高速铁路全生命周期碳排放计算

陈进杰, 王兴举, 王祥琴, 马晓元, 陈 瑶

(1.石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；3.河北省交通安全与控制重点实验室，河北 石家庄 050043)

目前，我国高速铁路运营里程已达到2万km，居世界第一位，高速铁路服务范围覆盖28个省区市[1]。中国已成为世界上高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家。

高速铁路在建筑材料生产、施工建设、运营维护以及报废拆除处置等过程都消耗了大量资源和能源，产生了大量温室气体排放。高速铁路碳排放备受关注，运用全生命周期理论研究高速铁路碳排放[2]，对高速铁路节能减排工作具有重要意义。

目前高速铁路碳排放研究较多的是对其建设阶段以及运营维护阶段的用电等进行研究，而对其全生命周期其他阶段的碳排放研究较少。

文献[2]对加利福尼亚州高速铁路进行环境影响估算。文献[3]对建设阶段的加利福尼亚州高速铁路碳排放进行研究。文献[4]从土地占用、利用新能源与可再生能源和“以电代油”三方面分析了高速铁路的节能减排效应。文献[5]以武广高铁为背景研究得出每公里高速铁路比普通铁路每年减排二氧化碳2 190.55 t，综合效应高速铁路比普速铁路更节能减排。文献[6]对高速铁路生命周期二氧化碳排放计算的边界进行界定，将高速铁路的生命周期划分为基础设施建造、运营和回收3个阶段；根据对各阶段高速铁路二氧化碳排放清单的分析，分别给出各个阶段二氧化碳排放的计算公式；通过算例分析高速铁路在建造和运营阶段碳排放的特点。文献[7]将高速铁路按全生命周期划分为设计、建设、运营、维护和拆解5个阶段，分析各阶段的典型活动，总结生命周期视角下高速铁路的能源消耗和碳排放。

现有碳排放研究成果有的侧重全生命周期施工建设或铁路运营某一阶段；对碳排放因子采用国内外平均值，没有考虑碳排放因子地域性差异；铁路系统全生命周期长达数十年甚至上百年，以往的研究把碳排放因子当成常数固定值，没有考虑随时间的动态变化；由于高速铁路基础数据收集困难，对高速铁路建设及运营阶段碳排放分析建模采用简化宏观估算。种种原因导致全生命周期碳排放计算模型建立不科学，计算结果误差较大。事实上，世界范围内不同地区碳排放因子差异性较大，不能简单的移植。高速铁路是一个复杂的系统，一是其站前工程包括路基工程、桥涵工程、隧道工程、轨道工程、车站站场等，站后工程包括机务、给排水、通信信号、电力及电气化工程等等，工程量统计分析困难；二是高速铁路原材料生产、施工建设、运营维护、报废拆除处置等全生命周期需要材料设备种类达数万种以上，要对其全生命周期碳排放进行系统分析，需要借助众多碳排放因子统计数据，数据量庞大而且获取困难；三是我国地域广阔，不同区域不同年代碳排放因子是有差异的，而一条高速铁路常常跨越不同区域，全生命周期时间跨度常常达几十年，在全生命周期内如何选取碳排放因子比较困难。

本文以横跨我国多个省市的京沪高速铁路为背景，考虑不同区域碳排放因子差异，考虑全生命周期不同年度碳排放因子动态变化，通过对京沪高速铁路建设运营详细数据进行分析，建立建材生产、施工建设、运营维护和报废拆除处置等阶段的碳排放模型，计算其碳排放量。

1 高速铁路全生命周期碳排放计算依据

1.1 高速铁路全生命周期阶段划分

高速铁路全生命周期是指高速铁路项目从规划设计、建材生产、施工建设、运营维护和报废拆除处置等整个过程。

高速铁路的规划设计阶段需要完成项目论证、项目建议书、可行性研究、工程勘察、初步设计、施工图设计等工作。该阶段的碳排放主要包括地形勘测、地质勘察(工程地质调绘，工程勘探，地质测试，路基、桥涵、隧道等各类建筑物的工程地质勘察，岩土工程地质勘察)等过程中仪器设备使用消耗能源产生的碳排放，设计计算绘图及办公产生碳排放，勘测设计过程交通运输工具使用产生的碳排放。

尽管高速铁路规划设计阶段消耗了大量人力物力，也产生了一定的碳排放，但文献[8]研究表明，规划设计阶段能耗碳排放量远远小于其他任何一个阶段碳排放量，在全生命周期碳排放计算中可以忽略不计。

为了便于分析高速铁路整个生命周期碳排放，本文把高速铁路整个生命周期划分为四个阶段，即建材生产阶段、施工建设阶段、运营维护阶段及报废拆除处置阶段[9-12]。

1.2 高速铁路全生命周期碳排放计算边界

高速铁路生命周期碳排放是指在高速铁路全生命周期各阶段向外界环境排放的温室气体数量。为了计算高速铁路全生命周期碳排放，需要确定其计算边界。

高速铁路全生命周期碳排放计算边界之内应包含形成高速铁路实体和功能的一系列中间产品和单元过程组成的集合，包括高速铁路基础设施建设所需材料的生产、运输和高速铁路的施工建设、运营与维护、报废拆除等，如图1所示。

1.3 高速铁路全生命周期碳排放清单分析

高速铁路全生命周期碳排放清单分析是对其整个生命周期阶段对内输入和对外输出过程的定量分析，量化高速铁路在整个生命周期内输入资源、能源的消耗，量化分析及其向外部环境排放的温室气体等。基于过程的清单分析主要是对其各单元过程输出的排放进行定量的统计分析，并可将所研究的清单数据进行汇总，建立相应的清单数据库。

图1 高速铁路全生命周期碳排放计算边界

2 高速铁路全生命周期碳排放模型

2.1 高速铁路全生命周期碳排放构成

高速铁路全生命周期碳排放是指其全生命周期内各阶段碳排放的总和，即高速铁路建材生产阶段、施工建设阶段、运营维护阶段及报废拆除处置阶段碳排放总和。按时间顺序，高速铁路全生命周期各阶段的碳排放构成见表1。按高速铁路结构内容可归纳为路基工程系统、轨道工程系统、桥涵工程系统、隧道工程及明洞系统、车站和车辆基地工程系统、电气化工程系统、动车组系统等七大系统，其中电气化系统包括通信、信号、信息、电力、牵引供电等。高速铁路碳排放构成三维结构图如图2所示，高速铁路碳排放分解结构体系如图3所示。

表1 高速铁路全生命周期碳排放情况表

图2 高速铁路全生命周期碳排放构成三维结构图

图3 高速铁路碳排放分解结构体系图

2.2 高速铁路全生命周期碳排放模型

根据表1、图2、图3，构建出高速铁路全生命周期碳排放模型为

C=Csc+Csg+Cyy+Ccz

(1)

式中：C为高速铁路全生命周期碳排放(kg·CO2)；Csc、Csg、Cyy、Ccz分别为建材生产阶段碳排放、施工建设阶段碳排放、运营维护阶段碳排放及报废拆除处置阶段碳排放(kg·CO2)。

3 高速铁路全生命周期分阶段碳排放模型

3.1 建材生产阶段碳排放模型

高速铁路的路基工程、轨道工程、桥涵工程、隧道工程及明洞、车站和车辆基地工程、电气化工程，动车组系统等七大系统建造过程中，建筑材料消耗量巨大，生产这些建筑材料需要消耗能源，产生大量的碳排放。

高速铁路施工建设期间所使用的建材生产的碳排放计算公式为

(2)

式中：mij为高速铁路子系统j施工建设所使用建材品种i消耗量；ωi为建设过程中建材品种i施工工艺损耗(%)；n为建材品种数量；u为高速铁路子系统数量，一般分为路基工程系统、轨道工程系统、桥涵工程系统、隧道工程及明洞系统、车站和车辆基地工程系统、电气化工程系统，动车组系统；Vi(t,d)为第t年在d区域生产单位质量的建材i的碳排放。全国不同行政区域的碳排放有所不同，根据建筑碳排放计量标准划分为华北、东北、华东、华中、西北、南方及海南等几个区域。

高速铁路全生命周期长达数十年甚至上百年，随着科学技术进步及国家节能减排政策实施，期间不同年度碳排放系数是逐年变化的。京沪高速铁路某区域基期材料碳排放系数见表2。

表2 京沪高速铁路某区域基期材料碳排放系数表

续上表

3.2 施工建设阶段碳排放模型

高速铁路施工建设阶段碳排放包括两部分，一是建筑材料由产地运输到施工现场的运输碳排放；二是建筑物、构筑物施工过程中的机械设备碳排放，其数学模型为

Csg=Csg1+Csg2

(3)

式中：Csg1为建筑材料从产地运输到施工现场的运输碳排放；Csg2为施工建设过程中的机械设备碳排放。

3.2.1 建筑材料从产地运输到施工现场的运输碳排放

在高速铁路施工建设阶段，需要将建筑材料从产地运输至施工地点，由此产生的碳排放计算公式为

(4)

式中：z为运输方式种类；mijr为高速铁路子系统j施工建设所使用建材品种i采用r运输方式从产地运送到施工现场的消耗量；lir为建筑材料品种i采用r运输方式从产地运送到施工现场的平均运输距离；Yr(t,d)为第t年在d区域采用r运输方式的运输碳排放系数。基期碳排放系数见表3。

表3 不同运输方式基期的单位碳排放系数

3.2.2 建筑物、构筑物施工过程机械设备碳排放

在高速铁路各个子系统基础设施施工建设安装调试过程中使用了许多施工机械和设备，根据建设项目工程量及相应定额可计算出施工过程施工机械设备的台班消耗量，进而计算出其电力、燃料消耗，从而计算出其碳排放量。

(5)

式中：b为施工方法种类；g为某施工方法需要机械设备种类；Qjkh为子系统j采用施工方法k应用机械设备h的施工工程数量；Oh为机械设备h的台班定额，即完成单位工程量需要台班数量；Ph为台班能源消耗量，即机械设备每个台班燃油或电力消耗量；V(t,d)为第t年在d区域单位数量燃油或电力碳排放。

3.3 运营维护阶段碳排放模型

高速铁路运营维护阶段碳排放包括三部分[13-14]，一是动车组运行消耗电能及碳排放，二是动车组运行以外车站设备等消耗电能及碳排放，三是高速铁路维修及更新改造等碳排放。其计算表达式为

Cyy=Cyy1+Cyy2+Cyy3

(6)

式中：Cyy1为动车组运行碳排放；Cyy2为车站设备运行碳排放；Cyy3为高速铁路更新改造碳排放。

高速铁路运营维护阶段每个年度的碳排放是逐年变化的，其大小与高速铁路最高行车速度、停站间距、座位利用率直接相关，此外还受季节因素、动车组类型、车站规模、线路条件等影响。由于高速铁路客运量是逐年增长的，因此运营维护阶段第t年的年碳排放也是逐年变化的，而并非常数。高速铁路运营维护阶段的总碳排放为全生命周期内各年度碳排放之和。

3.3.1 动车组运行碳排放数学模型

动车组运行耗电包括车辆牵引耗电、动车组空调耗电、动车组照明耗电、动车组信号系统耗电等。高速铁路运营期间动车组运行碳排放可以表示为

(7)

式中：q(t)为铁路投入运营第t年客运量,人；e(t)为运营第t年旅客平均运距,km；R(t)为第t年运输每人千米耗电量,kW·h/(人·km)；V(t,d)为第t年在d区域电力二氧化碳排放因子,kg/(kW·h)；T为高速铁路的全生命周期。

电能作为二次能源，与不同国家地区的能源结构密切相关，火电发电比例越高，单位电能产生的碳排放量越大。我国将电网边界统一划分为华北、东北、华东、华中、西北和南方区域电网。

由中国发展改革委应对气候变化司确定的中国区域电网基准线排放因子中，公布了各区域电网的排放因子，见表4。排放因子采用了OM和BM两种计算方法，OM计算方法是计算电量边际排放因子，即根据电力系统中所有电厂的总净上网电量、燃料类型及燃料总消耗量进行计算。BM按样本机组排放因子的发电量加权平均而求得。

表4 历年电力碳排放因子数值 kg·CO2·(kW·h)-1

续上表

由表4可知，碳排放因子随时间变化是动态变化的，且随着火电比例逐年下降，碳排放因子呈逐年减小趋势，由此得出回归公式为

华北地区

V(t,d)=1.056 40(t-2 006)-0.146 19

(8)

华东地区

V(t,d)=0.940 26(t-2 006)-0.132 28

(9)

3.3.2 车站运行碳排放数学模型

车站耗电设备包括空调系统、照明系统、监控系统、自动扶梯系统、通信信号系统、电子大屏幕、微机打印机、给排水系统及消防系统、热水器等。根据统计，客运站设备能耗碳排放中，中央空调占60%～80%，照明占6%～17%，电梯占3%左右，这三部分的值都会因发送旅客量不同而有所改变。

(10)

式中：S(t)为第t年车站建筑面积，m2；RR(t)为单位耗电指标，(kW·h)/(人·m2)。

3.3.3 维护更新改造过程中建材生产碳排放

高速铁路全生命周期期限较长，全生命周期内的某些子系统如钢轨、动车组、无砟轨道等寿命期较短需要更新，各个子系统需要正常维护、维修，在维护更新改造过程中所使用的建材生产碳排放计算公式为

(11)

3.4 报废拆除处置阶段碳排放模型

高速铁路在其生命期末报废处置会产生大量建筑垃圾，需要将这些垃圾运输到垃圾掩埋处或回收厂进行循环再利用，其碳排放包括拆除过程碳排放和运输处置过程碳排放。

建筑物、构筑物拆除过程碳排放主要来源于拆除机械设备的操作，其动力能源主要是燃油和电力；运输处置过程碳排放是从铁路建筑地点运往处置点的装卸、运输处置碳排放。

报废拆除处置阶段的碳排放为

(12)

式中：Qjkr为拆除铁路建筑物、构筑物废弃物品种k采用运输方式r运输的废物量；Gk为拆除铁路建筑物、构筑物废弃物品种k的密度；lkr为拆除铁路建筑物、构筑物废弃物品种k采用运输方式r运输到垃圾掩埋处或回收厂的平均运输距离。

按照式(2)将上述各阶段的生命周期碳排放相加，便可得到高速铁路全生命周期碳排放。

4 工程实例及分析

4.1 工程概况及主要工程数量

京沪高速铁路线路全长1 318 km，2008年4月正式开工，2011年6月30日通车运营。线路共设24座车站，设计最高行车速度350 km/h，目前最高运营速度为300 km/h。

桥梁长度1 140 km，占正线长度86.5%；隧道长度16 km，占正线长度1.2%；路基长度162 km，占正线长度12.3%。全线铺设无砟轨道1 268 km，占线路长度的96.2%，有砟轨道约50 km，占线路长度的3.8%。动车组类型有CRH2A、CRH380A(L)、CRH380B(L)、CRH380CL、CRH380D等。京沪高速铁路施工建设阶段主要材料消耗见表5。

表5 京沪高速铁路施工建设阶段主要材料消耗表

4.2 京沪高速铁路全线客流量及远期客流预测

京沪高速铁路2011年6月30日开通运营以来，历年客流量见表6。根据京沪高速铁路设计远期规划(交付运营20年)年客流量为1.6亿人次。

表6 京沪高速铁路客运量情况表

由表6历年客运量统计及设计远期年客流量，预测全生命周期年度客流量为

高速铁路旅客平均运距由旅客出行习惯和需求所决定，并受季节因素、本线列车、跨线列车等多个因素影响。季节因素对旅客平均运距影响较大，京沪高速铁路每年不同月份变化很大，尤其是本线列车旅客平均运距波动很大，每年暑期旅客平均运距较大，而春节前后一、二、三月份运距较小，本线列车与跨线列车平均运距差异较大。据统计，2012—2015年旅客不同月份运距在500～700 km之间，平均运距570 km。

4.3 运营维护阶段碳排放

京沪高速铁路跨越华北、华东两个区域，运营维护阶段碳排放按两个区域分别计算。华北区域用代码1表示，华东区域用代码2表示，L(1)表示华北区域铁路线路长度，L(2)表示华东区域铁路线路长度。京沪高速铁路运营用电情况见表7。

表7 京沪高速铁路运营用电情况 万kW·h

京沪高速铁路华北区域车站总建筑面积为185 787 m2，华东区域车站建筑面积为365 999 m2。

根据高速铁路设计规范要求，主体工程、路基工程、桥梁工程、隧道工程等子系统按100年设计，因此本文研究全生命周期按100年计算。而轨道、动车组、电气化等子系统寿命期较短，一般在20年至60年不等，在全生命周期内需要更新，各个子系统需要正常维护、维修，京沪高速铁路在华北、华东区域维护更新改造过程中所使用的建材生产碳排放分别进行计算。

4.4 全生命周期碳排放计算结果及分析

根据本文建立的全生命周期碳排放数学模型，结合京沪高速铁路建设运营的基础数据，可得到在全生命周期内各个阶段碳排放[15-20]，见表8。

表8 京沪高速铁路全生命周期碳排放构成 万t

表8中的全生命周期碳排放考虑了全生命周期内各年度碳排放因子的时空变化，如果不考虑碳排放因子时空变化，则碳排放因子按基期值计算，两者比较见表9。从表9可以看出，考虑碳排放因子时空动态变化计算出的全生命周期碳排放减小15.06%。

表9 京沪高速铁路全生命周期碳排放量比较

4.5 敏感性分析

高速铁路全生命周期碳排放计算模型(1)中包括建材碳排放因子、电力碳排放因子等参数，这些参数取值基于统计分析并进行远期预测。但由于影响因素的复杂性及发展的不确定性，全生命周期内参数的取值仍有可能发生变化。如电力碳排放因子、钢材、水泥碳排放因子、客流量等，这些参数变化对全生命周期碳排放值影响较大，需要进行敏感性分析，找出敏感性因素，进行分析控制。

4.5.1 电力生命周期碳排放因子敏感性分析

目前我国电力生产结构以煤电为主，从近几年统计情况看，这种电力结构正在逐渐改善，煤电比例也正在逐年下降，由于电厂建设效率提升，电力全生命周期碳排放因子也将随之下降。对该参数敏感性分析设为碳排放因子各年度上升10%、20%和碳排放因子下降10%、20%，分别计算全生命周期碳排放，见表10。

表10 电力、钢材及水泥碳排放因子敏感性分析 万t

图4 电力、钢材及水泥碳排放因子敏感性分析图

4.5.2 钢材、水泥碳排放因子敏感性分析

随着科学技术进步，钢材水泥生产工艺提高，生产单位质量钢材水泥的碳排放会逐年下降，本文考虑了钢材水泥碳排放因子的时空变化，同样对该参数敏感性分析设为碳排放因子各年度上升10%、20%和碳排放因子下降10%、20%，分别计算全生命周期碳排放，如表10、图4所示。

由图4可以看出，电力碳排放因子敏感性最强，是京沪高速铁路全寿命周期碳排放计算中需要重点控制的因素。

5 结束语

本文将全生命周期理论运用于高速铁路，对高速铁路的全生命周期碳排放进行了全面的分析，分别从高速铁路建材生产、施工建设、运营维护以及报废拆除处置等四个阶段建立碳排放数学模型，揭示了各个不同阶段碳排放分布情况及它们之间的联系。

为了验证模型，以京沪高速铁路为研究对象进行分析。分析客流、旅客平均运距及其变化规律，研究高速铁路路基工程系统、轨道工程系统、桥涵工程系统、隧道工程及明洞系统、站场工程系统、电气化工程系统、动车组系统等七大系统，计算各个子系统的碳排放量，计算出京沪高速铁路全生命周期碳排放量并进行敏感性分析。结果表明，高速铁路运营维护阶段碳排放占全生命周期84.97%，建材生产阶段占12.66 %。运营维护阶段是碳排放最大的阶段，节能潜力巨大，应重点研究线路节能坡设计、优化站间距离、车辆节能等。在原材料使用时考虑使用绿色节能材料，对于减少建材生产阶段碳排放有重要作用。研究表明，由于高速铁路工程建设周期一般为4～5年，相对于全生命周期100年较短。计算结果表明，建设阶段碳排放因子变化不大，因此该阶段是否考虑碳排放因子随时间变化总碳排放差异不明显，但应考虑碳排放因子空间因素。

对高速铁路的全生命周期碳排放进行分析涉及到装备、建材种类繁多、碳排放环节复杂，需要巨大的基础数据作为基础，是一项复杂的系统工程，需要建立一套完善的建材基础碳排放数据库。考虑电力碳排放因子时空动态变化后，京沪高速铁路全生命周期碳排放量比按基期静态因子计算的碳排放量减小15.06%，因此考虑碳排放因子时空动态变化很有必要。

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