基于客運周轉(zhuǎn)量的城市軌道交通能源與碳排放定量分析

張成龍、董崇、劉克、李晟、張昕

(天津三號線軌道交通運營有限公司，天津 300392)

1 城市軌道交通總能耗的計算

城市軌道交通系統(tǒng)由車輛、供電、通信、信號、機電自動化、工務(wù)、運輸?shù)雀鱾€專業(yè)匯集而成，屬于一項系統(tǒng)性的工程。在既有線路中，未能為每一機房安裝電表，按專業(yè)疊加，計算用能設(shè)施總能耗非常困難，所以一般利用圖1 所示的方法來統(tǒng)計運營總能耗。

圖1 城市軌道交通便于統(tǒng)計的用能設(shè)施能耗

2 能源效率的計算

參考近五年城市軌道交通年度統(tǒng)計和分析報告，以及城市軌道交通節(jié)能管理探討與措施分析，現(xiàn)有四種計算城市軌道交通能源效率的方法[1]。

其一，基于客流量的能源利用效率計算（單位：千克標煤/人次）。

這種方法是利用運營總能耗折標煤計算，與客流量相除得出。這種方法的缺陷在于，沒有綜合考慮每一個乘客的運距，不全面。

其二，基于走行列公里的能源利用效率計算（單位：千克標煤/公里）。

這種方法，利用運營總能耗折標煤計算，與走行列公里相除得出。這種方法的優(yōu)點在于，每月匯總每列車的走行公里數(shù)，數(shù)據(jù)精準度非常高。缺點在于，忽略了運營的平均滿載率。

這種指標只適合作為開展招標信號、車輛廠家工作時的參考，列車運營后利用該指標評價能源利用效率沒有任何意義。

其三，基于票款收入的能源利用效率計算（單位：千克標煤/萬元）。

這種指標類似于工業(yè)生產(chǎn)的盈利效率，即每營收一萬元需要消耗多少千克標準煤。但城市軌道交通運營公司承擔(dān)著一定的社會公益責(zé)任，不能完全以盈利多少來評價城市軌道交通的價值。因此，票款收入只能作為生產(chǎn)經(jīng)營的參考指標。

其四，基于客運周轉(zhuǎn)量的能源利用效率計算（單位：千克標煤/百人公里）。

該指標是將運營總能耗與客運周轉(zhuǎn)量相除得出的，最符合“雙碳”工作精細化管理的要求。因為客運周轉(zhuǎn)量既包含客流人數(shù)信息，也包含每一個乘客的運輸距離信息，比單純的客流量信息更能體現(xiàn)客運運輸效率的指標。圖2 為六座城市近五年的能源利用效率對比（數(shù)值越低效率越高）。

圖2 六座城市近五年城市軌道交通能源利用效率變化

3 碳排放計算

通過對能源效率的計算研究，認為碳排放效率也該基于客運周轉(zhuǎn)量計算。

計算城市軌道交通運營總碳排放時，應(yīng)該對各類能耗（見圖1）分別計算并匯總相加，不能漏算。

用計算出的總碳排放量除以客運周轉(zhuǎn)量，即可得出碳排放效率。圖3 為六座城市近五年的碳排放對比（數(shù)值越低效率越高）。

圖3 六座城市近五年城市軌道交通能源碳排放變化

與城市軌道交通節(jié)能環(huán)保工作相關(guān)的指標中，平均滿載率也非常重要。

平均滿載率=客運周轉(zhuǎn)量/客位里程

客位里程=滿載客位數(shù)×運營里程

全市城軌的平均滿載率=全市城軌客運周轉(zhuǎn)量總和/（線路1 客位數(shù)×線路1 運營里程+線路2 客位數(shù)×線路2 運營里程+線路3 客位數(shù)×線路3 運營里程…….)

4 分子、分母理論

通過前文得出結(jié)論：城市軌道交通節(jié)能環(huán)保的重點不只在于限制生產(chǎn)能耗總電能，生產(chǎn)能耗總電能僅僅是分子；作為軌道交通行業(yè)中相當重要的指標——客流數(shù)據(jù)，在節(jié)能環(huán)保工作中，沒有被重視。

4.1 分子對節(jié)能環(huán)保管理的影響

公式分子中，運營總能耗，統(tǒng)計點位為線路生產(chǎn)總電量、機關(guān)辦公區(qū)食堂用電、內(nèi)燃機工程車柴油用量、公務(wù)用車汽油用量。經(jīng)計算，電能消耗為主要因素，占比99%以上。

對分子的限制，可通過技術(shù)和管理手段來節(jié)約能耗，比如風(fēng)井維護、設(shè)備房照明管理、空調(diào)機組養(yǎng)護、電扶梯變頻控制、列車牽引制動模型優(yōu)化等。但這些措施的節(jié)能空間有限，而且很多技術(shù)改進代價高昂。

4.2 分母對節(jié)能環(huán)保管理的影響

表1 為張鐵映在論文《城市不同交通方式能源消耗比較研究》中給出的北京各種交通工具能耗對比。

表1 北京各交通方式能耗對比

根據(jù)天津市交通科學(xué)研究院王博洋、張廉青的論文《基于VMT 法公交行業(yè)能耗監(jiān)測模型研究》，按柴油公交車、油電混合公交車、純電動公交車、液化氣公交 車 之 間 的 數(shù) 量 比（8∶1∶0.5∶0.5），估 算 出 表2、表3[2]。

表2 根據(jù)天津市交通科學(xué)研究院論文估算公交車能源效率

表3 根據(jù)天津市交通科學(xué)研究院論文估算公交車碳排放

結(jié)合圖2、圖3 可知，六座城市近五年的軌道交通能源效率為0.463～3.194 千克標煤/百人公里，平均值為1.569 千克標煤/百人公里；碳排放為2.189～15.1 千克二氧化碳/百人公里，平均值為7.417 千克二氧化碳/百人公里。

以天津為例，近五年能源效率約為1.627 千克標煤/百人公里，表4 為天津地區(qū)其他交通方式在實際情況下估算的能源效率和碳排放。

表4 估算各種交通方式滿載率、能源和碳排放效率

目前，地鐵作為城市公共交通的重要組成部分，平均滿載率還有巨大的提升空間。以天津地鐵為例，平均滿載率常年低于15%，甚至低至10%、5%。相比于公交車，城市軌道交通的節(jié)能減碳潛力更高。

作為分母的客運周轉(zhuǎn)量，還有巨大的增長空間。因此，提高客運周轉(zhuǎn)量，是城市軌道交通未來節(jié)能環(huán)保工作的重中之重，也是達成國家2030 年前實現(xiàn)碳達峰目標的工作重點。

5 城市軌道交通業(yè)實現(xiàn)碳達峰指標的主要手段

城市軌道交通運輸具有運輸量大、能源清潔、相對空間占用小的優(yōu)點，但存在建設(shè)期費用高昂、施工周期較長的缺點。

類似于天津這樣的城市，軌道交通長期線網(wǎng)平均滿載率不高于10%，折合到每人百公里的能源消耗和碳排放量居高不下。

結(jié)合前文，可以得出這樣一條結(jié)論：天津城市軌道交通節(jié)能環(huán)保工作的重點，不在于限制運營總耗能，而在于通過承接大量客流，提高能源利用效率。

5.1 通過分子提高能源利用效率的措施

第一，通過信號系統(tǒng)改造，改善牽引制動模型，減少頻繁的牽引、制動動作，降低閘瓦磨損，降低牽引耗能。

第二，加強照明管理。風(fēng)道和消防設(shè)備房在人走后僅保留應(yīng)急照明；非消防設(shè)備房，人走燈滅。

第三，對照明系統(tǒng)進行聲光改造，使各設(shè)備房間有人狀況下亮燈、無人狀況下滅燈，節(jié)省電力。

第四，車站電扶梯變頻功能維護。定期排查車站的電扶梯變頻情況，節(jié)省無客時的電能消耗。

第五，在列車高峰小時最大擁擠度不超過100%，滿載率10%以下的情況下，不加開小交路行車。

5.2 通過分母提高能源利用效率的措施

第一，通過《城市不同交通方式能源消耗比較研究》和前文內(nèi)容，可以得出：新能源公交車在節(jié)能方面，不如城市軌道交通有潛力。因此，最直接的手段是，從公共交通管理條例方面，徹底改變公交車站點、線路的規(guī)劃與建設(shè)思路，避免公交車和城軌“搶活”。

第二，向地方政府申請長期票價補貼，大幅度優(yōu)惠城市軌道交通票價，在較長時間吸引客流。

第三，在城市軌道交通末端布置面向青年人的保障住宅或職工宿舍。目前，在建的有武漢黃家湖城市軌道交通小鎮(zhèn)和洛陽紅山城市軌道交通小鎮(zhèn)項目。

第四，城市軌道交通票務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)加入對客運周轉(zhuǎn)量（即實際運送的旅客人數(shù)與其平均運輸距離的乘積）數(shù)據(jù)的精確采集。如果票務(wù)系統(tǒng)能夠通過票價和進出站、換乘信息，將每一個乘客的乘車距離相加，便會得到更加精準的客運周轉(zhuǎn)量值。

第五，城市軌道交通云平臺的建設(shè)應(yīng)立足全市、全線網(wǎng)軌道交通運營服務(wù)的需求。云平臺與信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、票務(wù)系統(tǒng)等都存在數(shù)據(jù)接口。云平臺采集的票務(wù)信息，應(yīng)該精確到每一張城市軌道交通客票（不管換乘了幾次）。對于短距離存在一次或多次換乘的乘客，宜按最少換乘次數(shù)計算乘坐距離；對于較長距離存在一次或多次換乘的乘客，宜按最短乘坐里程計算乘坐距離。對于具體的臨界距離或臨界車站數(shù)，應(yīng)進行專項調(diào)查論證。

第六，應(yīng)對公交車客運票務(wù)技術(shù)進行適當改善。比如，在公交車上、下車位置均設(shè)立打卡設(shè)備，將公交車票務(wù)信息遠程傳至票務(wù)主機，由主機分析客運信息，計算出實時的滿載率。此舉有利于公交車節(jié)能減碳精細化管理。

第七，通過與網(wǎng)約車、出租車公司合作，利用接單程序和票務(wù)主機，采集每一輛網(wǎng)約車、出租車的實時滿載率信息，計算空駛率，以提高網(wǎng)約車、出租車節(jié)能減碳工作的科學(xué)性、精準性。

第八，提高燃油附加稅，抑制私家車保有量，將通勤、探親、旅游、上學(xué)客流引向最節(jié)能的城市軌道交通。

6 結(jié)語

精準計算能源使用及碳排放量是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要一步。通過基于客運周轉(zhuǎn)量的能源利用效率和碳排放指標，計算各種交通方式的能源利用率，來建設(shè)城市能源和碳排放模型，以優(yōu)化制定能源價格政策，優(yōu)化交通運輸業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，是未來的重要研究方向。