高速公路擁堵碳排放計(jì)算模型研究

王景榮，肖 鶴，解建光

（1.江蘇交通控股有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016）

據(jù)國際能源署（IEA）推算，由能源消耗產(chǎn)生的碳排放量中，有20%以上是來源于交通部門［1］，預(yù)計(jì)到2030年這一比例還將提高到40%以上，交通行業(yè)碳減排已成為發(fā)達(dá)國家碳減排研究的重點(diǎn)方向［2］。我國交通運(yùn)輸部門的碳排放量占全社會碳排放量的25%，僅次于能源（發(fā)電）產(chǎn)業(yè)的40%，是中國碳排放的主要來源之一，而其中公路運(yùn)輸碳排放更是占了交通部門碳排放總量的85%以上［3］，因此，公路運(yùn)輸領(lǐng)域節(jié)能減排勢在必行。

江蘇省高速公路通行量較大，車輛在行駛過程中由于天氣惡劣、車輛故障或駕駛技術(shù)等原因容易發(fā)生事故，引起交通擁堵。交通擁堵會導(dǎo)致車輛行駛速度降低甚至完全停止不動，不僅延長出行時間，而且不確定性增加。同時，車輛在怠速狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)會產(chǎn)生不必要的油耗，而低速行駛狀態(tài)下的油耗遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)時速下的油耗，因此擁堵會額外造成大量的CO2排放。

論文旨在通過理論分析的方法，對高速公路擁堵碳的碳排放量化計(jì)算進(jìn)行研究，建立碳排放計(jì)算模型，為今后的高速公路低碳運(yùn)營建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 擁堵碳排放計(jì)算模型

高速公路擁堵產(chǎn)生的碳排放由車輛額外油耗造成，因此擁堵碳減排主要通過減少車輛怠速或低速行駛時間，降低車輛油耗，實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。高速公路管理公司可以通過建立應(yīng)急預(yù)案、制定相關(guān)政策、加強(qiáng)現(xiàn)場交通分流與疏導(dǎo)等方法減少交通擁堵的產(chǎn)生。計(jì)算擁堵造成的碳排放，要從擁堵時間、車量油耗、車輛類型等幾個方面入手研究。

1.1 擁堵油耗計(jì)算

高速公路擁堵根據(jù)車輛行駛狀態(tài)可以分為停止不動和緩慢移動兩種情況：

1.1.1 停止不動

在沒有明確前方道路現(xiàn)狀時，特別在夏季和冬季，駕乘人員基本不會熄火等待，因此會造成大量的怠速碳排放。在實(shí)際行駛過程中，車輛發(fā)生擁堵需經(jīng)歷減速停車階段、怠速等待階段和加速駛離階段，其中車輛減速停車階段僅為幾秒鐘，而擁堵時間通常為幾十分鐘甚至數(shù)小時，因而車輛減速階段的油耗可以忽略不計(jì)，論文僅計(jì)算車輛怠速等待階段和加速駛離階段。

（1）車輛怠速等待階段的油耗為：

式中：f1為車輛擁堵怠速階段油耗；FCw為車輛怠速單位油耗；Ta為擁堵時間。

（2）車輛加速過程中的發(fā)動機(jī)油耗情況十分復(fù)雜，目前并沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法，論文從能量角度進(jìn)行分析，根據(jù)能量守恒原則確定車輛加速過程中的油耗。車輛加速所需能量全部由汽油或柴油燃燒產(chǎn)生的能量提供，因此只需計(jì)算出車輛加速階段所需能量即可推導(dǎo)出相應(yīng)油耗，車輛加速階段所需能量為：

式中：W為車輛加速駛離所需能量；m為車輛有效質(zhì)量；V為高速公路最低限速；Fa、Fr、Fi分別為車輛行駛過程中的空氣阻力、滾動阻力、慣性阻力；L為擁堵長度；E為汽車內(nèi)部構(gòu)件摩擦產(chǎn)生的熱量；Co為滾動摩擦系數(shù)；g為重力加速度。

車輛在加速過程中平均速度較低，為便于計(jì)算，空氣阻力、慣性阻力及汽車構(gòu)件摩擦產(chǎn)生的熱量均可忽略不計(jì)。

由于車輛所需能量全部由燃油燃燒產(chǎn)生，因此車輛加速過程中油耗為：

式中：f2為加速階段車輛油耗；η為汽油燃燒效率；q為汽油熱值；ρ為汽油密度。

則交通擁堵停止不動狀態(tài)下，車輛油耗為

式中：F為車輛擁堵停止不動狀態(tài)下車輛油耗。

1.1.2 緩慢移動

車輛緩慢移動狀態(tài)下的油耗等同于該速度下對應(yīng)的百公里油耗與行駛距離的乘積，即

式中：F l為車輛擁堵緩慢移動狀態(tài)下車輛油耗；Ql為車輛在低速狀態(tài)下的百公里油耗；L為擁堵長度。

1.2 擁堵碳排放量計(jì)算

車道在擁堵過程中的油耗與正常行駛過程中的油耗之差即為擁堵產(chǎn)生的額外油耗量，再根據(jù)油耗量與CO2排放系數(shù)，即得到擁堵碳排放量。

（1）停止不動時的擁堵碳排放量計(jì)算如下：

式中：M為CO2總排放量；Ni為同一類型車輛擁堵車輛數(shù)；Qi為車輛正常行駛狀態(tài)下的百公里油耗。

（2）緩慢移動時的擁堵碳排放量計(jì)算如下：

式中：k為燃料CO2折算系數(shù)；Qi'為車輛在擁堵狀態(tài)下的百公里油耗。

在推導(dǎo)出的交通擁堵碳排放模型基礎(chǔ)上，已知高速公路年度總通行量、車輛性能以及擁堵時間、擁堵長度等數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到一次擁堵產(chǎn)生的CO2排放量，根據(jù)管理公司記錄的年度擁堵情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即得到高速公路擁堵年碳排放量。

2 車型及車輛數(shù)確定

根據(jù)擁堵碳排放模型計(jì)算公式，進(jìn)行具體碳排放量計(jì)算，需要對模型各項(xiàng)參數(shù)予以確定。論文以滬寧高速為研究對象，通過查閱文獻(xiàn)、現(xiàn)場調(diào)研以及理論分析等方法確定了擁堵碳排放模型的各項(xiàng)參數(shù)，具體如下：

2.1 代表車型

根據(jù)車輛用途和尺寸，滬寧高速公路將通行車輛劃分為11種車型，見表1。

表1 高速公路車輛類型

在高速公路運(yùn)營階段，收費(fèi)站對集裝箱長度的確定存在諸多不便，因此在實(shí)際操作過程中，統(tǒng)一將集裝箱車輛按載重量進(jìn)行分類，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)與貨車相同，通行量數(shù)據(jù)記入貨車統(tǒng)計(jì)量，因此高速公路管理公司提供的通行量數(shù)據(jù)僅包括9種車型。

由于各類車型均包含多種車輛型號，其排氣量、發(fā)動機(jī)、油耗等參數(shù)各不相同，因此需要選擇一種代表車型，將其各項(xiàng)參數(shù)代入擁堵碳排放模型，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的碳排放量。

對于7座及7座以下客車，本文根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會公布的2013年汽車銷量排行榜，選擇年銷售量排名前十的車輛，根據(jù)銷售比例計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)的加權(quán)平均值，將計(jì)算結(jié)果作為每種車型的代表車型參數(shù)。7座及7座以下客車銷售量及各項(xiàng)參數(shù)見表2。

表 2 2013年7座及以下客車銷量

根據(jù)每種車型的年銷售量、質(zhì)量、長度、百公里油耗以及怠速油耗，確定7座及7座以下客車代表車型相關(guān)參數(shù)為：

m=∑αi·mi=1 263 kg；

L1=∑αi·Li=4 543 mm；

Q=∑αi·Qi=7.0 L/100 km；

FCw=∑αi·FCw=0.25 mL/s。

對于大中型客車及貨車，由于其通行量遠(yuǎn)低于小客車通行量，因此目前并沒有權(quán)威機(jī)構(gòu)對各種車型的銷量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本文采用實(shí)地調(diào)研的方式，在滬寧高速南京收費(fèi)站進(jìn)行現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，調(diào)查得出各種車型通行量及其所占比例，調(diào)查結(jié)果見表3、表4。

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算各車型通行量所占比例，再結(jié)合每種車型參數(shù)，計(jì)算加權(quán)平均值，得到每種車型的代表車型相關(guān)參數(shù)見表5。

表3 南京收費(fèi)站7座以上客車10 h通行量比例

表4 南京收費(fèi)站貨車10 h通行量比例

表5 代表車型相關(guān)參數(shù)

2.2 擁堵車輛數(shù)

在道路發(fā)生擁堵時，每種車型的擁堵車輛數(shù)直接決定了碳排放總量，在計(jì)算過程中需要對每種車型的擁堵數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。但在實(shí)際情況中，由于人力、物力等因素的限制，對擁堵車輛數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)存在諸多不便，目前高速公路管理公司并沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，因此有必要對擁堵車輛數(shù)進(jìn)行分析確定。

根據(jù)高速公路上一年度各車型年通行量所占比例及各車型代表車型的長度，確定一種平均車型，長度由各車型的加權(quán)平均值重新計(jì)算得出，擁堵長度與平均車型長度的比值即為單車道擁堵車輛數(shù)，公式如下：

式中：L1為平均車型長度；αi為每種車型通行量比例；L2i為每種車型代表車型長度。

假設(shè)車輛在擁堵過程中車距為1 m，則單條車道擁堵車輛總數(shù)及各車型車輛數(shù)分別為：

式中：N為單條車道擁堵車輛數(shù)；Ni為各車型車輛數(shù)；C為擁堵車道數(shù)。

3 車輛油耗確定

車輛行駛速度不同，其百公里油耗也有所差異，論文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)確定客車和貨車在不同時速下的油耗見圖1、圖2［4-6］。

圖 1 不同車速下客車百公里油耗

圖 2 不同車速下貨車百公里油耗

4 燃油CO2排放系數(shù)及相關(guān)性能參數(shù)

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的溫室氣體排放系數(shù)管理表，可查得不同能源的CO2排放系數(shù)及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，見表6。

汽油、柴油密度及燃燒效率等性能參數(shù)會根據(jù)環(huán)境因素的變化而有所不同，如汽油密度會隨著溫度、氣壓等條件的改變而產(chǎn)生變化，因此僅能根據(jù)實(shí)際情況得出一個范圍值，各參數(shù)范圍見表7。

此外，在擁堵碳排放模型參數(shù)中，高速公路最低限速根據(jù)滬寧高速公路實(shí)際規(guī)定取v=60 km/h。高速公路年通行量、擁堵時間、擁堵長度以及擁堵車道數(shù)等數(shù)據(jù)作為變量，可由高速公路聯(lián)網(wǎng)中心等部門提供的年度統(tǒng)計(jì)報(bào)告獲得。

表6 部分能源碳排放系數(shù)

表7 相關(guān)能源參數(shù)范圍

5 結(jié)語

論文通過現(xiàn)場調(diào)研和查閱文獻(xiàn)等方式對交通擁堵碳排放的相關(guān)因素進(jìn)行了分析，其主要影響因素包括高速公路擁堵車輛數(shù)、車輛型號、燃油性能、擁堵時間、擁堵長度等；通過理論分析的方法，建立了高速公路擁堵碳排放計(jì)算模型，用于計(jì)算由交通擁堵造成的CO2排放量，為交通擁堵碳排放量化分析提供了理論依據(jù)。

［1］International Energy Agency（IEA）. CO2Emissions from Fuel Combustion 2009 ［M］. Pari：IEA Publication，2009：117-180.

［2］ Organisation for Economic Cooperation and Development（OECD）. Cutting Transport CO2 Emissions：What Progress?［M］.Paris：OECD Publications，2007：76-153.

［3］ 蔡博峰，曹東，劉蘭翠，等.中國交通二氧化碳排放研究［J］.氣候變化研究進(jìn)展，2011（3）：197-203.

［4］ 劉斌.高速公路對汽車油耗及大氣環(huán)境的影響分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［5］ 李景豐，薛峰，李昌虎.徐明高速公路環(huán)保節(jié)約設(shè)計(jì)理念的探索與實(shí)踐［J］.公路交通技術(shù)，2013（2）：145-146.

［6］ 趙愷彥，吳紹華，蔣費(fèi)雯，等.高速公路建設(shè)和運(yùn)營的碳足跡研究［J］.資源科學(xué)，2013，35（6）：1318-1327.