摘  要 指出城市轨道交通是一种资源节约型、环境友好型的绿色公共交通方式，同时又是城市的用电大户。讨论城市轨道交通车辆能耗、车站能耗的影响因素，剖析单位车公里、单位人公里、单位吨公里等能耗指标及其特征，建立城市轨道交通线网能耗测算模型。基于各线路能耗统计数据，测算北京市轨道交通网络的全年总能耗量，分析不同线路条件下车辆能耗、车站能耗的特征和规律，为进一步优化线路规划设计、节约系统能耗等提供参考。

关键词 城市轨道交通; 能耗; 影响因素; 指标; 测算

 

      与其他城市交通模式相比，城市轨道交通具有运量大、占地少、速度快、节能环保、安全准时等特点，而且城市轨道交通使用电能，不直接消耗不可再生的有机能源，符合国家的能源和环境战略，是一种资源节约型、环境友好型、安全便捷型的城市交通方式^［1］。因此，为缓解地面交通能力不足、能耗巨大、污染严重等问题，发展城市轨道交通成为我国大城市缓解交通拥堵、实现城市交通可持续发展的必然要求。

      就能耗数量而言，城市轨道交通是城市电能消耗的大户。资料显示，长约 20 km 的轨道交通线路，北方城市无空调的车站年用电量约 6 000 万 kW·h、设空调的车站年用电量约 8 000 万 kW·h，南方城市的车站年用电量约 1 亿 kW·h。若城市建成 300 km 的轨道交通线路，年用电量将达到 9 亿 ～15 亿 kW·h^［2］。

      近年来，我国许多城市电力供应紧张，出现用电高峰时段必须分区域拉闸限电的情况，严重影响了国民经济发展。因此，一方面需要城市供电部门加大保障能力，确保高峰时期的轨道交通用电需要; 另一方面轨道交通行业部门也需要深入分析轨道交通用能规律，优化设计，减少系统能耗，并对未来轨道交通网络的用能需求总量做出预测。

      结合北京市发展低碳交通的有关要求，笔者在分析城市轨道交通能耗影响因素、指标特征的基础上，研究提出城市轨道交通能耗测算模型，以初步分析北京市轨道交通网络的能耗特征和规律。

 

      城市轨道交通系统的电力消耗可以分为两大类，一是车辆能耗，二是车站能耗。在车辆能耗中，又可分为“车辆运行消耗电能”和“车辆运行以外车辆空调等消耗电能”两类。城市轨道交通系统的电能消耗量，会受车辆制式和类型、客流量、线路敷设方式、车站规模等方面因素的影响，因此各类电能消耗在系统总能耗中所占比率会因线路不同而有所不同，但大体比例和发展趋势如图 1 所示^［3］。

      影响轨道交通车辆能耗的因素很多，除直接决定行车总数量的线路里程、运行交路、发车间隔、车辆编组、车载辅助设备数量及容量以外，车辆能耗还受客流规模( 列车满载率) 、车辆制式及车型、线路敷设方式、季节等因素的影响。

      客流量对车辆能耗影响较大，主要体现在以下两个方面: 一是客流量越大，相应的发车列次越多，从而列车的运营里程也越大，车辆能耗也随之增大; 二是随着列车满载率的变化，车辆能耗变化明显，列车在满载情况下，乘客质量一般占列车总质量的 25% ～30%，满载甚至超员的列车相对乘客稀少的列车牵引能耗显然要高，同时车载空调设备的负荷也相应增加。

      城市轨道交通系统的车辆制式和车型对车辆能耗起着决定性的作用。不同制式车辆的能耗差别非常大，其一般规律是普通轮轨、跨座式单轨、直线电机、中低速磁浮这几种制式的能耗效率依次降低，同等运量情况下能耗量依次增大。

      同种车辆制式的不同车型，不仅车辆尺寸及容量存在差别，而且车辆的自重、运营速度等技术指标有较大的不同，从而影响整个系统的车辆能耗。同一制式的轨道交通车辆有动车和拖车、带司机室和不带司机室等多种形式，宽度为 2． 8 ～3 m，定员为 200 ～320 人，最高运行速度可达 80 ～110 km/h，车体材料有碳素钢、不锈钢或铝合金。这些因素决定了列车的自重，从而影响着列车的车辆能耗状况。车辆自重越大，要求车辆的启动、制动力矩越大，车辆电机的耗电量也越大。

      在同等车辆和客流等条件下，地下线路比地上线路的车辆能耗更大，因为列车在地下隧道中行驶要克服空气阻力而消耗额外的电能。比如，北京地铁 1 号线 2009年的年平均单位吨公里能耗约 268 kW·h，而行驶条件与之相当的地铁八通线的这一指标为 227 kW·h，前者比后者高约18%。

      图 2 为北京地铁 5 号线 2009 年各月车辆能耗，从其变化情况来看，季节变化规律明显。从5 月份开始，电耗会有较大幅度的上涨，并在 7 月份达到最大值，随后从 9 月份开始逐渐下降，主要是夏季列车的空调设备电耗占比增大。

      城市轨道交通的动力照明电耗主要是指集中在车站内的电力消耗，其中环控通风、照明、电扶梯等设施的用电量较大。车站能耗主要由车站及区间设备(如风机、空调、自动扶梯、照明、售检票机等) 的数量、容量、效率、运行方式等决定，同时也受到车站敷设方式、车站规模、客流量、环控模式、季节等因素的影响。

      地下车站空间封闭，需要通风空调系统对温度、湿度进行控制，同时也需要更多的自动扶梯等实现垂直的人员输送，能耗较大; 而地上车站一般只有通风系统而没有空调系统，甚至只用自然通风，能耗较小。北京地铁 5 号线以地下线路为主，23 座车站中有 16 座地下车站，7 座地上车站，2009 年部分月份的平均能耗如表1 所示。同一月份，地下站的能耗一般为地上站的 2 倍以上，在夏季甚至达到 5 倍以上。

       车站的建筑规模，即车站站厅层及站台层的建筑面积大小，这在一定程度上直接决定了车站电耗量。

      车站客流量越大，车站所需设备( 闸机、楼扶梯、自动售票机等) 的数量越多，维护车站环境的空调、环控设备数量也越多，用电量就越大。

      轨道交通环控系统主要有开式系统和闭式屏蔽门系统两种。开式系统主要应用于高架和地面站。屏蔽门系统主要应用于地下站，因为相对于开式系统，屏蔽门的设置减少了隧道对车站温度和湿度的影响，能够达到较好的节能效果。

      相比车辆能耗，季节对车站( 特别是地下车站) 的电耗量影响更大。从北京地铁5 号线的数据看，地下闭式屏蔽门系统车站在6—10 月份的车站月能耗值明显大于其他月份的车站月能耗值，而地上开式车站的月能耗随着季节变化也有一定的波动，但是波动范围不大，如图3 所示。

      为进一步对能耗水平和效率进行分析比较，城市轨道交通能耗可以从单位车公里能耗、单位人公里能耗、单位吨公里能耗等方面进行分解剖析。

      单位车公里能耗为1 节车辆每运行1 km 所需消耗的能量，其计算公式为

      单位车公里能耗指标具有以下特征:

      1) 单位车公里能耗主要与车体大小、质量、载客量有关，车辆越小，单位车公里电耗越小。A 型车单位车公里能耗应高于 B 型车单位车公里能耗，地铁车辆单位车公里能耗应高于轻轨车辆单位车公里能耗。

      2) 同等车辆、客流条件下，高架线路车辆一般较地下线路车辆的单位车公里能耗要低。

      3) 站间距越大，单位车公里的牵引电耗就越小。

      4) 单位车公里能耗与车辆是否设有空调等设备、车站环控系统模式等有关。

      单位人公里能耗为每将1 位乘客运送1 km 所需消耗的能量，其计算公式为

      单位人公里能耗反映了城市轨道交通的运行及能耗使用效率，相对较低的单位人公里能耗，体现出城市轨道交通是一种能耗节约、绿色环保的大容量公共交通方式。车辆满载率越高，单位车辆运送乘客越多，每位乘客平均消耗的能量就越低。当列车满载率下降到运营管理公司可以接受的50%状态时，乘客质量占列车总质量的比重将下降到17%左右。换言之，随着满载率的下降，车辆能耗将主要用于无效车辆。随着列车满载率从100%逐渐降低到50%以下时，单位客流量的能耗将迅速上升; 当满载率低于40%后，单位人公里能耗甚至将成倍增长。

      单位吨公里能耗为每将 1 吨重的列车及乘客运送1 km 所需消耗的能量，其计算公式为

      ( 注: 乘客体重按 60 kg/人计算)

      单位吨公里能耗反映了城市轨道交通系统的车辆及其电机的效率，与车辆制式和线路状况直接相关。一般而言，传统旋转电机的功率因数和电机效率高于直线电机，在相同的线路条件和列车质量条件下，最新旋转电机 VVVF 驱动地铁车辆相比直线电机驱动地铁车辆的单位吨公里能耗要高出不少^［4］。线路进行节能坡设计，能够有效降低单位吨公里能耗^［5］。

 

      城市轨道交通线路较少，能耗形式单一且有专门的统计数据，较容易进行城市轨道交通能耗测算和分析。基于北京市轨道交通的线路特征、运行情况和能耗统计数据，可对北京市轨道交通能耗情况进行简要测算和分析。

      将现有各条线路车辆和车站动力照明两种能耗加总，即可得到北京城市轨道交通能耗，可采用如下测算模型来计算北京市的轨道交通总能耗( 分别按照空调季度和非空调季度计算) ，测算公式为

式中: E_总能耗为城市轨道交通总能耗，万 kW·h; E_i车辆为第 i 条轨道交通线的车辆总能耗，万 kW·h; E_i车站为第i条轨道交通线的车站总能耗，万 kW·h; E_ij车站为第 i 条轨道交通线上的第 j 号车站能耗，万 kW·h。

      ( 注: 列车的空调照明等辅助系统能耗包含在车辆能耗中)

      根据 2009 年北京市各线路车站能耗和车辆能耗，利用测算模型，可计算全网全年能耗( 不含轨道交通机场快轨专线) ，如表 2 所示。

      在上述 8 条运营线路中，地铁 1、2、10 号线全为地下线，13 号线和八通线全为地上线，可分别计算地下线和地上线的车辆单位荷载周转量能耗，并进行比较分析。表 3 为 2009 年不同敷设方式运营线路车辆能耗及各线路单位荷载周转量能耗数据。

      由表3 可知，北京城市轨道交通地上线和地下线平均单位吨公里能耗分别为509．34 和394．23 kW·h/t·km，地下线比地上线高约 29%。同时数据显示，相同敷设方式线路的车辆单位荷载周转量能耗值较为接近，可以取其均值作为预测同类在建及规划线路车辆能耗预测的基本测算指标。

      北京城市轨道交通环控系统主要有开式系统和屏蔽门系统，其中 1 号线、2 号线属于地下开式系统，10号线、奥运支线、4 号线为地下屏蔽门系统，其余新建线路或规划线路均为地上开式或地下屏蔽门系统。

      根据 2009 年北京城市轨道交通车站能耗统计数据、结构车站类型划分进行分析，可计算得出各类型车站分别在空调季度( 6—9 月) 和非空调季度的平均动力照明能耗，如表 4 所示。

      由表4 可知，在空调季度和非空调季度，北京城市轨道交通地下屏蔽门式车站的车站动力照明能耗，分别为地下开式车站和地上开式车站的 1． 4、2． 4 倍和 1． 5、4． 7倍。数据显示，地面车站的能耗较地下车站的能耗要低得多，因此从降低能耗的角度，宜更多地选用高架线路。

 

      通过对能耗影响因素分析及运营线路能耗测算，初步探索了北京市轨道交通能耗特征和规律，如地下线能耗指标远高于地上线能耗指标、车站能耗的季节变化明显等。在轨道交通新线的规划、设计中，一是应尽量选择地上线敷设方式，既能节约工程投资，又可大幅减少运营期的系统能耗; 二是应注重节能坡设计，采用变频、综合监控等先进技术，挖掘系统的节约潜力。

      另外，利用本研究提出的能耗测算模型，可以结合轨道交通线网规划情况，应用类比法预测未来轨道交通网络的整体能耗量级及特征，提前规划布局供电资源，保障城市轨道交通用电需要。

 

［1］施仲衡． 依靠科技创新加快发展节约型城市轨道交通［J］． 都市快轨交通，2006，19( 1) : 卷首语．

［2］北京交通大学，北京交通发展研究中心． 城市交通资源节约问题研究报告［R］． 北京，2006．

［3］日本地下铁协会直线电机地铁推进部． 关于铁道系统所需的电能［R］． 东京，2004．

［4］孔令洋，梁青槐，张岩，等． 直线电机轮轨交通系统牵引能耗研究［J］． 铁道学报，2007，29( 6) :106-112．

［5］庞渊． 线路节能坡设计方案对地铁能耗的影响［J］． 铁路工程造价管理，2008( 1) :10-13．

［6］梁青槐，孔令洋． 超前规划适时建设 建设资源节约型、环境友好型城市轨道交通［J］． 都市快轨交通，2006，19( 3) :1-2．

［7］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．

［8］李鲲鹏，张振生． 直线电机轨道交通系统能耗分析［J］．都市快轨交通，2006，19( 1) :31-33．