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摘要随着城市轨道交通的高速发展，投入运营的城轨车辆越来越多，对车辆能耗的要求越来越高。针对车辆实际运行过程中的能耗情况，从牵引系统、空调系统、辅助照明系统等方面进行了系统分析，提出了降低车辆能耗的相关技术和方法。
关键词 车辆节能 牵引系统 空调系统 轨道交通
Abstract: With the rapid development of city rail transportation, urban rail vehicles are become widely used .The demand of vehicle energy consumption increases high demand. According to the actual operation of the vehicle energy consumption in the process, the system analysis from the traction system, air conditioning system, auxiliary lighting system, puts forward the related technology and methods to reduce vehicle energy consumption.
Keywords: vehicle; energy saving; traction system; air conditioning system; rail transit;
中图分类号：S210.4 文献标识码：A 文章编号:
1 研究背景
截至2012年底，全国已有17个城市(不含港澳台)64条线路约2008公里轨道交通线路投入运营[1]。预计到2015年我国将有40个城市新建城市轨道交通，线路总长将达2600公里。随着我国城市轨道交通的高速发展，投入运营的城轨车辆也将越来越多。以珠三角为例，目前广州和深圳按规划将配置城市轨道交通车辆约14559辆。车辆的数量增多对车辆的节能水平提出更高的要求，因此节能降耗成为城市轨道交通研究的重要内容。
2 能耗途径分析
城市轨道交通车辆的能耗主要包括列车牵引系统、辅助系统和控制系统（含照明）所消耗的能耗。其中牵引系统能耗是指从直流电网（DC1500V或DC750V）获取的驱动车辆运行的能耗；辅助系统能耗是指车辆空调通风、设备风机、空气压缩机、制动电阻风机等辅助设备所消耗的交流负载的能耗；控制及照明系统能耗是指采用DC110V的控制设备及照明消耗的直流负载的电能，如客室照明、头尾灯、网络控制、动态地图等能耗。
根据广州地铁多年的运营统计数据，牵引系统能耗占车辆总能耗的55%～65%；辅助系统（空调风机、空气压缩机等）能耗占车辆总能耗的25%～35%；照明及控制系统能耗占车辆总能耗的5%～10%。
3 节能技术
3.1 牵引系统节能
影响列车的牵引能耗的因素有多个方面，主要因素包括列车属性、线路属性、供电属性以及运输组织模式。所有列车属性、线路属性和供电系统都属于基础设施方面的因素。这一部分对牵引能耗的影响，应该在基础设施规划设计前对其进行评估分析并从设计上有效控制其对能耗的影响。如要对牵引系统进行节能降耗的改进，可行的方法是从运输组织模式方面着手。
3.1.1控制列车最高运行速度
车辆的最高限速与线路情况、车辆情况和运营要求密切相关。提高运营速度可缩短运行时间，有效提高运能，但能耗也随之增加。图1是针对1200m平直轨道进行的仿真分析，计算城轨车辆在不同运行速度下牵引能耗及运行时间的关系。60km/h的运行速度相比于80km/h，运行时间增加11s，牵引能耗可降低40％。由此可见，通过控制列车最高运行速度，降低列车牵引能耗的效果较为显著。因此，可在客流高峰时按最大运行速度全速运行确保大运量输送，在客流平峰、低峰时段则按照合适的低速运行，使列车节能。
图1 不同运营速度下牵引能耗与运行时间的关系
3.1.2 优化惰行模式
惰行是列车在运行过程中停止牵引或制动，列车在阻力作用下的惯性运行状态。列车在站间运行时尽量采用惰行是有效的节能措施之一。以下为对惰行进行仿真，分析惰行下能耗和运行时间的关系。仿真设定在2000m平直轨道上，最高限速设定为80km/h，列车以恒定加速度加速到最大速度后选择一定的惰行开始时刻进行惰行，惰行截止点应保证列车在恒定减速度下可以准确进站停车。仿真设定5种不同的惰行起始点时刻，对比“牵引--匀速--制动”工况下的巡航运行结果，对单列车运行时间和牵引能耗进行仿真（见表1）。
表1 惰行下能耗与运行时间的关系
试验表明惰行距离为1372.5m时，列车的总能耗比无惰行模式下列车的牵引能耗降低10.97%，而列车的运行时间只延长了2.27%，说明运用惰行模式对于牵引节能是有很大贡献的，而对运行时间影响较小。因此只要合理控制列车的运行时间，优化惰行模式是较重要的节能方法。
3.1.3 优化停站时间
根据具体的客流情况，在客流量较少的站点有效调整和控制停站时间，弥补运行过程中因限速或惰行而延长的时间，保证全程运行时间要求，维持全程的平均旅行速度不变的前提下，有效降低车辆能耗。
3.1.4 优化运行图，实现能量对冲
列车牵引时，牵引系统从接触网吸收的电能在制动时约有40%～50%反馈电网。若多个列车同时制动却没有列车进行牵引而吸收电能，网压将迅速上升，导致不能进行再生制动，制动产生的电能以热能消耗在制动电阻上。
优化列车运行图，通过调整运行图的发车间隔、停站和折返时间，合理协调整个线路中各列车的运行状态，即在正线上运行的列车尽可能保证制动状态与牵引状态列车数量相当，将线路中列车制动能量尽可能优先反馈给电网中正在牵引运行的列车，实现能量对冲，以避免制动时产生的能量以热耗散的方式消耗，达到节能的效果。
3.2 空调系统节能
在车辆辅助系统能耗构成中，空调系统的能耗一般要占到总能耗的80%以上。因此采用节能环保型空调系统及相应控制技术可有效降低辅助系统的能耗，空调系统的节能措施包括：
3.2.1变频技术节能
目前我国轨道交通车辆采用的空调很多都是定频空调机组。相比于定频空调，变频空调机组可以从以下方面进行节能。
1）压缩机启动节能
当空调制冷负荷小于空调机组额定制冷量时，定频空调机组由于不能适应制冷负荷需求，只能靠不断的开停压缩机来维持客室温度。而变频空调机组可以通过低频低功率运行来维持客室温度，制冷量输出能更接近车辆实际制冷需求。
定频空调机组压缩机每次开机至少要工作3分钟以上；停机2分钟后才能达到高低压力平衡，每次开停周期为5分钟。开停一次，增加一次开关损耗。而变频空调机组高频降温，低频连续运转维持恒温，避免频繁开停，减少开关损耗。此外，定频空调起动电流峰值高达125A，要求辅助电源逆变器储备容量大。而变频空调起动电流小于20A，辅助电源逆变器容量可节省一半，较低的起动电流与运行电流，系统可靠性提高。
图3 启动电流对比图
2）低频时提升空调能效比
变频压缩机在低频运行时，冷媒流量减小，换热器的面积相对增大，导致蒸发温度提高，同时冷凝温度下降，因此压缩机的压缩比降低，能效比提高。根据试验，同一制冷系统使用变频压缩机和定频压缩机，测试得到的能效比分别为7.6、4.6。
3.2.2根据载客量或二氧化碳自动调节新风
城轨车辆空调中，新风能耗一般约占空调总能耗的40%以上。因此，减少新风负荷是车辆节能的有效途径。可设计能够根據载客量或二氧化碳含量自动调节新风和制冷量的节能型空调。在客流稀少的早晨和夜间，降低车厢内部的新风量可避免不必要的冷气的流失，从而达到节能的目的。
3.3控制及照明系统节能
根据统计，列车正常运行中客室照明占辅助系统直流负载总功率约50%，因此可对原有的荧光照明灯具进行改造，采用LED照明灯具以实现节能。
目前LED成熟产品光效能够达到110lm/W，而轨道交通车辆上普遍使用的T8荧光灯只有80lm/W[2]。同时，荧光灯灯具总体损失值通常会占光源光通输出的40%。而LED其发光角度固定为120度，，其光通输出损失环节只有外部灯罩，因此，整个灯具采用LED作光源将带来更大的光效优势。经试验，相比于荧光灯照明，采用LED灯具照明可节能30%以上。
4 结语
综上所述，通过车辆运营模式优化、变频空调技术以及客室LED照明运用，车辆整体能耗将降低10%以上。随着城市轨道交通车辆越来越多的投入运用，这种累积叠加效应的节能效果越将明显。在大力倡导建设资源节约型社会的今天，更多的车辆将进行节能改造与实施。
参考文献：
[1]鲁放，韩宝明，王芳玲. 2012年中国城市轨道交通运营线路统计与分析[J]. 都市快轨交通，2013，26(1): 1 -- 3.
[2]王琴 等. LED照明节能技术的研究与设计[J]. 太原师范学院学报，2010，9(2): 68 -- 70.
关键词 车辆节能 牵引系统 空调系统 轨道交通
Abstract: With the rapid development of city rail transportation, urban rail vehicles are become widely used .The demand of vehicle energy consumption increases high demand. According to the actual operation of the vehicle energy consumption in the process, the system analysis from the traction system, air conditioning system, auxiliary lighting system, puts forward the related technology and methods to reduce vehicle energy consumption.
Keywords: vehicle; energy saving; traction system; air conditioning system; rail transit;
中图分类号：S210.4 文献标识码：A 文章编号:
1 研究背景
截至2012年底，全国已有17个城市(不含港澳台)64条线路约2008公里轨道交通线路投入运营[1]。预计到2015年我国将有40个城市新建城市轨道交通，线路总长将达2600公里。随着我国城市轨道交通的高速发展，投入运营的城轨车辆也将越来越多。以珠三角为例，目前广州和深圳按规划将配置城市轨道交通车辆约14559辆。车辆的数量增多对车辆的节能水平提出更高的要求，因此节能降耗成为城市轨道交通研究的重要内容。
2 能耗途径分析
城市轨道交通车辆的能耗主要包括列车牵引系统、辅助系统和控制系统（含照明）所消耗的能耗。其中牵引系统能耗是指从直流电网（DC1500V或DC750V）获取的驱动车辆运行的能耗；辅助系统能耗是指车辆空调通风、设备风机、空气压缩机、制动电阻风机等辅助设备所消耗的交流负载的能耗；控制及照明系统能耗是指采用DC110V的控制设备及照明消耗的直流负载的电能，如客室照明、头尾灯、网络控制、动态地图等能耗。
根据广州地铁多年的运营统计数据，牵引系统能耗占车辆总能耗的55%～65%；辅助系统（空调风机、空气压缩机等）能耗占车辆总能耗的25%～35%；照明及控制系统能耗占车辆总能耗的5%～10%。
3 节能技术
3.1 牵引系统节能
影响列车的牵引能耗的因素有多个方面，主要因素包括列车属性、线路属性、供电属性以及运输组织模式。所有列车属性、线路属性和供电系统都属于基础设施方面的因素。这一部分对牵引能耗的影响，应该在基础设施规划设计前对其进行评估分析并从设计上有效控制其对能耗的影响。如要对牵引系统进行节能降耗的改进，可行的方法是从运输组织模式方面着手。
3.1.1控制列车最高运行速度
车辆的最高限速与线路情况、车辆情况和运营要求密切相关。提高运营速度可缩短运行时间，有效提高运能，但能耗也随之增加。图1是针对1200m平直轨道进行的仿真分析，计算城轨车辆在不同运行速度下牵引能耗及运行时间的关系。60km/h的运行速度相比于80km/h，运行时间增加11s，牵引能耗可降低40％。由此可见，通过控制列车最高运行速度，降低列车牵引能耗的效果较为显著。因此，可在客流高峰时按最大运行速度全速运行确保大运量输送，在客流平峰、低峰时段则按照合适的低速运行，使列车节能。
图1 不同运营速度下牵引能耗与运行时间的关系
3.1.2 优化惰行模式
惰行是列车在运行过程中停止牵引或制动，列车在阻力作用下的惯性运行状态。列车在站间运行时尽量采用惰行是有效的节能措施之一。以下为对惰行进行仿真，分析惰行下能耗和运行时间的关系。仿真设定在2000m平直轨道上，最高限速设定为80km/h，列车以恒定加速度加速到最大速度后选择一定的惰行开始时刻进行惰行，惰行截止点应保证列车在恒定减速度下可以准确进站停车。仿真设定5种不同的惰行起始点时刻，对比“牵引--匀速--制动”工况下的巡航运行结果，对单列车运行时间和牵引能耗进行仿真（见表1）。
表1 惰行下能耗与运行时间的关系
试验表明惰行距离为1372.5m时，列车的总能耗比无惰行模式下列车的牵引能耗降低10.97%，而列车的运行时间只延长了2.27%，说明运用惰行模式对于牵引节能是有很大贡献的，而对运行时间影响较小。因此只要合理控制列车的运行时间，优化惰行模式是较重要的节能方法。
3.1.3 优化停站时间
根据具体的客流情况，在客流量较少的站点有效调整和控制停站时间，弥补运行过程中因限速或惰行而延长的时间，保证全程运行时间要求，维持全程的平均旅行速度不变的前提下，有效降低车辆能耗。
3.1.4 优化运行图，实现能量对冲
列车牵引时，牵引系统从接触网吸收的电能在制动时约有40%～50%反馈电网。若多个列车同时制动却没有列车进行牵引而吸收电能，网压将迅速上升，导致不能进行再生制动，制动产生的电能以热能消耗在制动电阻上。
优化列车运行图，通过调整运行图的发车间隔、停站和折返时间，合理协调整个线路中各列车的运行状态，即在正线上运行的列车尽可能保证制动状态与牵引状态列车数量相当，将线路中列车制动能量尽可能优先反馈给电网中正在牵引运行的列车，实现能量对冲，以避免制动时产生的能量以热耗散的方式消耗，达到节能的效果。
3.2 空调系统节能
在车辆辅助系统能耗构成中，空调系统的能耗一般要占到总能耗的80%以上。因此采用节能环保型空调系统及相应控制技术可有效降低辅助系统的能耗，空调系统的节能措施包括：
3.2.1变频技术节能
目前我国轨道交通车辆采用的空调很多都是定频空调机组。相比于定频空调，变频空调机组可以从以下方面进行节能。
1）压缩机启动节能
当空调制冷负荷小于空调机组额定制冷量时，定频空调机组由于不能适应制冷负荷需求，只能靠不断的开停压缩机来维持客室温度。而变频空调机组可以通过低频低功率运行来维持客室温度，制冷量输出能更接近车辆实际制冷需求。
定频空调机组压缩机每次开机至少要工作3分钟以上；停机2分钟后才能达到高低压力平衡，每次开停周期为5分钟。开停一次，增加一次开关损耗。而变频空调机组高频降温，低频连续运转维持恒温，避免频繁开停，减少开关损耗。此外，定频空调起动电流峰值高达125A，要求辅助电源逆变器储备容量大。而变频空调起动电流小于20A，辅助电源逆变器容量可节省一半，较低的起动电流与运行电流，系统可靠性提高。
图3 启动电流对比图
2）低频时提升空调能效比
变频压缩机在低频运行时，冷媒流量减小，换热器的面积相对增大，导致蒸发温度提高，同时冷凝温度下降，因此压缩机的压缩比降低，能效比提高。根据试验，同一制冷系统使用变频压缩机和定频压缩机，测试得到的能效比分别为7.6、4.6。
3.2.2根据载客量或二氧化碳自动调节新风
城轨车辆空调中，新风能耗一般约占空调总能耗的40%以上。因此，减少新风负荷是车辆节能的有效途径。可设计能够根據载客量或二氧化碳含量自动调节新风和制冷量的节能型空调。在客流稀少的早晨和夜间，降低车厢内部的新风量可避免不必要的冷气的流失，从而达到节能的目的。
3.3控制及照明系统节能
根据统计，列车正常运行中客室照明占辅助系统直流负载总功率约50%，因此可对原有的荧光照明灯具进行改造，采用LED照明灯具以实现节能。
目前LED成熟产品光效能够达到110lm/W，而轨道交通车辆上普遍使用的T8荧光灯只有80lm/W[2]。同时，荧光灯灯具总体损失值通常会占光源光通输出的40%。而LED其发光角度固定为120度，，其光通输出损失环节只有外部灯罩，因此，整个灯具采用LED作光源将带来更大的光效优势。经试验，相比于荧光灯照明，采用LED灯具照明可节能30%以上。
4 结语
综上所述，通过车辆运营模式优化、变频空调技术以及客室LED照明运用，车辆整体能耗将降低10%以上。随着城市轨道交通车辆越来越多的投入运用，这种累积叠加效应的节能效果越将明显。在大力倡导建设资源节约型社会的今天，更多的车辆将进行节能改造与实施。
参考文献：
[1]鲁放，韩宝明，王芳玲. 2012年中国城市轨道交通运营线路统计与分析[J]. 都市快轨交通，2013，26(1): 1 -- 3.
[2]王琴 等. LED照明节能技术的研究与设计[J]. 太原师范学院学报，2010，9(2): 68 -- 70.