城市轨道交通能耗特性分析及评价指标研究

城市轨道交通\n\n电气化铁道\n\n2019 年第 6 期\n\nDOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.06.019\n\n城市轨道交通能耗特性分析及评价指标研究\n\n高东升\n\n摘 要：依据地铁实际运营数据分析城市轨道交通车辆电耗和车站电耗情况、影响因素及评价指标，并针对目\n\n前常用的节能措施如中压能馈装置和 LED 灯具，根据实际运营数据对其节能效果进行评价。\n关键词：车辆电耗；车站电耗；评价指标；节能效果\n\nAbstract: With the analysis of status, influence factors and assessment index of vehicle’s energy consumption and\n\nstation’s energy consumption for urban rail transportation made according to the actual operation data of subway, and\n\nwith regard to the medium voltage energy feedback devices and LED lighting fixtures employed at present for energy\n\nsaving, the energy saving effects are assessed in accordance with the actual operational data.\n\nKey words: Vehicle’s electricity consumption; station’s electricity consumption; assessment criteria; energy saving\n\nresult\n中图分类号：U231.92\n\n文献标识码：B\n\n文章编号：1007-936X(2019)06-0078-05\n\n0 引言\n近年来城市轨道交通快速发展，截至 2018 年 底，北京地铁运营线路共有 22 条，运营里程 636.8 km，覆盖北京市 11 个辖区，日均客运量超过 1 200 万人次，占全市公共交通客运量一半以上。城市轨 道交通能耗总量大、运营成本高。2015 年北京市 地铁运营有限公司年综合能耗 18.6 万 t 标煤，二氧 化碳排放总量达 81.7 万 t，位居市重点能耗单位前 列。如何提高地铁各系统运行效率、大幅降低运行 能耗，是轨道交通节能减排工作的重中之重。\n城市轨道交通使用的能源主要是电能、水和热 能（车辆段或停车场使用燃气）。本文基于北京市 地铁运营实际数据，依据能耗评价指标，分析目前 地铁能耗现状及特性，并对常用节能措施的节能效 果进行评价。\n1 电能损耗\n城市轨道交通电能损耗主要包含车辆电耗和 车站电耗 2 部分。据统计，北京市城市轨道交通车 辆电耗占总电耗的 58%，车站电耗占 42%[1]。其中， 列车辅助系统电耗（如通风空调、照明、控制系统 等）占车辆电耗的 30%～40%；车站通风空调系统、 照明系统、电动扶梯等电耗占车站电耗的 70%～ 80%，如图 1 所示。\n作者简介：高东升.北京城建设计发展集团股份有限公司， 高级工程师。 基金项目：北京市交通委员会轨道交通绿色站点技术与策 略研究及示范项目（TC160S2XJ）。\n78\n\n图 1 城市轨道交通用电量分布情况\n1.1 车辆电耗 1.1.1 车辆电耗的影响因素\n车辆电耗包括列车牵引电耗和列车辅助系统 电耗。列车牵引电耗主要与车辆的走行公里、客流 量和车型等因素有关，列车辅助系统电耗主要与客 流量和环境条件有关。\n选取北京地铁 2 号线、5 号线、昌平线和房山 线 2016 年每月的车辆电耗数据进行对比，如图 2 所示。从图 2 可以看出，4 条地铁线路全年车辆电 耗变化趋势基本类似。每年的 4—8 月车辆电耗逐 渐增加，8—11 月车辆电耗逐月下降，11 月—次年 4 月车辆电耗基本随着月份变化略有调整。由此可 知，车辆电耗受环境气温条件影响，随着外界环境 温度升高，列车辅助用电如列车内通风空调的用电 量增加，从而车辆电耗增加。\n选取昌平线 2014—2016 年每月车辆电耗情况 进行对比，如图 3 所示。从图中可以看出，2015 年末，昌平线每月车辆电耗开始显著高于 2014 年 同期，2016 年每月电耗近似为 2014 年同期的 2.6\n\n\r\n

城市轨道交通能耗特性分析及评价指标研究\n\n高东升\n\n倍。这是由于 2015 年底开通昌平线二期，实现昌 平线一、二期贯通运营，列车走行公里数、客流量 均显著提升，使得车辆电耗大幅增加。车辆电耗与 列车走行公里数及客流量均呈正比关系。\n\n城市轨道交通\n\n图 3 昌平线 2014—2016 年每月车辆电耗情况\n线路每万人公里电耗反映线路客运周转量与\n\n线路电耗的关系，客运周转量是客流量和平均运距 的综合体现，客流量越高、平均运距越大，线路电\n\n图 2 2016 年 4 条地铁线路每月车辆电耗情况\n1.1.2 车辆电耗评价指标[2]\n\n车辆电耗常用的评价指标主要有线路每车公\n\n里电耗和线路每万人公里电耗[3]。\n\n线路每车公里电耗=线路电耗/走行公里 （1）\n\n线路每万人公里电耗=线路电耗/线路客运周\n\n转量\n\n（2）\n\n线路每车公里电耗反映线路电耗与走行公里\n\n数之间的关系，列车走行公里数越大，线路电耗值\n\n耗值越大。 进一步分析昌平线 2014—2016 年运营数据，\n如表 1 所示。2014 和 2015 年运营数据和电耗情况 基本差别不大，2016 年昌平线列车走行公里数明 显增加，相比 2014 年增长 80.2%，2016 年线路客 运周转量也大幅提升，相比 2014 年增长 51.7%， 因此线路电 耗也迅速增 加，相比 2014 年增加 54.1%，线路车公里电耗相比增加 41.7%，线路每 万人公里电耗相比增加 68.4%。\n\n越大。线路长度、运行交路及发车对数均是通过影\n\n响列车走行公里数影响线路电耗。\n\n名称\n走行公里/万 km 客运周转量/万人公里 线路电耗/万 kW·h 线路每车公里电耗/ (kW·h/车公里) 线路每万人公里电耗/ (kW·h/万人公里)\n\n表 1 昌平线 2014—2016 年运营数据及车辆电耗情况\n\n2014 年\n\n2015 年\n\n2016 年\n\n2015 年相比 2014 年增加\n\n1 115.4\n\n1 147.7\n\n2 010.6\n\n2.9%\n\n4 420 409 651 969 793 977 529 278\n\n1.2%\n\n65 557.7\n\n68 255.8\n\n101 069.9\n\n4.1%\n\n1.46\n\n1.\n\n2.07\n\n12.2%\n\n252.9\n\n288.7\n\n425.9\n\n14.3%\n\n2016 年相比 2014 年增加\n80.2% 51.7% 54.1%\n41.7%\n68.4%\n\n此外，本文提出另一个可用于对车辆电耗进行\n\n评价的指标：线路车吨公里电耗[4，5]。\n\n线路车吨公里电耗 = 线路电耗 /（走行公\n\n里·车重）\n\n（3）\n\n其中，车重 = 车自重+载客重。\n\n理想情况下，同一辆列车载客数量一定时，行\n\n驶相同距离所需的电量为不变量。因此，针对某一\n\n条线路，线路车吨公里电耗相对固定，与走行公里\n\n数、客运周转量等均无关，是反映列车及线路自身\n\n能耗特性的一个参数。本文利用 2016 年北京地铁\n\n各条线路车辆电耗、走行公里数及载客率计算不同 线路的平均线路车吨公里电耗值如表 2 所示。\n从表 2 可以看出，目前北京各条线路车吨公里 电耗基本在 0.03～0.05 之间，1、2 号线早期线路 车型为准 6B 型，车吨公里电耗值在 0.046～0.047； 8、9、10、15 号线及昌平线、亦庄线车型为 6B， 车吨公里电耗值在 0.03～0.04 之间；7 号线 8B 车 型，车吨公里电耗值为 0.044。1、2 号线线路车吨 公里电耗值较大，可能是由于其建设时间较早，车 辆及相关设备较为老旧，耗电量大，线路未考虑节\n79\n\n\r\n

城市轨道交通\n\n电气化铁道\n\n2019 年第 6 期\n\n能坡设计等原因。\n\n但未考虑客流量；线路每万人公里电耗侧重考虑客\n\n表 2 不同线路车吨公里电耗情况 kW·h/(车公里·t)\n\n线路\n\n车型\n\n线路车吨公里电耗\n\n1 号线 2 号线 8 号线 9 号线 10 号线 15 号线 昌平线 亦庄线 7 号线\n\n准 6B 型 准 6B 型\n6B 6B 6B 6B 6B 6B 8B\n\n0.046 0.047 0.040 0.031 0.033 0.036 0.038 0.033 0.044\n\n综上所述，线路每车公里电耗和线路每万人公\n\n里电耗均能从一定层面上反映车辆电耗的情况，线\n\n路每车公里电耗侧重车公里数对车辆电耗的影响，\n\n运周转量对车辆电耗的影响，即综合考量了客流量 和平均运距，但未考虑车型对车辆电耗的影响。线 路车吨公里电耗相对上述 2 个指标，综合考虑了车 走行公里数、客流量及车型，能较全面地反映车辆 电耗情况。 1.2 车站电耗 1.2.1 车站电耗的影响因素[6]\n车站电耗包括电扶梯系统电耗、照明系统电 耗、通风空调系统电耗及其他电耗。本文收集了 2016 年北京地铁 5、8、10 号线车站各系统耗电量 情况，如表 3 所示。\n\n车站电耗系统 电扶梯系统 照明系统 通风空调系统 其他 总计/(kW·h)\n\n表 3 车站各系统电耗及占比\n\n5 号线\n\n8 号线\n\n258 680/14.65\n\n478 939/4.51\n\n955 792/54.11\n\n7542 321/71.09\n\n399 202/22.60\n\n1 913 885/18.04\n\n152 551/8.\n\n675 041/6.36\n\n1 766 225\n\n10 610 186\n\nkW·h/% 10 号线 8 153 105/11.62 25 038 403/35.68 33 854 983/48.25 3 119 328/4.45 70 165 819\n\n由表 3 可知，车站主要电耗来自车站通风空调 系统和照明系统，两者近乎占车站总耗电量的 80%。车站通风空调系统主要受车站负荷影响，包 括车站设备负荷、新风负荷、列车及人员负荷等， 其中车站设备负荷与车站规模、设备数量、运营时 间、环控系统制式、环境温度等有关。照明系统主 要受运营时间及照明面积影响。\n选取北京地铁 5 号线地下车站崇文门站和地 上车站大屯路东站 2015 年每月车站耗电情况（图 4、图 5）进行分析，可以看出地下车站和地上车 站电耗量情况差异较大，地下车站用电量显著高于 地上车站，地下车站 6—9 月为全年耗电量最高月 份，地上车站则是 1 月、12 月为全年耗电量最高 月份。地下车站规模大，用电负荷多，夏季通风空 调负荷增加，用电量增大；地上车站规模较小，用 电负荷少，照明负荷小，采用自然通风，但高架站 冬季因为夜间时间长，照明用电量增加，并且高架 车站设有电保温、电暖气等设备，增大用电量。 1.2.2 车站电耗评价指标\n车站电耗常用的评价指标包括车站每平米电 耗和车站每万人次电耗[3]。\n车站每平米电耗 = 车站电耗/车站建筑面积 （4）\n\n图 4 5 号线车站 2015 年每月车站电耗量\n\n图 5 5 号线车站 2015 年每月每平米车站电耗\n\n车站每万人次电耗=车站电耗/（车站进站量+\n\n车站出站量+换乘站换乘量）\n\n（5）\n\n式（5）由于需要统计车站进站、出站及换乘\n\n人流量，较为繁琐，常用式（4）作为车站电耗的\n\n评价指标。根据式（4）对北京 2016 年运营线路单\n\n80\n\n\r\n

城市轨道交通能耗特性分析及评价指标研究\n\n高东升\n\n城市轨道交通\n\n位建筑面积耗电量进行统计如表 4 所示。线网各站 每平方米年耗电量为 125～325 kW·h。\n\n表 4 北京各线路单位面积耗电量\n\n线路\n1 号线 2 号线 5 号线 6 号线 7 号线 8 号线 9 号线 10 号线 13 号线 15 号线 八通线 机场线 房山线 昌平线 亦庄线\n\n年耗电量 /万 kW·h 5 684.83 3 026.70 4 476.36 8 407.06 5 399.09 3 441.88 2 813.78 10 719.32 1 8.06 4 049.68 1 060.62 820.14 1 545.86 2 352.49 2 080.72\n\n总面积/m2\n265 346 150 420 235 618 568 612 348 466 232 806 184 312 694 535 150 450 260 248 62 669 25 368 95 740 149 748 122 512\n\n单位建筑面积耗电量 /(kW·h/m2·年) 214.24 201.22 1.98 147.85 154.94 147.84 152.66 154.34 125.56 155.61 169.24 323.30 161.46 157.10 169.84\n\n利用 5 号线 2015 年车站电耗数据，选取典型\n\n车站分析车站每平米电耗情况，如表 5 所示。地下\n\n车站每平米电耗显著高于高架车站。北苑路北站和\n\n大屯路东站均为高架站，2 座高架站负荷月变化趋 势一致，且负荷相近，由于北苑路北站的车站建筑\n\n面积近似为大屯路东站建筑面积的一半，因此单位\n\n面积电耗近似为大屯路东站的 2 倍。\n\n表 5 2015 年 5 号线部分车站电耗情况\n\n车站名称\n\n2015 年月平均 车站建筑 2015 年月平均单位\n\n电耗量/ kW·h 面积/m2\n\n电耗/(kW·h·m-2)\n\n崇文门站\n\n194 734\n\n8 519\n\n22.86\n\n北苑路北站\n\n53 340\n\n3 693\n\n14.44\n\n大屯路东\n\n54 754\n\n6 299\n\n8.7\n\n2 节能措施效果评价\n\n目前进行地铁各系统设计时会采取一些节能 措施[7，8]，例如线路设计时考虑节能坡，供电设计 时考虑设置中压能馈装置等。本文根据运营实际数 据，对常用的 2 种节能措施的效果进行分析评价。 2.1 中压能馈装置节能效果\n中压能馈装置可以将列车制动时的能量收集 并反馈至交流电网，供牵引供电设备和动力照明设 备使用，从而达到节能目的。目前很多在建及新建 地铁线路均设置中压能馈装置。分析北京地铁十里 河站设置中压能馈装置后一周的中压能馈数据，如 表 6 所示。从表中可以看出，十里河站中压能馈装 置平均每天反馈 1 772 kW·h 的电能，约占牵引电 能的 17.5%。以该数据为基础，设置中压能馈装置 后，十里河站一年可节省电能 .7 万 kW·h。由此\n\n可见，中压能馈装置节能效果较为显著。\n\n表6\n时间\n1 月 22 日 1 月 23 日 1 月 24 日 1 月 25 日 1 月 26 日 1 月 27 日 1 月 28 日 一周累计值\n\n十里河站中压能馈一周数据\n\n总车辆 电耗/kW·h\n\n总回馈 电能/ kW·h\n\n节能率/%\n\n10 493\n\n1 807\n\n17.22\n\n10 577\n\n1 794\n\n16.96\n\n10 283\n\n1 8\n\n18.46\n\n10 333\n\n1 766\n\n17.09\n\n9 151\n\n1 697\n\n18.54\n\n9 221\n\n1 598\n\n17.33\n\n10 723\n\n1 844\n\n17.20\n\n70 781\n\n12 404\n\n17.52\n\n2.2 LED 灯具\n\n统计分析 2015 年和 2016 年北京地铁运营公司\n\n已运营线路 5 号线及 15 号线照明用电量的数据，\n\n如图 6 和图 7 所示。2015 年，5 号线车站每平米照\n\n明系统消耗电量约为 3～3.5 kW·h，15 号线车站每\n\n平米照明系统消耗电量约为 1～1.5 kW·h；2016 年，\n\n5 号线车站每平米照明系统消耗电量约为 3～3.7\n\nkW·h，15 号线车站每平米照明系统消耗的电量约\n\n为 1～1.3 kW·h。15 号线照明用电量明显低于 5 号\n\n线，这是由于 5 号线各车站采用荧光灯具，15 号\n\n线在 2014 年全线车站调整为 LED 灯具。由此可见，\n\nLED 灯具的节能效果明显。\n\n图 6 2015 年车站单位面积照明耗电量情况\n\n图 7 2016 年车站单位面积照明耗电量情况\n\n81\n\n\r\n

城市轨道交通\n\n电气化铁道\n\n2019 年第 6 期\n\n3 结语\n城市轨道交通电耗主要来自车辆电耗和车站 电耗。车辆电耗与走行公里数、客流量、车型、线 路条件、自然环境等因素有关。线路车吨公里电耗 是相对固定的一个数值，可以反映列车及线路自身 能耗特性。目前北京运营地铁线路车吨公里电耗在 0.03～0.05 kW·h/(车公里·t)。车站电耗主要来自通 风空调系统和照明系统，二者均受环境及车站型式 影响较大。地下车站电耗显著大于地上车站，地下 车站夏季用电量较高，地上车站冬季用电量较高。 车站每平米电耗是车站电耗的主要评价指标，北京 地 铁 线 网 各 站 每 平 方 米 年 耗 电 量 为 125 ～ 325 kW·h。\n中压能馈装置和 LED 灯具的节能效果显著， 中压能馈装置节能率约为 17%，LED 灯具照明系 统每平米可节省约 2 kW·h 的电量。\n目前各城市轨道交通节能工作均有一定进展， 部分城市线路设置电能管理系统，可以对电能数据 进行智能采集统计和分析，形成各种报表等；部分 城市已经开始设计线网级的能耗管理平台[9，10]，采 集线网水、电、热能数据，并能根据实时数据情况 对机电设备进行模式控制，从而提高设备使用效 率，节约能源，使城市轨道交通运行更加合理、高 效、智能。\n\n参考文献： [1] 戴华明，宋杰，李照星. 北京市城市轨道交通能耗调研 与分析[J]. 设备监理，2015（3）：36-40． [2] 石静雅，苏永清，岳继光. 轨道交通能耗影响因素分析 及能耗评价体系的建立[J]. 铁道运输与经济，2008，30（9）： 46-49． [3] 北京市交通委员会. DB11/T 1035-2013 城市轨道交通能 源消耗评价方法[S]. 北京：北京市质量技术监督局，2013：\n2-3. [4] 陈锋，杨洋，刘欧阳. 城市轨道交通的牵引能耗估算方 法[J]. 都市快轨交通，2014，27（2）：90-93. [5] 袁宏伟，孔令洋. 城市轨道交通能耗影响因素及测算研 究[J]. 都市快轨交通，2012，25（2）：41-44+73. [6] 王子甲，陈锋，施仲衡. 北京城市轨道交通中远期能耗 预测研究[J]. 中国铁道科学，2013，34（3）：133-136. [7] 戴华明，李照星，宋杰. 北京市城市轨道交通能耗现状 及节能措施建议[J]. 铁路技术创新，2016（4）：77-80. [8] 宋敏华. 城市轨道交通节能技术发展趋势研究[J]. 工程 建设与设计，2009（1）：15-19. [9] 刘博，刘辉. 北京地铁能耗管理平台研究[J]. 网络空间 安全，2016，7（1）：63-68. [10] 张韬. 地铁能源管理系统现状及发展[J]. 仪器仪表标 准化与计量，2012（3）：46-48.\n收稿日期：2019-05-10\n\n广告索引\n\n前插 山东科汇电力自动化股份有限公司………封面 深圳蓝信电气有限公司……………………封二\n\n后插 施恩禧电气（中国）有限公司………………封三 广东吉熙安电缆附件有限公司……………封底\n\n82\n\n\r\n