑曲線，也可以降低能耗。

而在技術(shù)速度選擇時(shí)就需兼顧資源節(jié)約與高峰客流需求。雖然速度提高初期可顯著縮短列車運(yùn)行時(shí)間，但效果會(huì)隨速度的提升遞減。因此，需根據(jù)線路特點(diǎn)設(shè)定合理速度，分段設(shè)置巡航速度，才能有助于降低城市軌道交通能耗。以廣州地鐵為例，30km/h速度下列車單耗變化顯著，故軌道交通理想運(yùn)營速度約為30km/h。另外，在列車編組方面，考慮高峰期客流量和運(yùn)輸組織，可靈活編組，降低牽引和系統(tǒng)能耗[4]。

綜上所述，牽引節(jié)能技術(shù)可進(jìn)一步降低能耗，并且隨著永磁同步牽引電機(jī)新技術(shù)的出現(xiàn)，城市軌道交通工作效率和能量利用率顯著提升，可進(jìn)一步助力城市軌道交通實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和低碳環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)[5]。

3.1.3 綠色能源替代

綠色能源替代主要是從能源使用的角度實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)節(jié)能減排目標(biāo)，如采用相比于火力發(fā)電更為清潔的光伏發(fā)電技術(shù)，結(jié)合城市軌道交通線網(wǎng)分布和線路具體情況制定相應(yīng)的光伏能源開發(fā)計(jì)劃，精心規(guī)劃光伏發(fā)電系統(tǒng)，構(gòu)建涵蓋光伏發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)、直流配電、柔性用電的綜合能源系統(tǒng)，形成“光儲(chǔ)直柔”一體化解決方案，也是城市軌道交通綠色低碳建造的一個(gè)可行性方案。

為進(jìn)一步增強(qiáng)軌道交通系統(tǒng)的能源可持續(xù)性，除了依賴光伏發(fā)電外，還可積極探索和發(fā)展其他清潔能源替代技術(shù)。因此，可結(jié)合不同省市的地理特征和氣候條件，鋪設(shè)地源、氣源和水源熱泵系統(tǒng)，通過綜合利用太陽能、地?zé)崮艿榷喾N清潔能源，進(jìn)一步提高綠色電力在軌道交通系統(tǒng)能源供應(yīng)中的比重，逐步減少對(duì)化石能源的依賴，推動(dòng)城市軌道交通系統(tǒng)向更加高效和可持續(xù)的方向發(fā)展。

3.1.4 車輛停放與維護(hù)

除了運(yùn)營階段外，運(yùn)營時(shí)間結(jié)束后車輛的后續(xù)停放與清洗維護(hù)也是節(jié)能減排工作中容易被忽視的一大著力點(diǎn)。停車場基地建設(shè)，應(yīng)當(dāng)在滿足列車停放需求的同時(shí)盡可能做到緊湊布局，股道設(shè)計(jì)之初就應(yīng)考慮到車輛的順暢作業(yè)流程，從而避免段內(nèi)交叉干擾的情況出現(xiàn)，或走行距離增加及其他可能影響車輛作業(yè)的情況。此外，管路鋪設(shè)方面也應(yīng)當(dāng)盡量短而直，通過建筑位置和朝向的巧妙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)自然光和自然風(fēng)的利用。

城市軌道交通領(lǐng)域由于普遍存在的計(jì)劃性維保制度，因而存在人員與設(shè)備分配不均衡、資源共享難、過度維修等問題。采用“集中修”的模式來替代傳統(tǒng)的“分散修”模式不僅可解決人員與設(shè)備分配不均衡的問題，還能優(yōu)化資源配置，減少不必要的重復(fù)投入，以及幫助制定更為科學(xué)合理的維修周期。此外，還可積極探索“實(shí)際狀態(tài)修”，即根據(jù)設(shè)備的實(shí)際狀況進(jìn)行維修，以降低能源和物料的消耗，進(jìn)而減少設(shè)備的維保成本。當(dāng)設(shè)備的使用壽命即將結(jié)束或已經(jīng)達(dá)到預(yù)期壽命時(shí)，可利用中大修或更新改造的機(jī)會(huì)，逐步推進(jìn)變頻、智慧照明等節(jié)能技術(shù)的改造。但在選擇這些節(jié)能設(shè)備時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮科技含量高、能效卓越且安全穩(wěn)定的產(chǎn)品，以確保改造后的設(shè)備性能優(yōu)越，進(jìn)一步提升節(jié)能效果。這樣，不僅能有效延長設(shè)備的使用壽命，還能為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 車站節(jié)能措施

城市軌道交通車站基礎(chǔ)設(shè)備耗能大約占線路總能耗的50%，車站節(jié)能主要包括照明系統(tǒng)節(jié)能和環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能2個(gè)方面。

3.2.1照明系統(tǒng)節(jié)能

在照明系統(tǒng)節(jié)能上，合理設(shè)計(jì)照度、選擇燈具是實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能的主要措施，城市軌道交通站點(diǎn)可根據(jù)上下站臺(tái)和樓梯、扶梯的擁擠程度、人流量等進(jìn)行合理的照度設(shè)計(jì)，保證照度與人群擁擠程度成合適的比例；同時(shí)，由于乘客在站臺(tái)內(nèi)停留時(shí)間較短，照明設(shè)計(jì)還要在保證光亮環(huán)境和舒適度的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)，選擇節(jié)能光源和燈具、合理調(diào)配燈具數(shù)量和亮度，以降低照明系統(tǒng)耗能，減少碳排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

3.2.2環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能

3.2.2.1降低通風(fēng)系統(tǒng)能耗

當(dāng)前我國采用的城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)大多為全封閉屏蔽門系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)在其中占的能耗相對(duì)較大，因此在環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能利用自然通風(fēng)、采用節(jié)能材料，以及在設(shè)計(jì)通風(fēng)管道時(shí)盡可能讓通風(fēng)系統(tǒng)靠近負(fù)荷中心等措施，降低環(huán)控系統(tǒng)能耗。另外，在通風(fēng)井中盡量采用直線管道，減少空氣阻力，也是環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能減排的一個(gè)有效措施，如采用變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)有效滿足上下班高峰期對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)荷需求，同時(shí)在客流量較少的時(shí)間段內(nèi)降低風(fēng)量，減少能量浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

3.2.2.2合理利用屏蔽門

屏蔽門作為環(huán)境控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其功能在于緩解列車進(jìn)出站時(shí)產(chǎn)生的活塞風(fēng)效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)微環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控。研究表明，采用屏蔽門模式的車站空調(diào)系統(tǒng)在能耗方面，相較于傳統(tǒng)的閉式運(yùn)行系統(tǒng)，可降低至22%～28%，表現(xiàn)出顯著的節(jié)能優(yōu)勢。然而，在北方寒冷地區(qū)的非空調(diào)季節(jié)，屏蔽門系統(tǒng)的通風(fēng)能耗相對(duì)較高，并不適宜應(yīng)用。因此，在選取環(huán)境控制方案時(shí)，應(yīng)充分考慮地區(qū)的氣候特征與實(shí)際需求，以制定出最為適宜的策略[4]。

3.2.2.3優(yōu)化扶梯系統(tǒng)運(yùn)行模式

車站扶梯系統(tǒng)的能耗主要與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備固有特性有關(guān)。目前，車站現(xiàn)役扶梯都采用自動(dòng)啟停運(yùn)行模式，雖然能實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果，但在一定程度上會(huì)減少扶梯壽命，加之車站現(xiàn)役扶梯與輔助設(shè)施系統(tǒng)都存在工作時(shí)間長、負(fù)載量不均等問題，因此將車站現(xiàn)役扶梯系統(tǒng)自動(dòng)啟停運(yùn)行轉(zhuǎn)換為變頻調(diào)速運(yùn)行，成為城市軌道交通節(jié)能減排可行的選項(xiàng)之一。車站扶梯系統(tǒng)變頻調(diào)速運(yùn)行，不僅能維持自動(dòng)啟停運(yùn)行模式的節(jié)能效果，還能在節(jié)能減排的基礎(chǔ)上適當(dāng)兼顧扶梯與輔助設(shè)施的壽命，一舉多得。

結(jié)語

城市軌道交通作為城市運(yùn)輸領(lǐng)域的一大主要耗能行業(yè)，在國家“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下通過應(yīng)用綠色技術(shù)、綠色能源和設(shè)備，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型，能源利用效率大幅提高，碳排放量顯著降低，節(jié)能減排整體成效可觀。但由于國內(nèi)城市軌道交通目前還處于相對(duì)高速的發(fā)展階段，需求保持持續(xù)增長態(tài)勢，整個(gè)行業(yè)依然面臨巨大的節(jié)能減排壓力，因此研究制定出綠色、合理且有效的節(jié)能減排方案，并堅(jiān)決落實(shí)各項(xiàng)節(jié)能減排措施，推動(dòng)節(jié)能減排工作的落地，進(jìn)一步降低城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的能耗及碳排放量，對(duì)我國“雙碳”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

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作者簡介

吳燕（1987—），女，漢族，福建寧德人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸。