柳 林

（南宁轨道交通集团有限责任公司，530021，南宁∥博士，高级工程师）

南宁城市轨道交通2号线节能设计研究*

柳 林

（南宁轨道交通集团有限责任公司，530021，南宁∥博士，高级工程师）

以南宁城市轨道交通2号线为例，依据能耗分析，主要从牵引耗电和通风空调系统两大方面采取节能设计。从设置节能坡、采用再生制动吸收装置、使用变频技术等方面采取节能措施，达到了线路、行车、车辆、供电、通风空调等专业综合节能的目的。研究结果表明，该设计节能效果明显，可有效地降低运营成本，实现较高的经济效益和环境效益。

城市轨道交通；牵引耗电；通风空调；节能坡；变频技术

Author'saddressNanning Rail Transit Group Co.，Ltd.，530021，Nanning，China

城市轨道交通由于其大运量的特点，使得总耗电量相当大，是耗能大户，但仍有节能潜力。如何最大限度地做好城市轨道交通的节能减排工作，已成为各位专家学者重点研究课题。目前，这项课题主要从运营组织、车辆系统、供电系统等方面进行了大量的优化研究［1-6］。本文将以南宁市轨道交通2号线的设计探讨相关的节能措施。

1 工程概况

作为《南宁市城市轨道交通建设规划（2008-2015）》的南北向骨干线，南宁市轨道交通2号线工程南起玉洞，北至西津，线路经过良庆区、江南区、兴宁区、西乡塘区，全长21.0 km；全线共设16座车站，2座主变电站，采用6辆B型车编组。该线以解决城市中心组团与周边组团的南北向客流交通为主，对拉开城市布局、形成城市轨道交通“十”字骨架线网、进一步提升城市地位等都将起到重要的作用。

2 能耗分析

轨道交通系统的能耗服务对象除运送旅客的电动车辆外，还有为旅客在旅行中提供良好环境和秩序的通风空调设施、自动扶梯、自动售检票、排水泵、排污泵、通信、信号、消防设施和各种照明等。这些负荷构成了地铁用户的庞大用电群体。项目能源消耗量如表1所示。

由表1可见，南宁市轨道交通2号线的能耗中电能为最重要的构成部分，主要分布在牵引供电系统、机电设备系统、弱电系统等。其中：供电系统包括牵引系统、动照系统等；机电设备系统主要为设备耗电，含有通风空调、车站设备、给排水及消防、电梯及扶梯等；弱电系统主要包含通信、信号、综合监控、火灾报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、门禁系统（ACS）等。

根据计算，南宁市轨道交通2号线的近期能耗分布如图1所示。其中：牵引系统的能耗最大，约占41%；通风空调系统能耗次之，约占38%。

表1 南宁市轨道交通2号线综合能耗

图1 南宁市轨道交通2号线近期能耗分布图

3 节能设计

根据南宁市轨道交通2号线近期能耗分布情况，节能设计涉及的系统主要集中在牵引耗电和通风空调系统两大方面，照明和电扶梯也是节能的重点；节能措施具体有设置节能坡、采用再生制动吸收装置、采用轻型车体材料、使用变频技术、选用屏蔽门制式、选用节能灯具等。

3.1 节能坡设计

线路设计在满足相关技术指标的基础上，尽量将地下车站布置在纵断面的凸形部位上，并设置合理的进出站坡度即：列车进站时上坡，将动能转化为势能；列车出站时下坡，再将势能转化为动能。这样有利于减少车辆牵引和制动时的能耗，从而达到节能的目的。本工程全线共设置8处节能坡，平均坡度为20‰，长度为300 m。根据文献［7］研究成果，本工程中一个节能坡在列车一次运行过程中相对可节电3～4 k Wh；根据运行交路和列车运行计划可估算初期年节能约为249万kWh，近期年节能约为350万k Wh，远期年节能约为433万k Wh（如表2所示）。

表2 节能坡节能量

3.2 风机变频设计

变风量系统可减少介质输送能耗。由于每日客流量随时间变化，所以人员散热量也将不同。根据客流量的变化可以计算出全日的负荷变化。平峰总散热量约为高峰的80%。设计风量是按照早高峰负荷进行计算的。若根据负荷的变化调整风机风量，可减少风机能耗。

安装变频器可根据日客流量的变化（见图2）调整风机的运行工况。若选择在10：00-16：00和20：00-23：00时间段风机按85%负荷运转，其余时间满负荷运转，则一天之内，风机通过变频可以减少7%左右的风量。采用变风量的通风系统全年可节约用能20%。根据2号线能耗分布计算结果，通风系统用能初、近、远期分别为970 kWh/年、1 235 k Wh/年、1 355 k Wh/年，则初期节能约194万k Wh/年，近期节能约247万k Wh/年，远期节能约271万k Wh/年。

3.3 再生制动设计

电气制动可实现再生制动，将车辆动能回馈至牵引网，供相邻车辆吸收。根据已建地铁相关经验，与

电阻制动相比，再生制动节能效果显著，采用再生制动及再生制动吸收装置，再生回馈电能在40%左右。但由于非高峰时段行车密度低，故再生率低，只有约15%的电能被再生制动吸收装置吸收。2号线列车运行一个单程的牵引电能消耗总量约为325.08 kWh，全日发车对数在初、近、远期分别为142、188/12（总的配属车/小交路）、209/38（总的配属车/小交路）对。经计算，电容式再生制动吸收装置比电阻式吸收装置初期节能约505万kWh/年，近期节能约706万kWh/年，远期节能约874万kWh/年。

3.4 中压供电设计

项目选用35 k V的中压供电网络，在同等线路长度和负荷情况下，与分散式供电系统供电网络的10 k V电压等级相比，可节省线路损耗约10%。采用平均功率乘系统K的方法估算可得2号线35 k V中压供电网络年损耗为142.68万kWh，与10 k V供电网络相比则每年可节约电能16万kWh左右。

3.5 牵引供电设计

供电系统采用1 500 V接触轨为列车供电，与750 V接触轨相比，可使牵引变电所数量减少，相同牵引功率下牵引网的电流也较小，相应的牵引网能耗更低。采用1 500 V供电每公里年节约牵引网能耗约4万k Wh［8］，每年可节约电能约84万k Wh。不同电压等级下相关参数如表3所示。

3.6 变压器容量设计

降压变电所根据各专业负荷情况合理配置变压器容量为1 000 k VA，在满足项目用电需求的同时不设置过大容量的变压器。计算可得年综合功率损耗为196.48万k Wh/年；与类似地铁工程地下车站变压器采用1 250 k VA相比，节约电能约10.37万k Wh/年。变压器空、负载损耗值如表4所示。

表4 不同容量变压器空载、负载损耗比较

3.7 变频自动扶梯设计

据统计自动扶梯采用变频运行方式（VVVF方式），其低速运行时耗电量仅为设计负荷用电量的10%，整体可以节约电能50%左右（见表5）。计算可得到变频扶梯和普通扶梯的年耗电量，如表6所示。

表5 自动扶梯电机功率

表6 变频扶梯与普通扶梯年耗电量比较

3.8 轻型车体材料设计

选用不同的车体材料，车体自重就不同，牵引能耗也不同。耐候钢、不锈钢、铝合金车体自重分别为44.23 t、41.53 t、39.73 t，其载重同为3.2 t。2号线玉洞—西津段不同车体的牵引能耗量见表7。经计算可知，近期选用不锈钢车比耐候钢车节能297万kWh，选用铝合金车比耐候钢车节能494万kWh。

表7 不同车体材料牵引能耗量

3.9 LED照明设计

由于LED（发光二极管）灯光效高，比日光灯节能，本工程采用LED灯具照明。不同灯具的能耗量见表8。

表8 不同灯具的能耗量

南宁市轨道交通2号线共13座地下站和3座高架站，因此全线照明系统采用LED灯可节约能耗约为567万k Wh/年。采用了3座高架站，比全地下站可节约照明能耗约为73万k Wh/年。

3.10 通风空调系统采用屏蔽门设计

南宁地区全年使用空调季节长，且气温高、空气湿度大。地铁车站设置屏蔽门后，车站公共区空调冷负荷将大大减小（约为普通闭式空调系统的1/ 3），通风空调系统的初投资、运行费用和土建初投资也会比闭式系统节省。根据2号线能耗分布计算结果，空调系统用能近期约为2 789 kWh/年，估算每座地下车站可节约运行能耗80万k Wh/年。

4 结语

节能设计是轨道交通设计中重要的环节。南宁城市轨道交通2号线在节能设计方面采取了一系列措施，从工程设计、建设、运营三个不同阶段出发，结合轨道交通工程设备专业多、车站建筑工艺复杂的特点，着重从材料选择、系统方案、节能设备选型这几个方面采取节能措施。所采取的节能措施，在满足城市轨道交通可靠运行的前提下，体现较好的节能效果，可有效地降低运营成本，实现较高的经济效益和环境效益。

［1］ 叶大华，冯雅薇.推进轨道交通节能减排建设节约型综合交通系统［J］.北京规划建设，2009（3）：20.

［2］ 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.

［3］ 刘海东，毛保华，丁勇，等.城市轨道交通列车节能问题及方案研究［J］.交通运输系统工程与信息，2007（5）：68.

［4］ 梁广深.地铁节能线路纵断面设计研究［J］.都市快轨交通，2009（8）：37.

［5］ 汪永新，冯磊，许巍，等.南京地铁2号线节能策略探讨［J］.现代城市轨道交通，2011（5）：83.

［6］ 王彦峰.广州市轨道交通5号线节能措施浅谈［J］.都市快轨交通，2004（17）：20.

［7］ 王玉明.城市轨道交通系统能耗影响因素的量化分析［D］.北京：北京交通大学，2011.

［8］ 曹小相，刘卡丁，江安.直流1500V接触轨节能研究［J］.都市快轨交通，2011，24（2）：93.

Energy-saving Design and Application for Nanning Metro Line 2

Liu Lin

Taking Nanning metro Line 2 as a case study，and based on an analysis of energy consumption，the energysaving measures are adopted from 2 aspects：the traction power supply loss；the ventilation and air conditioning system.By setting energy conservation section，adopting regenerative braking energy absorption devices，using frequency conversion technology and so on，the goal of energy-saving is achieved in the fields of track，operation，vehicle，power supply and ventilation.The research results show that the energy-saving effect is obvious，and the implemented measures can effectively reduce the operating costs，achieve higher economic and environmental benefits.

urban rail transit；traction power supply loss；ventilation and air conditioning；energy conservation section；frequency conversion technology

TK 018：U 231

2013-12-20）

*南宁市科学研究与技术开发计划项目（20123121）