“双碳”背景下城市轨道交通绿色发展
发布时间：
2023-12-19 16:52
摘 要：随着“碳达峰”、“碳中和”上升为国家策略，实现“双碳”目标已经成为新时代轨道交通发展的重大机遇和历史任务。城市轨道交通是大容量公共交通基础设施，并处于快速发展阶段，随着运营里程的不断增加，其能源消耗和“双碳”目标实现也日益受到重视。本文在对我国城市轨道交通建设规模及能源消耗现状进行分析的基础上，对“双碳”背景下城市轨道交通规划、设计、建造、运营和维保的全生命周期绿色发展路径进行研究，对轨道交通绿色低碳转型进行思考，为构建绿智融合的城市轨道交通提供参考和借鉴。
0引言
2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论中宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。随后，中央层面不断加快建立“1+N”政策体系，先后发布了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030碳达峰行动方案》，为我国实现“碳达峰、碳中和”目标制定了时间表和路线图。中国城市轨道交通协会也于2022年8月发布了《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》，全面落实国家的“双碳”目标，统筹城轨行业的双碳行动和绿色城轨发展，以绿色转型为主线，清洁能源为方向，节能降碳为重点，智慧赋能，创新驱动，开展六大绿色城轨行动，实现碳达峰、碳中和目标，建成绿色城轨。
1城市轨道交通绿色发展现状
1.1城市轨道交通发展现状
截至2022年底，中国（不含港澳台）共有55个城市开通城市轨道交通运营线路，共计308条，线路总长10287.45km，全年累计完成客运量193.02亿人次，总客运周转量1584.37亿人次公里，城轨交通客运量占公共交通客运总量的45.82%。未来，超大线网规模城市将以线网局部优化为主，初具线网规模城市将随着线路不断增多呈现线网规模迅速扩大的发展趋势。
1.2城市轨道交通能耗及碳排放现状
城轨交通能耗以电能消耗为主，轨道交通碳排放总量中，外购电力产生的间接排放占比90%，电力能耗是碳排放的主要因素。一般情况下，列车牵引能耗占总能耗的53%左右，动力照明能耗占总能耗的47%左右；车站通风空调、照明、自动扶梯等系统能耗占车站设备系统能耗的70%～80%；牵引和环控是节能降碳的重点攻关方向。
2022年，全国城轨交通总电能能耗227.92亿kW·h，其中牵引能耗113.15亿kW·h，随着新投运线路的不断增加，总体能耗指标不断增长，碳排放总量呈现不断增长态势。2022年，城轨交通平均每车公里总电能耗3.72kW·h，同比下降0.48%，各城市平均每人次公里总电能耗0.144kW·h，同比上升34.02%，城市轨道交通客运强度越大，越有利于降低平均人次公里能耗，越有利于降低碳排放，通过提高轨道交通乘客出行占比实现绿色低碳出行也是一个重要方面。
1.3城轨交通节能降碳技术应用现状
目前，城市轨道交通从技术节能和智慧赋能两个方面采取了很多有效的措施，以提高乘客出行占比、降低能源消耗、提高运输和运维效率，在节能减排方面取得了很好的效果。
1.3.1技术节能措施
通过采用节能技术和设计方案优化实现技术节能，主要包括：通过线路选线优化曲线半径、优化线路节能坡度、优化区间泵房位置、合理确定列车编组等实现线路运营节能；通过VVVF交流变频变压、车辆的轻量化设计、列车智能空调及照明、列车自动控制等实现车辆节能；通过合理设置交直流网络电压等级及供电分区、合理选择节能型非晶合金变压器、合理设置牵引所及跟随所、应用再生制动及储能技术、采用导电率高的钢铝复合轨、采用节能型LED灯具、场段应用光伏发电等实现供电系统节能；通过合理确定通风空调系统制式、采用风机变频控制、群控及风水节能控制、磁悬浮直膨空调机组应用等实现通风空调系统节能；通过设置线网、线路能源管理系统实现能源管理节能；通过车站照明、通风等机电设备时间表控制实现运行模式节能；通过合理控制土建规模、合理确定系统容量等实现设计方案优化节能。
1.3.2智慧赋能
2020年3月发布的《中国城市轨道智慧城轨发展钢要》提出构建智慧乘客服务体系、智能运输组织体系、智能能源系统体系、智能列车运行体系、智能运维安全体系、城轨云与大数据平台等相关板块，均针对智慧赋能城轨交通作了明确要求。
通过智慧乘客服务体系的实名制乘车、无感支付、票检合一、智慧车站、智能列车等技术为提高乘客出行占比赋能；智能运输组织体系的网络化运营、智能调度可实现运输组织精细化和资源优化配置，为提高运输效率赋能；智能能源系统体系构建的电能质量优化控制、再生制动及新能源、永磁牵引及双向变流、智能能源系统为提高能源系统节能率赋能；智能列车运行系统的全自动运行、互联互通等为高效的乘客服务、列车运行赋能；智能运维安全体系构建的多专业智能运维体系为提高网络化运维效率赋能；城轨云与大数据平台作为智慧城轨数字底座，业务系统统一部署承载，实现弱电系统资源集约和节能降耗，为智慧城轨总体赋能。
2城市轨道交通绿色发展路径
基于城市轨道交通绿色低碳发展的目标，城轨企业应将发挥自身优势和国家配套支持政策相结合，践行绿色低碳发展理念，成立企业绿色低碳发展机构，制定绿色城轨建设工作框架，统筹规划、因地制宜，按照网络化理念分“线网、线路、站段”3个层次统筹双碳发展，从规划设计源头落实节能降耗和吸引客流措施，坚持节约能源和资源优先原则，坚持绿色、低碳、节能效果导向，推动绿色建造和绿色装备创新升级，优化能源结构，优化系统运行模式和工艺流程，创新运营模式和维保模式，依托智慧赋能智能能源管理，绿智融合，构建涵盖绿色低碳规划、绿色低碳设计、绿色低碳建造、绿色低碳运营、绿色低碳维保等全生命周期的绿色发展体系，如图1所示。
2.1绿色低碳规划
依托规划及既有运营线路客流评估，科学合理开展线网规划和建设规划，统筹融合市域（郊）多层次网络，提高线网覆盖程度。以四网融合（干线铁路网、城际铁路网、市域/郊铁路网、城市轨道交通网融合）和站城融合的理念推进线网规划和建设规划实施，加强站点与商业、道路、管廊等周边业态的衔接，重塑一体化城市空间布局，提升乘客轨道交通出行体验。以资源共享的理念，加强网络资源的优化共享，创造条件实现车辆、信号、供电、车辆维修、乘客服务等资源及设备设施的互联互通。线网规划、既有线改造规划、能源规划、节能环保规划等分解落实双碳目标，开展双碳和绿色轨道交通专项论证。
2.2绿色低碳设计
构建绿色工程设计体系，新建及改造项目设计文件应确定绿色设计目标与实施路径，明确绿色设计方案，明确建设期及运营期节能降碳绿色措施，如合理控制土建规模、绿色建造工艺工法、合理的线路敷设方式、节能坡度、配线方案、设备系统容量及绿色装备配置方案等。贯彻落实绿色城轨建设标准，落实能耗强度、碳排放强度、出行占比提升、绿色建筑创建、绿色能源利用等指标要求，提高城轨节能降碳水平。
2.3绿色低碳建造
2.3.1绿色低碳建设
优先选用获得绿色标识的水泥、钢材等建造材料，推进建造机械电动化和用能清洁化。加强装配式建造一体化集成设计，统筹部品部件生产、施工安装、装修装饰等的装配式建造。推行施工精细化管理，采用精益化施工组织方式，统筹管理施工相关要素和环节。推进施工管理信息化，实现高能耗工程机械设备能耗监控及同类设备群控管理；推进5G、物联网、人工智能和建筑机器人等新技术在建造领域的创新应用，推动绿色建造与新一代信息技术融合。在绿色建造过程中，充分利用国家双碳金融政策工具，争取绿色债券、绿色信贷等国家绿色金融政策支持，运用市场化节能减排机制，在新线建设和既有运营线路提升改造中推进合同能源管理模式，调动社会资本参与节能改造和运行维护。
2.3.2绿色低碳装备
（1）车辆技术装备。车辆技术装备的研发及应用主要从氢能源车、车辆永磁同步牵引技术、碳化硅变流技术、轻量化车体结构设计、轻量化列车绿色采购、LED照明及智能照明、空调变频及温度智能控制、车载设备系统软硬件及网络的一体化融合等方面进行绿色升级。
（2）供电技术装备。供电技术装备的研发及应用主要从双向变流及其网络化协同控制的牵引供电系统、专用轨回流技术、超级电容/飞轮/锂电池等储能技术、非晶合金节能变压器、DC3000V牵引供电技术、天然酯变压器、洁净空气绝缘GIS、环保型气体绝缘开关柜等方面进行绿色升级。
（3）机电技术装备。机电技术装备的研发及应用主要从直流照明系统、LED灯具应用、智能照明控制技术、光导照明技术、能源互联网技术、磁悬浮直膨空调机组、风水联动节能控制系统等方面进行绿色升级。
（4）弱电技术装备。弱电技术装备的研发及应用主要从虚拟编组技术、行车智能调度系统、线网云平台与大数据平台建设、ATO节能运行、高效IT设备应用、加快自然冷源/近端制冷/液冷等制冷节能技术应用、扁平化/云网融合/云边端协同系统架构优化等方面进行绿色升级。
2.3.3绿色能源替代
（1）光伏发电技术。结合线网及线路情况制定光伏能源开发规划，充分利用地上线（高架线）沿线保护区、地上车站建筑屋顶、未进行上盖开发的车辆基地的建筑屋顶、建筑立面等可安装光伏发电设施的场地资源，发展应用光伏发电系统。推进光伏发电与建筑一体化同步设计，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”系统。
（2）化石能源替代技术。根据车辆基地所在区域热泵技术适应性，因地制宜推广应用各类地、气、水源热泵系统，利用轨道交通附近热网、电能、太阳能、地热能相结合实现清洁供暖。增用绿色电力，不断提升轨道交通用电的绿色电力比重。
2.4绿色低碳运营
（1）绿色运营管理机制。城轨企业应结合企业发展规划制定企业节能降碳目标和节能计划，构建“线网级-线路级-站段级”绿色低碳管理架构，分层次分解节能降碳管理目标，建立考核体系和奖惩制度，并常态化持续推进。
（2）绿色运营管理模式。基于线网和线路客流分析，依托行车智能调度系统实现网络化运能运量的精准匹配；采用多交路运营、灵活编组等技术减少列车空驶；优化机电设备系统节能控制、分时分区控制，实现设备系统节能运营。
（3）绿色运营管理平台。基于线网城轨云平台和大数据平台的云数融合底座综合承载，围绕“能源全面感知、节能数据驱动”目标，构建匹配“线网-线路-站段”管理架构的智能能源管理平台。线网级侧重能源智能管理决策与评价，线路级侧重能源综合调度管理，站段级侧重能源系统互通互济、源网荷储协调互动调节，以智慧赋能能源的精细化管理，绿智融合，提升能耗计量和碳排放监测等智能能源管理能力，总体架构见图 2。
2.5绿色低碳维保
建立车辆等重大装备检修规程优化与节能降碳管理机制，构建线网综合运维管理平台，基于车辆、供电、通号、机电等专业设备运行状态和在线监测数据进行设备状态监视、故障诊断、健康管理和维修决策支持，应用网络化的运营生产组织模式，合理制定车辆、设备系统的维修体制，优化生产工艺流程，推广规模化、专业化维修，提高运营设备设施利用效率，减少检修维护能耗，实现低碳维保。
3结语
目前，城市轨道交通在绿色低碳发展方面虽然取得了一定成效，但是我国城轨交通正处于快速发展阶段，未来相当长时间城轨交通的需求仍将保持持续增长，行业碳减排压力巨大，而城轨企业在规划设计、绿色建造、绿色低碳技术应用、运营模式及维修体制等方面的绿色转型尚处于起步阶段，绿色评价、绿色标准体系尚未建立，国家绿色低碳政策支持尚不足。本文在对我国城轨交通发展现状和优势进行分析的基础上，提出城轨交通绿色低碳发展的目标和贯穿规划、设计、建造、运营、维保全生命周期各个阶段的具体路径，为城轨交通加快自身的绿色低碳转型提供参考和借鉴。具体实施时，还应处理好客运服务质量与节能降碳之间的关系，处理绿色低碳新技术应用与节能降碳、地区环境差异、工程进度、工程投资之间的关系，确保轨道交通“碳达峰”、“碳中和”工作的高效推进。
编辑：崔晓星
审核：袁小雪
信息来源互联网用于学习，著作权归原作者杨建兴所有，如有侵权请告知删除