基于實(shí)際地鐵線路的全生命周期碳排放研究

李曉鋒，王 荔，欒承志，于秋燕，解建華，羅丞朝

（1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084；2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100084）

城市軌道交通作為綠色環(huán)保的交通工具，在低碳交通運(yùn)輸體系建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，文獻(xiàn)[1]明確指出，未來應(yīng)“積極引導(dǎo)低碳出行，加快城市軌道交通等大容量公共交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”。2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，是建設(shè)綠色城軌交通的根本遵循，也是促進(jìn)城軌交通高質(zhì)量發(fā)展的重大機(jī)遇。為促進(jìn)軌道交通領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展，《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[2]于2020 年3 月12 日正式發(fā)布實(shí)施，探索碳減排路徑迫在眉睫，而對軌道交通全生命周期碳排放進(jìn)行研究，是量化碳減排路徑有效性的重要前提。

目前已有學(xué)者對軌道交通的碳排放問題進(jìn)行研究。在全生命周期方面，文獻(xiàn)[3]基于全國地鐵建設(shè)運(yùn)營統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對地鐵全生命周期的碳排放強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到全國地鐵建設(shè)和運(yùn)營的碳排放平均水平，其研究方法值得借鑒，但研究結(jié)果并不能直接用于指導(dǎo)新建線路全生命周期的碳排放定量計(jì)算和節(jié)能潛力分析。國外也對軌道交通全生命周期碳排放進(jìn)行了研究[4-5]，但因碳排放強(qiáng)度評價具有地域差異，國外的研究成果也不能完全適用。

現(xiàn)有大多數(shù)研究主要集中于地鐵全線、全生命周期碳排放計(jì)算中的某一部分。文獻(xiàn)[6-7]只針對地鐵站建筑的全生命周期，而并未關(guān)注地鐵建設(shè)階段盾構(gòu)隧道部分。文獻(xiàn)[8-11]對地鐵建設(shè)階段的碳排放進(jìn)行研究，依據(jù)工程清單等進(jìn)行量化計(jì)算。文獻(xiàn)[12]對地鐵站預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行降碳潛力研究，結(jié)果表明單位長度預(yù)制段較現(xiàn)場澆筑的碳排放量少13%。針對運(yùn)營階段，文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]分別對地鐵車輛牽引和車站運(yùn)營的能耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；文獻(xiàn)[15]研究了地鐵車輛和車站運(yùn)營碳排放的計(jì)算方法，但方法較為簡單。

綜上，至今尚鮮有研究直接對軌道交通全線全生命周期進(jìn)行碳排放量化計(jì)算，因此，有必要對軌道交通全線、全生命周期的碳排放計(jì)算方法進(jìn)行系統(tǒng)分析和確定。本文以生命周期分析(life cycle assessment，LCA)為指導(dǎo)，定量計(jì)算北京某新建地鐵線路全線、全生命周期的碳排放，對城市軌道交通全生命周期碳排放定量計(jì)算具有指導(dǎo)意義。

1 軌道交通全生命周期碳排放計(jì)算模型

軌道交通全線、全生命周期碳排放核算范圍包括規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)和最終拆除等部分。由于規(guī)劃階段能耗基本沒有影響，最終拆除階段在目前我國實(shí)際軌道交通發(fā)展過程中也可不予考慮[7]，這兩部分在實(shí)際應(yīng)用過程中可進(jìn)行簡化。所以在軌道交通全生命周期碳排放計(jì)算方法中，本文只考慮建設(shè)和運(yùn)營階段。主要計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[16]，維護(hù)階段的能源消耗量已涵蓋在運(yùn)行階段中，其他附加工程不在計(jì)算范圍內(nèi)。

1.1 建設(shè)階段碳排放

軌道交通全線路建設(shè)階段碳排放包括建造施工階段碳排放和建材生產(chǎn)及運(yùn)輸階段的碳排放。

車站建造過程碳排放量的計(jì)算式為

式中，Cjz表示建造階段碳排放量，kg CO2eq；Ejz,i表示建造階段第i種能源總用量，kWh 或kg；EFi表示第i類能源的碳排放因子，kg CO2eq/kWh或kg CO2eq/kg。

建材生產(chǎn)階段碳排放量的計(jì)算式為

式中，Csc表示建材生產(chǎn)階段碳排放量，kgCO2eq；Mi表示第i種主要建材的消耗量，t；Fi表示第i種主要建材的碳排放因子，kgCO2eq/單位建材數(shù)量。

建材運(yùn)輸階段碳排放量的計(jì)算式為

式中，Cys表示建材運(yùn)輸過程碳排放量，kgCO2eq；Di表示第i種建材平均運(yùn)輸距離，km；Ti表示第i種建材的運(yùn)輸方式下，單位質(zhì)量運(yùn)輸距離的碳排放因子，kgCO2eq/(t·km)。

車站建設(shè)階段單位面積的總碳排放量的計(jì)算式為

式中，Cs,co表示車站建設(shè)階段單位面積總碳排放量，kgCO2eq/m2；A表示建筑面積，m2。

隧道建設(shè)階段單位里程的總碳排放量的計(jì)算式為

式中，Ct,co表示隧道建設(shè)階段單位里程總碳排放量，kgCO2eq/km；Lt表示隧道建設(shè)里程，km。

1.2 運(yùn)營階段碳排放

軌道交通運(yùn)營階段碳排放計(jì)算范圍包括車站運(yùn)營產(chǎn)生的碳排放和列車運(yùn)行產(chǎn)生的碳排放兩部分，排放量由各系統(tǒng)不同類型能源的消耗量和碳排放因子確定。

在地鐵系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)中，列車牽引能耗約占50%[17]。在地鐵車站非牽引能耗中，通風(fēng)空調(diào)、照明、垂直交通系統(tǒng)能耗占比超過80%，已有研究提出了地鐵車站分項(xiàng)能耗模型[18]，包括通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗模型、照明系統(tǒng)能耗模型、垂直交通系統(tǒng)能耗模型。可根據(jù)相應(yīng)的能耗模型對運(yùn)營階段車站碳排放進(jìn)行計(jì)算。

車站運(yùn)營階段單位車站面積的碳排放量的計(jì)算式為

列車運(yùn)行階段單位里程的碳排放量的計(jì)算式為

式中，CS表示車站運(yùn)營階段單位車站面積碳排放量，kg CO2eq/m2；Ei表示運(yùn)行階段第i類能源年消耗量，kWh/a 或kg/a；Cp表示車站碳匯系統(tǒng)年減碳量，kg CO2eq/a；y表示軌道交通線路設(shè)計(jì)壽命，a，缺省值為50 a；CT表示列車運(yùn)行階段單位行駛里程碳排放量，kg CO2eq/km；L表示列車行駛里程，km；Ei,j表示j類系統(tǒng)的第i類能源消耗量，kWh/a 或kg /a；ERi,j表示j類系統(tǒng)消耗由可再生能源提供的第i類能源量，kWh/a 或kg/a；車站的用能系統(tǒng)類型包括通風(fēng)空調(diào)、照明、電梯和自動扶梯及其他系統(tǒng)，列車包括牽引、通風(fēng)空調(diào)及其他系統(tǒng)。

其中可再生能源主要考慮光伏系統(tǒng)，年發(fā)電量的計(jì)算式為

式中，Epv表示光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量，kWh；I表示光伏電池表面的年太陽輻射照度，kWh/m2；KE表示光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，%；Ks表示光伏系統(tǒng)的損失效率，%；Ap表示光伏系統(tǒng)光伏面板凈面積，m2。

2 案例分析

2.1 工程簡介

北京某新建地鐵線路全長81.2 km，其中地下線53.8 km，高架線27.4 km。全線共設(shè)置車站21 座，換乘站12 座。其中地下段共有18 座車站，包含15 座明挖站和3 座暗挖站，高架段包含3 座高架站。

新建線路列車采用市域D 型車；根據(jù)線路供電制式，采用雙流制供電方式和直流供電方式兩種；初期、近期及遠(yuǎn)期均采用8 輛編組D 型車；6 動2 拖；設(shè)計(jì)速度120 km/h。

下面對新建地鐵線路全線進(jìn)行全生命周期碳排放計(jì)算。主要考慮建設(shè)階段和運(yùn)營階段，其中運(yùn)營階段分車站和列車兩部分考慮，由于列車運(yùn)營中碳排放主要為牽引系統(tǒng)碳排放，所以在計(jì)算中考慮車站碳排放和列車牽引系統(tǒng)碳排放。

本文中電力碳排放因子取值為0.581 t CO2eq/MWh[19]。

2.2 建設(shè)階段碳排放計(jì)算結(jié)果

由于新建地鐵線目前仍處于規(guī)劃建設(shè)階段，無法預(yù)測各施工段的機(jī)械清單。因此本文根據(jù)相關(guān)研究給出的地鐵區(qū)間線路單位長度建設(shè)碳排放和車站單位面積碳排放等數(shù)據(jù)指標(biāo)，對地鐵線建設(shè)過程中產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行估算。

2.2.1 區(qū)間線路建設(shè)碳排放

該地下線路的施工方法以盾構(gòu)法為主，盾構(gòu)法施工部分占整條線路長度的92%。因此本文對建設(shè)地下線路過程中的碳排放均以單位里程盾構(gòu)隧道碳排放作為指標(biāo)進(jìn)行核算。目前研究中，對單位里程盾構(gòu)隧道碳排放量的研究結(jié)果較為接近?？紤]碳排放因子的動態(tài)變化和時效性，本文采用文獻(xiàn)[3]的研究數(shù)據(jù)作為建設(shè)地下線路過程中碳排放的計(jì)算參考。地上線路單位里程的碳排放量，在該基礎(chǔ)上取經(jīng)驗(yàn)值1.25 作為修正系數(shù)[20]。經(jīng)核算，區(qū)間線路建設(shè)碳排放量如表1 所示。

表1 區(qū)間線路建設(shè)碳排放量Table 1 Carbon emissions from inter-district line construction

2.2.2 車站建設(shè)碳排放

目前研究中，對于地鐵車站建設(shè)產(chǎn)生的碳排放量主要采用車站單位面積碳排放作為評價指標(biāo)。本線路多數(shù)車站選用明挖法進(jìn)行施工，根據(jù)不同學(xué)者的研究結(jié)果[1,8,21]，地下明挖車站單位面積碳排放量數(shù)據(jù)最大差異為9%，結(jié)果接近?？紤]碳排放因子的動態(tài)變化和時效性，本文采用文獻(xiàn)[3]的研究數(shù)據(jù)作為地下明挖車站碳排放的計(jì)算參考。對于地鐵明挖車站，單位面積地下車站建設(shè)階段碳排放強(qiáng)度約為371 t CO2eq/100 m2。在計(jì)算地下暗挖車站單位面積碳排放時，需要在明挖車站單位面積碳排放的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，修正系數(shù)取1.4[22]。高架站在建設(shè)過程中產(chǎn)生的單位面積碳排放量明顯低于地下車站。本文參考文獻(xiàn)[23]核算得到地鐵高架站單位面積碳排放量(149 t CO2eq/100 m2)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)核算，地鐵車站建設(shè)碳排放量如表2 所示。

表2 地鐵車站建設(shè)碳排放量Table 2 Carbon emissions from metro station construction

2.3 運(yùn)營階段碳排放計(jì)算結(jié)果

2.3.1 列車部分

基于列車運(yùn)行能耗計(jì)算模型[24]，利用線路信息、車輛信息、載客量、全日行車計(jì)劃編制等數(shù)據(jù)，計(jì)算出新建地鐵線路列車能耗結(jié)果為8.27 kWh/km，同時得到初期、近期、遠(yuǎn)期列車牽引能耗結(jié)果如表3 所示。

表3 列車牽引能耗及碳排放Table 3 Energy consumption and carbon emissions of train traction

2.3.2 車站部分

根據(jù)新建地鐵全線車站信息，利用車站能耗模型[18]計(jì)算得到地下站的運(yùn)行能耗。非換乘車站總運(yùn)營能耗為146.2 萬kWh/a。各系統(tǒng)分別為：通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)49.9 萬kWh/a，照明系統(tǒng)39.4 萬kWh/a，垂直交通系統(tǒng)36.0 萬kWh/a，其他為20.9 萬kWh/a。換乘車站年用電量約為非換乘站的1.24 倍，高架站年能耗為81 萬kWh/a。

對全線車站運(yùn)營階段能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則全線車站年能耗預(yù)期為3 288 萬kWh，碳排放1.91 萬t CO2eq。

2.4 碳排放計(jì)算總結(jié)

新建地鐵全線、全系統(tǒng)、全過程能耗及碳排放計(jì)算結(jié)果如表4 所示。按軌道交通設(shè)計(jì)壽命運(yùn)營50 年計(jì)算，則總能耗為46.03 億kWh，碳排放量為524.38 萬t CO2eq。在運(yùn)營50 年全生命周期總計(jì)碳排放中，建設(shè)階段占比49%，運(yùn)營階段列車牽引占比33%，運(yùn)營階段車站能耗占比33%。

表4 新建地鐵線能耗及碳排放結(jié)果Table 4 Energy consumption and carbon emission results of new metro lines

2.5 降碳潛力

本文基于此新建線路，對軌道交通建設(shè)階段、運(yùn)營階段降碳潛力進(jìn)行分析。

2.5.1 建設(shè)階段

在建設(shè)階段實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳的關(guān)鍵措施是合理選用碳排放量較低的建材，尤其是加強(qiáng)鋼材與混凝土這兩種建材的低碳評價與選用。對此線路進(jìn)行分析，若全部鋼材和鐵均采用再生材料，可實(shí)現(xiàn)減少碳排放量約15 萬t CO2eq。

建設(shè)階段采用車站預(yù)制結(jié)構(gòu)也具有明顯的降碳潛力。預(yù)制結(jié)構(gòu)由于在工廠制造，可減少現(xiàn)場的浪費(fèi)和污染；同時可以減少建筑施工時間，從而減少施工期間的碳排放。相關(guān)研究[12]指出，單位長度預(yù)制段比現(xiàn)場澆筑的碳排量減少13%，對此線路進(jìn)行分析，可減少碳排放量約2.1 萬t CO2eq。

2.5.2 運(yùn)營階段

對于列車牽引，采用永磁同步牽引系統(tǒng)、應(yīng)用再生制動能量回收技術(shù)能有效降低牽引能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳，定量分析后降碳潛力約24%。

對于車站運(yùn)營，以地下非換乘車站為例，分析運(yùn)行階段各項(xiàng)節(jié)能措施帶來的降碳潛力[18]。潛力最大的幾項(xiàng)措施分別為：降低照明功率密度、提高站內(nèi)空調(diào)溫度和取消小新風(fēng)空調(diào)模式下的機(jī)械新風(fēng)供應(yīng)。

參考文獻(xiàn)[25]，建議將照明功率密度降至5 W/m2的節(jié)能水平，可大幅降低照明系統(tǒng)的碳排放量。

機(jī)械新風(fēng)過量供應(yīng)導(dǎo)致供冷負(fù)荷大幅增加，造成能源浪費(fèi)。而已有研究指出，屏蔽門地鐵站的無組織滲風(fēng)能夠滿足人員的新風(fēng)需求，不需要額外供應(yīng)機(jī)械新風(fēng)[26]，因此建議取消機(jī)械新風(fēng)的供應(yīng)。此措施能降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗，對于所研究車站總能耗而言，可以帶來5.1%的節(jié)能潛力。

地鐵車站站內(nèi)空氣參數(shù)影響車站的供冷負(fù)荷，站內(nèi)空調(diào)溫度較低時，會導(dǎo)致環(huán)控系統(tǒng)的高能耗。文獻(xiàn)[27]指出，站廳空氣溫度不應(yīng)高于30℃，站臺空氣溫度應(yīng)低于站廳1～2℃?？紤]到人員熱舒適和當(dāng)?shù)貧夂颍蓪⒄緩d空調(diào)控制溫度優(yōu)化至28℃、站臺溫度優(yōu)化至27℃。

對全線車站的運(yùn)行階段降碳潛力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表5 所示。將線路建設(shè)階段、運(yùn)營階段降碳潛力結(jié)果進(jìn)行整理，結(jié)果如表6 所示。按軌道交通設(shè)計(jì)壽命運(yùn)營50 年計(jì)算，全線減碳量為88.6 萬t CO2eq，降碳潛力總計(jì)17%。

表5 全線車站運(yùn)營降碳潛力Table 5 Carbon reduction potential for station operations across the line

表6 全線降碳潛力分析結(jié)果Table 6 Results of carbon reduction potential analysis for the whole line

3 結(jié)論

本文基于全生命周期理論，分析和建立了軌道交通全線、全生命周期的碳排放計(jì)算模型，并定量計(jì)算了北京某新建地鐵線路全線、全生命周期的碳排放。

1) 計(jì)算結(jié)果表明，建設(shè)階段碳排放量為257 萬t CO2eq，運(yùn)營階段碳排放量為5.35 萬t CO2eq/a，50 年運(yùn)營周期總計(jì)碳排放量為524 萬t CO2eq。同時，對建設(shè)階段和運(yùn)營階段的降碳措施做出分析，定量計(jì)算其降碳潛力。建設(shè)階段使用可再生材料可減少碳排放7%，約為17.1 萬t CO2eq；運(yùn)營階段綜合采用多種節(jié)能降碳措施后，可降碳27%，每年減少碳排放1.43萬t CO2eq；50 年運(yùn)營周期降碳潛力總計(jì)17%。

2) 通過在實(shí)際線路中的應(yīng)用表明，該模型可定量計(jì)算軌道交通全線、全生命周期碳排放，并定量評估其降碳潛力。在建設(shè)階段的計(jì)算中，可根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果進(jìn)行合理參數(shù)選??；在運(yùn)營階段，能夠完整計(jì)算列車牽引和車站運(yùn)營的能耗及碳排放量，更加科學(xué)合理。

因?yàn)樵搶?shí)際工程還處于規(guī)劃建設(shè)階段，目前無法對地鐵線建設(shè)階段的碳排放量進(jìn)行更精確的計(jì)算。同時隨著城軌交通降碳技術(shù)的不斷發(fā)展，全生命周期降碳潛力也有待進(jìn)一步提高。