Study on Non-traction Energy Saving Approach in Urban Metro System

Abstract

With the rapid development of Rail Transit in China, Urban Rail Transit (URT) not only brings convenience to people but also creates lots of energy consumption problems． This study aims to comprehensively summarize the current research status and strategies of non-traction energy efficiency． Data shows that non-traction energy consumption accounts for more than 50% of the total energy consumption of the urban rail transit system in China, which indicates great energy-saving potential． Literature review was conducted in this study to comprehensively evaluate and classify the currently applicable non-traction energy efficiency improvement strategies and technologies． A strategies screening method and technical route to reduce the overall non-traction energy consumption of urban rail transit system was proposed． The results show that by implementing a low-cost integrated energy optimization strategy, the total energy consumption can be reduced by 10% ～ 25% via reducing non-traction energy consumption, without reducing operational efficiency and comfortability, thereby achieving ‘Green-travel’．

Full text

第37 卷第 2期
2021 年2月建 筑 科 学
BUILDING SCIENCE
Vol. 37，No. 2
Feb． 2021
［
文章编号］1002-8528（2021）02-0174-11 DOI：10. 13614 /j． cnki． 11-1962/ tu． 2021. 02. 24
城轨交通非牵引能耗系统性节能研究
杜书波1，2，
杨 丽1，
赵庆双2，
刘晓东1
（1． 同济大学 建筑与城市规划学院，
高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，
上海 200092；
2． 聊城大学 建筑工程学院，
山东 聊城 252000）
［
摘 要］随着我国轨道交通的快速发展，
城轨交通在给人们带来便利的同时也带来耗能巨大的问题。本研究旨在对目
前非牵引能效的研究状况以及策略进行全面的总结。数据显示目前我国轨交非牵引能耗占比高达总能耗的 50% 以上，
节能
潜力巨大。本文利用文献研究的方法对目前适用的非牵引能效提升策略、
技术进行了全面评估和分类，
提出了降低城轨交通
非牵引总体能耗策略的筛选方法和技术路线。结果表明，
通过实施低成本的综合能源优化策略，
在不降低运营效率及舒适度
的前提下，
可在现有能耗基础上实现10% ～ 25% 的非牵引能耗节能空间挖掘。因此，
采取低成本的优化策略，
可以有效的实
现深绿出行。
［
关键词］城轨交通；非牵引能耗；节能策略；数据挖掘
［
中图分类号］TU119 ［
文献标识码］A
Study on Non-traction Energy Saving Approach in Urban Metro System
DU Shubo1，2，YANG Li1，ZHAO Qingshuang2，LIU Xiaodong1
（1． College of Architecture ＆ Urban Planning，Tongji University，Key Laboratory of Ecology and Energy Saving Study of
Dense Habitat （Tongji University） ，Ministry of Education，Shanghai 200092，China；2． School of Architecture and
Civil Engineering，Liaocheng University，Liaocheng 252000，China）
Abstract：With the rapid development of Rail Transit in China，Urban Rail Transit （URT）not only brings
convenience to people but also creates lots of energy consumption problems． This study aims to comprehensively
summarize the current research status and strategies of non-traction energy efficiency． Data shows that non-traction
energy consumption accounts for more than 50% of the total energy consumption of the urban rail transit system in
China，which indicates great energy-saving potential． Literature review was conducted in this study to
comprehensively evaluate and classify the currently applicable non-traction energy efficiency improvement strategies
and technologies． A strategies screening method and technical route to reduce the overall non-traction energy
consumption of urban rail transit system was proposed． The results show that by implementing a low-cost integrated
energy optimization strategy，the total energy consumption can be reduced by 10% ～ 25% via reducing non-traction
energy consumption，without reducing operational efficiency and comfortability，thereby achieving ‘Green-travel’．
Keywords：urban rail transit （URT） ，non-traction energy consumption，energy-saving behavior，data mining
［收稿日期］2019 -10 -14 ［一次修回］2020-03-18
［二次修回］2020 -05 -17
［基金项目］国家自然科学基金
“水环境对建筑空间环境影响的数
字化关键技术研究”（51378365） ； 山东省高校青年教师
成长计划；2021 年山东省住房城乡建设科技计划项目
（2021-K9-3） ； 2020 年山东省本科教学改革研究项目
（P2020013） ； 山东省研究生教育质量提升计划项目
（SDYJG19026） ； 聊城大学科研基金（318011901）资助
［作者简介］杜书波（1982 -） ，
男，
在读博士研究生，
讲师
［联系方式］dushubo@ tongji． edu． cn
［编辑部收稿邮箱］bjb365@ 126． com
0引 言
截止 2020 年12 月31 日，
中国大陆地区（不含
港澳台）已有 45 个城市开通轨道交通，
运营线路
244 条，
运营总里程7 978. 19 km，
投运车站 4 815
座［1］；据规划，
全国地铁总历程未来将达到 1. 4 万
km，
涉及 80 个城市，
按现行能耗数据测算，
预计未
来年耗电将达 400 亿kW·h，
约占未来全国社会总
电耗的5‰以上［2］。
城市轨道交通系统中的能源使用分为2类：牵
引能耗和非牵引消耗。牵引能耗包括车辆本身的推

第2期 杜书波，
等：城轨交通非牵引能耗系统性节能研究
进及其服务模式下的辅助系统
；“
非牵引”
指的是系
统中车站、
仓库和其他动力系统等所使用的能量。
图1显示了典型的城轨牵引能耗分流图［3］，
从图 1
看，
牵引能耗仅占到 40% ，
与伦敦地铁牵引能耗
80% 的占比相比，
低了一倍，
轨交能耗分流图可以从
能量分流角度清晰的展示能量的消耗流向［4］，
此图
仅作为说明性的示意，
因为我国不同城市气候、
地
形、
组网程度等种种原因使能耗有较大差异。
图1轨道交通能耗桑基图
中国城市轨道交通协会发布的
《
城市轨道交通
2018 年度统计和分析报告》
数据显示，
我国平均人
公里能耗为 0. 181 kW·h，
车公里能耗为4. 09 kW·
h，
其中车公里牵引能耗1. 77 kW·h，
由此推算，
我国
非牵引能耗占比为 56. 7 % 。根据国际地铁联盟
（CoMET）2017 年的人公里能耗平均数据为 0. 08
kW·h，
轨道运输标杆联盟（Nova）2017 年人公里能
耗平均数据为0. 15 kW·h［5］，
而我国平均人公里能
耗比 Nova 平均值高20% ；从非牵引能耗占比来看，
欧美城市普遍在45% 以内，
拉美的20% 以内［6］，
我
国的 56. 7 % 远高于发达国家，
从目前我国地铁能耗
指标上看，
无论从车公里能耗、
车牵引能耗还是人公
里能耗，
均高于发达国家和地区，
虽然有气候、
地域
等影响因素，
但从分析来看，
非牵引能耗占比过高是
重要原因，
在此前提下，
探索轨道交通非牵引能效提
升策略是实现深绿出行的有效途径。
1城市轨道交通非牵引系统节能措施
本节主要辨识并评估城市轨道非牵引能耗降低
可行性的实践和技术。
城轨交通非牵引能耗节能措施主要分为运营和
技术两个层面（图2） ，
运营层面旨在更有效地利用
现有条件和基础设施，
通过管理或算法优化等低成
本修正实现能效提高［7］。而技术策略的引入一般
需要较高的投资成本，
需要对系统设备进行重大技
改［8］，
同时根据应用程度和范围分列出各项策略实
施的范围：基础设施和全系统。
通过色块将所有措施从节能手段角度划分为能
源、
设计、
数据与管理、
技术节能四个方面，
通过能源
结构调整和绿色能源应用、
设计前期的模拟仿真、
有
效地能耗计量和数据挖掘、
技术设备提升等解决方
案从全生命周期角度出发全方位实现能效提升。
1. 1 气候适应性下的设计节能
我国地缘辽阔，
城轨交通规划建设及开通城市
气候区覆盖广，
同一气候区内各城市气候特点又不
尽相同，
如何针对城轨交通在地气候特点，
提出合理
的设计节能策略并实施，
可为后期运营节省大量能
耗。
轨交站点出入口作为站点与室外环境连接的窗
口，
对轨交内部环境有着重要的影响。胡玉祥在其
研究中发现合理的出入口形式、
棚入式的加盖尺寸
和通道阻力等因素对出入口风压的改善都有着极大
提升作用［9］，
而合理的风压能大幅降低空调、
新风
系统的负荷能耗。杜煜等针对寒地气候区轨交出入
口设计展开研究，
提出地铁出入口设计应提升功能
角度热环境过度中整体兼顾与重点加强的结合；从
571

建筑科学 第37 卷
图2非牵引能耗主要节能技术及措施
形态角度提出坡向平滑、
弱风挡雪、
适寒应变的界面
表达方式［10］。出入口的设计也关乎活塞风的有效
通风量，
活塞风的有效利用是实现轨交环控系统节
能的有效手段，
设计中，
针对项目所在的不同气候特
点，
合理的布置出入口位置，
计算风井和风道长度是
成功利用活塞风的关键［11］。
地铁地下车站环控系统运行能耗在南方城市约
占地铁运营总能耗的50% ，
在北方城市也达到了近
30%［12］。近年来，
已有很多学者对降低地铁地下车
站环控系统能耗进行了许多探索和研究，
尤其是在
直接利用隧道活塞风所携带的能量来降低通风空调
系统能耗方面。吴嘉钰的研究中利用可通风型端
门，
在上、
下行线隧道入口处2个端门同时开启的工
况下站内气流组织更均匀［13］。屏蔽门的普及从某
种意义上降低了轨交活塞风效应，
但在张旭实测中
发现，
即使车站采用屏蔽门环控系统，
也会有很大的
活塞风效应，
在其对北京市8号线安华桥站、
深圳市
1号线深大站、
广州市8号线鹭江站 3个站点的节
能潜力计算和对比中，
由于各个城市气候条件、
车站
空间结构等条件的不同，
节能率均有所不同。但合
理利用活塞风效应各城市均能达到有效的节能效
果，
冷负荷端节能率可达 8% ～ 33% ，
节能潜力巨
大［14］。影响活塞风利用的还有行车对数，
在闫春利
等的研究中发现，
行车对数的增加使行车对数的增
加使进站风井总进风量、
有效进风量和进风效率减
小，
总排风量、
有效排风量和排风效率先增加后减小
（行车对数为 18 时最高，
行车对数为 30 时最低） ；
出站风井总进风量出现起伏，
有效进风量和进风效
率先减少后增加，
出站风井的总排风量先增加后减
少，
有效排风量和排风效率始终为零。所以在考虑
运送效率的同时，
合理的车辆开行组织可为活塞风
的利用提供支持。
新风供应的最佳控制可显着降低对空调系统的
需求［15］。因此，
基于二氧化碳浓度的需求控制通
风，
保证调节不必要的新风进气量时减少能源浪费，
这可能意味着节能高达 55%［16］，
从这个意义上讲，
减少无必要的洞口也可能起到重要作用。智能通风
的另一个优点是“
自然冷却”
［17］，
其主要涉及通过
引入更多的外部空气来降低室内温度，
活塞风的合
理利用是节能的重要方式［18］。
隧道的埋深对轨交站点通风换气性能起到了一
定的影响［19］，
在陈超等的研究中发现，
当隧道埋深
由15 m 增加到 35 m 时，
风井的排风量 减 少了
28. 3 % ，
风井和地面出入通道的总进风量减少了
26. 6 % ；同样隧道埋深下，
风井截面积增加可有效提
高通风效果［20］。所以在设计中要根据隧道埋深合
理计算设置风井截面积，
确保站点空气质量。合理
的活塞风井设置也可降低站点废热风量，
在王国华
研究中，
通过在地铁区间隧道内靠近地铁列车驶出
一侧增设活塞风井的方式，
可有效增大活塞风井排
风率，
有效利用、
控制活塞风对车站热环境的影响。
研究中还发现在距离列车行进方向，
离站 100 m 处
设置活塞风井，
较在离站50 m 处设置活塞风井时使
排入前方车站的废热风量减少 1 /3［21］。所以从设
671

第2期 杜书波，
等：城轨交通非牵引能耗系统性节能研究
计角度合理确定隧道、
风井等的位置和深度和大小
对运维期的能耗影响巨大。
1. 2 节能设备及节能技术措施
设备技术升级是轨交节能重要的能效提升策
略。提高空调系统的效率通常需要升级现有设备。
在使用热泵可以在加热时节省重要的能量［22］，
因为
它们可以比普通电阻器有效地执行2倍到 4倍。该
技术特别适用于环境温度通常高于5 ～ 7 ℃ 的应用，
例如在隧道环境中［23］。此外，
当需要冷却时，
热泵
能够作为空调机器工作，
避免了设备的重复，
从而减
轻了重量［24］。根据需求对其容量进行最佳调节，
例
如通过变频压缩机，
可以显着提高冷却和加热模式
下热泵的性能。作为热泵的替代方案，
空气循环制
冷系统已被提出用于空调功能，
主要是因为它们具
有高可靠性并且不含对环境有害的制冷剂［25］，
然
而，
它们的性能系数大约是热泵的1 /2［26］。
牵引设备产生的废热回收也可以做为降低空调
系统能耗的替代方案［27，28］。实际上，
这种能量可以
直接用于加热、
驱动吸收式制冷机或用于车载发电。
这也将减少隧道中的热负荷，
从而减少车辆内的空
调需求［29，30］。然而，
分散的热源及其较低温差阻碍
了这些创新概念在城市轨道中的应用。关于照明散
热，
可以通过使用高效的发光二极管（LED）显着减
少［31，32］。这项技术已在建筑照明节能中得到广泛
应用，
在轨道站点节能改造中越来越受到关注［33］；
此外，
使用更高效低热的照明将有助于减少站点空
调需求［34］。冷却隧道环境可以显著降低轨交站空
调需求，
也可以降低车辆自身的空调需求。在这方
面，
最大化自然通风是一个关键的解决方案［35，36］，
因为它允许在没有能量消耗的情况下排出热量增
加［37］。为此，
重要的是站点和隧道设计有足够的通
风口，
因为将它们构建到现有系统中通常是有问题
的［38］。其他非常规节能的选择，
以尽量减少基础设
施层面的热负荷［29］：使用热管来增强周围土壤的能
力，
以吸收隧道环境的热量，
使用地下水作为直接冷
却源［39］，
在运营时间使用相变材料（PCMs）吸收隧
道的热量，
在夜间释放［40］。
此外，
平台屏蔽门的使用可能可以阻止隧道与
车站的热传递［18］，
同时也会大大增加隧道的通风需
求，
降低活塞风的利用［41，42］。此外，
人们担心屏蔽
门在紧急情况下对乘客疏散的产生影响［43］。
为了提高车站加热和冷却水泵系统的性能，
地
热技术是一种非常有前途的选择。地源热泵可以与
地下水源（土壤或地下水）交换热量，
地下水源的温
度比空气温度更加恒定［44］。此外，
地热系统在冷却
塔中不消耗水，
在夏热冬冷及寒冷气候区尤其具有
的优势［45］。但是，
它们需要较高的投资，
其可行性
取决于适当的地下水源［46］。在可能的情况下，
太阳
能的利用也是减少车站空调系统能耗的有效方式，
它可以直接加热或为吸收式冷却机提供动力［26］。
但是到目前为止，
这种方案的尚未在轨交系统中得
到充分利用。
关于照明中的能量消耗，
引入更高能效的灯具
是降低能耗的重要手段［33］。因此，
通过荧光灯和
LED 灯的替换，
分别在德国的比勒费尔德和香港地
铁站实现了 32% 和40% 的照明节能［47］。此外，
对
乘客需求的照明强度的控制优化，
例如在无操作期
间自动关闭站点照明可以有效实现节能效果［48］。
对于自动扶梯，
电梯和其他乘客输送机系统，
最
大的能效改进在于优化其数量和分配（在设计阶
段）和实施基于需求的控制［49］，
从这个意义上讲，
了
解乘客行为至关重要。
最后，
通过对所有子系统进行综合管理，
实现最
大限度地节能。因此，
当整体将自适应控制策略应
用于空调、
照明和乘客输送系统时，
可以预期实现地
站点能耗降低5% ～ 10% 。
1. 3 能源回收及可再生能源利用
能源回收和可再生能源利用，
是实现城市轨道
有效节能的关键行动
。《
巴黎协议》
提出全球节能
减排应对气候变化，
并绘制了详细的减排路线图，
我
国作为签约国有责任执行此计划［50］。从统计数据
看我国能源结构较单一，2017 年为例：煤炭供能占
总能源的60% （图3） ； 根据《BP 能源展望2019》
报
告，
到2040 年，
我国需要将煤炭能源消耗占比降到
35% 以 下，同时将可再生能源从 3% 增加到
18%［51］，
调整我国用能结构是减排的重要措施［52］。
根据城轨交通系统的特性和各地区可再生能源
的可用性，
在地发电可有效减少对公共网络依赖，
分
散安装在车站和仓库中 PV（光伏太阳能电池）板，
可以部分满足轨交自身需求，
广州地铁鱼珠车辆段
5 MW 光伏改造项目就是国内轨交可再生能源利用
的成功弄案例。广铁 5号线通过对运用库、
主检修
库等共计7万m2的屋面安装了 PV 板，
平均年发电
量达 420 kW·h，
可节约1 623. 45 t标准煤［53］。
771

建筑科学 第37 卷
图3中国一次能源消费量
同时，
太阳能电池板可沿轨道安装，
有助于为信
号系统和变电站辅助设备供电。此外，
在轨交车辆
顶上使用 PV 板可以提供足够的电力来供应车辆辅
助系统［54］，
但是因此增加额外的重量被认为是一个
两面性的问题。随着新技术新材料的研发，
使用聚
合物太阳能电池的柔性光板与车辆一体化可以克服
这个障碍［55］。在车库、
车站或沿轨道使用风力涡轮
机也可成为太阳能发电系统的替代（或 补
充）［56，57］。无论何种能源，
轨交系统中可再生能源
发电的最佳整合通常需要使用蓄能系统（Energy
Storage System，ESS）和专门电力管控系统［58］，
这可
能会严重影响到这些措施的经济可行性［59］。
使用智能计量系统收集车辆和城轨交通其他子
系统中的能耗数据本身并不是一项能效措施，
但确
是优化系统能源效率的有效工具［60］。事实上，
对能
量流动的充分了解对于确定具有更大节能潜力的区
域、
监测已实施措施的效果至关重要［61］。此外，
能
量计提供的信息对于能源计费至关重要［62］，
这一问
题在市场自由化中越来越重要。允许运营商支付实
际能源消耗而不是使用平均估算，
是应用能效措施
的主要动机。港铁在北京投资的轨交5号线实现了
较高能效［63］，
检测在这方面，
计量设备和程序的标
准化是一个需要解决的关键问题［64］。
在城轨交通系统中使用再生制动和可再生能源
发电的可预见的增加将导致需要对网络内的能量流
进行优化管理［65］。在这方面，
智能电网概念的应
用，
主要是为分布式发电的电网开发正在受到越来
越多的关注［66］。该方法能够根据实际需求有效管
理网络中的所有能源。这意味着，
来自可再生能源，
再生制动或来自公共电网的电力可以用于即时满足
系统的电力需求，
或者存储以供以后使用，
削减峰值
消耗，
这可能是重要节约成本的手段［67］。应用智能
电网概念需要开发网络内电压分布的自动控制［68］，
仅这一点在经济上是不可行的，
尽管将能源卖回电
网可能有助于缩短其投资回收期［69］。作为将智能
电网整合到城市轨道系统中的先行者，
值得一提的
是SEPTA 最近在美国宾夕法尼亚州推出了能源优
化项目［70］。
此外，
城轨交通网络与其附近的其他能源独立
系统（如建筑物，
其他城市交通系统或可再生能源
发电厂）的整合可作为智能电网概念的
“
智能城市”
能源的延伸［71］。例如，
来自地铁系统的过剩再生制
动能量可以帮助为城市电动汽车网络提供动力［72］。
同图 1城轨交通能效提升路线图样，
来自大型地下
系统的热量可用于靠近车站或通风竖井的建筑物的
加热［73］。此外，
附近可再生能源工厂产生的电力可
用于为城轨交通系统本身提供电力，
从而减少其对
环境的影响［68］。
1. 4 基于数据挖掘的管理节能措施
随着大数据和人工智能的飞速发展，
数据挖掘
和算法优化成为城轨交通节能策略的重要组成部
分。研究尤其集中在通过优化城轨交通时刻表实现
提高再生能量的利用率的目的。在杨荟等［74］的研
究中，
采用了猴群智能算法对北京地铁亦庄线进行
了优化，
通过优化发车间隔与停站时间使再生能量
利用量至少提高了 8. 44% ；刘宏杰等［75］设计了基
于人工蜂群的智能优化算法来求解该问题，
基于北
京地铁燕房线的实际数据进行了仿真实验，
结果表
明比既有列车时刻表再生制动利用量提高了
132. 29 % ，
又通过遗传算法进行对比，
证明了蜂群优
化算法的有效性。桂行东、
孙飞等的基于 Pareto 多
目标遗传算法［76，77］、
梁枫基于生物地理算法［78］等
多种统计、
数学算法应用在列车时刻表节能运行优
化中。目前此方向研究成果主要由北京交通大学。
动态控制策略可以通过较小的投资在环控系统中实
现有效空调节能［12，79，80］，
但是动态控制需要更为精
确的预测客流，
空气循环和温度分布控制是实现车
站空调系统最佳运行的关键因素［81］，
深度学习及站
内乘客热力分布探测技术是实现客流预测的技术保
证［82，83］。
动态控制策略可以通过较小的投资在环控系统
中实现有效空调节能［12，79，80］，
但是动态控制需要更
为精确的预测客流，
空气循环和温度分布控制是实
现车站空调系统最佳运行的关键因素［81］，
深度学习
及站内乘客热力分布探测技术是实现客流预测的技
871

第2期 杜书波，
等：城轨交通非牵引能耗系统性节能研究
术保证［82，83］。
大数据是国家重要的战略资源。挖掘、
发挥大
数据在轨道交通节能中的创新价值，
利用大数据挖
掘、
预测、
可视化等技术进行能耗数据挖掘。但是目
前各城市轨交集团均未公开任何站点的分项能耗数
据，
据分析可能主要有两方面原因，
首先是涉及到运
营成本测算，
属于企业机密；另一方面可能由于监测
系统搭建不完善。也正是由于这个原因国内还没有
利用能耗大数据节能优化论文发表。
图4城轨交通能效提升技术路线图
2城轨交通非牵引系统节能策略评估方法
能效提升策略中的各项解决方案虽可作为降低
城轨交通非牵引系统能耗的有效途径，
但在项目落
地实施中仍受较多因素影响，
因此，
辨识节能 KPIs
指标，
筛选节能策略解决方案，
制定有效的能效提升
计划，
才是优化方案成功的保证。
2. 1 城轨交通能效提升技术路线
能效提升路线图如图 4所示，
从分析现状能耗
出发，
识别大潜力提升区，
选择适用策略和解决方
案，
通过各项评估初选方案识别其可行性。
本评估中要考虑的主要标准是：
1）策略的节能潜力；须从系统角度进行评估，
同时考虑到策略之间可能出现的协同作用和冲突。
2）技术适用性；辨识一些策略的实施难易度。
3）经济可行性；节能潜力和技术可行性的影响
及其他经济因素在此不予考虑。
策略解决方案评测后按优先级确定实施方案，
同时通过 KPI 指标对实际效果进行后评价，
循环调
整使能效提升达到或接近预设目标。
通过城轨交通能效提升策略的评级，
以及对其
能源节约潜力，
投资成本和当前系统的技术适用性
的定性评估，
进一步确定其作为实施方案的可行性。
但这种方式只能作为快速评估的参考。鉴于各国各
城市间城轨交通系统间的差异可能非常显着，
须开
发专用软件工具来更精确的评估各系统中的指标。
2. 2 城市轨道能效策略间的正负影响关系
城市轨道的大多数能效策略都是相互依存又互
有影响。因此，
取决于它们的相容性，
多策略组合可
能比单策略应用产生正面或负面的潜在影响。因
此，
在评估一组解决方案时，
无法单独评估其效果，
971

建筑科学 第37 卷
须考虑各策略间的相互作用。
图5示意 4个节能集合之间及各解决方案之间
存在相互助力或相互影响的关系，
图示使用2种不
同类型的箭头来分布示意两者间是正相关还是负相
关。能效提升方案应该是一系列策略方案，
但最终
结果不是单一技术效果的叠加，
而是方案间相互影
响的结果。通过持续分项监测已实施的能效提升技
术和全系统能耗智能管理方案，
可实现更加有效的
城市轨道能效提升。
图5节能策略影响关系图
表1城轨交通系统能效提升策略可行性及效率评估
节能策略
所属集合 节能类别 解决方案 挖掘潜力/% 技术可行性 投资成本
设计节能 主、
被动通风系统 活塞风 1 ～ 5 高 低
隧道通风口设置间距和位置 1 ～ 5 高 低
气候适应性下合理确定出入口位置及形式 1 ～ 5 高 低
能源回收及
可再生能源利用
可逆变电站系统 5 ～ 20 高 高
ESS 能量回收系统 5 ～ 25 高 高
可再生能源 光伏系统及风力能源利用 1 ～ 10 高 中
数据挖掘 算法节能
人工智能算法及大数据分析 1 ～ 10 高 低
列车时刻表优化 1 ～ 10 高 低
能耗数据监测及智能能源管理 1 ～ 5 高 中
行为节能 1 ～ 5 高 低
技术及设备节能
车辆
基础设施
列车隔热系统 1 ～ 5 高 中
LEDs 照明 1 ～ 5 高 中
空调及照明控制系统 1 ～ 5 高 低
站点智能照明系统 1 ～ 5 低 高
地源热泵系统 1 ～ 5 中 中
空调、
照明、
及电梯控制系统 1 ～ 5 高 低
LEDs 照明、
光导管等自然光利用方案 1 ～ 10 高 中
屏蔽门系统 1 ～ 5 高 中
设计节能策略组合存在 2个特点：首先是被动
式节能技术的利用是设计节能的关键。通过合理的
布置隧道通风口及站点出入口位置及形式加速或降
低通风效率，
从城轨交通所在地的气候区和所处季
节来看，
如何利用或摒除活塞风带来的隧道高温空
气及活塞动力带来的与室外空气的热交换，
降低空
081

第2期 杜书波，
等：城轨交通非牵引能耗系统性节能研究
调负荷是设计需要解决的主要问题；第二个特点是
设计节能组合介入的时效性，
如果在施工前的方案
阶段进行实施，
将极大提高经济性和技术可行性，
但
对于已建成项目的能效提升计划，
设计节能的效果
将大打折扣。
算法节能是建立在能耗数据监测和算法研究的
基础上，
在潜力挖掘上成本不高，
但是在前期的监测
数据收集上，
还是产生不小的成本投入。随着大数
据、
人工智能的发展，
从数据角度可以带来的能效提
升不容小窥，
同时可以进一步推动列车时刻表优化
及行为节能。目前行为节能研究在国内还没有涉及
到城轨交通系统，
同时行为节能又与智能及分区控
制系统密切相关，
互为支撑。技术配合下的算法节
能将是城轨交通能效提升的重要研究方向。
能源回收及可再生能源策略组合效果低于各解
决方案的潜力的总和。因为列车之间能量传输再生
越高，
通过 ESS 和可逆变电站进行能量回收的可能
性就越低，
反之亦然。但是，
需要 3项的共同组合来
提升制动能量利用潜力。最大限度地减少了供电网
络中的损耗，
降低线路中的功率峰值可以达到减少
车辆质量的目的，
同时最大限度地减少了对车载制
动电阻的需求；但是，
如果使用车载 ESS，
额外的重
量同时会增加牵引能耗；此外，
最大限度地减少牵引
设备的损失将增强制动能量再生，
并将减少隧道和
车站的热负荷；因此，
再生制动策略的实施需要进行
复杂的优化研究，
以便以最低的投资成本获得最大
的节能效果。同时，
可再生能源策略已成为城轨交
通系统降低碳排的重要措施，
从现有项目改造经济
性和技术可行性
上看均无问题，
但受制于所在区位可再生能源
丰富程度影响下的投资回收期。
最后，
在技术节能中把车辆的空调、
照明等纳入
一体考虑，
旨在提高车辆和车站能效提升措施的协
同作用。通过 LED 和光导管等照明设备改造、
空调
新风系统技术提升、
材料保温隔热性能提升、
地源热
泵隧道降温系统等新技术的利用，
有效实现能效提
升。但设备、
技术的更新一般带来较大成本投入，
从
投资回收期及效率角度评估其可行性是改造前期的
主要工作。
2. 3 能效措施的一般评估和评级
表1城轨交通系统能效提升策略可行性及效率评估
节能策略
所属集合 节能类别 解决方案 挖掘潜力/% 技术可行性 投资成本
设计节能 主、
被动通风系统 活塞风 1 ～ 5 高 低
隧道通风口设置间距和位置 1 ～ 5 高 低
气候适应性下合理确定出入口位置及形式 1 ～ 5 高 低
能源回收及
可再生能源利用
可逆变电站系统 5 ～ 20 高 高
ESS 能量回收系统 5 ～ 25 高 高
可再生能源 光伏系统及风力能源利用 1 ～ 10 高 中
数据挖掘 算法节能
人工智能算法及大数据分析 1 ～ 10 高 低
列车时刻表优化 1 ～ 10 高 低
能耗数据监测及智能能源管理 1 ～ 5 高 中
行为节能 1 ～ 5 高 低
技术及设备节能
车辆
基础设施
列车隔热系统 1 ～ 5 高 中
LEDs 照明 1 ～ 5 高 中
空调及照明控制系统 1 ～ 5 高 低
站点智能照明系统 1 ～ 5 低 高
地源热泵系统 1 ～ 5 中 中
空调、
照明、
及电梯控制系统 1 ～ 5 高 低
LEDs 照明、
光导管等自然光利用方案 1 ～ 10 高 中
屏蔽门系统 1 ～ 5 高 中
显示了第1章中讨论的主要策略方案在系统级
的节能潜力（此处仅包括商业上可获得的和经过测
试的解决方案） ，
给出的范围是本文所涵盖的文献
数值的平均数，
非牵引占总能耗的60% ，
其中牵引
能耗中回收的 13. 2% 部分也在此研究范畴（见图
1） ，
这些近似数值，
可以更好地体现各解决方案单
独提供的节能潜力的数量级。
评估分析了节能策略实施的技术可行性，
并根
181

建筑科学 第37 卷
据技术可行性在系统提升中实施的难易程度进行了
低，
中、
高的评级划分。一些需要通过大幅度改造的
策略被剔除出实际的解决方案。例如，
地源热泵系
统在提升改造中很难作为节能方案实施。
最后，
给出了各项解决方案的投资成本的定性
比较评估，
该评估旨在实现策略选择的快速对比，
而
非准确估算其实施成本。
表示策略各自的节能潜力与相对实施成本和可
行性之间的关系。考虑到策略间的相互依赖性，
可
以得出结论，
现有系统最有希望的解决方案原则上
如下：
1）从前期设计角度介入进行空调、
通风系统的
能效优化。
2）利用监测大数据，
通过智能算法等手段识别
能耗提升指标挖掘节能潜力，
结合管理系统通过优
化列车时刻表、
照明空调分区控制等方式实现管理
节能。
3）通过更新 LED 灯具、
空调设备及智能控制
系统等方式实现设备节能。
因此，
城轨交通非牵引系统通过上述能效提升
策略的实施，
在不降低运营效率及舒适度的前提下，
可实现 15% ～ 25% 系统级别能耗降低（设计节能
5% ，
算法节能10% ，
技术改造为10% ，
能量回收及
可再生能源5% ）。
3结 语
本文对城轨交通非牵引系统能效提升策略的潜
力进行了深入研究。首先，
根据针对城轨交通公布
各项数据、
用能流向及比例进行了分析；然后，
对降
低非牵引轨交能耗的主要策略、
方法和技术进行了
全面审查；最后，
讨论了城轨交通非牵引能效措施优
化实施的明确、
合理的关键解决方案。该综述的核
心结果总结如下：
在项目设计前期，
根据项目所在地的气候条件
进行适应性分析模拟，
优化出入口朝向位置和形式、
站台及隧道深度、
风井位置、
屏蔽门设置形式等，
实
现设计节能。
通过分析诸多已被证明能效优化措施，
最大限
度地降低城轨交通各子系统的能耗，
如站点环控系
统、
隧道通风系统等。但在考虑各项策略应用时，
它
们的节能潜力不应单独看待，
而应在系统层面进行
分析，
充分了解各子系统的相互作用和对于能效提
升计划的有效性。此外，
持续分项的能耗监测是定
义和跟踪能效提升计划的关键。
提升现有的城轨交通系统能效，
通常优先针对
运营措施，
通过较低的投资成本实现显著的节能优
化效果。利用监测数据进行行为节能分析，
增强对
环控系统的动态控制，
结合大数据及人工智能进行
算法优化对设备服务时间及分区进行控制优化，
优
化列车时刻表以实现能源再能最大化。随着能耗监
测数据量的增加和更多数据源的开放，
算法节能将
成为更多研究者研究的对象，
具有更大的挖掘潜力。
本文通过对城轨交通系统非牵引设备能耗的全
面概述和潜在能源节约规模的评估，
可作为解决城
轨交通能源消耗问题的参考。通过上述措施的综合
优化可实现现有系统 10% ～ 25% 的能耗降低。由
于本文区分了不同系统间的显著差异，
结论应被视
为指导策略，
对各子系统的评估还需要进行更为具
体、
深入的分析。
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