“雙碳”背景下城市軌道交通綠色發(fā)展

楊建興

0 引言

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論中宣布：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。隨后，中央層面不斷加快建立“1+N”政策體系，先后發(fā)布了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》和《2030碳達(dá)峰行動方案》，為我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)制定了時間表和路線圖。中國城市軌道交通協(xié)會也于2022年8月發(fā)布了《中國城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動方案》，全面落實(shí)國家的“雙碳”目標(biāo)，統(tǒng)籌城軌行業(yè)的雙碳行動和綠色城軌發(fā)展，以綠色轉(zhuǎn)型為主線，清潔能源為方向，節(jié)能降碳為重點(diǎn)，智慧賦能，創(chuàng)新驅(qū)動，開展六大綠色城軌行動，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，建成綠色城軌[1-3]。

1 城市軌道交通綠色發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀

截至2022年底，中國（不含港澳臺）共有55個城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路，共計(jì)308條，線路總長10 287.45 km，全年累計(jì)完成客運(yùn)量193.02億人次，總客運(yùn)周轉(zhuǎn)量1 584.37億人次公里，城軌交通客運(yùn)量占公共交通客運(yùn)總量的45.82%[4]。未來，超大線網(wǎng)規(guī)模城市將以線網(wǎng)局部優(yōu)化為主，初具線網(wǎng)規(guī)模城市將隨著線路不斷增多呈現(xiàn)線網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大的發(fā)展趨勢。

1.2 城市軌道交通能耗及碳排放現(xiàn)狀

城軌交通能耗以電能消耗為主，軌道交通碳排放總量中，外購電力產(chǎn)生的間接排放占比90%，電力能耗是碳排放的主要因素。一般情況下，列車牽引能耗占總能耗的53%左右，動力照明能耗占總能耗的47%左右；車站通風(fēng)空調(diào)、照明、自動扶梯等系統(tǒng)能耗占車站設(shè)備系統(tǒng)能耗的70%～80%；牽引和環(huán)控是節(jié)能降碳的重點(diǎn)攻關(guān)方向。

2022年，全國城軌交通總電能能耗227.92億kW·h，其中牽引能耗113.15億kW·h，隨著新投運(yùn)線路的不斷增加，總體能耗指標(biāo)不斷增長，碳排放總量呈現(xiàn)不斷增長態(tài)勢。2022年，城軌交通平均每車公里總電能耗3.72 kW·h，同比下降0.48%，各城市平均每人次公里總電能耗0.144 kW·h，同比上升34.02%，城市軌道交通客運(yùn)強(qiáng)度越大，越有利于降低平均人次公里能耗，越有利于降低碳排放，通過提高軌道交通乘客出行占比實(shí)現(xiàn)綠色低碳出行也是一個重要方面[4]。

1.3 城軌交通節(jié)能降碳技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，城市軌道交通從技術(shù)節(jié)能和智慧賦能兩個方面采取了很多有效的措施，以提高乘客出行占比、降低能源消耗、提高運(yùn)輸和運(yùn)維效率，在節(jié)能減排方面取得了很好的效果。

1.3.1 技術(shù)節(jié)能措施

通過采用節(jié)能技術(shù)和設(shè)計(jì)方案優(yōu)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能，主要包括：通過線路選線優(yōu)化曲線半徑、優(yōu)化線路節(jié)能坡度、優(yōu)化區(qū)間泵房位置、合理確定列車編組等實(shí)現(xiàn)線路運(yùn)營節(jié)能；通過VVVF交流變頻變壓、車輛的輕量化設(shè)計(jì)、列車智能空調(diào)及照明、列車自動控制等實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能；通過合理設(shè)置交直流網(wǎng)絡(luò)電壓等級及供電分區(qū)、合理選擇節(jié)能型非晶合金變壓器、合理設(shè)置牽引所及跟隨所、應(yīng)用再生制動及儲能技術(shù)、采用導(dǎo)電率高的鋼鋁復(fù)合軌、采用節(jié)能型LED燈具、場段應(yīng)用光伏發(fā)電等實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)節(jié)能；通過合理確定通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)制式、采用風(fēng)機(jī)變頻控制、群控及風(fēng)水節(jié)能控制、磁懸浮直膨空調(diào)機(jī)組應(yīng)用等實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能；通過設(shè)置線網(wǎng)、線路能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源管理節(jié)能；通過車站照明、通風(fēng)等機(jī)電設(shè)備時間表控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式節(jié)能；通過合理控制土建規(guī)模、合理確定系統(tǒng)容量等實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化節(jié)能。

1.3.2 智慧賦能

2020年3月發(fā)布的《中國城市軌道智慧城軌發(fā)展鋼要》提出構(gòu)建智慧乘客服務(wù)體系、智能運(yùn)輸組織體系、智能能源系統(tǒng)體系、智能列車運(yùn)行體系、智能運(yùn)維安全體系、城軌云與大數(shù)據(jù)平臺等相關(guān)板塊，均針對智慧賦能城軌交通作了明確要求。

通過智慧乘客服務(wù)體系的實(shí)名制乘車、無感支付、票檢合一、智慧車站、智能列車等技術(shù)為提高乘客出行占比賦能；智能運(yùn)輸組織體系的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營、智能調(diào)度可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸組織精細(xì)化和資源優(yōu)化配置，為提高運(yùn)輸效率賦能；智能能源系統(tǒng)體系構(gòu)建的電能質(zhì)量優(yōu)化控制、再生制動及新能源、永磁牽引及雙向變流、智能能源系統(tǒng)為提高能源系統(tǒng)節(jié)能率賦能；智能列車運(yùn)行系統(tǒng)的全自動運(yùn)行、互聯(lián)互通等為高效的乘客服務(wù)、列車運(yùn)行賦能；智能運(yùn)維安全體系構(gòu)建的多專業(yè)智能運(yùn)維體系為提高網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維效率賦能；城軌云與大數(shù)據(jù)平臺作為智慧城軌數(shù)字底座，業(yè)務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一部署承載，實(shí)現(xiàn)弱電系統(tǒng)資源集約和節(jié)能降耗，為智慧城軌總體賦能[5]。

2 城市軌道交通綠色發(fā)展路徑

基于城市軌道交通綠色低碳發(fā)展的目標(biāo)，城軌企業(yè)應(yīng)將發(fā)揮自身優(yōu)勢和國家配套支持政策相結(jié)合，踐行綠色低碳發(fā)展理念，成立企業(yè)綠色低碳發(fā)展機(jī)構(gòu)，制定綠色城軌建設(shè)工作框架，統(tǒng)籌規(guī)劃、因地制宜，按照網(wǎng)絡(luò)化理念分“線網(wǎng)、線路、站段”3個層次統(tǒng)籌雙碳發(fā)展，從規(guī)劃設(shè)計(jì)源頭落實(shí)節(jié)能降耗和吸引客流措施，堅(jiān)持節(jié)約能源和資源優(yōu)先原則，堅(jiān)持綠色、低碳、節(jié)能效果導(dǎo)向，推動綠色建造和綠色裝備創(chuàng)新升級，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行模式和工藝流程，創(chuàng)新運(yùn)營模式和維保模式，依托智慧賦能智能能源管理，綠智融合，構(gòu)建涵蓋綠色低碳規(guī)劃、綠色低碳設(shè)計(jì)、綠色低碳建造、綠色低碳運(yùn)營、綠色低碳維保等全生命周期的綠色發(fā)展體系，如圖1所示。

圖1 城市軌道交通綠色發(fā)展體系

2.1 綠色低碳規(guī)劃

依托規(guī)劃及既有運(yùn)營線路客流評估，科學(xué)合理開展線網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)規(guī)劃，統(tǒng)籌融合市域（郊）多層次網(wǎng)絡(luò)，提高線網(wǎng)覆蓋程度。以四網(wǎng)融合（干線鐵路網(wǎng)、城際鐵路網(wǎng)、市域/郊鐵路網(wǎng)、城市軌道交通網(wǎng)融合）和站城融合的理念推進(jìn)線網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)規(guī)劃實(shí)施，加強(qiáng)站點(diǎn)與商業(yè)、道路、管廊等周邊業(yè)態(tài)的銜接，重塑一體化城市空間布局，提升乘客軌道交通出行體驗(yàn)。以資源共享的理念，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化共享，創(chuàng)造條件實(shí)現(xiàn)車輛、信號、供電、車輛維修、乘客服務(wù)等資源及設(shè)備設(shè)施的互聯(lián)互通。線網(wǎng)規(guī)劃、既有線改造規(guī)劃、能源規(guī)劃、節(jié)能環(huán)保規(guī)劃等分解落實(shí)雙碳目標(biāo)，開展雙碳和綠色軌道交通專項(xiàng)論證[6]。

2.2 綠色低碳設(shè)計(jì)

構(gòu)建綠色工程設(shè)計(jì)體系，新建及改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件應(yīng)確定綠色設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)施路徑，明確綠色設(shè)計(jì)方案，明確建設(shè)期及運(yùn)營期節(jié)能降碳綠色措施，如合理控制土建規(guī)模、綠色建造工藝工法、合理的線路敷設(shè)方式、節(jié)能坡度、配線方案、設(shè)備系統(tǒng)容量及綠色裝備配置方案等。貫徹落實(shí)綠色城軌建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)能耗強(qiáng)度、碳排放強(qiáng)度、出行占比提升、綠色建筑創(chuàng)建、綠色能源利用等指標(biāo)要求，提高城軌節(jié)能降碳水平。

2.3 綠色低碳建造

2.3.1 綠色低碳建設(shè)

優(yōu)先選用獲得綠色標(biāo)識的水泥、鋼材等建造材料，推進(jìn)建造機(jī)械電動化和用能清潔化。加強(qiáng)裝配式建造一體化集成設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌部品部件生產(chǎn)、施工安裝、裝修裝飾等的裝配式建造。推行施工精細(xì)化管理，采用精益化施工組織方式，統(tǒng)籌管理施工相關(guān)要素和環(huán)節(jié)。推進(jìn)施工管理信息化，實(shí)現(xiàn)高能耗工程機(jī)械設(shè)備能耗監(jiān)控及同類設(shè)備群控管理；推進(jìn)5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和建筑機(jī)器人等新技術(shù)在建造領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，推動綠色建造與新一代信息技術(shù)融合。在綠色建造過程中，充分利用國家雙碳金融政策工具，爭取綠色債券、綠色信貸等國家綠色金融政策支持，運(yùn)用市場化節(jié)能減排機(jī)制，在新線建設(shè)和既有運(yùn)營線路提升改造中推進(jìn)合同能源管理模式，調(diào)動社會資本參與節(jié)能改造和運(yùn)行維護(hù)。

2.3.2 綠色低碳裝備

（1）車輛技術(shù)裝備。車輛技術(shù)裝備的研發(fā)及應(yīng)用主要從氫能源車、車輛永磁同步牽引技術(shù)、碳化硅變流技術(shù)、輕量化車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輕量化列車綠色采購、LED照明及智能照明、空調(diào)變頻及溫度智能控制、車載設(shè)備系統(tǒng)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)的一體化融合等方面進(jìn)行綠色升級。

（2）供電技術(shù)裝備。供電技術(shù)裝備的研發(fā)及應(yīng)用主要從雙向變流及其網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制的牽引供電系統(tǒng)、專用軌回流技術(shù)、超級電容/飛輪/鋰電池等儲能技術(shù)、非晶合金節(jié)能變壓器、DC 3 000 V牽引供電技術(shù)、天然酯變壓器、潔凈空氣絕緣GIS、環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)柜等方面進(jìn)行綠色升級。

（3）機(jī)電技術(shù)裝備。機(jī)電技術(shù)裝備的研發(fā)及應(yīng)用主要從直流照明系統(tǒng)、LED燈具應(yīng)用、智能照明控制技術(shù)、光導(dǎo)照明技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、磁懸浮直膨空調(diào)機(jī)組、風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行綠色升級。

（4）弱電技術(shù)裝備。弱電技術(shù)裝備的研發(fā)及應(yīng)用主要從虛擬編組技術(shù)、行車智能調(diào)度系統(tǒng)、線網(wǎng)云平臺與大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)、ATO節(jié)能運(yùn)行、高效IT設(shè)備應(yīng)用、加快自然冷源/近端制冷/液冷等制冷節(jié)能技術(shù)應(yīng)用、扁平化/云網(wǎng)融合/云邊端協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行綠色升級。

2.3.3 綠色能源替代

（1）光伏發(fā)電技術(shù)。結(jié)合線網(wǎng)及線路情況制定光伏能源開發(fā)規(guī)劃，充分利用地上線（高架線）沿線保護(hù)區(qū)、地上車站建筑屋頂、未進(jìn)行上蓋開發(fā)的車輛基地的建筑屋頂、建筑立面等可安裝光伏發(fā)電設(shè)施的場地資源，發(fā)展應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)。推進(jìn)光伏發(fā)電與建筑一體化同步設(shè)計(jì)，建設(shè)集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”系統(tǒng)。

（2）化石能源替代技術(shù)。根據(jù)車輛基地所在區(qū)域熱泵技術(shù)適應(yīng)性，因地制宜推廣應(yīng)用各類地、氣、水源熱泵系統(tǒng)，利用軌道交通附近熱網(wǎng)、電能、太陽能、地?zé)崮芟嘟Y(jié)合實(shí)現(xiàn)清潔供暖。增用綠色電力，不斷提升軌道交通用電的綠色電力比重。

2.4 綠色低碳運(yùn)營

（1）綠色運(yùn)營管理機(jī)制。城軌企業(yè)應(yīng)結(jié)合企業(yè)發(fā)展規(guī)劃制定企業(yè)節(jié)能降碳目標(biāo)和節(jié)能計(jì)劃，構(gòu)建“線網(wǎng)級-線路級-站段級”綠色低碳管理架構(gòu)，分層次分解節(jié)能降碳管理目標(biāo)，建立考核體系和獎懲制度，并常態(tài)化持續(xù)推進(jìn)。

（2）綠色運(yùn)營管理模式?；诰€網(wǎng)和線路客流分析，依托行車智能調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)能運(yùn)量的精準(zhǔn)匹配；采用多交路運(yùn)營、靈活編組等技術(shù)減少列車空駛；優(yōu)化機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能控制、分時分區(qū)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)營。

（3）綠色運(yùn)營管理平臺?；诰€網(wǎng)城軌云平臺和大數(shù)據(jù)平臺的云數(shù)融合底座綜合承載，圍繞“能源全面感知、節(jié)能數(shù)據(jù)驅(qū)動”目標(biāo)，構(gòu)建匹配“線網(wǎng)-線路-站段”管理架構(gòu)的智能能源管理平臺。線網(wǎng)級側(cè)重能源智能管理決策與評價(jià)，線路級側(cè)重能源綜合調(diào)度管理，站段級側(cè)重能源系統(tǒng)互通互濟(jì)、源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動調(diào)節(jié)，以智慧賦能能源的精細(xì)化管理，綠智融合，提升能耗計(jì)量和碳排放監(jiān)測等智能能源管理能力，總體架構(gòu)見圖2。

圖2 城軌智能能源管控平臺總體架構(gòu)

2.5 綠色低碳維保

建立車輛等重大裝備檢修規(guī)程優(yōu)化與節(jié)能降碳管理機(jī)制，構(gòu)建線網(wǎng)綜合運(yùn)維管理平臺，基于車輛、供電、通號、機(jī)電等專業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、健康管理和維修決策支持，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)營生產(chǎn)組織模式，合理制定車輛、設(shè)備系統(tǒng)的維修體制，優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，推廣規(guī)?；?、專業(yè)化維修，提高運(yùn)營設(shè)備設(shè)施利用效率，減少檢修維護(hù)能耗，實(shí)現(xiàn)低碳維保。

3 結(jié)語

目前，城市軌道交通在綠色低碳發(fā)展方面雖然取得了一定成效，但是我國城軌交通正處于快速發(fā)展階段，未來相當(dāng)長時間城軌交通的需求仍將保持持續(xù)增長，行業(yè)碳減排壓力巨大，而城軌企業(yè)在規(guī)劃設(shè)計(jì)、綠色建造、綠色低碳技術(shù)應(yīng)用、運(yùn)營模式及維修體制等方面的綠色轉(zhuǎn)型尚處于起步階段，綠色評價(jià)、綠色標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立，國家綠色低碳政策支持尚不足。本文在對我國城軌交通發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)勢進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出城軌交通綠色低碳發(fā)展的目標(biāo)和貫穿規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營、維保全生命周期各個階段的具體路徑，為城軌交通加快自身的綠色低碳轉(zhuǎn)型提供參考和借鑒。具體實(shí)施時，還應(yīng)處理好客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量與節(jié)能降碳之間的關(guān)系，處理綠色低碳新技術(shù)應(yīng)用與節(jié)能降碳、地區(qū)環(huán)境差異、工程進(jìn)度、工程投資之間的關(guān)系，確保軌道交通“碳達(dá)峰”、“碳中和”工作的高效推進(jìn)。