北京市轨道交通领域绿色提升措施研究

文_李舟 柏赟 李旭

1 北京节能环保中心 2 北京交通大学

交通运输是我国节能减排的三大重点领域之一，加快交通运输行业绿色低碳转型是落实碳达峰碳中和的重要举措。城市轨道交通是低碳交通方式的领先者，但面对庞大的轨道路网建设及运营，其日益增长的运行能耗及部分老旧线路能效较低问题不容小觑。因此，不断优化城市轨道交通设计水平与管理能力，深入挖掘各线路节能潜力，提升轨道交通绿色化水平是实现交通领域节能减碳的一项重要工作。

1 北京市轨道交通能源消费现状

截止2021年，北京市轨道交通运营线路24条，总里程783km（不含市郊铁路），随着路网规模快速扩展，轨道交通能源消费总量也由2016年的54万tce增长到2020年的68万tce，年均增长5.9%，占到全市交通运输行业（不含航空、铁路）能耗总量的30%左右。《北京市“十四五”时期交通发展建设规划》指出，到2025年轨道交通里程将达到1600km。预计能耗总量将超过110万tce。

能源利用效率方面，通过调研，北京市地铁各线路百车公里牵引单耗波动范围为130～384kWh，万人公里牵引单耗波动范围为290～3550kWh。

能源消费结构方面，城市轨道交通能耗由电力、天然气（CNG）和外购热力组成。其中，电力消耗占到总能耗的87%以上，主要包含列车牵引电耗和动力照明电耗，分别占到总电耗的53%和42%。

2 轨道交通能耗分布及影响因素分析

根据调研统计数据及车载装置采集的瞬时电耗数据分析，轨道交通进线电耗中有50%～60%会传输给牵引系统使用，40%～50%电能会传输给车站系统使用。牵引系统中，牵引实耗（包括因牵引电机效率产生的牵引损耗及克服阻力做功的电耗）及制动相关电耗（包括摩擦制动动能损失和再生能）占比较高，车载辅助设备电耗占比次之，线路损耗占比最小。

牵引电耗主要受各站间距及轨道纵断面设计影响较大。一般情况下，站间距越小，列车频繁制动启动，引起电耗增高，万车公里牵引电耗增长。在相邻车站高程相近的情况下，区间纵断面设计方案包括“高区间、低站位”的凸型坡和“高站位、低区间”的“V”型坡两种设计形式，如图1所示。当纵断面设计为“V”型坡时，列车出站下坡，可借助坡道势能加速，将列车重力势能转化为动能，缩短牵引加速时长，减少牵引电耗，更为节能。

图1 轨道交通纵断面设计形式

车站系统中，通风空调、照明、自动扶梯系统电耗占车站总电耗的60%～80%。而且地下线的通风空调、电扶梯电耗占比远高于地上线，主要原因在于地下线车站通常更为封闭，通风空调设备使用频繁且运行功率大，站房深度大，电梯数量多。此外，客流量及外界环境因素也是引起牵引电耗和车站电耗变化较大的因素。如疫情期间，客流量急剧减少，满载率降低，引起车公里牵引电耗下降较大。地上线路冬季使用空调供暖、夏季使用空调制冷，牵引电耗呈现双峰的变化趋势。

3 北京市轨道交通绿色提升建议

电力消耗在轨道交通总能耗中占比达到87%，节约列车牵引用电和车站动力照明用电是轨道交通绿色提升的重点。

3.1 降低城市轨道交通牵引电耗

3.1.1 设置符合列车运行规律的线路纵断面方案

为降低列车牵引单耗，城市轨道交通地下线纵断面应采用节能坡设计理念，可分为“V”型坡、“W”型坡和单面坡三种，如图2所示。以设计速度为80km/h的线路为例，在相邻两站高程相差不大、站间距不超过1.3km时，宜设置“陡下坡+陡上坡”的V型坡，陡坡的坡度宜设置为20‰左右，坡长宜设置为200m；当相邻两站高程相差不大、站间距超过1.3km时，宜设置“陡下坡+缓上坡+缓下坡+陡上坡”的W型坡，陡坡设置同上，缓坡坡度宜设置为5‰左右；当两相邻车站高程差很大时，纵断面宜设置先缓上坡、后陡上坡的单面坡。在规划设计阶段考虑列车运行规律，合理设计线路纵断面，可在不增加建设成本的情况下预期节约牵引单耗。

图2 三种典型的城市轨道交通节能坡设计形式

3.1.2 合理选择不同等级列车速度曲线

贯彻大站间距区间选择高运营速度曲线、小站间距区间选择低运营速度曲线原则。当站间距在1km以下时，最高运营速度不宜超过80km/h；站间距小于1.4km时，最高运营速度不宜超过90km/h；站间距大于1.4km时，最高运营速度可采用100km/h时。

在客流高峰时段宜选择高运营速度曲线、低峰时段宜选择低运营速度曲线。客流低峰时段的车站乘降量有所下降，可适当压缩停站时分、延长区间运行时分，在保证服务质量与车底周转的前提下节约牵引单耗。同时，可根据全天不同时段客流差异智能选择速度曲线，节约牵引单耗。

3.1.3 加快牵引供电双向变流技术与混合储能装置的应用

列车再生制动产生的电能可以通过逆变回馈装置反馈至电网中重复使用，也可通过能量存储装置吸收与循环利用。在集中供电的地铁线路，牵引供电系统宜采用双向变流技术将再生制动能反馈至电网，投资回报率较高。在发车间隔较大、分散供电模式（城市电网直接向各牵引变电所和降压变电所供电）下，宜采用混合储能装置以提高再生制动能利用率，进而降低牵引单耗。

3.1.4 设置灵活高效的行车组织方案

结合道路网络资源配置与客流时空分布规律，优化行车组织方案，精准投放列车运力。针对区间断面客流和不同时段客流差异较大的线路，宜分别采用多交路组织模式和多编组方案；针对连接中心城区与市郊地区的市域超长线，可采用快慢车组织模式；针对客流方向分布不均衡程度较高的线路，宜采用高峰时段开行部分单向车的不成对行车组织方案，并在满足服务水平要求的前提下可节约牵引电耗。

3.2 降低车站动力照明能源消耗

3.2.1 合理布设场站空间，加强绿色低碳设计

车站布设应充分考虑客流需求，合理设计空间规模与电扶梯及空调通风设备数量。按照满足远期预测客流集散量和运营管理用房需求设置车站规模，兼顾以人为本原则和绿色低碳理念。

3.2.2 加装风水联动智能控制系统

针对地下车站，可安装风水联动智能控制系统，根据负荷需求实现风、水系统实时联调，降低通风空调电耗。该系统可在只增加少量投资成本的情形下取得可观的节能效益，节约车站动力照明电耗15%～20%。

3.2.3 新能源及绿色智能照明系统应用

对于地上车站与车辆基地，积极推进光伏发电系统和光导照明系统，减少常规能源消耗及碳排放量。对于地下车站，采用智能LED灯照明，实现车站照明系统智能化管理，相较现有T8荧光灯能效提升一倍，可节约车站动力照明电耗7%～8%。北京地铁可继续推进其他线路的LED灯节能升级改造，降低车站动力照明能耗。

智能照明控制系统基于环境信息独立控制各设备的开关或调节设备的亮度，实现车站照明系统智能化管理，可节约车站动照电耗。北京地铁7号线环球影城站、上海地铁2号线部分车站和杭州地铁4号线景芳站采用智能照明系统可显著节约照明电耗。

3.3 实现能源消耗及碳排放精细化管理

3.3.1 搭建交通能耗监测数据平台

搭建集列车牵引与车站动力照明于一体的能耗监测大数据平台，实现各系统各专业能耗数据的全面覆盖、自动采集、实时上传与分级监测。利用人工智能技术提升能耗数据挖掘水平，实时诊断异常能耗场景，为轨道交通的节能潜力分析、节能措施管理与效果验证提供支持。

3.3.2 健全节能减碳管理评价考核体系。

结合线路车站建设条件与外部客流特征，构建城市轨道交通能耗多维评价体系，建立科学合理的能效评价机制，严格控制各线路各车站的能耗与排放上限。分别针对规划、建设与运营阶段，设立各专业各系统的能耗考核方法，加强分专业分系统的考核验收，落实节能措施的科学奖惩，引导促进行业绿色发展。