基于碳足迹的城市轨道交通项目碳回收期研究

2022-05-20张跃斌李双双宋璋玉

华东交通大学学报 2022年2期

张跃斌，易欣，李双双，邱慧，宋璋玉

（1.中南林业科技大学土木工程学院，湖南长沙 410004；2.中南林业科技大学风景园林学院，湖南长沙 410004）

交通运输业是国民经济发展和居民生活必需的基础产业之一，是国民经济和社会发展的基础性、先导性和服务性产业，也是国家节能减排和应对气候变化的重点领域[1-2]。作为全社会碳排放总量的重要构成部分，交通运输业是碳排放量增速较快的部门，其中道路运输碳排放对交通排放总量的贡献率高达71.7%[3]，而在人口密度高的大城市公共交通中其占比甚至更高。推行低碳交通运输方式成为了节能减排和绿色发展的重要手段[4-5]。

城市轨道交通是一种低污染的绿色交通工具，对推动我国交通运输方式实现低碳转型具有重要意义[6]。近年来，许多专家学者针对城市轨道交通的碳排放问题进行了大量的研究。 Xu 等[7]建立了STIRPAT 模型，通过相关参数来预测轨道交通的碳排放。 Fan 等[8]运用长期能源替代规划模型（LEAP）分析了互联网时代共享交通发展和传统发展情景下北京轨道交通温室气体排放的发展趋势。 Zheng等[9]认为轨道交通减排效果是通过替代原有高耗能、高污染的出行方式而产生的，且这种减排效果具有一定的规模效应。冯国强等[10]用断点回归评估了轨道交通线路对空气污染的治理效应。高明等[11]通过断点回归证明了轨道交通运营对大气污染的减排效应显著，而这一效应主要是轨道交通替代私人汽车、出租车及公共汽车实现的。上述成果主要分析了轨道交通自身碳排放和对未来排放量的预测等，也有些从定性角度提到了轨道交通替代其他出行方式具有减排效果，但却没有定量分析具体的碳减排量，无法体现轨道交通对交通运输业碳减排的贡献程度。碳足迹一词源自1996 年Wackernagel提出的生态足迹[12]，目前已广泛应用于项目全寿命周期碳足迹的测算[13-14]。赵恺彦等[15]将高速公路与虚拟普通公路的，进行对比，建立了碳回收期计算模型，用来评价高速公路的碳减排效益。基于此，本文从轨道交通项目全寿命周期角度出发，将其与虚拟的道路运输进行碳足迹比较，通过碳回收期来测算其碳减排效果。同时，上述方法和模型还可推广至其他城市的轨道交通线路，随着我国碳交易市场逐步完善，若能利用市场手段将轨道交通项目的碳减排效益货币化，这将是城市轨道交通可持续发展的理想途径。

1 研究思路与方法

1.1 研究思路

基于项目全生命周期理论，对轨道交通的碳足迹研究分为建设和运营两个阶段。将建设阶段碳足迹视为瞬时产生的，运营阶段碳足迹视为年度变化的，且此变化一次性发生于年初。

为准确评价城市轨道交通的碳减排效益，首先虚拟化通行需求，即假设当轨道交通线路不存在时，市民的公共出行需求仍然存在，且该需求将完全被道路运输替代，由此便设定了对比轨道交通有无两种情况的参考基准。由此产生了两种不同通行方式碳足迹的量：一是轨道交通线路运行产生的实际碳足迹；二是同样的客运量在替代道路运输上产生的虚拟碳足迹，即轨道交通线路的客运量转由具有替代效应的市政道路车辆运输而产生的碳足迹。然后将轨道交通线路运行产生的实际碳足迹与同样的客运量在替代道路运输上产生的虚拟碳足迹两者差值作为测算轨道交通碳减排效益，若差值为正，则轨道交通增加了碳排放，碳减排效益为负。反之，若为负，则其碳减排效益为正。根据假设条件，定义轨道交通的年度碳足迹为当年运营碳足迹和上述实际碳足迹与虚拟碳足迹两者差值之和，定义多年累计碳足迹为建设碳足迹与运营各年度碳足迹的累加和。碳回收期是以碳减排回收全部碳排放所需要的时间，即多年累计碳足迹首次由负值转向正值的年份。

1.2 研究对象概况

为使研究结果更具准确性和代表性，需筛选基础数据准确且连续性好、代表性强的区域为研究对象。长沙是长江中游地区重要的中心城市，轨道交通发展迅猛。截至2020 年底，长沙市轨道交通运营线路5 条，线网覆盖主城区，运营里程161.05 km。长沙市轨道交通管理制度完善，在客运量等方面具有详细且连续的运营数据。基于此，本文选取了长沙市轨道交通为研究对象，并以2016 年建成运营的1 号线作为研究样本。

2 城市轨道交通项目碳回收期的理论模型构建

城市轨道交通以电力为能源驱动，碳足迹主要来源于项目的建设、运营两个阶段。长沙市内主要区域的自然地理条件相似，各线路的施工方案相近。本文以长沙市轨道交通1 号线为样本线路，将其建设阶段的碳足迹作为基准数据，其他线路建设阶段的碳足迹只需经过换算便可得到相应结果。各线路运营阶段的碳足迹则据实计算。最后，根据前述替代假设计算各线路的碳减排效益，由此得出各自的碳回收期。

2.1 建设阶段的碳足迹测算

目前对轨道交通项目建设阶段碳足迹的分析多采用施工要素碳足迹，即依据轨道交通项目在各个施工工序中的工程量来计算相应的碳足迹，将轨道交通项目建设阶段的碳足迹分为生产和施工两部分进行测算。

2.1.1 生产阶段碳足迹

生产阶段碳足迹是指建筑材料在生产阶段产生的碳排放，主要包括生产原材料的消耗、化石燃料的消耗以及生产机械设备消耗的电力能源。首先依据项目施工组织设计和工程量清单求出轨道交通项目所需材料的总量，然后根据每种材料对应的碳排放因子与相应的耗费量，便可得出材料生产阶段的碳足迹，主要消耗材料一般包括钢筋、混凝土、汽油等。各项材料的碳排放因子数据来源于中国生命周期基础数据库（Chinese life cycle database，CLCD）及相关文献[15-16]，具体数据详见表1。

表1 主要消耗材料的碳排放系数Tab.1 Carbon emission factor of main consumable material

式中：E1为生产阶段总的碳足迹；gx为第x 种材料的消耗量；lx为第x 种材料对应的碳排放因子；n 为材料种类。

2.1.2 施工阶段碳足迹

施工阶段碳足迹分为建筑材料在运输过程产生的碳足迹和施工过程中施工机械产生的碳足迹，施工阶段总的碳足迹用E2表示。

1）运输过程碳足迹。运输过程碳足迹是指建筑材料运输过程中产生的碳足迹。假设材料采用公路运输，基于生产阶段主要材料的耗用量，根据国家货运统计年鉴，我国平均货运距离为171 公里，公路运输过程中的碳排放量为每吨公里29.26 kg。

式中：E21为运输过程的碳足迹；η 为运输材料的总质量，t。

2）施工过程的施工机械碳足迹。首先依据城市轨道交通定额，对其包括的隧道工程、地下结构工程和轨道工程三部分进行分析; 然后依据施工组织设计和工程量清单得出投入的施工机械总台班，再根据《全国施工机械台班费用定额》得出每类机械设备消耗的能源量，并对所消耗的各种能源汇总并分类; 最后乘相应碳排放因子便可得出施工阶段的机械碳足迹。

式中：p1为样本线路（1 号线）建设阶段的碳足迹；k为建设碳足迹的修正系数，表示除主要设备材料以外的其他设备材料可能产生的碳足迹，根据文献[15]可取经验值1.02；ci为i 线路长度，α 为路况修正系数，β 为工况修正系数。参考各线路的施工概算，α 在穿越湘江的线路和未穿越的线路分别取经验值1.2 和1.0。对于存在高架区间的线路，β 取经验值1.25，否则取1.0。

2.2 运营阶段的碳足迹测算

轨道交通运营阶段的碳足迹主要是站厅以及站台内照明系统、通风空调系统和自动扶梯系统消耗的电力能源产生的碳足迹。设i 线路j 年度运营阶段总的碳足迹为kij。

1）照明系统。根据用途，车站的照明分为一般照明、广告照明和应急照明。考虑到实际照明情况，车站照明系统的碳足迹主要计算一般照明设备和广告照明设备消耗电力能源所产生的碳足迹。

2）通风空调系统。车站通风空调系统运行耗电量随季节变化，空调季节和非空调季节消耗的电力能源不同。可依据空调季和非空调季分别计算出通风空调设备消耗电力能源所产生的碳足迹。

3）自动扶梯系统。根据每天运营时间计算出自动扶梯的运行时间（由于乘客进站的不确定性可忽略自动扶梯间歇时间），可依据运行时间计算自动扶梯产生的碳足迹。

显然，照明系统、通风空调系统和自动扶梯系统的碳足迹来源均为电力能源消耗，故同样可以结合耗电量和电力碳排放因子来计算运营阶段的碳足迹。

2.3 城市轨道交通项目的实际碳足迹与虚拟碳足迹差值测算

根据虚拟化和替代假设，目标线路目标年度的实际碳足迹与虚拟碳足迹差值计算公式

式中：Oij为i 线路第j 年度的实际碳足迹与虚拟碳足迹之差，Pij为i 线路第j 年度的实际碳足迹；Lij为i 线路第j 年度的虚拟碳足迹。针对实际碳足迹，根据长沙市轨道交通车辆参数，其车辆牵引功率为200 kW，1 号线每日运营时间为16.5 h，单程运行时长为45 min，每隔7 min 发车。故1 号线每天运行需耗电量42 300 kW·h，结合电力碳排放因子，可得出1 号线年度实际碳足迹。同理，根据其他线路相关参数及运行条件，汇总2 号线～5 号线的年度耗电量及碳足迹，如表2 所示。

表2 长沙市轨道交通运行参数及日耗电量表Tab.2 Changsha rail transit operation parameters and daily power consumption meter

实际碳足迹的计算公式如下

式中：Ti为i 线路每日的耗电量。

虚拟碳足迹表现在轨道交通线路的客运量转由具有替代效应的市政道路车辆运输而产生的碳排放。考虑到轨道交通线路经过的区域以普通市政道路为主，为分析计算简便，本文将虚拟替代轨道交通的所有市政道路均视为一级道路。

首先，依据长沙市交通运输局发布的城市公共交通客运量数据分析报告，汇总后得出1 号线～5 号线的年度客运量。其次，采用Eviews 软件对客运量进行最小二乘法回归预测，得到2022—2050 年的客运量数据。然后，考虑到大部分乘客并非自始至终地全程乘坐整条线路，故简单以轨道交通线路的全长作为替代市政道路的距离并不合理。最后，本文根据该线路的营业额与客运量比值来推测人均消费，再结合票价可间接求得人均乘坐里程，结果为0.69，由此得出实际和预测客运量如表3 和表4 所示。

表3 长沙市轨道交通的实际客运量（万人）Tab.3 Actual passenger volume of Changsha rail transit（ten thousand people）

表4 长沙市轨道交通的预测客运量（万人）Tab.4 Forecasted passenger volume of Changsha rail transit（ten thousand people）

据长沙市交通运输局公布，自2016 年长沙推行新能源公共汽车以来，纯电动型公共汽车每年的占比分别为18.86%，33.3%，49.40%，截至2018 年末已经实现纯电动型公共汽车占比超过一半。通过以上分析可知目前长沙纯电动型公共汽车普及率达50%，在选取30 座及以上的三型车（代表公共汽车）计算虚拟碳足迹时，考虑柴油消耗的公共汽车和纯电动型公共汽车两种车型。三型车（柴油消耗）以40 km/h（城市公交车时速一般在25～50 km/h，取平均值）的运行速度、4 座的一型车（代表私家车）以60 km/h 平均速度，在虚拟的替代道路出行。已知一型车在此条件下每百公里油耗19.6 L（柴油），三型车（柴油）在此条件下每百公里油耗25.9 L，纯电动型公共汽车在此条件下每百公里耗电量100 km/h。依据景鹏等[17]研究城市居民对公共汽车、小型车出行方式的选择行为表明了城市居民会以相同概率选择公共汽车、小型车两种出行方式，基于以上分析本文在研究客运量分配时，假定市民将以同样概率选择这两种替代出行方式，故三型车和一型车将平均分配所替代的轨道交通客运量，其中三型车（柴油）和纯电动公共汽车将继续平均分配三型车的轨道交通客运量。

虚拟碳足迹的计算公式如下

式中：lu是柴油的碳排放因子；ld是电力的碳排放因子；ci为i 线路全程长度；vij为i 线路j 年度客运量。

2.4 城市轨道交通项目的碳回收期测算

投资回收期源于工程经济学领域，是为了测算项目的投资额在多少年内通过项目运营过程中的收益额（包括上缴的利润和税金）全部回收的时间[18]。从现有的文献分析，许多学者关于投资回收期应用的研究已经广泛分布于各个领域[19]。赵恺彦等[15]利用江苏省8 条干线高速公路产生的碳排放建立了碳回收期模型来评价碳减排效益。基于以上分析，将投资回收期概念引入轨道交通碳减排测算领域，定义碳回收期为运营碳足迹和实际碳足迹与虚拟碳足迹差值全部回收建设碳足迹所需要的时间，也就是多年累计碳足迹首次由负值转向正值的年份。

多年累计碳足迹计算公式为

3 模型应用分析

式中：Yi为i 线路的碳回收期。

3.1 长沙市轨道交通的建设碳足迹和实际碳足迹与虚拟碳足迹差值分析

3.1.1 长沙市轨道交通的建设与运营碳足迹分析

长沙市轨道交通目前已运营线路5 条，在建线路1 条，总计通车里程161.05 km。根据式（1）～式（5）计算出5 条在运营线路的建设碳足迹与年运营碳足迹。计算结果表明，轨道交通的建设碳足迹主要由线路里程决定。

3.1.2 长沙市轨道交通各线路的实际碳足迹与虚拟碳足迹差值分析

轨道交通的实际碳足迹与虚拟碳足迹差值由牵引耗电量与客运量决定，根据式（6）～式（9）和每条线路客运量数据，计算长沙市轨道交通1 号线～5号线的实际碳足迹与虚拟碳足迹差值。

3.2 长沙市轨道交通各线路的碳回收期计算

根据表5 和表6 数据得出长沙市轨道交通线路的多年累计碳足迹，如图1 所示。

表5 长沙市轨道交通建设及运营阶段碳足迹Tab.5 Carbon footprint of rail transit construction and operation in Changsha

表6 长沙市轨道交通实际碳足迹与虚拟碳足迹差值Tab.6 Carbon footprint of rail transit in Changsha

图1 长沙市轨道交通线路多年累计碳足迹Fig. 1 Cumulative carbon footprint of Changsha rail transit lines for many years

根据式（10）～式（11）计算碳回收期。

5 条线路在2050 年前均能全部回收建设阶段的碳排放，其中2 号线的碳回收期最短，仅需14 a。截止2050 年，5 条线路总计碳减排量将高达1 189.71 万t。而且在轨道交通线路达到碳回收期后，每年将产生巨大的碳减排效益。湖北碳交易市场是目前全球最大且在中部地区唯一，若以2021 年3 月该市场的碳排放交易价格计算（假设以后的碳排放交易均按此价格成交），预计到2050 年长沙市轨道交通1 号线～5 号线的碳减排效益可达2.38 亿元。