2. 重庆大学科技部国家级“低碳绿色建筑”国际联合研究中心绿色建筑与建筑节能研究所

  摘要:城市轨道交通在加快速度进行发展的同时带来了一系列能耗、环境相关的社会问题,随着各行业绿色化发展工作的逐步推进,城市轨道交通的绿色化发展逐渐受到了人们的关注。结合城市轨道交通发展现状、发展过程中存在的问题及现场测试调研结果,提出了设计施工适宜化、环境保障健康化、能源系统高效化、运行维护智慧化、配套设施人性化的城市轨道交通绿色化发展要点,为其绿色化工作的进一步开展提供方向与思路。

  全面推动绿色发展是生态文明建设过程中的重要内容 [1] 。目前,我国在经济、建筑、农业、交通等多个角度已陆续开展一系列绿色化工作 [1-4] ,并形成了相应的绿色产业体系。其中,交通运输行业是能源消耗的大户,其能耗呈现逐年上升趋势 [5] 。在加快“四个交通”全面建设的过程中,城市轨道交通作为一种快速、便捷、高效的客运公共交通工具,得到了较快的发展,也慢慢的变成为公共交通出行的主要方式之一 [6] 。但针对城市轨道交通的绿色化建设工作启动时间较晚,目前仍未形成较为完整的框架体系。而大量研究表明,现有城市轨道交通在能耗、环境等方面存在影响其可持续发展的一系列问题。可见,推动城市轨道交通绿色化建设,从节能减排、健康舒适、智慧化、人性化等方面丰富绿色轨道交通的内涵,建立完善的绿色轨道交通标准体系,是完善我国绿色化产业体系的重要工作内容。

  相关统计多个方面数据显示 [7-13] ,截至2019 年底,中国大陆地区40 个城市开通城市轨道交通运营线 年城市轨道交通总里程及客运增长量如图1、2 所示。能够准确的看出,近几年城市轨道交通在规模建设和客运量方面,总体均呈现平稳的线性增长模式。可见,我国城市轨道交通正处在一个稳步发展阶段,一方面,其规模逐步扩大,更多城市加入城市轨道交通的建设运营行业中;另一方面,随着其网线覆盖范围的逐渐完备,选择其作为公共交通出行方式的乘客也在逐年增加。其中,上海市近年来公共交通出行客运量统计 [14] 如图3 所示,可见在城市轨道交通发展较早、覆盖范围较广的城市,其逐渐取代公共汽车,成为最为主要的公共交通出行方式。

  结合建筑、交通等其他领域的绿色化发展经验,现阶段绿色化概念在节能减排的基础上,更强调健康舒适的环境、高效智慧的管理使用以及实用友好的设施配置等 [ 15-16] 。在城市轨道交通加快速度进行发展的过程中,其绿色化规定要求制定得较晚,尚未形成完善的发展体系,因而造成了现有城市轨道交通在环境、资源、设备配置等方面存在不适应绿色化发展的系列问题。通过对城市轨道交通运营能耗、内部环境要求与质量、人性化设施设置及现阶段评价标准体系等方面做分析,找到其与绿色化概念的矛盾点,得到其现阶段的主体问题,从而确定其绿色化发展过程中的着力点,以便于具体政策的落实与开展。

  截至2019 年底,全国各城市线 所示,目前我国城市轨道交通建设顶级规模的三个城市为上海、北京及广州,其里程数之和达到了我国线 左右。相应的,对三地交通运输行业耗电量及城市轨道交通耗电量进行统计 [17] 如表1 所示。

  从表1 能够准确的看出,城市轨道交通耗电量占总交通运输耗电量的30% ~ 50%,是交通运输能耗的主要组成部分,其运营能耗基数较大,涉及到的能耗系统众多,包括牵引系统、环控系统、电扶梯、照明系统、给排水系统及弱电系统等,各系统能耗组成及占比如图5 [18] 所示。

  可见,牵引系统与环控系统是城市轨道交通能耗的主要组成部分 [19] ,也是开展其节能工作的着手点。而目前,针对城市轨道交通的运营能耗,仅有历年粗略统计数据,缺少单项、单线、单体能耗数据,难以进行数据分析、发现并解决能耗方面存在的问题。此外,通过对重庆市城市轨道交通站点实地走访并对其运营人员进行调研,发现目前城市轨道交通仍多依靠人工进行设备的运维调试。粗犷的管理机制导致其内部缺少合理的反馈与调试措施及智慧化运行维护管理手段。在信息化技术方法持续不断的发展的今天,虽然包括城市轨道交通在内的交通运输管理部门逐渐意识到并开始使用相关的数据记录、调节、分析技术,但受发展现状、传统调试观念的影响,信息化水平不高 [20] ,城市轨道交通能耗仍处于较高水平。

  城市轨道交通内部环境主要涉及到车辆、车站等位置的声、光、热及空气质量等参数。截至2019年底,各城市已建成线,其中地下线%,高架线%。地下线路在自然通风、采光方面受到的约束较多,而高架与地面线路则在热环境控制方面更为困难。因此,不同形式的线路对城市轨道交通内部环境质量均产生了一定的影响。

  在CJJ/T 170—2011 《地铁与轻轨系统运营管理规范》中,对空气质量相关参数的要求均按照GB 9672—1996《公共交通等候室卫生标准》 [21] 进行确定,将其与GB/T 18883—2002《室内空气品质衡量准则》 [22] 中主要参数作对比,如表2 所示。对于热环境的相关参数参照GB 50157—2013《地铁设计规范》 [23] 进行确定,根据通风空调及采暖的不同设置方式, 其具体设定参数如表3所示。

  对比GB/T 18883—2002 中的有关要求,城市轨道交通运营过程中对于甲醛、总挥发性有机物(TVOC)、PM10、CO2 及细菌的要求更低。分析原因是由于城市轨道交通人流量大,车厢内环境较为封闭,而车站又一定要通过出入口(地下车站) 或站台(高架或地面站)保证与外部环境的连通性,控制手段及措施较为复杂,其内部空气质量与人体所产生的污染物及外部空气质量紧密关联,因此未提出更高的要求。而对于热湿环境,表3 反映出城市轨道交通车站多仅针对最不利温度提出要求,且该温度值要求远低于民用建筑暖通空调中的相关要求。

  城市轨道交通标准较低的环境要求并不代表运营人能忽略其内部环境健康与舒适问题。随着时下人们对室内环境质量关注程度逐渐提升,对城市轨道交通内部环境的要求也有所提高。通过对重庆市轨道交通室内环境乘客满意度进行调研,结果如图7 所示。可见乘客对城市轨道交通内部环境参数满意度不高,除光环境外,别的环境参数满意程度均未达到50%,问题大多分布在在车站及车厢声环境、高架站热湿环境及地下站和车厢的空气质量。

  除重庆地区外,各气候区均存在相关的调研测试,反映出来的主体问题如表4 所示 [24-27] 。此外,北京、上海、广州等部分线路也反映出交通噪声超标的问题 [28] 。可见,在城市轨道交通建设发展顶级规模的几个城市中,均存在内部环境问题,影响乘客的舒适健康及乘坐体验。

  城市轨道交通与乘客存在着较强的交互作用，随着“绿色化”定义的不断扩充，这种交互作用应在其设计及运营管理过程中得到更优秀的体现。城市轨道交通中人性化设计大多数表现在导向标志、无障碍设施、信息数据显示及交通衔接等方面。

  与具有相似功能、人员密度的铁路交通系统相比,城市轨道交通由于人员停留时间比较短,在人性化设计方面重视程度也相应较低,继而暴露出更多的问题。在前期调研过程中发现,城市轨道交通在卫生间设置与清洁方面不满意程度较高,也有乘客反映部分站点存在导向标志设置不清晰、无障碍电梯数量过少等问题。在实际调研过程中发现,目前多数城市轨道交通车站均未设置无障碍卫生间及母婴室,无障碍电梯仅设置在站点的一处出入口处,甚至部分站点未设置无障碍电梯。

  此外,随着移动支付的普及,乘客对城市轨道交通移动支付购票、扫码进站等方式也提出对应需求,2016 年,广州首先开通移动端扫码过闸的相关服务,截至2019 年底,已有38 个城市陆续开始支持包括移动端购票、NFC 过闸及二维码支付过闸等一种或多种形式的移动端购票、过闸等服务,但目前仍未覆盖所有城市, 给乘客的出行带来不便。

  针对城市轨道交通绿色化发展过程中的问题,为规范其建设运营环节, 美国等国家开始采用LEED 绿色建筑评价标准体系对轨道交通车站建筑绿色化水平进行评价;同时,为更好地确定绿色城市轨道交通的发展趋势,国内外相应出台了一系列标准规范用于绿色城市轨道交通的评价 [29] 。2014年,印度绿色建筑协会(IGBC)启动了《绿色捷运系统评价标准》研编工作;而国内现已开始实施或对外发布征求意见稿的有关标准包括:长沙市《绿色城市轨道交通评价标准》(2013)、深圳市《绿色城市轨道交通工程建设与运营评价标准》(2013)、中国工程建设标准化协会《绿色城市轨道交通建筑评价标准》 [30] (2019)、中国建筑节能协会《绿色城市轨道交通车站评价标准》 [31] (2019)等。上述标准的基础信息见表5。

  上述标准所建立的评价体系框架暂未统一,多数沿用了GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》中 “四节一环保” 的框架,但从GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》修编后框架的改变也可看出,随着“绿色化”定义的扩宽与加深,其内涵不仅局限在资源、能耗与环保方面,还包括了更方便快捷、高效、人性化的理念及生活方式,不能用“四节一环保”进行简单概括。因此,城市轨道交通绿色化工作实施框架的搭建,也应考虑更多因素的影响。

  但同时,城市轨道交通绿色化工作处于起步阶段,在各专业、各部门职责规划与落实还未完全明确的前提下,亦不能完全借鉴GB / T 50378—2019 新的框架体系,否则难以实现各专业具体措施技术的落地实施。

  通过对城市轨道交通现存问题进行归纳整理,对比其与绿色化概念在环境、能效、管理与使用以及设施配置方面的有关要求,确定现阶段其绿色化工作首先应解决的问题包括提升设备运营管理自动化水平、改善内部环境质量、注重人性化设施的设计管理、建立完善合理的绿色化发展框架体系等方面。同时,还应结合其他绿色化产业的发展历史及现状,适应人们生产生活方式和节奏的改变,才能更好更快地实现城市轨道交通的绿色化建设。

  城市轨道交通要实现绿色化发展,需要将以上问题落实到具体的绿色化技术与手段中,在实际工程中检验各项措施的使用效果、绿色化程度,确定城市轨道交通绿色化发展要点,从而明确其发展趋势与目标,从标准、市场与实际工程三个方面形成良好的城市轨道交通绿色化发展体系。

  针对城市轨道交通在能耗、环境、人性化设计、评价标准方面的发展现状及反映出的有关问题,确定其现阶段绿色化发展的着力点大多分布在在能耗控制、内部环境改善、设施设备完善及评价体系与指标的确定几个方面。为更好地衔接发展趋势与实际工程,下文对上述方面做了技术层面的梳理与总结,提出城市轨道交通绿色化发展的关键措施。

  就耗能设备设施本身而言,首先应将节能的重点放在能耗占比最大的牵引系统和环控系统。针对牵引系统,可从其能耗产生源头、传输过程、能量回收及系统控制等方面做考虑并提出有关要求。从城市轨道交通车辆来看,地铁可多考虑采用单位能耗较低的B 型车,或结合实际地形特点及城市需求,合理采用高架单轨、现代有轨电车或轻轨线] ,在此基础上可结合各城市特点进行调节,如北京D 型车与重庆As 型车的投入使用。此外,城市轨道交通系统再生能量巨大,应考虑回收利用,目前新建线路多开始采用储能型或馈能型再生能量吸收装置,尤其是中压逆变馈能装置由于成本低、节约能源的效果好,已成为目前发展的主流方式 [32] 。同时,在设计初期还应合理计算与预测配电容量,选择比较适合的电缆截面与无功补偿方式等。对于环控系统及其他用能系统,主要涉及到的机电设施包括机组、水泵、风机、供配电设备等,在设计选型时均应考虑设备负荷及市场现状,采用能效等级较高的设施设备,针对负荷变化较大的机电设施应考虑加入变频等自动调控措施。

  在能耗监管控制方面,则应按照城市轨道交通的能耗组成特点,构建合理的能耗分项统计、监管、控制平台,及时上传并公布能耗数据,以便进行数据分析,利用智慧化、信息化平台及时有效地发现并解决城市轨道交通运营过程中的能耗问题。

  在标准指标确定方面,应根据乘客反映出的问题,明确各项环境参数的设计的基本要求是否应做出相应的完善与提升,从而更好地满足乘客对乘、候车环境健康及舒适化需求。在确定合理参数指标的前提下,应建立与能耗监督管理体系相似的环境监控体系,对室内温湿度、风速、照明、噪声及空气质量进行监测并实现反馈调控,提升城市轨道交通环境控制手段的智慧化水平。同时还可对监测数据来进行实时信息数据显示公布,在城市轨道交通管理人员与乘客共同监督下实现环境健康化、舒适化的要求。

  在便民设施等人性化设计方面,绿色城市轨道交通应注重提升乘客满意程度、保障乘客身心愉悦,服务于乘客的心理需求 [33] 。

  在无障碍设施建设方面,应完善站内盲道、轮椅坡道及无障碍直梯、低位水池、无障碍厕所、母婴室等功能房间及设施的设置,还包括车厢内的轮椅固定器、卫生间内部栏杆、防滑设计等更为细致的内部构件。针对城市轨道交通内部的导向设计,现有的乘车方向指引、无障碍设施引导及列车到站时间显示设计应最大限度地考虑乘客流线及行为,进行适当的突出和增加,同时应根据车站功能及乘客需求扩充导向标志的内容,不仅局限在方向指引,还可包括车站内外衔接、内部商业等内容。同样,在乘客信息显示方面,可考虑增加大型交通枢纽站点的换乘信息、轨道交通车站环境信息、天气信息等实时信息的查询与显示等功能。此外,应在全国范围内支持移动扫码过闸功能,适应人们生活方式的改变,才能够更好地推广城市轨道交通的出行方式。

  鉴于绿色城市轨道交通的发展现状,现阶段评价标准框架的重点应在于绿色化技术的推广与落实,同时明确各专业在城市轨道交通绿色化建设中承担的责任,在此基础上,考虑其绿色化发展趋势,给出导向型的建议并将其反映在条文中。而评价标准中具体指标的量化,则应依托于各城市陆续展开的城市轨道交通设备能效等级现状,能源、资源消耗情况,环境控制水平,乘客需求等方面的调研结果,确定合理的指标要求,并随着绿色化工作的不断推进逐步进行提高与完善。

  上文主要对于城市轨道交通反映出来的明显问题提出针对性措施,除上述几点外,城市轨道交通绿色化发展还应结合其他绿色产业的发展历史,与绿色材料、施工、建筑、交通等方面相结合,在城市轨道交通安全保障、规划设计选址、施工及运营影响控制、室内装饰装修、绿色化技术方法等方面因地制宜,提升城市轨道交通设计、施工、运营水平,减少其对旁边的环境及居民生产生活的影响。

  结合国家绿色化发展要求,针对城市轨道交通发展现状、主体问题及其绿色化发展中所考虑采取的各项技术措施,为更好地明确其发展趋势及发展目标,本文对应提出了绿色城市轨道交通发展要点及框架,其发展要点包括设计施工适宜化、环境保障健康化、能源系统高效化、运行维护智慧化、配套设施人性化五个方面,通过梳理城市轨道交通主体问题与相应措施手段,理清其中的并列或承接关系,并与绿色城市轨道交通发展要点相互对应,由此搭建出适宜于城市轨道交通发展现状的、较为完善的绿色化发展框架如图8 所示。

  可以看出,绿色城市轨道交通发展要点的提出从设计、施工与运营的全生命期出发,囊括了车辆、车站、车辆基地与线路等所有城市轨道交通组成部分,是具体解决措施的归纳与总结,也是现阶段绿色城市轨道交通发展的最大的目的与方向。

  设计施工适宜化从设计与施工两个层面对绿色城市轨道交通的建设进行把控,主要针对目前城市轨道交通中绿色化手段运用较少、施工全套工艺流程产生的影响较大等问题,提出因地制宜地选择合理的绿色化手段、绿色化施工方式。在此基础上,考虑城市轨道交通建设中特有的安全、能耗、环境、便捷程度等问题,一方面与其他绿色化产业相结合,积累经验,相互借鉴并促进发展;另一方面突出城市轨道交通自身绿色化建设中的特点,并结合其发展现在的状况进行具体措施的讨论与完善。

  配套设施人性化旨在提升乘客满意程度,更好地推广城市轨道交通出行,特别是在现有配套设施不能够满足乘客需求的前提下,难以做到城市轨道交通全民化、全龄化。因此,将配套设施人性化作为绿色城市轨道交通发展要点之一,是在社会持续健康发展现状和人民生活水平需求提高的背景下,对“绿色化”概念更好地进行完善与补充。

  环境保障健康化则主要着眼于目前城市轨道交通环境状况较差、乘客满意程度较低的现状,健康舒适的候、乘车环境是乘客对于绿色城市轨道交通最为直观的感知部分,根据乘客反馈及其余规定要求,制定更加合理的室内环境参数要求,同时建立包含更多参数指标的监控系统及平台,并加强可视化信息数据显示,能够很好地促进管理人员及乘客及时有效地发现环境问题,保障城市轨道交通绿色化水平。

  能源系统高效化主要着眼于目前城市轨道交通能耗较高的问题。减少能源消耗是提升绿色化水平的重要工作,对于城市轨道交通而言,应从提升设备能效等级、提升设备与系统自控水平、加强能耗数据监控平台的建设等方面入手,提高整个能源系统的效率,在保障城市轨道交通安全舒适的前提下,降低能源消耗,减少运营成本。

  运行维护智慧化是对能源系统与环控系统的效果体现与总体把控。在能耗及环境监控平台建设完成的情况下,减少现有城市轨道交通运行过程中费时费力且不够精准的人工记录与调控环节,及时完成数据收集、系统监测与控制等,才能在城市轨道交通全生命期内减少能源消耗,提升环境质量,实现绿色化要求及目标。

  在此基础上,绿色城市轨道交通发展要点还为后续城市轨道交通绿色化发展评价规范的制定奠定基础,并根据评价标准的实施推广效果与使用反馈,形成标准再次指导发展趋势的良好循环。

  通过分析城市轨道交通发展过程中的问题,在此基础上提出其开展落实绿色化工作的关键措施,进而指出与之相对应的设计施工适宜化、环境保障健康化、能源系统高效化、运行维护智慧化、配套设施人性化的发展要点,明确绿色城市轨道交通建设的目的与方向。在此基础上进行归纳总结与思考如下:

  1) 随国家、地方陆续推出的可持续发展政策及人们日益提升的生活品质要求,各行业绿色化工作随之展开,不断推动着绿色化概念的深入与完善。城市轨道交通作为公共交通的重要组成部分,正处于快速的提升的时期,运营里程数和客运增长量逐年呈线性增长态势,但其绿色化发展工作仍处于起步阶段,其发展趋势有必要进行进一步的讨论。

  2) 针对城市轨道交通发展现状,与其绿色化目标作对比,可见其主体问题体现在能耗、环境、人性化设计及绿色化评价方法等方面,所囊括的内容有运营能耗大、乘客内部环境满意度不高、空气质量较差、人性化设施设置不健全、绿色化评价方法框架未统一等方面。这样一些问题与城市轨道交通绿色化发展的目标与方向不尽一致,在推行绿色化建设过程中应将其作为重点工作内容。

  3) 在绿色城市轨道交通建设初期,应更强调相关绿色化技术与手段的落实方式。现阶段主要工作一方面应加强绿色化手段在城市轨道交通领域的投入使用,另一方面应针对城市轨道交通关于能耗、环境与绿色化技术利用现状等情况做全国范围内的调研测试并建立有关数据网络站点平台,从而确定各项技术措施使用效果,明确绿色城市轨道交通的设计的基本要求参数。

  4) 城市轨道交通绿色化发展要点是在总结国家、地方发展政策,城市轨道交通发展水平、主体问题及其对应的解决措施的基础上提出的,包括设计施工适宜化、环境保障健康化、能源系统高效化、运行维护智慧化、配套设施人性化五个组成部分,囊括了城市轨道交通各组成部分、各专业领域、所涉及人员以及全生命期的绿色化内容。

  5) 城市轨道交通绿色化发展要点及框架的提出是对其发展目标和方向的概括与总结,对于规范现有城市轨道交通行业的设计、施工、运营管理体制有着非消极作用,对城市轨道交通绿色化评价制度的制定与完善提供了思路,并且,在绿色化概念的日益扩充与深入的形势下,也对未来城市轨道交通的发展打下了坚实的基础。

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