地铁电力设备节能改造策略分析

一、引言

在城市化进程不断加快的背景下，地铁作为一种高效、便捷、环保的公共交通工具，得到了广泛的建设和应用。但地铁系统的运行需要消耗大量电能，电力设备的能耗成为了地铁运营成本的重要组成部分。以北京地铁为例，2023 年其运营总耗电量高达数十亿千瓦时，电力设备能耗占比超 60% 。因此对地铁电力设备进行节能改造具有重要的现实意义，不仅有助于降低运营成本，还能响应国家节能减排的号召，推动城市可持续发展。

二、地铁电力设备能耗现状分析

2.1 牵引供电系统能耗

牵引供电系统负责为地铁列车提供动力，其能耗在地铁总能耗中占比极高。列车的频繁启动、加速、制动以及运行过程中的阻力等因素，导致牵引供电系统需要持续输出大量电能。例如在高峰时段，列车运行密度大，启动和制动更加频繁，能耗明显增加。北京地铁 2013 年全年共计电能消耗 10.8 亿度，其中牵引电耗为 6.1 亿度，牵引能耗约占总能耗的 56.2% ；2015 年总耗电量为 12.7 亿度，牵引能耗约占总能耗的 57% 。再如广州地铁某线路实测，牵引系统每公里能耗约为 12-15kWh，高峰时段较平峰时段能耗高出约 30% 。

2.2 照明系统能耗

地铁照明系统覆盖车站、隧道等各个区域，由于地铁运营时间长（日均运营时间超 16 小时），照明设备需长时间开启，能耗不容小觑。传统的照明灯具效率较低，如普通荧光灯的发光效率约为 50-60lm/W ，在发光过程中会产生大量热量，造成电能的浪费。同时照明系统的控制方式不够智能，无法根据实际光照需求进行自动调节，也是导致能耗过高的原因之一。以上海部分地铁车站为例，传统照明系统年耗电量可达 20 万 kWh 以上，占车站总能耗的 15%-20% 。

2.3 通风空调系统能耗

通风空调系统用于调节地铁内部的空气环境，为乘客和设备提供舒适的运行条件。该系统包含冷水机组、冷却泵、冷冻泵、风机等多种设备，运行功率大，能耗较高。尤其是在夏季高温时段，空调系统需持续制冷，能耗显著上升。据武汉地铁相关数据，夏季通风空调系统能耗占地铁总能耗的 30%-40% 。某地铁车站冷水机组单台功率达 500kW，每日运行 12 小时，仅冷水机组部分年耗电量即超过 219 万 kWh_C 。而且部分地铁通风空调系统在运行过程中存在设备老化、运行效率低下等问题，进一步加剧了能耗——老化设备的能耗较新设备可高出 15%-20% 。

2.4 电梯及自动扶梯系统能耗

在地铁车站中，电梯和自动扶梯是乘客上下行的重要设备。这些设备在运营时间内通常处于持续运行状态，即使在客流量较少时也不例外，导致能耗较大。以自动扶梯为例，单台额定功率约 15-20kW ，日均运行 16小时，年耗电量可达8.76 万-11.6 万kWh。此外一些老旧的电梯和自动扶梯设备性能不佳，能耗较高，且维护成本也相应增加——老旧设备的能耗较节能型设备高 25% 以上，年维护成本增加约1.5 万元/ 台。

三、地铁电力设备节能改造的重要性

四、地铁电力设备节能改造策略

4.1 变压器节能改造

理论层面，变压器节能改造需从设备选型与运行模式两方面入手。选型上，非晶合金变压器因铁芯材料磁导率高，其空载损耗较传统硅钢片变压器降低 70%-80% ，可显著减少无功功率损耗。运行模式优化需依据负荷变化动态调整，通过智能控制系统实时监测负载率，在低峰时段采用单台运行方式，使变压器维持在 30%-70% 的高效区间，以降低空载损耗与负载损耗的综合能耗。

4.2 照明系统节能改造

照明系统节能基于光源替换与智能控制理论。LED 灯具发光效率达100-150lm/W，较传统荧光灯（ 50-60lm/W ）提升超 50% ，且光衰缓慢，寿命可达 5-10 年，能从光源本质降低能耗。智能控制理论通过光敏传感器与客流量监测模块，构建闭环控制系统，根据环境照度与人员活动状态自动调节输出功率，实现“按需供光”，进一步降低非必要照明能耗。

4.3 通风空调系统节能改造

该系统节能涉及智能控制与模式优化理论。智能控制通过温湿度传感器、空气质量传感器采集数据，经 PID 控制算法调节冷水机组、风机等设备的运行频率，使系统在满足室内环境参数（温度 ±1℃、湿度 40% -60% ）的前提下，实现制冷/ 制热功率的动态匹配。模式优化理论强调根据室外气象参数切换运行模式：过渡季节采用全新风运行，利用自然冷源降低空调负荷；非运营时段降低系统运行频率，通过“部分负荷 + 间歇运行”减少能耗。

4.4 电梯及自动扶梯系统节能改造

节能理论基于变频驱动与智能启停控制。变频驱动技术通过改变电源频率调节电机转速，使设备在空载 / 轻载时降低运行速度（如自动扶梯降至 0.1-0.2m/s ），能耗与转速三次方成正比，故转速降低可显著节能。智能启停控制通过红外感应或客流量统计模块，实现设备“无人待机、有人启动”的逻辑控制，减少空载运行时间，电梯待机模式下功率可从 15kW 降至3kW，进一步降低待机能耗。

4.5 能源管理系统构建

能源管理系统依托数据采集与分析理论，通过智能仪表实时采集各设备能耗数据，利用大数据分析技术识别能耗异常点（如设备负载率偏离高效区间、运行参数异常），并结合历史能耗数据建立预测模型，为设备维护与运行策略调整提供数据支撑。该系统通过闭环管理理论，实现“监测-分析- 优化- 反馈”的持续改进，提升整体节能策略的科学性与时效性。

五、结论

地铁电力设备的节能改造是一项系统工程，对于降低地铁运营成本、实现节能减排目标具有重要意义。通过对变压器、照明系统、通风空调系统、电梯及自动扶梯系统等电力设备采取针对性的节能改造策略，并建立完善的能源管理系统，可以有效降低地铁电力设备的能耗，提升设备运行效率和可靠性，推动地铁行业的可持续发展。在未来的地铁建设和运营中，应持续关注节能技术的发展，不断优化和完善节能改造措施，为城市的绿色发展做出更大贡献。

参考文献：

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