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摘要:节能降耗是降低营运成本、提高企业市场竞争力的有效手段，是实现企业可持续发展和节能环保的需要。地铁是耗电量巨大、运行成本较高的行业，如何降低能耗、节约电源是地铁管理者最为关注的重点及难点。因此，节能降耗是每一位电气设计师须认真考虑的问题。本文根据地铁特点进行相关节能措施分析。
关键词：地铁工程；电气设计；节能；措施
一、照明节能
由于城市轨道交通沿线车站的照明种类很多，是能耗的重点，正确选择节能灯具，会减少照明系统的能耗。
1、照明光源选择
地铁车站照明光源大部分采用三基色细管径(T8或T5)直管荧光灯，这两种荧光灯的光效比较好，而且配套的灯具都比较成熟。目前市场上出现的LED灯具和常规的荧光灯相比较，其寿命比较长、发热量比较小、维护成本比较低，而且其技术目前是在高速发展的时期，在不远的将来，LED灯具的发光效率就会超过荧光灯，其节能效果会越来越好。LED作为一种绿色环保节能光源主要体现在以下几个方面：1、LED实际上是二极管发光光源，在材料上不会使用到汞；2、LED光源的发光效率比较高，实验室发光效率已经达到161lm/w，目前国内大功率工厂生产LED光效也应达到110lm/w，且LED光源的技术目前还处于高速发展时期，未来发光效率将越来越高；3、LED光源的寿命长，是荧光灯等一般光源无法比拟的，LED灯在5万个小时时的光衰不超过20%，理论寿命在10万个小时，制约LED灯寿命的因素主要在于LED灯散热问题，随着LED灯驱动电路效率的提高，以及散热方式的改进，LED灯的寿命会越来越长。4、由于LED灯的效率比较高，不但在光源上占据优势，而且LED灯由于将电能转换为光能的效率比较高，相应产生的热能也将随之下降，如果大范围在室内采用LED照明，相应空调的负荷也将降低，起到节约能源的作用。以车站广告照明为例，广告照明灯箱的功能要求广告照明灯箱的视觉范围内亮度要比较亮，比较醒目；为达到这个效果，在广告照明灯箱内密集设置大密度荧光灯，因此广告照明灯箱照明功率密度就比较大。同样面积的广告照明灯箱采用LED光源的照明功率密度是采用荧光灯的五分之一，正常采用荧光灯的城市轨道交通线路车站的广告照明灯箱用电功率100KW左右，如果采用LED光源后，用电功率将下降到20KW左右，每个车站节能将近80KW，按照每天18个小时的运营时间，每天节能1440千瓦时，一年按照360天计算，每年节能518400千瓦时，按照每千瓦时0.7元计算，每年每个车站节约的电费就是362880元人民币。同时由于LED光源的寿命比荧光灯的寿命长，正常LED光源的寿命按照目前技术水平一般在5万小时计算，荧光灯的寿命是1万小时，在运营期间节约的运营维护成本也是一笔不小的数字。可见，在城市轨道交通沿线车站的滚动广告照明灯箱光源建议采用LED光源，不但节能而且环保。
但是目前LED灯存在技术标准不统一，没有相关国家标准，市场上产品技术水平参差不齐的问题。目前常用的标准是参照荧光灯的相关光通量、寿命、配光曲线标准，要求LED的相关技术参数。以深圳地铁采用LED灯的相关技术标准为例，LED的单只灯具造价为普通荧光灯的6~8倍，LED灯的寿命为普通荧光灯的5倍，LED灯的节能效果在25%左右，综合考虑LED灯的寿命、造价和节能效果，LED在地铁工程中采用是合适的，大规模采用LED灯存在的技术风险在于目前LED尚无大规模应用、长时间检验的实例，LED的寿命仅为理论寿命，且LED灯的电源驱动电路寿命尚无相关技术标准。由于LED 灯由于其结构上的致命弱点，目前并不适合用于需要高功率输出的大型照明系统。相较于其他光源来说，LED 灯散热慢，传热比金属材料低三个数量级。目前还不能胜任广场照明、建筑物外墙以及公园景观灯等强光照明任务。相反，小环境和局部照明方面，LED灯 则占有绝对优势。
2、智能照明控制系统
城市轨道交通沿线车站内根据目前经济生活水平，车站的站厅站台公共区面积一般都比较大，而且随着人民生活水平的不断提高，公共区的照明质量要求不断提高，随之而来的就是照明设置要求不断增高。但是车站内的人流不是固定不变的，有高峰和低谷的变化，在人流变化的情况下，对照明的要求是不一样的，在高峰时段，由于人流密度比较大，对照明的照度要求会高一点，在低谷时段，人流密度小一点，对照度要求会小一点。因此在进行照明设计时要满足不同时段时的不同照度需求，一刀切的照明设计，会造成在低谷时段的照明浪费，进而造成能源浪费。车站公共区的照明需要设置多回路配电，而且每一个回路的灯具都需要在公共区内均匀分布，达到每一个回路单独照明时均匀度都比较好，为乘客提供良好的照明环境。理论上来说，照明配电分回路越多越细，节约能源的效果就越好，但是会带来另一个问题，就是一次投资的无限制增大，还有操作的繁琐性增加，走向另一个极端。因此应根据实际情况合理分配工作照明及节电照明的比例。在条件允许的情况下，在地铁车站引入智能照明控制系统，对车站照明实现智能控制，可以更好的节能降耗。智能照明控制系统主要功能如下：
（1）调光控制
智能照明控制系统调光控制采用数字式调光，同时调光时间长短也可作任意设定。调光模块种类多，调光功率有多种选择。
（2）模式控制
根据地铁运营需要可将所控区域的灯光预先设定为各种模式，如正常模式、节电模式、火灾模式、停运模式等。需要时可通过就地面板控制、时间自动控制、照明终端中央监控控制等。
（3）定时控制
智能照明控制系统时间控制器可将所控区内照明回路进行预编程。根據实际景观需要定时开关一组、多组或区域的照明灯具，可使灯具在设定的时间内以设定的间隔逐次点亮和关闭，并可设置循环。
（4）可视化集中监控
在站点照明监控中心，安装有彩色可视化触摸屏、屏幕尺寸、触摸方式，通过友好界面将所有控制对象显示于屏幕，各照明回路及灯具均按实际位置图形显示于各区域平面上。各照明灯具及回路的实时运行状态及报警状态显示于图形上，方便观察，通过点击各回路图形开关或场景开关即可开启或关闭各区域的照明，同时其状态也在屏上清楚显示，并可任意设定时间控制回路。
综上所述，根据地铁客运人流高低峰采用智能控制系统对灯具进行模式或者时间控制，这样即避免手动控制开关照明回路增加的工作量，也延长光源的寿命。
二、合理选择的变压器
目前国内各个地铁在运营时均存在了变压器容量过大问题，有些地铁车站在运营低峰期时，变压器的负荷率竟不足10％，在高峰期时大部分也都低于50%，这不仅增加了项目投资，而且造成电能的浪费，增加了运营成本。
下面对变压器损耗做一下分析：
变压器的有功损耗按下式计算：ΔP=P0+β2PK
式中：ΔP--变压器的有功损耗；P0---变压器的空载损耗；PK---变压器的短路损耗；β---变压器的负载率。
P0作为变压器的空载损耗，是由铁芯涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与铁芯材料及制造工艺有关，与负荷大小无关，所以选用变压器时应选择节能型变压器。PK是变压器额定负载传输的损耗，它取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小，并与负荷率平方成正比。考虑综合初装费，变压器、高低压柜、土建投资及运行费用，又要使变压器在使用期内预留适当的余量，变压器最经济节能运行的负载率一般在75%--85%之间。所以在选择变压器容量时，应根据负荷情况，综合考虑投资和年运行费用，选取容量与电力负荷相适应的变压器，使其工作在高效低耗区内。因此，变压器选择时首先通过合理的负荷计算，选择合理的变压器容量及类别，达到节能环保的效果。
准确的负荷计算是正确选择供电系统中变压器容量的基础，变压器容量过大，就会引起过多损耗能量。由此可见，电力负荷计算在确定变压器容量时所占据的重要位置。下面，我们对地铁车站用电负荷计算偏大的原因做一个分析：
1、地铁中的负荷比较多，且不同时间段、不同季节，设备投入的差别也比较大，各设备需要系数与实际运营中的数据存在一些差距，要控制变压器的容量就要充分考慮以上因素。
（1） 研究环控工艺，合理选用需要系数。
例如隧道风机，正常时每天早上隧道内通风换气只需开启1～2个小时，但在进行负荷计算时，往往需要系数都取到0.8～0.85，这增大了数倍的计算容量。所以对于环控工艺的这种要求需在计算时充分考虑。
根据不同的季节及运行工况，合理选择变压器，并充分考虑变压器过载能力。一般来说，地铁环控运行模式均分为空调季节、非空调季节、火灾、阻塞几种运行模式，每种运行模式设备投切是不一样的，非空调季节冷水机组是不投入运营的，隧道火灾、阻塞时隧道风机、排热风机将投入运行，但其投入时间短，要充分考虑设备运行的季节性及短时性去选择变压器容量。
（2）地铁车站中弱电的用电负荷。一般在进行负荷计算时，用电负荷的功率因数一般选择0.85，但是目前由于弱电系统的设备一般都是自带UPS装置，UPS系统一般都自带无功补偿装置，实际上功率因数基本上都在0.95以上，在进行负荷计算时，对弱电用电负荷的功率因数取0.95或者更大，在负荷计算时需合理取值。
（3）地铁车站电扶梯的用电负荷。目前自动扶梯一般都采用变频控制，上下行均设置自动扶梯的情况下，并不是所有扶梯的运行功率均达到额定功率，一般在进行负荷计算的时候均按照额定容量进行计算，计算结果就会偏大，为消除这种偏差影响，在负荷计算时需合理取值。
2、地铁车站的各种用电负荷不会在同一时刻用电容量达到最大值，在负荷计算时，同时系数的选取也比较重要，如果系数偏大就会影响计算结果，导致变压器容量选择偏大。因此应根据现有运营情况，合理选择同时系数。
三、太阳能发电
太阳能作为一种新能源，以其能源丰富、可就地开发利用，不存在运输问题、绿色环保，不会造成污染和公害等优点越来越广泛地应用在各个领域，实际工程的运用案例已经很多，且技术已经相对成熟，因此在地铁合适的场合采用太阳能发电是可行的。由于太阳能发电容量比较小，负载可以考虑建筑物的电热设备及室内外照明。
节约能源分为两种方式，一种是采用各种手段降低设备能耗，达到节能目标；一种是取得其他方式的能源，例如太阳能、风能、地热能等方式的能源，来降低正常的能源消耗。根据深圳的实际情况，合理利用太阳能是一个不错的选择；深圳市的平均光照时间是1933.9小时，属于太阳能比较丰富的地区，在城市轨道交通控制中心大楼、车辆段、停车场大库屋顶、室外照明等处，如能够利用太阳能资源，可实现可持续性发展、绿色、环保节能的建筑特点；但是运用太阳能技术也存在一些制约因素，根据深圳气象资料，阴雨天气时间比较长，为保证用电设备的可靠供电，必须由正常的供电系统向用电设备另外敷设供电线路，以保证用电可靠性。
四、体会及建议
节能降耗是一项系统工程，节能设计是这项工程中一个极为重要的环节。电气节能设计重点在于建立和健全节能设计理念，合理设计，实现经济运行。在今后设计中，设计者不仅要积极采用已有的节能措施，在总结经验的同时，还要大胆为新型节能技术提供使用平台。对于地铁工程电气设计节能可以采用以下措施：1、车站及车辆段内选用合适的节能光源及灯具，根据实际情况在合适场所先进行LED灯具试验，广告灯箱采用LED光源。2、车站内采用智能照明控制系统。3、变压器选择时首先通过合理的负荷计算，选择合理的变压器容量，然后选择合理的变压器类别，达到节能环保的效果。4、在车辆段等合适场所局部进行太阳能发电系统试验，效果明显之后再进行大面积推广。
关键词：地铁工程；电气设计；节能；措施
一、照明节能
由于城市轨道交通沿线车站的照明种类很多，是能耗的重点，正确选择节能灯具，会减少照明系统的能耗。
1、照明光源选择
地铁车站照明光源大部分采用三基色细管径(T8或T5)直管荧光灯，这两种荧光灯的光效比较好，而且配套的灯具都比较成熟。目前市场上出现的LED灯具和常规的荧光灯相比较，其寿命比较长、发热量比较小、维护成本比较低，而且其技术目前是在高速发展的时期，在不远的将来，LED灯具的发光效率就会超过荧光灯，其节能效果会越来越好。LED作为一种绿色环保节能光源主要体现在以下几个方面：1、LED实际上是二极管发光光源，在材料上不会使用到汞；2、LED光源的发光效率比较高，实验室发光效率已经达到161lm/w，目前国内大功率工厂生产LED光效也应达到110lm/w，且LED光源的技术目前还处于高速发展时期，未来发光效率将越来越高；3、LED光源的寿命长，是荧光灯等一般光源无法比拟的，LED灯在5万个小时时的光衰不超过20%，理论寿命在10万个小时，制约LED灯寿命的因素主要在于LED灯散热问题，随着LED灯驱动电路效率的提高，以及散热方式的改进，LED灯的寿命会越来越长。4、由于LED灯的效率比较高，不但在光源上占据优势，而且LED灯由于将电能转换为光能的效率比较高，相应产生的热能也将随之下降，如果大范围在室内采用LED照明，相应空调的负荷也将降低，起到节约能源的作用。以车站广告照明为例，广告照明灯箱的功能要求广告照明灯箱的视觉范围内亮度要比较亮，比较醒目；为达到这个效果，在广告照明灯箱内密集设置大密度荧光灯，因此广告照明灯箱照明功率密度就比较大。同样面积的广告照明灯箱采用LED光源的照明功率密度是采用荧光灯的五分之一，正常采用荧光灯的城市轨道交通线路车站的广告照明灯箱用电功率100KW左右，如果采用LED光源后，用电功率将下降到20KW左右，每个车站节能将近80KW，按照每天18个小时的运营时间，每天节能1440千瓦时，一年按照360天计算，每年节能518400千瓦时，按照每千瓦时0.7元计算，每年每个车站节约的电费就是362880元人民币。同时由于LED光源的寿命比荧光灯的寿命长，正常LED光源的寿命按照目前技术水平一般在5万小时计算，荧光灯的寿命是1万小时，在运营期间节约的运营维护成本也是一笔不小的数字。可见，在城市轨道交通沿线车站的滚动广告照明灯箱光源建议采用LED光源，不但节能而且环保。
但是目前LED灯存在技术标准不统一，没有相关国家标准，市场上产品技术水平参差不齐的问题。目前常用的标准是参照荧光灯的相关光通量、寿命、配光曲线标准，要求LED的相关技术参数。以深圳地铁采用LED灯的相关技术标准为例，LED的单只灯具造价为普通荧光灯的6~8倍，LED灯的寿命为普通荧光灯的5倍，LED灯的节能效果在25%左右，综合考虑LED灯的寿命、造价和节能效果，LED在地铁工程中采用是合适的，大规模采用LED灯存在的技术风险在于目前LED尚无大规模应用、长时间检验的实例，LED的寿命仅为理论寿命，且LED灯的电源驱动电路寿命尚无相关技术标准。由于LED 灯由于其结构上的致命弱点，目前并不适合用于需要高功率输出的大型照明系统。相较于其他光源来说，LED 灯散热慢，传热比金属材料低三个数量级。目前还不能胜任广场照明、建筑物外墙以及公园景观灯等强光照明任务。相反，小环境和局部照明方面，LED灯 则占有绝对优势。
2、智能照明控制系统
城市轨道交通沿线车站内根据目前经济生活水平，车站的站厅站台公共区面积一般都比较大，而且随着人民生活水平的不断提高，公共区的照明质量要求不断提高，随之而来的就是照明设置要求不断增高。但是车站内的人流不是固定不变的，有高峰和低谷的变化，在人流变化的情况下，对照明的要求是不一样的，在高峰时段，由于人流密度比较大，对照明的照度要求会高一点，在低谷时段，人流密度小一点，对照度要求会小一点。因此在进行照明设计时要满足不同时段时的不同照度需求，一刀切的照明设计，会造成在低谷时段的照明浪费，进而造成能源浪费。车站公共区的照明需要设置多回路配电，而且每一个回路的灯具都需要在公共区内均匀分布，达到每一个回路单独照明时均匀度都比较好，为乘客提供良好的照明环境。理论上来说，照明配电分回路越多越细，节约能源的效果就越好，但是会带来另一个问题，就是一次投资的无限制增大，还有操作的繁琐性增加，走向另一个极端。因此应根据实际情况合理分配工作照明及节电照明的比例。在条件允许的情况下，在地铁车站引入智能照明控制系统，对车站照明实现智能控制，可以更好的节能降耗。智能照明控制系统主要功能如下：
（1）调光控制
智能照明控制系统调光控制采用数字式调光，同时调光时间长短也可作任意设定。调光模块种类多，调光功率有多种选择。
（2）模式控制
根据地铁运营需要可将所控区域的灯光预先设定为各种模式，如正常模式、节电模式、火灾模式、停运模式等。需要时可通过就地面板控制、时间自动控制、照明终端中央监控控制等。
（3）定时控制
智能照明控制系统时间控制器可将所控区内照明回路进行预编程。根據实际景观需要定时开关一组、多组或区域的照明灯具，可使灯具在设定的时间内以设定的间隔逐次点亮和关闭，并可设置循环。
（4）可视化集中监控
在站点照明监控中心，安装有彩色可视化触摸屏、屏幕尺寸、触摸方式，通过友好界面将所有控制对象显示于屏幕，各照明回路及灯具均按实际位置图形显示于各区域平面上。各照明灯具及回路的实时运行状态及报警状态显示于图形上，方便观察，通过点击各回路图形开关或场景开关即可开启或关闭各区域的照明，同时其状态也在屏上清楚显示，并可任意设定时间控制回路。
综上所述，根据地铁客运人流高低峰采用智能控制系统对灯具进行模式或者时间控制，这样即避免手动控制开关照明回路增加的工作量，也延长光源的寿命。
二、合理选择的变压器
目前国内各个地铁在运营时均存在了变压器容量过大问题，有些地铁车站在运营低峰期时，变压器的负荷率竟不足10％，在高峰期时大部分也都低于50%，这不仅增加了项目投资，而且造成电能的浪费，增加了运营成本。
下面对变压器损耗做一下分析：
变压器的有功损耗按下式计算：ΔP=P0+β2PK
式中：ΔP--变压器的有功损耗；P0---变压器的空载损耗；PK---变压器的短路损耗；β---变压器的负载率。
P0作为变压器的空载损耗，是由铁芯涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与铁芯材料及制造工艺有关，与负荷大小无关，所以选用变压器时应选择节能型变压器。PK是变压器额定负载传输的损耗，它取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小，并与负荷率平方成正比。考虑综合初装费，变压器、高低压柜、土建投资及运行费用，又要使变压器在使用期内预留适当的余量，变压器最经济节能运行的负载率一般在75%--85%之间。所以在选择变压器容量时，应根据负荷情况，综合考虑投资和年运行费用，选取容量与电力负荷相适应的变压器，使其工作在高效低耗区内。因此，变压器选择时首先通过合理的负荷计算，选择合理的变压器容量及类别，达到节能环保的效果。
准确的负荷计算是正确选择供电系统中变压器容量的基础，变压器容量过大，就会引起过多损耗能量。由此可见，电力负荷计算在确定变压器容量时所占据的重要位置。下面，我们对地铁车站用电负荷计算偏大的原因做一个分析：
1、地铁中的负荷比较多，且不同时间段、不同季节，设备投入的差别也比较大，各设备需要系数与实际运营中的数据存在一些差距，要控制变压器的容量就要充分考慮以上因素。
（1） 研究环控工艺，合理选用需要系数。
例如隧道风机，正常时每天早上隧道内通风换气只需开启1～2个小时，但在进行负荷计算时，往往需要系数都取到0.8～0.85，这增大了数倍的计算容量。所以对于环控工艺的这种要求需在计算时充分考虑。
根据不同的季节及运行工况，合理选择变压器，并充分考虑变压器过载能力。一般来说，地铁环控运行模式均分为空调季节、非空调季节、火灾、阻塞几种运行模式，每种运行模式设备投切是不一样的，非空调季节冷水机组是不投入运营的，隧道火灾、阻塞时隧道风机、排热风机将投入运行，但其投入时间短，要充分考虑设备运行的季节性及短时性去选择变压器容量。
（2）地铁车站中弱电的用电负荷。一般在进行负荷计算时，用电负荷的功率因数一般选择0.85，但是目前由于弱电系统的设备一般都是自带UPS装置，UPS系统一般都自带无功补偿装置，实际上功率因数基本上都在0.95以上，在进行负荷计算时，对弱电用电负荷的功率因数取0.95或者更大，在负荷计算时需合理取值。
（3）地铁车站电扶梯的用电负荷。目前自动扶梯一般都采用变频控制，上下行均设置自动扶梯的情况下，并不是所有扶梯的运行功率均达到额定功率，一般在进行负荷计算的时候均按照额定容量进行计算，计算结果就会偏大，为消除这种偏差影响，在负荷计算时需合理取值。
2、地铁车站的各种用电负荷不会在同一时刻用电容量达到最大值，在负荷计算时，同时系数的选取也比较重要，如果系数偏大就会影响计算结果，导致变压器容量选择偏大。因此应根据现有运营情况，合理选择同时系数。
三、太阳能发电
太阳能作为一种新能源，以其能源丰富、可就地开发利用，不存在运输问题、绿色环保，不会造成污染和公害等优点越来越广泛地应用在各个领域，实际工程的运用案例已经很多，且技术已经相对成熟，因此在地铁合适的场合采用太阳能发电是可行的。由于太阳能发电容量比较小，负载可以考虑建筑物的电热设备及室内外照明。
节约能源分为两种方式，一种是采用各种手段降低设备能耗，达到节能目标；一种是取得其他方式的能源，例如太阳能、风能、地热能等方式的能源，来降低正常的能源消耗。根据深圳的实际情况，合理利用太阳能是一个不错的选择；深圳市的平均光照时间是1933.9小时，属于太阳能比较丰富的地区，在城市轨道交通控制中心大楼、车辆段、停车场大库屋顶、室外照明等处，如能够利用太阳能资源，可实现可持续性发展、绿色、环保节能的建筑特点；但是运用太阳能技术也存在一些制约因素，根据深圳气象资料，阴雨天气时间比较长，为保证用电设备的可靠供电，必须由正常的供电系统向用电设备另外敷设供电线路，以保证用电可靠性。
四、体会及建议
节能降耗是一项系统工程，节能设计是这项工程中一个极为重要的环节。电气节能设计重点在于建立和健全节能设计理念，合理设计，实现经济运行。在今后设计中，设计者不仅要积极采用已有的节能措施，在总结经验的同时，还要大胆为新型节能技术提供使用平台。对于地铁工程电气设计节能可以采用以下措施：1、车站及车辆段内选用合适的节能光源及灯具，根据实际情况在合适场所先进行LED灯具试验，广告灯箱采用LED光源。2、车站内采用智能照明控制系统。3、变压器选择时首先通过合理的负荷计算，选择合理的变压器容量，然后选择合理的变压器类别，达到节能环保的效果。4、在车辆段等合适场所局部进行太阳能发电系统试验，效果明显之后再进行大面积推广。