城市交通能耗和碳排放統計測算方法研究

張秀媛，楊新苗，閆 琰

(1.北京交通大學運輸學院，北京，100044;2.清華大學 土木工程系，北京，100087)

一、引言

當前，北京、上海等大城市車用能源在城市能源消費總量中的比重相對較高。與此同時，二三線城市甚至四線城市的汽車銷量和保有量增速較快，和一線城市的差距在不斷縮小。二三線城市集中了全國城市人口的60%，其經濟總量占全國的比例約為50%。轎車進入家庭導致私人汽車過多、車用燃料標準和尾氣排放標準過低等導致交通擁堵和霧霾等環境質量下降。車用能源已經成為城市能源消耗的重點領域。因此，調整城市交通結構，完善交通能源消耗和碳排放統計，大力發展公共交通，降低人均能耗和人均排放是城市交通可持續發展的關鍵環節之一。

(一)國內外相關研究進展

目前，國內外對于城市交通能耗研究的主要方法包括如下幾個方面。Toshihiko等人用CGE(Computational General Equilibrium Model)模型通過模擬能源、經濟、環境的三者關系，主要用于預測碳稅等促進節能減排的政策效果，為決策者制定長期能源戰略和政策提供支持，應用于國家和地區等宏觀層面分析［1］。周偉等在2010年采用MARKAL-MACRO(The Market Allocation of Technologies Model-MACRO)模型，用人口統計學理論進行中國城市化能源消耗［2］定量分析。研究設定了中國未來能源消費的3種情景預測，分別為基準情景，一次能源結構優化情景以及氣候變化約束情景。對不同情景下各行業能源消耗量及CO2排放量進行了測算，并指出由于機動車保有量的增加，交通運輸行業的能耗及碳排放量將持續上升。Eric D Larson等以MARKAL模型為基礎建立了中國能源系統模型，研究在保證社會經濟發展、能源供應安全、環境可持續發展的基礎上，對中國能源發展技術戰略進行了情景分析［3］。趙嫻在2007年根據AIM(Asian-Pacific Integrated Model)能源技術模型建立了北京市2008年交通能源需求與環境排放模型，以2005年為基準年預測了2008年能耗和排放［4］。并對2008年北京市交通能源需求和環境排放進行了4種情景分析。朱松麗等人在2002年采用LEAP(Long-range Energy Alternatives Planning System)模型預測了北京市1998－2020年交通能源需求［5］。在研究過程中建立了北京市和杭州市城市交通數據庫，包括各類型機動車排放因子的測定。王曉華應用LEAP模型建立了北京市物流系統能耗計算模型，并利用MOBILE模型核算了能耗及排放強度［6］。Ranjan等人在1997年利用LEAP模型和環境數據庫分析了印度新德里交通部門的能源消耗和排放影響因素，并預測了能源需求總量和排放量［7］。閆琰的分析研究中指出公共交通系統作為交通領域重要的節能方式，完全可以成為環境稅的受益者，但由于我國目前尚未形成完善的能源環境稅收體系，公共交通系統的節能優勢尚沒有給出合理的分析和支持［8］。張鐵映研究指出由于能源問題的日益嚴重，碳交易市場成為全球溫室氣體減排、減少CO2排放所推廣的市場機制，充分利用公共交通系統節能減排的優勢，收益用于公共交通系統的建設和運營［9］。

(二)我國城市交通能耗統計的現狀及問題

當前我國城市交通系統能源消耗和碳排放的測算研究不斷深入開展，迫切需要加強我國城市交通能源統計系統建設和完善，具有合理的統計結構和量化研究所需的統計數據。但是，目前我國城市交通能源消耗統計缺失和不完整，使得城市客運交通系統能耗統計測算存在諸多問題。

城市公共交通系統的能源消耗和碳排放整體分析和統計，以及公共交通系統能耗數據體系的建立是城市交通能耗分析的關鍵環節之一。唐旭南等人針對城市公交系統全生命周期能耗進行分析，通過測算車輛生命周期成本，包括購置成本、運行成本、維護保養成本、其他成本，并給出了車輛生命周期成本與行駛里程之比等關系分析，形成公交車輛能源費率參數［10］。賈順平等人也指出不同交通方式的能源消耗因子比較，應考慮全過程消耗和全承擔消耗，用生命周期評價方法進行評價。包括建設階段、運營階段、維護階段、運營及更新等為交通運輸能源消耗的研究重點之一［11］。

在之前的城市交通能源消耗研究中，主要針對車輛終端能耗分析，缺少針對城市交通基礎設施能耗的研究，尤其是缺乏對于公共交通系統生命周期能耗測算和城市交通基礎設施能耗測算的研究。交通系統的能耗往往只關注車輛運營的階段，即車輛的燃油消耗產生的能源消耗和溫室氣體排放，而忽略了基礎設施建設及運營維護的能耗。忽略交通基礎設施對于環境的影響來分析評價某種交通方式的環境影響是不科學的，也是不全面的。這在軌道交通方式上體現的尤為明顯，軌道交通的基礎設施建設包括軌道、車站、站臺等，其能源消耗和綠色溫室氣體排放是巨大的，如果忽略這個階段而只考慮其運營階段，再將其與其他交通方式相比較難以得到客觀的結果［12］。

對于公共交通系統而言，交通運輸工具的終端能源消費量只是整個公共交通系統能源消費量的一部分，單獨憑借運輸工具的終端能源消費量來評價不同公共交通方式的用能是不全面、不準確的。從城市公共交通系統全生命周期角度研究能源消耗應包括基礎設施能耗和交通運輸工具能耗。因此本文按照生命周期分析方法來建立公共交通系統能耗模型關系。

二、城市交通全生命周期能耗分析

目前，城市交通系統結構包括公共交通、準公共交通、非公共交通，其中公共交通主要由地面公交和軌道交通為主，出租車為準公共交通方式構成，非公共交通中重點是小汽車。對公共交通和出租車進行全生命周期能耗和碳排放分析中能耗影響因素包括內部和外部兩部分，其中能耗內部影響因素主要是基礎設施、車輛性能、燃料類型、運營組織和駕駛員技能等;外部影響因素主要有城市土地利用、居民出行方式選擇等方面。

城市交通系統能源消耗和碳排放統計指標體系應按照交通方式結構確定，指標體系既要考慮交通方式結構和交通需求，也要考慮能源消耗結構包括汽油、柴油、天然氣和電等變化［13］。

公共交通系統中，軌道交通包括機車牽引和列車能耗、車站能耗以及基礎設施能耗。其中，機車牽引能耗是影響軌道交通系統總能耗的關鍵，機車牽引能耗包括列車加速牽引能耗和環控能耗兩部分。軌道交通車輛性能對軌道交通能耗的影響體現在其機車牽引效率和輔助牽引能耗占比兩個方面。機車輔助牽引占能耗牽引能耗的比例，輔助牽引能耗指在列車運行過程中，為乘客提供舒適、安全保障的車載設備能源消耗。

從全生命周期角度研究城市客運交通系統能耗應該包括車輛，基礎設施和燃油3個方面，前兩個方面又包括設計、原料開采、制造過程、建設過程、運營過程、維護和報廢7個階段。不同交通方式的能源消耗因子比較，考慮全過程消耗和全承擔消耗，用生命周期模型方法進行分析評價，包括建設階段、運營階段、維護階段、回收處理階段，是交通運輸能源消耗的研究重點之一。

三、城市公共交通能耗模型分析

按照全生命周期能源消耗分析方法測算公共交通系統能耗及排放強度，探索公共交通能耗影響因素、主要參數和測算模型方法。

(一)公共交通系統能耗統計測算影響因素

本文重點考慮公共交通的車用能源類型和公共交通系統組成要素。

(1)公共交通車用能源類型較多，簡單劃分為傳統公交車輛和新能源車輛。2009年我國工信部制訂的《新能源汽車生產企業及產品準入管理規則》正式確定了新能源車輛的范圍，指除汽油、柴油發動機之外所有其他能源汽車，包括純電動汽車(BEV)、混合動力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)、氫發動機汽車及燃氣、醇醚、生物柴油汽車等。新能源車輛概念取代了替代燃料車輛的概念。清潔能源汽車是以車用清潔能源取代傳統汽油、柴油的環保型汽車的統稱，其特征是能耗低、污染物排放少、對環境友好［14-15］。

(2)城市公共交通系統組成要素，包括內部要素和外部要素。公共交通系統內部構成要素可以劃分為物理設施、運營計劃、從業人員。物理設施包括基礎設施，車輛，燃料，設備，動力系統，控制、通信和地理系統;公共交通系統外部構成要素可劃分為:政府決策，私人交通出行方式及非機動交通出行方式，消費者指城市居民等。

城市客運交通出行總量，出行距離，出行結構由城市經濟發展、土地利用、居民出行選擇等宏觀層面影響因素決定，即城市客運交通出行總量，出行距離，出行結構是公共交通系統能耗強度的外部影響因素的構成要素，此外還有公共交通系統內部構成要素影響著公共交通方式能耗強度。

(二)公共交通能耗與排放測算的主要參數

城市公共交通能源消耗與排放測算主要參數為車輛速度、交通基礎設施、滿載率和燃料類型等。

(1)車輛速度，對車輛能耗的影響主要體現在對發動機牽引力和風阻力上。有研究表明車速較低時，車速波動對車輛油耗的影響較小，車速的增加對車輛油耗的影響越顯著。目前我國城市公交車平均速度在30km/h以下，車速變化對車輛百公里油耗影響不大，車速波動在20%左右，油耗波動在10%左右。

(2)交通基礎設施能耗按照全生命周期分析包括交通建設、運營、維護和報廢處理四個階段，其中建設階段是能源消耗的主要來源。由于基礎設施使用壽命較長，報廢階段也暫時不予考慮，其生命周期清單分析中基礎設施的建設和維護階段是能耗和排放的主要和直接來源。基礎設施建設及維護能耗生命周期評價往往使用基于過程的評價方法，即根據基礎設施的施工過程和技術來逐步計算能耗和排放。

公共交通系統的基礎設施可按照地面交通和軌道交通分為兩類，地面交通(地面公交和出租車)的基礎設施主要包括道路、站臺、停車場站等，軌道交通基礎設施主要包括區間軌道、車站和車輛段。公共交通系統的運輸工具根據交通方式可劃分為公共汽電車、出租車、軌道交通車輛。

(3)滿載率，車輛滿載率對車輛能耗的影響主要在于影響車輛載重，車輛載重越大，滾動阻力越大，百公里能耗越高。對于大型公交車，滿載時能耗比空載時有較大幅度提高，平均達35%以上，同時隨著速度的增加，增幅也會增加。

車輛滿載率對人均能耗有著顯著影響，人均能耗隨著車輛滿載率的提高而快速降低，滿載率超過50%后，人均能耗降幅變平緩。當公交車輛滿載率較低時，人均能耗較高，當滿載率不足10%時甚至超過私人汽車出行人均能耗。從節能減排角度考慮，應通過調整運營計劃或車型調配，保證車輛的載客率在50%以上。

(4)燃料類型，公共交通的燃料類型主要有汽油、柴油、天然氣、電和混合動力。假定在滿載率100%理想條件下進行不同燃料類型地面公交車輛的人均能耗及排放強度對比，差距較大。混合動力地面公交車輛在能耗及碳排放方面均有比較明顯的優勢，與傳統柴油公交車相比，人均能耗及排放強度下降23%左右。混合動力公交車輛能夠顯著的降低車輛運行能耗和碳排放，技術較為成熟，是目前新能源車輛發展的主要方向。但車輛購置成本偏高，我國許多城市正在積極推廣混合動力公交車的應用，對購置混合動力公交車提供一定的補助。天然氣公交車輛與傳統柴油公交車輛相比，優勢主要體現在經濟性和減少有害氣體排放方面，其能耗和碳排放方面并不具有顯著優勢。天然氣的價格是柴油價格的25%左右，并且能夠降低近90%PM2.5排放量。因此天然氣作為清潔能源和替代能源將成為未來公交車輛的一個重要發展方向。電力公交車目前主要是以有軌電車和無軌電車為主，純電動公交車輛雖然運行階段不產生排放，但是由于我國電力生產過程中能耗及碳排放量較高。因此，純電動公交車輛整體碳排放水平仍然較高，還不具備大規模運營的技術條件。

(三)公共交通全生命周期能耗與排放模型結構

城市公共交通能源消耗和排放的主要統計指標為載客人數、燃料類型、百公里能耗、能耗強度、排放強度等。

模型結構和統計指標選取。根據公共交通系統能耗測算模型結構，模型的計算模塊分為3個部分，即基礎設施建設能耗及排放計算，基礎設施運營能耗及排放計算，運營車輛能耗及排放計算。

(1)基礎設施建設方面，將基礎設施建設階段分為準備階段和施工階段，準備階段能耗與排放為建筑材料生產的排放與能耗，施工階段能耗與排放為施工過程中機械耗電的能耗與排放。基礎設施建設能耗為準備階段和建設階段能耗及排放之和，計算公式如下:

Ec、CEc指基礎設施建設階段能耗、碳排放量;PEn、EFn指第n類建筑材料能耗、排放因子;Un為第n類建筑材料用量;PEc、EFc指電力能耗、排放因子，Ui指第i類施工器械耗電量。

(2)基礎設施運營方面，運營能耗主要指維持公共交通系統運轉的設備能耗，包括照明系統、空調通風系統、信號系統等，根據其耗電量計算能耗和排放，詳見以下兩個公式:

E0、CE0指基礎設施運營階段能耗、碳排放量，PEc、EFc指電力能耗、排放因子，Uj指第 j類運營設備耗電量。

(3)車輛運行方面，車輛運營能耗由城市居民交通需求、城市交通結構、車輛承載系數、車輛能耗強度等參數進行計算，如下各式。

D指年均城市客運交通需求量，用客運周轉量表示，單位人公里，p指城市居民人口，n指居民人均每日出行次數，d指居民平均單次出行距離。

Ev、CEv指車輛運營階段能耗、碳排放量，Ek、CEk指k類型公共交通方式車輛運營階段能耗、碳排量，Sk指k類型公共交通方式的交通分擔率，Qk，i指k類型交通方式中i類型燃料車輛占比，Gk，i指k類型交通方式i類型燃料車輛單位公里能耗強度，PEi、EFi指 i類型燃料能耗、排放因子。

一般情況下，地面交通車輛燃油經濟性計算普遍采用如下公式:

Gk，j指k類型交通方式中i類型燃料車輛單位公里能耗，P為車輛行駛阻力功率，gi為燃料消耗率，V為車輛行駛速度，γ為燃料密度，ηγ為發動機傳動機械效率，m為車輛重量，g為重力速度，f為滾動阻力系數，i為道路坡度，Cp為空氣阻力系數，A為車輛迎風面積。

四、北京市公共交通能耗和排放測算分析

以北京市公共交通系統為例，對公共交通系統能耗和碳排放作統計分析。北京市公共交通中，公交車輛一般為大型客車，以12米單節車、18米鉸鏈車為主。公交車輛主力車型包括BK6111單機(12米)、BK6140(14米鉸鏈)、BK6180(18米鉸鏈)等。公交車輛按照主要燃料分類主要有柴油車、天然氣車、混合動力車及電車。北京市地鐵采取6節編組，3動3托，常見的車型有DKZ系列、SFM系列B型車，采用直流第三軌供電。

(一)北京市客運交通定額下的能耗與排放統計指標選取

根據城市客運交通額定載客量下的能耗和碳排放統計指標要求，給出北京市載客量對應的能耗與排放統計指標取值如表1所示。

表1 北京市客運交通額定載客量對應的能耗與排放統計指標取值

(二)不同交通方式生命周期能耗及排放強度

根據北京市交通統計數據計算出在車輛按照額定載客人數運行情況下，公共交通系統不同交通方式的生命周期得到基礎設施建設、運營能耗強度、運營人均能耗及排放強度結果，如表2所示。根據測算結果，地鐵基礎設施運營階段能耗及排放均遠高于公交和出租車。地鐵基礎設施運營階段人均能耗強度約為公交系統的483倍，出租車的362倍。地鐵基礎設施運營階段人均排放強度約為公交系統的525倍，出租車的332倍。公共交通系統中地鐵的全生命周期能耗強度最低，約為公交的45.2%，出租車的11.4%。地鐵的排放強度受我國電力行業排放強度較高的影響，比公交排放強度高，但仍低于出租車。通過測算結果可以看出，基礎設施建設能耗占全生命周期能耗的比例均較低，地鐵的基礎設施建設能耗占比最高為4.66%。公交和出租的基礎設施建設和運營能耗總和占比仍然極低，不到1%。公交和出租系統能耗99%來自于車輛運行階段。

表2 不同交通方式生命周期能耗及排放強度(額定載客)

(三)不同燃料類型對應的能耗與排放強度

圖1 不同燃料類型公共交通能耗強度和排放強度(額定載客)

不同燃料類型下，公交車天然氣能耗強度大，出租車汽油排放強度大，但是具有靈活、速度快、舒適便捷的特點可以作為公共交通系統的一個補充部分。適度發展出租車，提高出租車的服務水平是遏制私人汽車發展的重要途徑。但出租車的數量不宜過多，大量空駛里程將造成能源浪費和排放，如圖1所示。

根據北京市交通發展研究報告2008－2010年數據，如表3所示，運用本文建立的公共交通系統能耗測算模型計算北京市交通系統能耗及排放量。

表3 北京市公共交通系統能耗分析基礎數據

計算結果如表4所示，基礎設施能耗約占公共交通系統總能耗的5%，車輛能耗是主要的能源消耗來源。2008－2010年公共交通系統客運量占比呈現增加趨勢，而同時公共交通系統能耗占比呈現顯著下降趨勢。2010年公共交通系統承擔了46.3%的城市客運量，但消耗的能源僅占城市客運交通系統能耗的14.67%，體現出了公共交通系統節能的巨大優勢。公共交通系統內部能耗組成，地面公交系統能耗占比最高，約60%左右，地鐵系統能耗占比最低，2010年地鐵能耗占比僅為6.86%但承擔了24.33%的客運量。

表4 北京市公共交通系統能耗測算

(四)北京市2015年能耗與排放情景分析

從城市層面來看，改善交通出行結構、提高公共交通出行比例是降低城市客運交通系統能耗和人均能耗的主要手段。根據北京市“十二五”交通發展規劃目標，2015年公共交通出行比例力爭達到50%以上，軌道交通日均客運量1200萬人次以上，中心城地面公交日均客運量1300萬～1500萬人次。私人小汽車出行比率降低至25%，自行車出行比例保持在18%左右。運用交通需求預測模型，LEAP模型對城市公共交通交通系統能耗和排放進行情景預測、顯著影響因素和靈敏度分析。以2015年為基準年，設置多種滿載率情景，得到公交和地鐵的能耗與碳排放指標如表5所示。

表5 不同滿載率情景下公交和地鐵能耗及碳排放測算結果

根據地面公交系統生命周期能耗強度計算結果，公交系統基礎設施建設和運營階段能耗僅占總能耗的0.45%，車輛運行階段能耗是公交系統能耗的絕對主要組成。按照傳統柴油公交車型占比50%，天然氣公交車型占30%比例，混合動力公交車型占15%比例，電力公交車型占5%比例計算。

基準情景的公共交通中地面公交、地鐵和出租車滿載率分別為43%，59%，30%，當公共交通車輛滿載率達到50%、60%、70%、80%時，地面公交系統能耗及碳排放強度與基礎情景相比分別下降了12.6%、27.2%、37.6%和45.4%。可以看出在地面公交系統隨著滿載率的提高，節能減排潛力巨大。因此，積極調整公交車輛能源結構，公交車輛能源結構仍然以柴油公共汽車為主，以天然氣公共汽車為輔，以無軌電池、混合動力、純電動車為補充，積極推廣新能源和清潔能源車輛十分必要。

2015年北京市公共交通低碳發展情景設定為地面公交滿載率為60%，地鐵滿載率為65%，出租車滿載率為32%。基準情景和低碳情景能耗與碳排放測算結果，如表6所示。

表6 2015年北京市基準和低碳情景下公共交通系統能耗及排放對比

低碳情景下北京市公共交通系統能耗和碳排放分別下降22%和14%，公共交通人均能耗及碳排放則分別下降超過31%。低碳情景下北京市客運總能耗為719.84萬噸標煤，與基準情景相比下降26%。其中，地鐵系統低碳情境下能耗及排放強度與基礎情景相比分別下降0.9%、15.1%、25.7%。隨著滿載率的提高，能耗和排放下降速度減緩。

五、結論與建議

我國城市客運交通系統應建設以大容量公共交通方式為骨架、常規公交為補充的多層次公共交通體系。在城區內大型客流集散處設置大型換乘樞紐，換乘樞紐連接多種交通方式，盡量縮短換乘距離。樞紐開發向立體化、綜合化發展，與商業開發相結合。中心城邊緣建設換乘樞紐，通過收取擁堵費，提高停車費用汽車牌照控制等措施推進P+R模式出行模式，鼓勵私人汽車換乘公共交通方式進入中心城區。收取的費用作為改善公交服務的資金，有效緩解了城市交通擁堵問題。

具體節能減排措施如下:

·優化城市交通結構，提高公共交通的出行比例。

·在政府主導的公交領域推廣新能源車輛，實現交通節能減排。

·提升公共交通的服務水平，完善車輛信息服務，便利的換乘系統和高可達性的線路設置。

·提高私人汽車的使用成本，來彌補其給城市交通和環境帶來的負外部性效應。

改善出行結構，縮短出行距離、提高車輛滿載率是降低公共交通系統和城市客運交通能耗和排放的最有效方法。

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