方雪嬌
(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350108)
我國是世界第二能源消耗大國,而城市交通是我國能源消耗的大戶[1],特別是高度依賴石油消耗使其發(fā)展堪憂。同時(shí),近年來機(jī)動(dòng)車的激增也導(dǎo)致交通成為城市大氣污染的重要來源[2]。2009年,全國燃油機(jī)動(dòng)車占到99%;其中,僅占機(jī)動(dòng)車保有量2.1%的大型載客汽車排放的CO、HC、NOx和PM均超過總量的16%,其中不乏公交客車的污染貢獻(xiàn)[3]。最新國家發(fā)展規(guī)劃綱要中明確提出“十二五”“節(jié)能減排”目標(biāo)——“單位 GDP能耗和二氧化碳排放分別下降16%和17%,主要污染物化學(xué)需氧量、二氧化硫排放總量均下降8%,氨氮和氮氧化物均減排10%”,“節(jié)能減排”指標(biāo)也將分解落實(shí)到各級(jí)政府工作中,作為政府年度責(zé)任考核指標(biāo)。因此,不僅是各級(jí)地方政府而且各行業(yè)主管部門都必須嚴(yán)肅完成節(jié)能減排細(xì)分的指標(biāo),這也是公共交通領(lǐng)域的必然趨勢。
近年來國內(nèi)外在交通節(jié)能減排領(lǐng)域的研究漸多,但主要集中于從政策或車輛研發(fā)或尾氣排放指標(biāo)估算來闡述公交車的發(fā)展情況[4-8],少量文獻(xiàn)嘗試比較天然氣及柴油等車型的成本以評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性[9]。而分析認(rèn)為政府將會(huì)要求公交企業(yè)以“十二五”節(jié)能減排指標(biāo)為控制條件來開展工作,故本文就如何制定城市公交系統(tǒng)新能源發(fā)展模式構(gòu)筑體系及流程,并通過建模得到包括外部成本在內(nèi)的社會(huì)成本最小化時(shí)的福州市公交運(yùn)力發(fā)展計(jì)劃,定性定量地剖析政策建議。
首先,本文制定了城市公交系統(tǒng)新能源發(fā)展模式的體系流程:通過總結(jié)國內(nèi)外公共交通節(jié)能減排的方法,根據(jù)各個(gè)城市發(fā)展的實(shí)際情況分階段選用公交車用能源類型,搜集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立模型,預(yù)測單位GDP能耗與二氧化碳排放、二氧化硫和氮氧化物排放指標(biāo)降幅情況,以“五年計(jì)劃”為一個(gè)周期,以節(jié)能減排指標(biāo)及配套設(shè)施為限制條件,以最優(yōu)化包括直接投入和外部成本在內(nèi)的全周期社會(huì)總成本為目標(biāo),建立最優(yōu)化模型,最終為企業(yè)規(guī)劃“五年計(jì)劃”期間公交運(yùn)力發(fā)展,為政府分擔(dān)能耗節(jié)約及二氧化碳、污染物減排任務(wù)。具體制定體系流程見(圖1)。
圖1 城市公交系統(tǒng)新能源發(fā)展模式制定的體系流程圖
城市公共交通按照運(yùn)輸工具可分為以地鐵、輕軌、現(xiàn)代有軌電車等為主的快速軌道交通和地面常規(guī)公交兩大系統(tǒng),大力發(fā)展軌道交通本身就是在推進(jìn)節(jié)能減排,本文則是研究針對(duì)地面常規(guī)公交系統(tǒng)的節(jié)能減排。地面常規(guī)公交節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)策略很多,可按車輛動(dòng)力、車輛結(jié)構(gòu)和軟手段提出“推廣節(jié)能與新能源車輛”、“提升車輛節(jié)能減排系統(tǒng)”和“管理政策手段”三個(gè)層面的策略。其中公交車輛的節(jié)能與新能源技術(shù)非常具有發(fā)展?jié)摿Γ臆囉媚茉吹倪x擇最大程度上影響著城市公交發(fā)展模式的確定,包括公交車輛配置、場站規(guī)劃等。
現(xiàn)階段,可將公交車輛按照燃料狀態(tài)和能量轉(zhuǎn)化形式,分為燃?xì)忸?、液體燃料類和電動(dòng)類。燃?xì)忸惞卉囍饕?LPG(液化石油氣)、CNG(壓縮天然氣)、LNG(液化天然氣)和DME(二甲醚)公交車輛;液體燃料類公交車主要包括汽油、柴油、其他代用燃料(生物柴油、醇類(甲醇、乙醇))公交車輛;電動(dòng)類公交車主要包括混合動(dòng)力 HEV、純電動(dòng)(蓄電池SBEV、超級(jí)電容SCEV、電池電容 BCEV)、燃料電池、無軌電車等公交車輛。除了汽柴油車,其他能源車可統(tǒng)稱為節(jié)能與新能源公交客車,均值得推廣。
綜合分析對(duì)比各種節(jié)能與新能源技術(shù)的在國內(nèi)公交車上應(yīng)用的優(yōu)勢、難點(diǎn)、推廣可能性及實(shí)際情況,預(yù)測近期(2010~2020年)、中期(2020~2050年)、遠(yuǎn)期(2050年后)各技術(shù)的應(yīng)用前景:
1)近期可以重點(diǎn)推廣技術(shù)最成熟、先進(jìn)的LNG/CNG公交車,但需要政府在配套方面的資金支持,中期將占有較大市場份額,遠(yuǎn)期則因天然氣的衰竭而減少。
2)LPG公交車技術(shù)雖成熟,但相比天然氣,排放和成本存在劣勢,近中期只做部分補(bǔ)充,遠(yuǎn)期份額也漸少。
3)DME公交車的燃料由于適合中國資源優(yōu)勢,目前已經(jīng)形成一支涵蓋整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)團(tuán)隊(duì),一旦攻克關(guān)鍵技術(shù)、燃料價(jià)格等難點(diǎn),近中期可適度發(fā)展,遠(yuǎn)期利用生物質(zhì)制造燃料,則有更好的發(fā)展空間。
4)醇類燃料、生物柴油公交車在燃料來源豐富的地方市場競爭力強(qiáng),近期只能作為添加劑但實(shí)現(xiàn)容易,是目前條件具備的部分城市的最佳選擇。中后期因其再生性,只要降低成本,則將有較大發(fā)展。
5)由于電動(dòng)類公交車具有電能來源非常豐富、能源效率高、運(yùn)行零污染且噪聲小等主要優(yōu)點(diǎn),使其在政策上能得到政府更大的支持。
①混合動(dòng)力公交車因其現(xiàn)階段具備的明顯優(yōu)勢,近期的發(fā)展前景非常好,將進(jìn)入快速產(chǎn)業(yè)化階段,但它只能減少而無法擺脫對(duì)石油的依賴,在中期和遠(yuǎn)期則日漸減少。
②蓄電池和超級(jí)電容公交車各具優(yōu)缺點(diǎn),前者因電池能量密度小,在價(jià)格上競爭力稍顯不足;后者主要為考慮改造無軌電車的城市交通提供一種解決方案。而電池-電容公交車綜合上述兩種車輛的優(yōu)點(diǎn),只要配套設(shè)備完善,近期可作為示范運(yùn)行,相信中遠(yuǎn)期將占據(jù)市場較大部分。
③氫燃料電池公交車近期應(yīng)在更多城市推廣示范運(yùn)營,中期憑借國內(nèi)在該領(lǐng)域的突破開始較大規(guī)模生產(chǎn)并制定相關(guān)市場機(jī)制,在遠(yuǎn)期成為公交車行業(yè)的主力軍。
總之,天然氣、混合動(dòng)力及 LPG等屬于過渡燃料,近期將大大增加,遠(yuǎn)期則慢慢退出歷史舞臺(tái);DME、醇類、生物柴油爭取中遠(yuǎn)期作為輔助燃料;電能的上升勢頭最猛,中遠(yuǎn)期純電動(dòng)車屬于主力車型,燃料電池則是未來重點(diǎn)發(fā)展的方案。不斷升級(jí)和持續(xù)增長的城市公交客車應(yīng)順應(yīng)這一發(fā)展趨勢。
根據(jù)福州配套設(shè)施的建設(shè)規(guī)劃,建議近、中、遠(yuǎn)期福州市公共交通選取車用能源方案如下:
1)近期,發(fā)展天然氣公交車為主,輔以混合動(dòng)力、純電動(dòng)公交車,試運(yùn)行燃料電池車,補(bǔ)充高節(jié)能低排放柴油車,并盡量加裝液壓儲(chǔ)能系統(tǒng)。
①借助于福州正在建設(shè)的天然氣加氣站點(diǎn)規(guī)劃,福州應(yīng)大力發(fā)展天然氣公交車,一方面新增CNG和LNG公交車,另一方面對(duì)未達(dá)到歐IV排放標(biāo)準(zhǔn)的公交車進(jìn)行CNG、LNG改裝;
②順應(yīng)國家發(fā)展方向,盡快申請(qǐng)加入“節(jié)能與新能源汽車試點(diǎn)示范城市”,加快發(fā)展混合動(dòng)力公交車,并協(xié)調(diào)發(fā)展充電設(shè)施,為后期電動(dòng)車的發(fā)展和設(shè)施的建設(shè)做鋪墊;
③選取2~5條公交線路開展電池電容公交車推廣示范工程,爭取開通1條燃料電池公交車示范運(yùn)營線;
④受限于前期基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)程,仍需要新增滿足歐IV、歐V排放標(biāo)準(zhǔn)的新型高效柴油公交車;
⑤應(yīng)盡量對(duì)新增的柴油和天然氣公交車安裝液壓式能量回收系統(tǒng),無需增加配套便可進(jìn)一步節(jié)能減排(以下對(duì)加裝液壓儲(chǔ)能系統(tǒng)的公交車簡稱為HHV)。
2)中期,大規(guī)模引進(jìn)混合動(dòng)力,穩(wěn)步發(fā)展天然氣公交車,正式引進(jìn)運(yùn)行蓄電池和電池電容等純電動(dòng)公交車,大規(guī)模配套建設(shè)充電站,擴(kuò)大氫和物理燃料電池公交車的車隊(duì)和加氫站的建設(shè),補(bǔ)充部分歐VI、歐VII及更高排放標(biāo)準(zhǔn)的新型高效柴油車,并全部加裝液壓儲(chǔ)能系統(tǒng)和污染控制設(shè)備。
3)遠(yuǎn)期,隨著氫氣成本的下降和加氫站網(wǎng)絡(luò)的完善,以發(fā)展燃料電池公交車為主,輔以純電動(dòng)公交車,補(bǔ)充部分LNG-電能混合動(dòng)力公交車。
以福州市為例,遵循城市公交發(fā)展模式研究的流程,根據(jù)福州閩運(yùn)公司、福州公交集團(tuán)等提供的數(shù)據(jù),以及參考上海、北京、長沙等各地的文獻(xiàn)資料,以“十二五”節(jié)能減排指標(biāo)為控制條件,通過建模得到社會(huì)成本(直接投入成本(Input Cost,IC)與外部成本(External Cost,EC)之和)最小化時(shí)的運(yùn)力發(fā)展計(jì)劃。
目標(biāo)函數(shù)包括4類,1)“十二五”期間所有公交車輛的全周期社會(huì)成本(Life Cycle Social Cost,簡稱LCSC);2)僅計(jì)算五年內(nèi)的社會(huì)成本(Twelfth Five-Year Social Cost,簡稱TFYSC);3)混合動(dòng)力公交車無購置補(bǔ)貼下LCSC;4)電池電容公交車無購置補(bǔ)貼下LCSC。假設(shè)預(yù)測年期間各類型公交車產(chǎn)生的GDP一樣。模型條件集及指標(biāo)解釋見(表1)。
表1 模型條件集及指標(biāo)解釋
2.2.1 成本指標(biāo)估算
按照福州市城區(qū)公交車平均日行里程230km,全年運(yùn)行330天計(jì)算,得到福州市各類公交車日均耗油、氣或電數(shù)據(jù)、日均CO2排放量及年均污染物排放量,見(表 2、表 3)。
根據(jù)《關(guān)于開展節(jié)能與新能源汽車示范推廣試點(diǎn)工作的通知》中十米以上城市公交客車示范推廣補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn),公交企業(yè)將得到中央財(cái)政給予購置的資金補(bǔ)助,如下表所示。以公交車生命周期8年計(jì)算,得到各類公交車的全生命周期內(nèi)直接投入的經(jīng)濟(jì)成本(包括車輛購置、能源消耗、維修更換、配套設(shè)施、報(bào)廢回收)如(表4)所示。
從(表4)可以看到,LNG公交車在全周期中比柴油車節(jié)省成本最多超過百萬,緊接著是蓄電池、電池電容和超級(jí)電容公交車,CNG公交車節(jié)省將近75萬元,加裝了液壓儲(chǔ)能器的柴油公交車也能節(jié)省45萬元,混合動(dòng)力公交車成本節(jié)約最少但也達(dá)20萬元。如果采購新型公交車沒有政府的補(bǔ)貼,那么混合動(dòng)力公交車全周期將比柴油車虧損15.88萬元。
同時(shí)根據(jù)市場報(bào)價(jià),改裝成1輛CNG公交車約需0.8~1.0萬元;若采用國產(chǎn)件改裝LNG車,中型車成本約1.5萬元,重型車約2.2萬元;公交車裝用液壓混合動(dòng)力裝置報(bào)價(jià)為7萬元??梢酝扑愠鋈舾难b1輛CNG公交車,僅需一個(gè)月就可以回收改裝成本;若改裝1輛LNG公交車,也只需一個(gè)半月就可回收成本;而加裝一套液壓儲(chǔ)能器,在一年又一個(gè)月后便將成本回收。可見公交車“油改氣”的效益非常好,安裝液壓能量回收系統(tǒng)的效益亦不錯(cuò)。純電動(dòng)公交車的年均運(yùn)營成本比柴油車減少了近20萬元,效益非常可觀。由于混合動(dòng)力系統(tǒng)比較復(fù)雜,維修成本較高,因此年均節(jié)省費(fèi)用最少,需要繼續(xù)深入研究攻克混合動(dòng)力技術(shù)。
目前交通運(yùn)輸外部成本主要包括大氣污染、全球變暖、噪聲、擁堵、事故成本等。對(duì)于不同能源的公交車,前兩者相差最大,因此本文主要計(jì)算大氣污染成本和溫室效應(yīng)成本之和。目前國際上對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣排放造成的大氣污染經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了大量研究,但由于評(píng)估方法和研究區(qū)域的不同,評(píng)估結(jié)果往往差異較大[10]。本研究利用國外相似的研究成果計(jì)算不同公交車的具體污染物單位污染成本,如(表5)所示。二氧化碳減排量每噸價(jià)格按照我國已簽署的CDM合同中約80元人民幣計(jì)算,得到車均外部成本見(表6)。
2.2.2 配套設(shè)施的制約
以全生命周期總社會(huì)成本最小化為目標(biāo),得到2011年~2015年間福州市的公交運(yùn)力發(fā)展方案,知LNG、BCEV、CNG、HHV、HEV、Diesel Vehicle的邊際效用依次降低,即如果不考慮配套設(shè)施的制約,LNG在年均增長542輛而其他車種車輛基本為0時(shí),LCSC最小。
但是,根據(jù)《福建省天然氣汽車加氣發(fā)展規(guī)劃》,到2015年福州市區(qū)的天然氣加氣站發(fā)展規(guī)模為滿足約692輛 CNG公交車、1618輛 LNG公交車每天的加氣需求,即 CNG、LNG年均約 138、277輛的發(fā)展速度。同時(shí),一個(gè)具備10個(gè)充電設(shè)備的大型充電站的建設(shè)周期為2~3個(gè)月,前期規(guī)劃征地招投標(biāo)需要2~3個(gè)月,建成可同時(shí)服務(wù)14~20輛公交車,保證白天運(yùn)行、夜間充電,因此若建立一個(gè)20輛左右電池電容車隊(duì),需要充電設(shè)備10個(gè),全周期需4~6個(gè)月,如此一年發(fā)展3個(gè)車隊(duì)的速度比較合理,即年均引進(jìn)60輛電池電容公交車。可見,加氣站和充電站配套設(shè)施的建設(shè)規(guī)模直接制約天然氣和電動(dòng)公交車的發(fā)展。
若依次考慮加氣站或充電站配套設(shè)施限制車輛發(fā)展,LNG、BCEV、CNG的增長與 LCSC的曲線圖如(圖2)所示,可見三者的上下限分別為(542,277)輛,(266,60)輛和(285,138)輛,且每增加一輛車三者對(duì)應(yīng)的LCSC變化量分別為-133.78、-218.30/-69.10、-149.56萬元。
在上述配套設(shè)施限制下,若加裝液壓儲(chǔ)能器的歐IV或歐V公交車以年均增加100輛的速度發(fā)展,則HEV每年新增車輛可達(dá)到106輛。最終得到模型的結(jié)果如(表7)所示,即福州市2011年 ~2015年公交運(yùn)力發(fā)展計(jì)劃。
表2 燃料日均消耗及CO2排放量對(duì)比
表3 年均污染物排放量對(duì)比 /kg
表4 8年綜合成本對(duì)比 /萬元
表5 研究所采用的大氣污染單位成本 /$/t
表6 年均外部成本對(duì)比 /萬元
表7 “十二五”福州市區(qū)公交運(yùn)力發(fā)展計(jì)劃 /輛
圖2 配套設(shè)施限制車輛發(fā)展與LCSC的關(guān)系
控制2015年總車數(shù)保持在4000輛,對(duì)最終方案計(jì)算配套設(shè)施產(chǎn)生的影響。一般一個(gè)加氣子站的供氣規(guī)模為1.2~1.5或1.5~2.0萬 Nm3/日,可供約166~277輛CNG公交車或74~124輛 LNG公交車日加氣一次。由于CNG、LNG公交車加1次氣分別可行駛1天和2天,因此若在2011年增加一個(gè)LNG加氣子站,可再投入148~248輛LNG車,LCSC將最小減少4.16億元;若增加一個(gè)CNG加氣子站,則可再投入166~277輛CNG車,LCSC將最小減少3.48億元。若增加一個(gè)大型充電站,可再投入20輛BCEV,LCSC將減少3.31億元。
2.2.3 補(bǔ)貼與否
以HEV和BCEV無補(bǔ)貼作為目標(biāo)函數(shù)求最小,計(jì)算得到若無國家補(bǔ)貼支持,單從企業(yè)的角度縱使考慮外部成本,每年可選用HEV和BCEV的車輛數(shù)都將從106輛、265輛分別降至6輛、0輛。有無補(bǔ)貼的全周期社會(huì)成本及外部成本對(duì)比如(表8)所示,可見外部成本有不同程度的降低,公交企業(yè)和地方政府投入的成本也大大減少。
因此,當(dāng)公交企業(yè)將獲得巨大資金的補(bǔ)助,使用節(jié)能與新能源車輛的積極性勢必得到極大的提高,不僅有利于減輕地方政府的財(cái)政負(fù)擔(dān),促進(jìn)公交事業(yè)和高新科技的發(fā)展,同時(shí)更能得到社會(huì)和企業(yè)對(duì)節(jié)能減排工作開展的支持。建議,福州市政府應(yīng)抓住國家“深入開展節(jié)能與新能源汽車試點(diǎn)示范”的契機(jī),積極結(jié)合福州實(shí)際情況研究制定公共交通節(jié)能減排相關(guān)規(guī)劃,爭取獲得30個(gè)節(jié)能與新能源汽車示范城市中的1個(gè)名額。
2.2.4 短期與長期效益比較
如果僅考慮“十二五”期間的總社會(huì)成本最小化(目標(biāo)函數(shù)3),邊際效用從大到小依次為LNG、CNG、HHV、BCEV、HEV。在 LNG和 CNG每年發(fā)展 277、138輛的限制下,最優(yōu)方案為BCEV以每年12輛的速度發(fā)展,遠(yuǎn)低于配套可提供的60輛的規(guī)模。同時(shí)比較2個(gè)公交運(yùn)力發(fā)展方案,發(fā)現(xiàn)除了“十二五”期間的總社會(huì)成本和總投入成本較小外,全生命周期內(nèi)的總社會(huì)成本、兩時(shí)期的外部成本都較大,如(表9)所示。充分說明,若僅考慮短期效益最大化,則長期利益勢必受損。
因此,雖然創(chuàng)新的技術(shù)會(huì)帶來長遠(yuǎn)的效益,但是近期卻無法看到。長期與短期目標(biāo)的協(xié)調(diào),關(guān)乎企業(yè)和政府職能與管理責(zé)任的價(jià)值觀判斷,企業(yè)一般不可能放棄短期目標(biāo),此時(shí)更要政府立足長遠(yuǎn)發(fā)展給予新能源車輛適當(dāng)?shù)恼邇A斜。
按照福州公交運(yùn)力發(fā)展計(jì)劃,預(yù)測2011年 ~2015年車均投入成本和外部成本,兩者均呈下降趨勢,投入的成本能夠帶來的環(huán)境效益逐年增加(圖3)。
圖3 福州“十二五”期間車均投入成本和外部成本
表8 有無補(bǔ)貼情況下LCSC和LCEC比較 /萬元
表9 五年期或全周期利益最大化下各類成本比較 /萬元
城市新能源公交車輛的發(fā)展需要政府各部門在規(guī)劃、用地、財(cái)稅及產(chǎn)業(yè)等方面給予保障,具體包括:結(jié)合公共交通首末站的布局來協(xié)調(diào)加氣站、充電站的選址規(guī)劃,并落實(shí)輸氣管網(wǎng)、充電網(wǎng)絡(luò)和場站等配套設(shè)施的用地建設(shè);建立節(jié)能減排專項(xiàng)基金,??顚S?,保障新型能源產(chǎn)業(yè)的科研開發(fā)、推廣應(yīng)用和配套建設(shè),給予加氣、充電站等適當(dāng)?shù)亩愂諆?yōu)惠;地方政府需積極支持、引導(dǎo)發(fā)展車輛制造行業(yè),促進(jìn)天然氣和電動(dòng)公交車、“油改氣”、高效車輛構(gòu)件和能源回收系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化和規(guī)范化;構(gòu)建智能調(diào)度和公交優(yōu)先系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)信息資源一體化服務(wù);做好公交車輛的報(bào)廢、檢測和維修等的監(jiān)督工作;公交企業(yè)對(duì)員工下達(dá)節(jié)約燃油和減少排放的考核指標(biāo),提出適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)懲方案。
公共交通是政府“節(jié)能減排”的主抓領(lǐng)域,各地各城市選擇適宜發(fā)展的公交模式及運(yùn)力計(jì)劃至關(guān)重要。本研究旨在表明只要遵循“油→氣→生物類→電”的能源發(fā)展規(guī)律分階段、有計(jì)劃地推動(dòng)公交車輛能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化,不但可以降低公交系統(tǒng)的直接投入成本,而且能確保甚至加快實(shí)現(xiàn)政府節(jié)能減排的目標(biāo)。通過模型定量論證得到加大配套設(shè)施的建設(shè)、適當(dāng)補(bǔ)貼政策將提高新能源車輛的邊際效益,有利于新能源車輛的推廣,最終減少企業(yè)和社會(huì)成本;并認(rèn)為短期利益最大化必定損害長期效益,政府著眼于長遠(yuǎn)發(fā)展應(yīng)給予公交企業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)短期內(nèi)一定的扶持。同時(shí)以福州市為實(shí)例,建議市政府應(yīng)爭取獲得“節(jié)能與新能源汽車示范城市”名額,保障配套設(shè)施和補(bǔ)貼政策、推廣應(yīng)用新能源車輛等,力?!笆濉惫?jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),對(duì)其他城市的新能源公交發(fā)展有借鑒作用。
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