高速铁路生命周期碳排放计算方法

第3 4卷，第5期 2 0 l 3年9月 中 国 铁 道 科 学 CHINA RAILWAY SCIENCE VoI．34 No．5 September，2013 文章编号：1001—4632(2013)05—0140—05 高速铁路生命周期碳排放计算方法 付延冰 ，刘恒斌。，张素芬。 (1．中南大学交通运输工程学院，湖南长沙410075； 2．中国铁路总公司运输局，北京100844； 3．广州大学工商管理学院，广东广州510006) 摘要：基于生命周期评价理论，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式；通过算例分析了高速铁路在建造和运营阶段碳排放的特点。分析和数值 计算结果表明，虽然在高速铁路基础设施建设过程中由于大量建设材料和高能耗施工机械的使用，使得高速铁 路建造阶段的二氧化碳排放量相对较多；但是，由于高速铁路具有节约能源、节省土地和货运增量替代效应等 特点，使得高速铁路进入运营阶段后二氧化碳的排放量大幅度减少，即从生命周期全过程来看，高速铁路具有 较好的减排效果。 关键词：高速铁路；生命周期；二氧化碳排放；环境保护 中图分类号：U238：Xll 文献标识码：A 全球气候变暖是国际社会普遍关注的焦点问 题，而人类活动排放的大量温室气体是引发气候变 暖的主要原因__1]。1997年联合国气候化纲要公约 第3次缔约国大会明确指出各国需有针对性、有计 划地削减二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化 物、全氟碳化物及六氟化硫等6种温室气体的排 放。交通运输作为基础社会经济活动之一消耗了全 球约1／3的能源_2]，从而产生了大量的温室气体。 近年来迅速发展的高速铁路以其节能减排、运能大 等一系列技术经济比较优势而逐渐受到重视。国内 外部分学者针对高速铁路减排的比较优势进行了研 究。文献[2]认为相对于其他运输方式，高速铁 路不但在节约能源和减少土地占用方面具有独特优 势，而且其环境治理成本也是最低的。文献[3] 认为与既有铁路相比，高速铁路具有节地效应、货 运增量替代效应和客运增量替代效应。文献E4] 认为高速铁路在土地占用、利用新能源及可再生能 源和“以电代油”等方面具有节能减排效应，并从 能源消耗和污染物排放2个角度与其他运输方式进 行对比，分析高速铁路的环境优势。 从对全球升温的贡献来讲，二氧化碳所占比例 最大(约为55 )[引，被广泛认为是产生温室效应 并导致全球变暖的主要气体。因此本文基于生命周 期评价理论 ，开展高速铁路二氧化碳气体排放 (以下简称碳排放)计算方法的研究。 1 高速铁路生命周期碳排放计算模型 1．1 确定高速铁路生命周期碳排放计算边界 根据生命周期评价理论，高速铁路生命周期碳 排放是指在高速铁路生命周期内由于高速铁路消耗 能源和资源而向外界环境排放二氧化碳的总数量。 为了计算高速铁路生命周期碳排放，首先需要确定 高速铁路生命周期碳排放计算边界。高速铁路生命 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， 这其中包括高速铁路基础设施建设所需材料的生 产、运输和高速铁路的建设施工、运营与维护、拆 除等，如图1所示。 1．2碳排放清单分析 碳排放清单分析就是列出有关高速铁路生命周 期碳排放的过程和影响因素，根据高速铁路在整个 收稿日期：2013—02—22；修订日期：2013—06—27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(71071165)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011QNZT062) 作者简介：付延冰(1977)，女，黑龙江双鸭山人，讲师，博士。 第5期 高速铁路生命周期碳排放计算方法 141 生命周期内资源、能源的消耗，量化分析其向外部 环境排放的二氧化碳气体等。高速铁路生命周期碳 排放清单分析如图2所示。 建造阶段 使用阶段 回收阶段 f施工和安装 运营和维护 拆除、处置I 千 l建设材料生产l t f原材料获取f l l 图1高速铁路生命周期碳排放计算边界划分 ①建设材料生产。 ②建设材料运输 ③施工机具使用 高l ①运营能耗 速I 母 ②土地占用 一 铁卜__ 路l ③货运增量替代 l ①材料回收利用L． ③旆工机具使用 图2高速铁路生命周期碳排放清单分析 在进行高速铁路生命周期碳排放清单分析时， 考虑到高速铁路由于具有节能、节地和货运增量替 代效应等优势，因此与公路运输比较时高速铁路对 环境具有正效益，能够抵扣高速铁路基础设施建造 过程中引发大量的碳排放。高速铁路生命周期碳排 放量计算可分为建造、运营和回收3个阶段进行。 1．2．1建造阶段碳排放 1)建设材料生产过程中的碳排放量 交通运输基础设施在建造过程中需要消耗大量 的建设材料。高速铁路基础设施(本文包括线桥 隧、车站、机车车辆、牵引供电、通信信号设备、 信息化装备等)建造阶段对建设材料的消耗量巨 大，而生产这些材料需要消耗能源，从而产生大量 的二氧化碳，同时在其生产过程中矿物原料的分解 也会产生大量二氧化碳[9_Io]。 生产高速铁路基础设施建设所用材料时排放的 二氧化碳量P 可按下式计算。 nI P 一∑m d (1) =1 式中： 为高速铁路基础设施建设施工过程中使 用主要材料的种数；m 为第i种主要材料的用量， t；d 为生产单位数量第 种主要材料的碳排放 量，kg·t_。。 2)建设材料运输过程中的碳排放量 在高速铁路建造阶段，需要将建设材料和施工 机械设备运输至施工地点，而运输这些材料和机械 设备时因消耗能源而排放的二氧化碳量P。可按下 式计算。 P 一∑m l d =1 (2) 式中： 为高速铁路基础设施建设施工过程中第 种主要材料的平均运输距离，km；d ， 为第 种主 要材料单位运输周转量的碳排放量，kg·(t· km)_。。 3)基础设施建设施工过程中的碳排放量 在高速铁路基础设施建设施工过程中使用了许 多大型施工机械和设备，使用这些消耗能源的施工 机械和设备所排放的二氧化碳量Ps可按下式计算。 h P。一∑d。， (3) 2=1 式中：k 为高速铁路基础设施建设施工过程中使 用的需消耗能源的施工机械种数；d。， 为使用第i 种消耗能源的施工机械所产生的碳排放量，kg。 1．2．2运营阶段碳排放 1)运营能源消耗引发的碳排放量 高速列车采用电力牵引方式以及多种节能技 术。例如，将列车动能量反馈回供电系统的再生制 动技术、车体流线型设计及轻量化技术，等等，从 而大大降低了高速列车实际能耗_1 。高速铁路在 运营期间由于动车组运行消耗能源所排放的二氧化 碳数量P 可按下式计算。 (4) 式中： 为高速铁路年均客运周转量，人·km； 为高速列车平均定员，人·列_。；S为高速列车平 均上座率， ；P高为高速列车平均功率，kW· 列～； 为高速列车平均速度，km·h_。；d为 全国电力平均碳排放量， ·(kW·h)_。；r为 高速铁路设计使用年限。 2)土地占用引发的碳排放量 为了追求线路高平顺性，并且减少铁路对沿线 城镇的切割，我国高速铁路采用大量的桥隧结构替 代路基结构(即“以桥代路”)。与路基结构的线路 142 中国铁道科学 第34卷 相比，桥隧结构的线路节省了大量的土地[】 。这 些节省出的土地如果用于植树种草，不但增加了绿 地面积，而且植物还能够通过光合作用吸收二氧化 碳并释放氧气，以生物量的形式固定二氧化碳。根 据以上分析可按下式计算高速铁路基础设施因占用 土地而减少绿地面积所增加的高速铁路碳排放 量P 。 P5一l(b一 )Lc1p+C2(1一p)]r (5) 式中： 为高速铁路线路长度，km；b为高速铁路 路基的平均宽度，kin； 为高速铁路桥遂长度与高 速铁路全线长度之比， ；S为每公里桥遂结构比 路基结构节省的土地面积，km2·km～；C 为单位 面积树林每年吸收的二氧化碳数量，kg·km_。；P 为用于种植树木的土地的比例， ；c。为单位面积 草地每年吸收的二氧化碳的数量，kg·km一。 3)货运增量替代效应引发的碳减排量 我国高速铁路专门用于运送旅客，这有助于实 现繁忙干线的客货分流，释放出既有线的货运能 力，缓解铁路货运能力不足的局面。同时，由于铁 路的货运能力和节能效果均优于公路，因此货物通 过铁路运送比用公路运送能减少大量的碳排放。从 这一角度来讲，高速铁路投入运营引发的铁路货运 量增加所产生的二氧化碳减排效应，即为高速铁路 的货运增量替代效应。 如果高速铁路能够大量吸引与其基本并行的既 有线上的客流，则可减少此既有线上旅客列车的开 行数量，那么此既有线上释放出的运输能力将转化 为货运能力。既有线货运能力增加的多少取决于停 运的旅客列车对数、停运1对旅客列车能够开行的 货物列车对数和货物列车的装卸能力等。根据经验 公式[1 ，高速铁路开通前与其并行的既有线旅客 列车对数为 客时，其年货运量G可按下式近似 计算。 G一{365 [(1 440一垴)／i一 客(1．O7— 0．005 3 客+10一 )e快]}／K波 (6) 式中：￡窗为维修天窗时间，min；j为追踪间隔时 间，min Q为既有线货物列车平均牵引总重，t； e快为旅客快车扣除系数；9为既有线货物列车平 均载重系数；K波为货运波动系数。 根据高速铁路开通前、后并行既有线上开行旅 客列车数量的变化，通过式(6)可以计算出高速 铁路开通后并行既有线年增加的货运量△G。 在高速铁路运营期间由于货运增量替代效应而 减少的碳排放量Ps可按下式计算。 ( ～ ) ㈩ 式中：Q1为公路货车平均载重量，t·车 ； 为 公路货车每公里平均油耗量，I ·(车·km)_。； g为全国油耗平均碳排放量，kg·L_。；Q2为货物 列车平均载重量，t·列～；P物为货物列车平均功 率，kW·列～； 物为货物列车平均速度， km·h～。 1．2．3回收阶段碳排放 在高速铁路回收阶段拆除和处置高速铁路基础 设施的过程中，由于需要使用一些消耗能源的施工 机械，从而将产生碳排放，但部分拆下来的材料可 以回收再利用，则又能减少因材料生产而引发的碳 排放。因此，高速铁路回收阶段的碳排放量P 可 按下式计算。 兰 三 P7一 d4， 一 5，J (8) l一1 J 1 式中：kz为高速铁路回收阶段拆除和处置基础设 施过程中使用的需要消耗能源的施工机械种数； d 为在高速铁路基础设施拆除和处置过程中使用 第 种消耗能源的施工机械所产生的碳排放量， kg；n 为可回收再利用材料的种数；d ， 为回收利 用第 种材料而减少的碳排放量，kg。 1．3碳排放分析 由以上分析和计算公式，可以得到高速铁路全 生命周期的碳排放总量P为 P：==户1+P2+P3+P4+P5一P6+P7 (9) 根据上述公式可以对高速铁路生命周期碳排放 清单的内容进行分析，找出碳排放的重点阶段和关 键影响因素，进而有针对性地采取措施以减少高速 铁路的碳排放。 2算例分析 以某条长度达1 000 km、可开行时速350 km 的CRH。型动车组的高速铁路为例，假设该线路 的桥隧比为80 ，年平均客运周转量为53．2千亿 人·km，释放既有线货运能力876万t，参考文献 [3～l3]中的其他数据，运用本文方法计算该高速 铁路生命周期碳排放量。鉴于高速铁路生命周期碳 排放的计算是一项非常复杂的工作，涉及大量的项 目和数据，本文暂且只针对高速铁路在建设和运营 2个阶段的碳排放情况进行初步计算；并且因为水 泥和钢材的用量在建设材料总用量中占有非常大的 第5期 高速铁路生命周期碳排放计算方法 143 比例，而且有关这2种材料的环境影响研究又相对 充分，数据较为可靠，所以主要建设材料选为水泥 和钢材。计算结果见表l。 表1某高速铁路不同上座率的碳排放量比较万t 阶段 上座率 loo％ 90％0 80％ 70％ 60％ 50％ 建造阶段 2 941．25 运营阶段3 962．O0 4 116．11 4 309．19 4 557．18 4 787．84 5 350．76 年均 69．032 5 70．573 6 72．504 4 74．984 3 77．290 9 82．9201 注：设计使用年限取IOO；水泥用量约1 200万t；钢材用量约500万t。 由表1可知，虽然在基础设施建造阶段高速铁 路的碳排放量较大，但如果将其平均到按设计使用 年限确定的运营阶段内，则高速铁路的年均碳排放 量与高速公路相比很小；另外，在完成相同客运周 转量的前提下，随着上座率的提高，高速铁路的年 均碳排放呈下降趋势。如果按照文献I-3]中提供 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [1O3 [11] 的数据，高速公路完成同样的客运周转量仅汽车能 源消耗一项所产生的碳排放每年就高达7 488万t。 3结语 本文基于生命周期理论将高速铁梅碳排放的计 算分为建造、运营和回收3个阶段，给出了每个阶 段高速铁路碳排放的计算式，并通过算例初步分析 了高速铁路在建造和运营阶段碳排放的特点。高速 铁路碳排放的计算涉及范围广，时间跨度大，影响 因素众多，是一项非常复杂的工作。因此，需要进 一步加强我国高速铁路相关数据的收集、监测和统 计，继续深化研究高速铁路生命周期碳排放定量核 算的解决方案。 参 考 文 献 PACHAURI R K，REISINGER八Climate Change 2007：Synthesis Report JR3．Geneva，Switzerland：IWA2，2008． 周新军．高速铁路助推中国低碳经济效应[JJ．中国科学院院刊，2011，26(4)：452—461． (ZH0u XiNu~The Low-Carbon Effect with the Help of High-Speed Railway in China[J]．China Science Journal， 201 1，26(4)：452-461．in Chinese) 张汉斌．我国高速铁路的低碳比较优势研究I-J3．宏观经济研究，2011(7)：17—19． (ZHANG Hanbim Research on the Comparative Advantage of Low Carbon of 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Carbon Dioxide Emission in the Life Cycle of High—Speed Railway FU Yanbing ，LIU Hengbin ，ZHANG Sufen。 (1．School of Traffic and Transportation Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China； 2．Transport Bureau，China Railway Corporation，Beijing 100844，China； 3．School of Business Administration，Guangzhou University，Guangzhou Guangdong 51O006，China) Abstract：Based on the theory of life cycle assessment，the system boundary is defined for calculating car— bon dioxide emission in the life cycle of high—speed railway，which is divided into three phases，namely，in— frastructure construction，operation and recovery．Formulas are presented respectively for carbon dioxide emission in each phase after analyzing the detailed lists of carbon dioxide emission for each stage of high- speed railway．Carbon emission characteristics in construction and operation phases are analyzed through examples．Analysis and numerical calculation results show that carbon dioxide emission is relatively higher in construction phase due to the use of lots of construction materials and high energy consumption con— struction machinery．However，it is reduced considerably after entering operation phase owing to the ad— vantages of high-speed railway，such as saving energy and land as well as freight increment substitution effect，etc．So from the whole 1ife cycle perspective，the effect of carbon dioxide emission reduction of high—speed railway is very good． Key words：High-speed railway；Life cycle；Carbon dioxide emission；Environmental protection …】 ………】H …， …】H’l (责任编辑阳建鸣) (上接第133页) 17 高速铁路轨道技术深化研究——高速道岔用道岔板设计施工技术深化研究 根据建立的梁一板一板有限元计算模型，研究分析道岔板结构在运营、运输、施工以及温度荷载作用下的受力状态， 检算道岔板的承载能力以及裂缝宽度。研究设计道岔板的型式、结构配筋、绝缘措施、钢轨扣件接口、转换设备接口、与 基础连接、综合接地等。确定满足岔区轨道几何状态的道岔板预埋套管之问定位关系的参数及偏差限值，分析制造和施工 中可能产生的偏差组合。依据我国高速铁路无砟道岔的适用条件，确定岔区道岔板的平面分布和结构型式，完成各种型号 的高速道岔板设计图。编制《客运专线铁路预埋套管式混凝土道岔板制造及验收技术条件》(试行)，提出保证道岔板精度 的制造工艺和高速岔区板式无砟轨道施212212艺，以及控制测量方法和测量器具等。研究成果于2012年2月通过了铁道部科 技司组织的技术评审。 一 (陈 源)