基于實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.清華大學建筑學院，北京 100084；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100084）

城市軌道交通作為綠色環保的交通工具，在低碳交通運輸體系建設中發揮著重要作用，文獻[1]明確指出，未來應“積極引導低碳出行，加快城市軌道交通等大容量公共交通基礎設施建設”。2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和目標，是建設綠色城軌交通的根本遵循，也是促進城軌交通高質量發展的重大機遇。為促進軌道交通領域綠色低碳發展，《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》[2]于2020 年3 月12 日正式發布實施，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行研究，是量化碳減排路徑有效性的重要前提。

目前已有學者對軌道交通的碳排放問題進行研究。在全生命周期方面，文獻[3]基于全國地鐵建設運營統計數據，對地鐵全生命周期的碳排放強度進行分析，得到全國地鐵建設和運營的碳排放平均水平，其研究方法值得借鑒，但研究結果并不能直接用于指導新建線路全生命周期的碳排放定量計算和節能潛力分析。國外也對軌道交通全生命周期碳排放進行了研究[4-5]，但因碳排放強度評價具有地域差異，國外的研究成果也不能完全適用。

現有大多數研究主要集中于地鐵全線、全生命周期碳排放計算中的某一部分。文獻[6-7]只針對地鐵站建筑的全生命周期，而并未關注地鐵建設階段盾構隧道部分。文獻[8-11]對地鐵建設階段的碳排放進行研究，依據工程清單等進行量化計算。文獻[12]對地鐵站預制結構進行降碳潛力研究，結果表明單位長度預制段較現場澆筑的碳排放量少13%。針對運營階段，文獻[13]和文獻[14]分別對地鐵車輛牽引和車站運營的能耗進行了統計分析；文獻[15]研究了地鐵車輛和車站運營碳排放的計算方法，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行碳排放量化計算，因此，有必要對軌道交通全線、全生命周期的碳排放計算方法進行系統分析和確定。本文以生命周期分析(life cycle assessment，LCA)為指導，定量計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算具有指導意義。

1 軌道交通全生命周期碳排放計算模型

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

1.1 建設階段碳排放

軌道交通全線路建設階段碳排放包括建造施工階段碳排放和建材生產及運輸階段的碳排放。

車站建造過程碳排放量的計算式為

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。

建材生產階段碳排放量的計算式為

式中，Csc表示建材生產階段碳排放量，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/單位建材數量。

建材運輸階段碳排放量的計算式為

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

車站建設階段單位面積的總碳排放量的計算式為

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

隧道建設階段單位里程的總碳排放量的計算式為

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

1.2 運營階段碳排放

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

在地鐵系統能耗統計中，列車牽引能耗約占50%[17]。在地鐵車站非牽引能耗中，通風空調、照明、垂直交通系統能耗占比超過80%，已有研究提出了地鐵車站分項能耗模型[18]，包括通風空調系統能耗模型、照明系統能耗模型、垂直交通系統能耗模型?？筛鶕鄳哪芎哪Ｐ蛯\營階段車站碳排放進行計算。

車站運營階段單位車站面積的碳排放量的計算式為

列車運行階段單位里程的碳排放量的計算式為

式中，CS表示車站運營階段單位車站面積碳排放量，kg CO2eq/m2；Ei表示運行階段第i類能源年消耗量，kWh/a 或kg/a；Cp表示車站碳匯系統年減碳量，kg CO2eq/a；y表示軌道交通線路設計壽命，a，缺省值為50 a；CT表示列車運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類系統的第i類能源消耗量，kWh/a 或kg /a；ERi,j表示j類系統消耗由可再生能源提供的第i類能源量，kWh/a 或kg/a；車站的用能系統類型包括通風空調、照明、電梯和自動扶梯及其他系統，列車包括牽引、通風空調及其他系統。

其中可再生能源主要考慮光伏系統，年發電量的計算式為

式中，Epv表示光伏系統的年發電量，kWh；I表示光伏電池表面的年太陽輻射照度，kWh/m2；KE表示光伏電池的轉換效率，%；Ks表示光伏系統的損失效率，%；Ap表示光伏系統光伏面板凈面積，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、近期及遠期均采用8 輛編組D 型車；6 動2 拖；設計速度120 km/h。

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

本文中電力碳排放因子取值為0.581 t CO2eq/MWh[19]。

2.2 建設階段碳排放計算結果

由于新建地鐵線目前仍處于規劃建設階段，無法預測各施工段的機械清單。因此本文根據相關研究給出的地鐵區間線路單位長度建設碳排放和車站單位面積碳排放等數據指標，對地鐵線建設過程中產生的碳排放進行估算。

2.2.1 區間線路建設碳排放

該地下線路的施工方法以盾構法為主，盾構法施工部分占整條線路長度的92%。因此本文對建設地下線路過程中的碳排放均以單位里程盾構隧道碳排放作為指標進行核算。目前研究中，對單位里程盾構隧道碳排放量的研究結果較為接近?？紤]碳排放因子的動態變化和時效性，本文采用文獻[3]的研究數據作為建設地下線路過程中碳排放的計算參考。地上線路單位里程的碳排放量，在該基礎上取經驗值1.25 作為修正系數[20]。經核算，區間線路建設碳排放量如表1 所示。

表1 區間線路建設碳排放量Table 1 Carbon emissions from inter-district line construction

2.2.2 車站建設碳排放

目前研究中，對于地鐵車站建設產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。本線路多數車站選用明挖法進行施工，根據不同學者的研究結果[1,8,21]，地下明挖車站單位面積碳排放量數據最大差異為9%，結果接近?？紤]碳排放因子的動態變化和時效性，本文采用文獻[3]的研究數據作為地下明挖車站碳排放的計算參考。對于地鐵明挖車站，單位面積地下車站建設階段碳排放強度約為371 t CO2eq/100 m2。在計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上進行修正，修正系數取1.4[22]。高架站在建設過程中產生的單位面積碳排放量明顯低于地下車站。本文參考文獻[23]核算得到地鐵高架站單位面積碳排放量(149 t CO2eq/100 m2)進行計算。經核算，地鐵車站建設碳排放量如表2 所示。

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

2.3 運營階段碳排放計算結果

2.3.1 列車部分

基于列車運行能耗計算模型[24]，利用線路信息、車輛信息、載客量、全日行車計劃編制等數據，計算出新建地鐵線路列車能耗結果為8.27 kWh/km，同時得到初期、近期、遠期列車牽引能耗結果如表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

根據新建地鐵全線車站信息，利用車站能耗模型[18]計算得到地下站的運行能耗。非換乘車站總運營能耗為146.2 萬kWh/a。各系統分別為：通風空調系統49.9 萬kWh/a，照明系統39.4 萬kWh/a，垂直交通系統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。

對全線車站運營階段能耗進行統計，則全線車站年能耗預期為3 288 萬kWh，碳排放1.91 萬t CO2eq。

2.4 碳排放計算總結

新建地鐵全線、全系統、全過程能耗及碳排放計算結果如表4 所示。按軌道交通設計壽命運營50 年計算，則總能耗為46.03 億kWh，碳排放量為524.38 萬t CO2eq。在運營50 年全生命周期總計碳排放中，建設階段占比49%，運營階段列車牽引占比33%，運營階段車站能耗占比33%。

表4 新建地鐵線能耗及碳排放結果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，對軌道交通建設階段、運營階段降碳潛力進行分析。

2.5.1 建設階段

在建設階段實現節能減碳的關鍵措施是合理選用碳排放量較低的建材，尤其是加強鋼材與混凝土這兩種建材的低碳評價與選用。對此線路進行分析，若全部鋼材和鐵均采用再生材料，可實現減少碳排放量約15 萬t CO2eq。

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

2.5.2 運營階段

對于列車牽引，采用永磁同步牽引系統、應用再生制動能量回收技術能有效降低牽引能耗，實現節能降碳，定量分析后降碳潛力約24%。

對于車站運營，以地下非換乘車站為例，分析運行階段各項節能措施帶來的降碳潛力[18]。潛力最大的幾項措施分別為：降低照明功率密度、提高站內空調溫度和取消小新風空調模式下的機械新風供應。

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

機械新風過量供應導致供冷負荷大幅增加，造成能源浪費。而已有研究指出，屏蔽門地鐵站的無組織滲風能夠滿足人員的新風需求，不需要額外供應機械新風[26]，因此建議取消機械新風的供應。此措施能降低通風空調系統的能耗，對于所研究車站總能耗而言，可以帶來5.1%的節能潛力。

地鐵車站站內空氣參數影響車站的供冷負荷，站內空調溫度較低時，會導致環控系統的高能耗。文獻[27]指出，站廳空氣溫度不應高于30℃，站臺空氣溫度應低于站廳1～2℃?？紤]到人員熱舒適和當地氣候，可將站廳空調控制溫度優化至28℃、站臺溫度優化至27℃。

對全線車站的運行階段降碳潛力進行統計，結果如表5 所示。將線路建設階段、運營階段降碳潛力結果進行整理，結果如表6 所示。按軌道交通設計壽命運營50 年計算，全線減碳量為88.6 萬t CO2eq，降碳潛力總計17%。

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

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

3 結論

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算模型，并定量計算了北京某新建地鐵線路全線、全生命周期的碳排放。

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

2) 通過在實際線路中的應用表明，該模型可定量計算軌道交通全線、全生命周期碳排放，并定量評估其降碳潛力。在建設階段的計算中，可根據文獻調研的結果進行合理參數選??；在運營階段，能夠完整計算列車牽引和車站運營的能耗及碳排放量，更加科學合理。

因為該實際工程還處于規劃建設階段，目前無法對地鐵線建設階段的碳排放量進行更精確的計算。同時隨著城軌交通降碳技術的不斷發展，全生命周期降碳潛力也有待進一步提高。