西安城市轨道交通绿色技术应用研究.pdf

引用格式:杨晓强,孙振岳.西安城市轨道交通绿色技术应用研究J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):1.YANG Xiaoqiang,SUN Zhenyue.Application status and research prospect of green technology in Xian urban rail transitJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):1.收稿日期:2022-07-28;修回日期:2023-02-03第一作者简介:杨晓强(1966),男,陕西礼泉人,2004 年毕业于西安交通大学,电气工程及其自动化控制专业,本科,正高级工程师,现从事城市轨道交通土建工程技术管理工作。E-mail:xiaoqiangyang123 。通信作者:孙振岳,E-mail:sunzhenyue 。西安城市轨道交通绿色技术应用研究杨晓强1,孙振岳2,(1.西安市轨道交通集团有限公司,陕西 西安 710000;2.北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100000)摘要:为响应国家绿色发展战略,大力发展绿色城市轨道交通,依托试点车站开展适合西安绿色城轨的系统研究。首先,分析标准规范体系的选取;然后,根据西安城市轨道交通建设管理模式,提出全过程多主体协同的设计方法;最后,以西安轨道交通 10 号线一期工程绳刘村站为例,重点研究打造“绿色车站”的低碳节能技术路线以及新技术应用,为未来西安城市轨道交通开展覆盖规划、设计、施工、运营全生命期、全过程、全参与方的城轨交通绿色建造(绿色低碳)系统化技术研究工作奠定基础。关键词:城市轨道交通;绿色低碳;规范标准;协同设计;节能新技术DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.001中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0001-05A Ap pp pl li ic ca at ti io on n S St ta at tu us s a an nd d R Re es se ea ar rc ch h P Pr ro os sp pe ec ct t o of f G Gr re ee en n T Te ec ch hn no ol lo og gy y i in n X Xi ia an n U Ur rb ba an n R Ra ai il l T Tr ra an ns si it tYANG Xiaoqiang1,SUN Zhenyue2,*(1.Xian Rail Transit Group Co.,Ltd.,Xian 710000,Shaanxi,China;2.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.,Ltd.,Beijing 100000,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:Under the guidance and support of relevant national and industrial policies,the green and low-carbon of rail transit is an important development strategic direction of the industry.In order to response the strategy,the system research suitable for Xian green urban rail is carried out based on the pilot stations.First,the selection of standard system is analyzed.Then,the whole process of multi-body collaborative design method is put forward according to Xian urban rail transit construction management mode.Last,taking Shengliu Village Station of Xian Metro Line 10 as an example,the low carbon and energy-saving technical route of building green station and the application of new technology are studied.The study lays a foundation for carrying out the systematic technology research on the green building(green and low-carbon)of urban rail transit covering the planning,design,construction,and operation of the whole life cycle,the whole process,and all participants in the future Xian urban rail transit.K Ke ey yw wo or rd ds s:urban rail transit;green and low-carbon;code standard;collaborative design;new technology of energy saving 0 引言2020 年 12 月 12 日,国家主席习近平在联合国气候雄心峰会上提出“大力倡导绿色低碳的生产生活方式,从绿色发展中寻找发展的机遇和动力”;党中央在“十四五规划”建设也明确提出“发展绿色建筑”、“开展绿色生活创建活动”;住房和城乡建设部等七部委下发关于印发绿色建筑创建行动方案的通知也指出“到 2022 年,当年城镇新建建筑中绿色建筑面积占比达到 70%,星级绿色建筑持续增加,既有建筑能效水平不断提高”。为响应这一系列国家绿色发展战略,大力发展绿色城市轨道交通是有效途径之一。绿色城轨指在城轨交通的全生命周期和全过程,最大限度地降低隧道建设(中英文)第 43 卷能耗、提升能效和资源利用率、利用清洁能源并促进与城市的协调发展。近年来,我国城市轨道交通建设速度和规模突飞猛进。截至 2020 年底,中国大陆地区共有 45 个城市开通城市轨道交通运营线路 244 条,运营线路总长度7 655 km,新增运营线路里程 1 226 km1。在如此大规模轨道交通建设环境下,提升轨道交通的绿色性能,支撑国家的绿色发展战略,愈发受到关注。目前国内城轨关于绿色低碳的发展尚处于起步阶段。文献2介绍了国内外绿色建筑评价体系研究现状,着重描述了长沙提出的绿色地铁建设理念,系统综述了目前地铁工程的绿色评价指标和方法体系。文献3针对城市轨道交通绿色发展领域,对绿色低碳技术在全生命周期各阶段的应用进行分类阐述,从“绿色建设、绿色行车、绿色运营、绿色管养、绿色评价”5大场景出发,构建城市轨道交通绿色低碳技术体系。文献4针对城轨交通绿色低碳发展提出目标、任务和策略,为城轨交通加快绿色低碳转型、挖掘节能减排潜力、提高能效水平、推进城轨行业做好“碳达峰、碳中和”工作提供借鉴。现有关于绿色城轨的研究多集中于某项具体的节能技术,缺少系统性研究;而绿色城轨的建设应该针对地区特点、当地城轨建设情况等各方面因素,综合考虑绿色城轨的发展路线。西安市轨道交通目前正在开展第三期的建设规划工作,关于绿色城轨还处在研究起步阶段,缺少相关标准规划引领以及完整的绿色城轨建设体系架构。因此,在第三期建设规划的项目中,选取车站作为试点,开展关于绿色技术路线、多主体协同绿色设计、低碳节能技术以及全生命周期、全过程、全参与方的“三全”绿色城轨建设体系研究,有助于形成西安轨道交通设计、建设、运营“一盘棋”的理念,对后期西安城市轨道交通绿色发展具有重要的指导意义。1 设计规范梳理目前国内外关于绿色建筑的评价体系已经较为完整。从 20 世纪 90 年代至今,绿色建筑逐渐由建筑建设扩展到环境评估、区域规划等多项领域,由建筑个体、单纯技术应用上升到区域、产业发展层面。许多国家制定并推行了相应的绿色建筑技术标准与评估体系,如日本的建筑环境效能综合评估系统 CASBEE、美国的绿色建筑评估体系 LEED、英国的建筑研究所环境评估法 BREEAM、德国的可持续建筑认证体系DGNB 等。2006 年至 2007 年间,我国原建设部相继出台了绿色建筑评价标准绿色建筑评价技术细则(试行)绿色建筑评价标识管理办法等标准,逐步构建起中国的绿色建筑评价体系;但这些标准体系主要针对民用建筑,对轨道交通的适用性不强。国内既有的轨道交通绿色相关标准主要是团体标准,包括中国工程建设标准化协会颁布的绿色城市轨道交通建筑评价标准、中国建筑节能协会颁布的绿色城市轨道交通车站评价标准长沙市绿色城市轨道交通评价标准长沙市城市轨道交通绿色车站设计导则重庆市绿色轨道交通技术标准(征求意见稿)等。其中,2019 年颁布的绿色城市轨道交通车站评价标准作为全国通用的评价标准,在编制过程中开展了广泛的车站调研,建立了较为完整的绿色车站评价体系,并且获得了住建部认证的绿色建筑评价机构认可5,因此西安城市轨道交通绿色车站设计以该规范作为主要依据开展研究工作。该规范评价体系由场地、交通、能源、水、材料、站内环境、运营 7 类指标组成,每类指标包括控制项和评分项,针对创新技术建设加分项。绿色车站等级分别为一星级、二星级、三星级,3 个等级的绿色车站均应满足所有控制项的要求,且各类指标的评分项得分不应小于其总分值的 30%。当总得分达到 6069 分,绿色车站等级为一星级;当总得分达到 7084 分,绿色车站等级为二星级;当总得分达到 85 分及以上,绿色车站等级为三星级。2 技术路线分析针对绿色车站设计,应该由全专业统筹组织,对规范各条目逐条梳理,对可能采用的技术路线和技术措施进行评估,对绿色车站的认知进行工程实施影响及造价影响分析。西安轨道交通 10 号线一期工程高架站绳刘村站作为跨泾河后第 1 座高架站,地理位置优渥、周边建设条件良好、车站站型标准,因此选择该车站作为西安城市轨道交通绿色车站试点,以该站为基础,从场地、交通、能源、水、材料、站内环境多个层面进行技术路线分析。2.1 场地考虑空间、土地、接驳、环境等设计因素。车站主体需考虑后期轨道交通工程连接条件,设计中增加远期接入条件的预留,同时需根据规范要求在外挂用房区域增设非轨道交通的基本服务功能和小型便民服务空间。梳理整体材料使用情况,增加场地内的乔木、建筑物以增加遮阴面积,使之达到 20%;制定场地恢复和表层土利用等生态恢复补偿措施;更改场地内的广场、道路铺装,选择反射系数较高的面层材料;通过采用浅色透水混凝土、石材等材料,增设下凹式绿地、绿地及透水铺装下盲管、溢流设施及场地内雨水排水管道;广场硬质铺装采用透水砖与大理石结合,降低热岛效应;地面附属设施采用玻璃幕墙,并降低可见光反射系数不大于 0.2;同时,后期设计中需增加合理的景观照明和广场照明方案。2增刊 1杨晓强,等:西安城市轨道交通绿色技术应用研究2.2 交通关注交通接驳、走行流线、乘客站外服务水平。站内预留外界连通口,站外天桥设置无障碍电梯,增加非机动车停车设施,并为非机动停车设施设置防雨防晒棚。2.3 能源全面监测、智能控制、高效运行。优化通风空调和供暖的输配送系统,降低运行能耗。空调分时分区设置,水冷风冷系统采用变频技术,并采取合理的控制措施,使冷水机组的综合部分负荷性能达到现行国标 1级能效要求。设置温度、湿度、CO2等传感器,实时监测环境变化,利用综合监控软件实现风水电专业自动调节。设置能源管理子系统,采集电表计量数据、水表计量数据、气表计量数据以及设备运行状态。2.4 水节约用水以及水的循环利用。安装分级计量水表,并在运营阶段提供水量计量和管网漏损检测信息及整改报告。同时,车站预留城市再生水接入条件,考虑增加雨水调蓄设备。此外,在消防水池中增加臭氧自洁消毒装置。2.5 材料利废建材、绿色建材、资源调配、特殊材料应用。落实车站选用可再生利用材料和利废建材,使可再利用材料和可循环材料的用量比例达到 15%,尤其是钢雨棚、外立面材料;1 或 2 种利废建材的使用,其用量占同类建材比例不低于 30%50%。综合调配车站临近施工场地的土方资源,在噪声较大的设备机房设置隔声密闭门、隔声墙、吸声材料等措施。2.6 站内环境提升站内光环境、声学环境、空气环境、电磁环境质量。从外立面、站内建筑设计角度加大自然采光系数面积。通过设计、设备选用降低公共场所噪音等级。通风系统增设净化设备、改善空气卫生、提高室内环境质量。3 多主体协同设计方法绿色车站设计包含多主体、多专业、多维度的内容,根据西安城市轨道交通建设管理模式,对绿色车站设计全过程的协同设计方法进行整合研究。项目前期,建立针对车站全寿命周期的环境品质、建筑性能、建造成本、可持续运营等多主体协同的绿色策划和专项咨询分析流程和动态交互接口。建筑设计全过程中,建立车站绿色多主体全专业协同设计的关键绿色技术管控节点、动态交互以及环境数字模拟和集成技术等(见图 1),制定全过程设计时段全专业协同设计的流程(见图 2)。图 1 多主体全过程协同工作总承包工作方法Fig.1General contracting method of multi-subject and whole process 图 2 协同设计工作流程Fig.2 Collaborative design workflow3隧道建设(中英文)第 43 卷3.1 工可设计阶段针对建筑创作和建筑被动式设计的关联因素提出要求,结合地域性气候特征、场地微气候环境、建筑适宜规划设计,以及与建筑功能相适宜的自然资源利用(太阳能、微风、遮阴等)条件,采用相关的数字分析软件,导入全季节、全时段的气候参数,所得出的数字化分析结果再与建筑群体空间、建筑形体生成,建筑虚实对比等相关设计创作因素进行对比。在保证创意设计的同时,用数字量化成果分析优化方案创作。该阶段的主要协同单位主要是业主建设单位和使用运营单位。3.2 初步设计阶段以性能和能耗目标值为基础、以性能化设计为主线。性能目标值主要指:室内环境舒适性参数和目标值,以及围护结构、主要建材、主要设备的性能参数。该阶段所提出的以能耗目标值为基础的各类控制性要求,连同各协同单位所提出的性能要求一并置入协同设计平台中,通过参数数字优化分析得出性能化的分析成果,有效地控制建筑性能、建筑能效、一次性能耗等。传统设计专业流程中的建筑技术措施论证在该阶段,如各专业系统的暖通空调,照明系统,供能系统,给排水系统以及可再生能源的利用、室内外环境,结构用材分析等方面的优化分析同样可通过协同设计平台来完成数字化分析。同时,还要听取最终运营管理单位的运行意见,对设备和用材选择进行相应调整。3.3 施工图设计阶段根据初步设计确定的设计目标值,围绕技术措施、设备和用材性能标准、各专项设计开展优化设计工作。同时,针对照明节能优化、透明和非透明幕墙优化、数据机房节能优化、智能化控制系统以及计量和智能监测平台等开展专项设计工作。设计完成后,根据工程预算和最终的建筑各项性能模拟计算值进行修改和校核。在工程交付前,还要针对各设备系统运行的调试方法进行深化技术咨询和调试结果对比分析。4 绿色节能新技术的应用为了满足绿色车站的各项指标要求,西安轨道交通 10 号线一期工程绳刘村站采用了多项绿色节能新技术。4.1 装配式构件技术装配式结构有利于提高生产效率,节约能源,有利于绿色施工6-7。在绳刘村站内部结构及附属增加装配式构件的使用比例,主要应用在装配式楼梯。传统的装配式楼梯技术连接节点多、施工慢、纵坡长、吊装困难且效率不高。绳刘村站采用改进版装配式楼梯(如图 3 所示),通过调整栓钉施工顺序,减少预埋,增加梯板限位板,调整水平拉梁与柱同宽,实现梯梁梯柱整体预制,梯柱采用共模技术,一套模具可制作常见任意长度梯柱,实现标准化制作,减少材料损耗,提高施工效率。(a)装配式楼梯基础(b)装配式楼梯楼板图 3 改进版装配式楼梯Fig.3 Improved fabricated staircase 4.2 光伏发电技术根据西安气象站测定并公开发布的信息显示,西安市年总辐射量为 1 225 kWh/m2。从光资源分布角度分析,西安市属于太阳能丰富地区(C 级),地上车站具备利用可再生能源的条件。在绳刘村站拟采用光伏发电,可在车站雨棚顶面安装单晶硅的 BIPV 光伏组件(约为 148 块)装机容量为 81.4 kW。预计绳刘村站年均光伏发电量可达到 7.92 万 kWh,根据关于做好 20232025 年发电行业企业温室气体排放报告管理有关工作的通知,全国电网平均二氧化碳排放因子为 0.570 3 t/(mWh),则每年可减少碳排放量约为 45.2 t。光伏发电设备寿命按 25 年考虑,全生命周期内发电量约为178.64 万 kWh,减少二氧化碳排放量约为 1 130 t。4.3 中压能馈技术中压能馈技术可以将车辆制动能量吸收转换,再次供给动力照明或其他车站牵引负荷使用,从而提高能量利用率,达到节能的效果8-9。2020 年 12 月底在开通运营的西安地铁 9 号线一期工程全线设置中压能馈装置。2021 年 711 月统计的回馈电能数据如表 1 所示。由表可见,在 2021 年 5 个月共回馈电能 858 206 kWh,平均月回馈电能为78 019 kWh,单站单日平均回馈电能约为 510 kWh,节能率达到 9.61%。预计该线路一年可节约 93.6 万 kWh,则每年可减少碳排放量约为 619 t。设备寿命按 30 年考虑,全生命周期内节约电量约为 2 808 万 kWh,减少二氧化碳排放量约为 18 570 t。由此可见,中压能馈技术对再生制动能量的吸收利用相当可观。在西安轨道交通 10 号线一期工程中也设置了中压能馈装置,同时选取了 2 个车站设置双向变流装置。双向变流技术可承担牵引和制动功能,稳压效果良好,且通过柔性控制技术,可进一步提高能量利用率,达到节能效果。4增刊 1杨晓强,等:西安城市轨道交通绿色技术应用研究表 1 2021 年 7 月至 11 月回馈电能数据统计Table 1 Data statistics of feedback power from July to November in 2021月份牵引电能/(kWh)回馈电能/(kWh)节能比/%7 月1 781 089178 97010.058 月1 790 750182 75510.219 月1 775 343160 8379.0610 月1 852 504178 5139.6411 月1 729 444157 1319.09合计8 929 130858 2069.614.4 非晶合金配电变压器技术非晶合金变压器采用非金合金带材替代传统的硅钢片制作铁芯,空载损耗大幅下降,较 S9 系列变压器的空载损耗下降了 75%80%,具有很好的节能效果。因此,西安轨道交通 10 号线一期工程全线采用了非晶合金配电变。以容量 1 000 kVA 的非晶合金变压器为例,其空载损耗为 550 W,S9 系列变压器空载损耗为1 990 W,则 全 天 单 台 非 晶 合 金 变 压 器 可 节 省34.56 kWh 的空载损耗。该线路共 38 台配电变压器,预计 1 年可节约电能 47.9 万 kWh,则每年可减少碳排放量约为 317 t;设备寿命按 30 年考虑,全生命周期内可节约电量约为 1 437 万 kWh,减少二氧化碳排放量约为 9 510 t。5 结论与展望本文通过对不同标准进行梳理和解析,系统性提出适宜西安轨道交通的绿色车站设计技术路线、多主体协同设计方法以及绿色节能新技术,可得出如下结论:1)绿色建筑是未来的发展方向,研究绿色轨道交通,特别是绿色车站研究符合轨道交通的发展趋势。2)绿色车站设计需要多层面选取适宜的技术路线,系统整合设计方案,加强全过程统筹。多主体协同设计方法可以明晰绿色车站的设计价值观,掌握实施路径,积累设计方法,验证实践结果,实现全过程绿色效益最大化。3)装配式构件有利于绿色施工;光伏发电技术、中压能馈技术以及非晶合金配电变压器技术均可以减少城市轨道交通的电能消耗,降低碳排放指标;这些技术成熟度高,针对西安轨道交通建议推广应用。目前西安城市轨道交通关于绿色车站的研究正处于起步阶段。西安市轨道交通集团会在绿色车站试点工作的基础上,结合西安城市特征及城市轨道交通的建设与运营实际情况,进一步开展覆盖规划、设计、施工、运营全生命期、全过程、全参与方(三全)的城轨交通绿色建造(绿色低碳)系统化技术研究工作,提出科学、系统的绿色城轨技术研究重点与发展方向,形成具有地域特点、涵盖绿色规划、绿色设计、绿色施工、绿色运营的技术指南以及相关政策建议,为解决相关问题提供思路,指引未来西安城市轨道交通绿色建造(绿色低碳)的工作方向。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 朱旻,孙晓辉,陈湘生,等.地铁地下车站绿色高效智能建造的思考J.隧道建设(中英文),2021,41(12):2037.ZHU Min,SUN Xiaohui,CHEN Xiangsheng,et al.Green,efficient,and intelligent construction of underground metro station J.Tunnel Construction,2021,41(12):2037.2 闫小东,纪方,王永军,等.地铁工程绿色评价研究现状与展望J.施工技术,2010,48(12):55.YAN Xiaodong,JI Fang,WANG Yongjun,et al.Research status and development prospect of green evaluation of subway engineering.J.Construction 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