我国是一个人口众多、资源相对匮乏的国家, 大力发展城市公共交通, 尤其是城市轨道交通这样一种单位能耗少、环境污染低的交通方式才是缓解交通问题的根本出路。
在阐述城市轨道交通低能耗的这一优点时, 国内外文献一般采取定性的方式与常规公交对比;也有从钢轮钢轨之间以及橡胶轮与地面之间的摩阻力方面对比, 或者从铁路与公路货物运输的能耗对比, 来进行定量分析[1]。但是城市客运公共交通有其自身的特点, 以上方法都无法深入地对比城市轨道交通与常规公交运送单位乘客的能耗之间的关系, 更无法探讨影响单位能耗的重要因素, 因此有必要从其他角度进行剖析。
单位能耗的原始含义:某种公共交通车辆运送每位乘客每公里所消耗的能量, 为该车型的单位能耗, 其单位为J/人·km。
而在实际计算和比较过程中, 车辆运行所需的牵引功率可以作为能耗比较的指标, 它间接反映车辆需克服阻力所作的功。其与能耗的关系可以表达为:
牵引功率× (1km/车速) /乘客数=车辆运送每位乘客每公里所消耗的能量
在能耗的对比分析过程中, 各车型的车速需相对固定, 因此只比较牵引功率即可。文中将理论上车辆运送每位乘客消耗的牵引功率引申定义为单位能耗的指标, 以探讨城市轨道交通与常规公交能耗间的关系以及影响因素。
本文选取三种典型的车型来进行轨道交通与常规公交能耗的对比。分别是上海市轨道交通3号线车辆 (大运量公交) 、斯特拉斯堡Citadis新型有轨电车 (中运量公交) 和国产黄海DD6123S06型客车 (低运量公交) 。计算所需的车辆基本参数见表1。
为了简化研究, 突出结果的普遍性, 本文不考虑坡度阻力和曲线段的阻力, 只研究平坡直线段的牵引功率。钢轮钢轨与橡胶轮胎车辆的牵引计算方式不同, 载客量也不同, 应按照以下方法分别进行计算牵引功率。
(1) 城市轨道交通牵引力计算。
城市轨道交通车辆牵引力可以由下式计算求得:
(2) 汽车运行的牵引力计算。
汽车牵引力:
(3) 牵引功率计算。
轨道交通车辆与汽车的牵引功率都可以按下式计算:
为了分析公共交通的满载率对于单位能耗的影响, 本文分别取满载率50%, 75%100%, 125%, 求得各个车型运送单位乘客的功率消耗, 列于表2。
由第1节公式可知, 每种车型在满载率一定的前提下, 速度是影响单位能耗的唯一因素, 表3和图1反映了满载情况下各种车型的单位能耗随速度的变化。
从表3可以看到, 随着速度的增加, 各车型的单位能耗增加的幅度都超过了速度增加的幅度, 即对于所有公交方式而言, 增加运行速度都要以增加更多的能耗为代价, 因此公共交通需选择合适的运行速度, 既满足服务水平的需要又适当降低能耗。
*注:黄海公交车载客量按照与Citadis型车箱面积比例, 换算求得上海轨道交通3号线列车按6节编组考虑
随着速度的增加, 常规公交单位能耗的增加幅度比轨道交通大, 即对常规公交而言, 速度对于单位能耗的影响要大于轨道交通, 在较高速度的运行水平下, 轨道交通更能体现出节能的优势。
显然, 本文提出的计算方式中, 满载率对于单位能耗的影响是最为关键的, 以下按照不同的满载率情况, 分别比较各车型的单位能耗, 并探讨满载率对单位能耗的影响规律。
为了表现不同满载率下能耗的变化程度, 将各满载率水平下的能耗实际值与满载时能耗相比, 得到相对能耗指标, 作为对比分析的参考量。对于轨道交通而言, 由第1节的公式可以推导出, 在各速度下, 不同满载率的能耗的相对大小是固定的, 即在不同速度下满载率对于能耗的影响作用是相同的。于是, 单位能耗随满载率的变化情况可以见表4及图2和图3。
显然, 对于每种公交方式而言, 满载率不足50%时, 单位能耗将比满载时的能耗超出65%以上, 很不经济。而提高满载率可以有效得降低单位能耗, 在满载率125%时可以节省约14%的单位能耗。
另一点值得注意的是:按照通常的观点, 轨道交通的单位能耗受满载率影响要远大于常规交通, 这是由于轨道交通的空车质量较重造成的。但从图2可以看出, 速度小于40km/h时, 常规公交与轨道交通相比, 满载率对于单位能耗的影响程度小;而超过40km/h时, 随着速度的增加, 常规公交满载率50%时的能耗比100%时的能耗增加的幅度不断加大, 甚至超过了轨道交通。这说明低速时与我们的常规认识较符合, 轨道交通单位能耗受满载率的影响较大, 但高速时常规公交的能耗反而受满载率的影响更大;同样, 在图3的125%满载率的单位能耗变化趋势中也得到了相同的规律。
主要结论如下。
(1) 大运量的城市轨道交通单位能耗比中运量的轨道交通低, 但是二者比较接近。
(2) 满载情况下, 常规公交的单位能耗在各个速度水平下, 均为轨道交通的4倍以上, 能耗之比在4~5之间。
(3) 在城市公共交通的速度范围之内 (≤100km/h) , 速度对于单位能耗的影响程度, 常规公交要大于轨道交通。
(4) 对于常规公交和轨道交通而言, 满载率仅为50%时, 单位能耗比100%满载率时增加66%~71%, 而125%的满载率会使得单位能耗降低14%左右。提高公共交通的满载率对于节约单位乘客能源消耗的效果是明显的。
待研究的问题如下。
(1) 车辆的不同操作方式、交叉口的信号优先与否等条件对能耗有一定影响, 需要进一步研究理论能耗数据与实测数据的差异。
(2) 以牵引功率作为能耗比较的指标, 可以比较钢轮钢轨系统和橡胶轮胎系统的理论意义上的能耗, 但还不能反映车辆消耗能量的实际情况, 例如内燃机和电动机的效率大不相同, 它们为转化牵引力所消耗的能量就不同, 可以进一步分析不同动力装置的公交方式其能耗的对比。
摘要：本文通过计算典型钢轮钢轨制式的轨道交通车辆和橡胶轮胎走行的常规公交车辆在不同满载率和速度水平下, 运送单位乘客理论上需要的牵引功率, 从而得出城市轨道交通与常规公交理论能耗间的关系:在满载情况下, 常规公交的理论单位能耗在各个速度水平下, 均为轨道交通的4～5倍;此外, 还探讨了满载率和速度两个因素对于公交车辆单位能耗的影响趋势和程度。
关键词：城市轨道交通,常规公交,对比分析,单位能耗
[1] 冯卓津.城市有轨电车发展前景[J].城市公共交通, 2002 (3) :23.
[2] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册 (线路) [M].北京:中国铁道出版社, 1999:46～47.
[3] 吴瑞麟, 沈建武.道路规划与勘测设计[M].广州:华南理工大学出版社, 2002:90～92.
[4] 张学利, 何勇.汽车动力性检测中的滚动阻力[J].公路交通科技, 2000 (5) :93～9 5.
推荐阅读：
城市轨道交通运营方式06-07
城市轨道交通专业术语07-02
城市轨道交通工程测量05-26
轨道交通建设管理06-21
城市绿化苗木现状与分析06-03
“公交优先”示范城市创建工作报告07-01
城市触媒理论06-25
轨道运输检查标准06-21
城市公共交通基本知识05-29
