基于碳足跡的城市軌道交通項目碳回收期研究

張躍斌，易 欣，李雙雙，邱 慧，宋璋玉

（1.中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410004；2.中南林業科技大學風景園林學院，湖南 長沙 410004）

交通運輸業是國民經濟發展和居民生活必需的基礎產業之一，是國民經濟和社會發展的基礎性、先導性和服務性產業，也是國家節能減排和應對氣候變化的重點領域[1-2]。作為全社會碳排放總量的重要構成部分，交通運輸業是碳排放量增速較快的部門，其中道路運輸碳排放對交通排放總量的貢獻率高達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。 推行低碳交通運輸方式成為了節能減排和綠色發展的重要手段[4-5]。

城市軌道交通是一種低污染的綠色交通工具，對推動我國交通運輸方式實現低碳轉型具有重要意義[6]。 近年來，許多專家學者針對城市軌道交通的碳排放問題進行了大量的研究。 Xu 等[7]建立了STIRPAT 模型，通過相關參數來預測軌道交通的碳排放。 Fan 等[8]運用長期能源替代規劃模型（LEAP）分析了互聯網時代共享交通發展和傳統發展情景下北京軌道交通溫室氣體排放的發展趨勢。 Zheng等[9]認為軌道交通減排效果是通過替代原有高耗能、高污染的出行方式而產生的，且這種減排效果具有一定的規模效應。 馮國強等[10]用斷點回歸評估了軌道交通線路對空氣污染的治理效應。 高明等[11]通過斷點回歸證明了軌道交通運營對大氣污染的減排效應顯著，而這一效應主要是軌道交通替代私人汽車、出租車及公共汽車實現的。 上述成果主要分析了軌道交通自身碳排放和對未來排放量的預測等，也有些從定性角度提到了軌道交通替代其他出行方式具有減排效果，但卻沒有定量分析具體的碳減排量，無法體現軌道交通對交通運輸業碳減排的貢獻程度。 碳足跡一詞源自1996 年Wackernagel提出的生態足跡[12]，目前已廣泛應用于項目全壽命周期碳足跡的測算[13-14]。趙愷彥等[15]將高速公路與虛擬普通公路的，進行對比，建立了碳回收期計算模型，用來評價高速公路的碳減排效益。 基于此，本文從軌道交通項目全壽命周期角度出發，將其與虛擬的道路運輸進行碳足跡比較，通過碳回收期來測算其碳減排效果。 同時，上述方法和模型還可推廣至其他城市的軌道交通線路，隨著我國碳交易市場逐步完善，若能利用市場手段將軌道交通項目的碳減排效益貨幣化，這將是城市軌道交通可持續發展的理想途徑。

1 研究思路與方法

1.1 研究思路

基于項目全生命周期理論，對軌道交通的碳足跡研究分為建設和運營兩個階段。 將建設階段碳足跡視為瞬時產生的，運營階段碳足跡視為年度變化的，且此變化一次性發生于年初。

為準確評價城市軌道交通的碳減排效益，首先虛擬化通行需求， 即假設當軌道交通線路不存在時，市民的公共出行需求仍然存在，且該需求將完全被道路運輸替代，由此便設定了對比軌道交通有無兩種情況的參考基準。 由此產生了兩種不同通行方式碳足跡的量：一是軌道交通線路運行產生的實際碳足跡；二是同樣的客運量在替代道路運輸上產生的虛擬碳足跡，即軌道交通線路的客運量轉由具有替代效應的市政道路車輛運輸而產生的碳足跡。然后將軌道交通線路運行產生的實際碳足跡與同樣的客運量在替代道路運輸上產生的虛擬碳足跡兩者差值作為測算軌道交通碳減排效益，若差值為正，則軌道交通增加了碳排放，碳減排效益為負。 反之，若為負，則其碳減排效益為正。 根據假設條件，定義軌道交通的年度碳足跡為當年運營碳足跡和上述實際碳足跡與虛擬碳足跡兩者差值之和，定義多年累計碳足跡為建設碳足跡與運營各年度碳足跡的累加和。 碳回收期是以碳減排回收全部碳排放所需要的時間，即多年累計碳足跡首次由負值轉向正值的年份。

1.2 研究對象概況

為使研究結果更具準確性和代表性，需篩選基礎數據準確且連續性好、代表性強的區域為研究對象。 長沙是長江中游地區重要的中心城市，軌道交通發展迅猛。 截至2020 年底，長沙市軌道交通運營線路5 條，線網覆蓋主城區，運營里程161.05 km。長沙市軌道交通管理制度完善，在客運量等方面具有詳細且連續的運營數據。 基于此，本文選取了長沙市軌道交通為研究對象， 并以2016 年建成運營的1 號線作為研究樣本。

2 城市軌道交通項目碳回收期的理論模型構建

城市軌道交通以電力為能源驅動，碳足跡主要來源于項目的建設、運營兩個階段。 長沙市內主要區域的自然地理條件相似， 各線路的施工方案相近。 本文以長沙市軌道交通1 號線為樣本線路，將其建設階段的碳足跡作為基準數據，其他線路建設階段的碳足跡只需經過換算便可得到相應結果。 各線路運營階段的碳足跡則據實計算。 最后，根據前述替代假設計算各線路的碳減排效益，由此得出各自的碳回收期。

2.1 建設階段的碳足跡測算

目前對軌道交通項目建設階段碳足跡的分析多采用施工要素碳足跡，即依據軌道交通項目在各個施工工序中的工程量來計算相應的碳足跡，將軌道交通項目建設階段的碳足跡分為生產和施工兩部分進行測算。

2.1.1 生產階段碳足跡

生產階段碳足跡是指建筑材料在生產階段產生的碳排放，主要包括生產原材料的消耗、化石燃料的消耗以及生產機械設備消耗的電力能源。 首先依據項目施工組織設計和工程量清單求出軌道交通項目所需材料的總量，然后根據每種材料對應的碳排放因子與相應的耗費量，便可得出材料生產階段的碳足跡，主要消耗材料一般包括鋼筋、混凝土、汽油等。 各項材料的碳排放因子數據來源于中國生命周期基礎數據庫（Chinese life cycle database，CLCD）及相關文獻[15-16]，具體數據詳見表1。

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

式中：E1為生產階段總的碳足跡；gx為第x 種材料的消耗量；lx為第x 種材料對應的碳排放因子；n 為材料種類。

2.1.2 施工階段碳足跡

施工階段碳足跡分為建筑材料在運輸過程產生的碳足跡和施工過程中施工機械產生的碳足跡，施工階段總的碳足跡用E2表示。

1） 運輸過程碳足跡。運輸過程碳足跡是指建筑材料運輸過程中產生的碳足跡。 假設材料采用公路運輸，基于生產階段主要材料的耗用量，根據國家貨運統計年鑒， 我國平均貨運距離為171 公里，公路運輸過程中的碳排放量為每噸公里29.26 kg。

式中：E21為運輸過程的碳足跡；η 為運輸材料的總質量，t。

2） 施工過程的施工機械碳足跡。首先依據城市軌道交通定額，對其包括的隧道工程、地下結構工程和軌道工程三部分進行分析; 然后依據施工組織設計和工程量清單得出投入的施工機械總臺班，再根據《全國施工機械臺班費用定額》得出每類機械設備消耗的能源量，并對所消耗的各種能源匯總并分類; 最后乘相應碳排放因子便可得出施工階段的機械碳足跡。

式中：p1為樣本線路（1 號線）建設階段的碳足跡；k為建設碳足跡的修正系數， 表示除主要設備材料以外的其他設備材料可能產生的碳足跡， 根據文獻[15]可取經驗值1.02；ci為i 線路長度，α 為路況修正系數，β 為工況修正系數。參考各線路的施工概算，α 在穿越湘江的線路和未穿越的線路分別取經驗值1.2 和1.0。 對于存在高架區間的線路，β 取經驗值1.25，否則取1.0。

2.2 運營階段的碳足跡測算

軌道交通運營階段的碳足跡主要是站廳以及站臺內照明系統、通風空調系統和自動扶梯系統消耗的電力能源產生的碳足跡。 設i 線路j 年度運營階段總的碳足跡為kij。

1） 照明系統。 根據用途，車站的照明分為一般照明、廣告照明和應急照明。 考慮到實際照明情況，車站照明系統的碳足跡主要計算一般照明設備和廣告照明設備消耗電力能源所產生的碳足跡。

2） 通風空調系統。車站通風空調系統運行耗電量隨季節變化，空調季節和非空調季節消耗的電力能源不同。 可依據空調季和非空調季分別計算出通風空調設備消耗電力能源所產生的碳足跡。

3） 自動扶梯系統。 根據每天運營時間計算出自動扶梯的運行時間（由于乘客進站的不確定性可忽略自動扶梯間歇時間），可依據運行時間計算自動扶梯產生的碳足跡。

顯然，照明系統、通風空調系統和自動扶梯系統的碳足跡來源均為電力能源消耗，故同樣可以結合耗電量和電力碳排放因子來計算運營階段的碳足跡。

2.3 城市軌道交通項目的實際碳足跡與虛擬碳足跡差值測算

根據虛擬化和替代假設，目標線路目標年度的實際碳足跡與虛擬碳足跡差值計算公式

式中：Oij為i 線路第j 年度的實際碳足跡與虛擬碳足跡之差，Pij為i 線路第j 年度的實際碳足跡；Lij為i 線路第j 年度的虛擬碳足跡。 針對實際碳足跡，根據長沙市軌道交通車輛參數， 其車輛牽引功率為200 kW，1 號線每日運營時間為16.5 h，單程運行時長為45 min，每隔7 min 發車。 故1 號線每天運行需耗電量42 300 kW·h，結合電力碳排放因子，可得出1 號線年度實際碳足跡。 同理，根據其他線路相關參數及運行條件，匯總2 號線～5 號線的年度耗電量及碳足跡，如表2 所示。

表2 長沙市軌道交通運行參數及日耗電量表Tab.2 Changsha rail transit operation parameters and daily power consumption meter

實際碳足跡的計算公式如下

式中：Ti為i 線路每日的耗電量。

虛擬碳足跡表現在軌道交通線路的客運量轉由具有替代效應的市政道路車輛運輸而產生的碳排放。 考慮到軌道交通線路經過的區域以普通市政道路為主，為分析計算簡便，本文將虛擬替代軌道交通的所有市政道路均視為一級道路。

首先，依據長沙市交通運輸局發布的城市公共交通客運量數據分析報告，匯總后得出1 號線～5 號線的年度客運量。 其次，采用Eviews 軟件對客運量進行最小二乘法回歸預測， 得到2022—2050 年的客運量數據。 然后，考慮到大部分乘客并非自始至終地全程乘坐整條線路， 故簡單以軌道交通線路的全長作為替代市政道路的距離并不合理。 最后，本文根據該線路的營業額與客運量比值來推測人均消費， 再結合票價可間接求得人均乘坐里程，結果為0.69， 由此得出實際和預測客運量如表3 和表4 所示。

表3 長沙市軌道交通的實際客運量（萬人）Tab.3 Actual passenger volume of Changsha rail transit（ten thousand people）

表4 長沙市軌道交通的預測客運量（萬人）Tab.4 Forecasted passenger volume of Changsha rail transit（ten thousand people）

據長沙市交通運輸局公布，自2016 年長沙推行新能源公共汽車以來，純電動型公共汽車每年的占比分別為18.86%，33.3%，49.40%， 截至2018 年末已經實現純電動型公共汽車占比超過一半。 通過以上分析可知目前長沙純電動型公共汽車普及率達50%，在選取30 座及以上的三型車（代表公共汽車）計算虛擬碳足跡時，考慮柴油消耗的公共汽車和純電動型公共汽車兩種車型。 三型車 （柴油消耗）以40 km/h（城市公交車時速一般在25～50 km/h，取平均值） 的運行速度、4 座的一型車（代表私家車）以60 km/h 平均速度，在虛擬的替代道路出行。 已知一型車在此條件下每百公里油耗19.6 L（柴油），三型車（柴油）在此條件下每百公里油耗25.9 L，純電動型公共汽車在此條件下每百公里耗電量100 km/h。依據景鵬等[17]研究城市居民對公共汽車、小型車出行方式的選擇行為表明了城市居民會以相同概率選擇公共汽車、小型車兩種出行方式，基于以上分析本文在研究客運量分配時，假定市民將以同樣概率選擇這兩種替代出行方式，故三型車和一型車將平均分配所替代的軌道交通客運量， 其中三型車（柴油） 和純電動公共汽車將繼續平均分配三型車的軌道交通客運量。

虛擬碳足跡的計算公式如下

式中：lu是柴油的碳排放因子；ld是電力的碳排放因子；ci為i 線路全程長度；vij為i 線路j 年度客運量。

2.4 城市軌道交通項目的碳回收期測算

投資回收期源于工程經濟學領域， 是為了測算項目的投資額在多少年內通過項目運營過程中的收益額（包括上繳的利潤和稅金）全部回收的時間[18]。從現有的文獻分析，許多學者關于投資回收期應用的研究已經廣泛分布于各個領域[19]。 趙愷彥等[15]利用江蘇省8 條干線高速公路產生的碳排放建立了碳回收期模型來評價碳減排效益。 基于以上分析，將投資回收期概念引入軌道交通碳減排測算領域，定義碳回收期為運營碳足跡和實際碳足跡與虛擬碳足跡差值全部回收建設碳足跡所需要的時間，也就是多年累計碳足跡首次由負值轉向正值的年份。

多年累計碳足跡計算公式為

3 模型應用分析

式中：Yi為i 線路的碳回收期。

3.1 長沙市軌道交通的建設碳足跡和實際碳足跡與虛擬碳足跡差值分析

3.1.1 長沙市軌道交通的建設與運營碳足跡分析

長沙市軌道交通目前已運營線路5 條， 在建線路1 條，總計通車里程161.05 km。 根據式（1）～式（5）計算出5 條在運營線路的建設碳足跡與年運營碳足跡。 計算結果表明，軌道交通的建設碳足跡主要由線路里程決定。

3.1.2 長沙市軌道交通各線路的實際碳足跡與虛擬碳足跡差值分析

軌道交通的實際碳足跡與虛擬碳足跡差值由牽引耗電量與客運量決定，根據式（6）～式（9）和每條線路客運量數據，計算長沙市軌道交通1 號線～5號線的實際碳足跡與虛擬碳足跡差值。

3.2 長沙市軌道交通各線路的碳回收期計算

根據表5 和表6 數據得出長沙市軌道交通線路的多年累計碳足跡，如圖1 所示。

表5 長沙市軌道交通建設及運營階段碳足跡Tab.5 Carbon footprint of rail transit construction and operation in Changsha

表6 長沙市軌道交通實際碳足跡與虛擬碳足跡差值Tab.6 Carbon footprint of rail transit in Changsha

圖1 長沙市軌道交通線路多年累計碳足跡Fig. 1 Cumulative carbon footprint of Changsha rail transit lines for many years

根據式（10）～式（11）計算碳回收期。

5 條線路在2050 年前均能全部回收建設階段的碳排放，其中2 號線的碳回收期最短，僅需14 a。 截止2050 年，5 條線路總計碳減排量將高達1 189.71 萬t。 而且在軌道交通線路達到碳回收期后，每年將產生巨大的碳減排效益。 湖北碳交易市場是目前全球最大且在中部地區唯一，若以2021 年3 月該市場的碳排放交易價格計算（假設以后的碳排放交易均按此價格成交）， 預計到2050 年長沙市軌道交通1 號線～5 號線的碳減排效益可達2.38 億元。

表7 長沙市5 條軌道交通線路的碳回收年份Tab.7 Carbon recycling years of 5 rail transit lines in Changsha

表8 長沙市5 條軌道交通線路至2050 年的碳減排量及效益Tab.8 Carbon emission reductions and benefits of 5 rail transit lines in Changsha by 2050

4 結論

本文通過收集城市軌道交通建設及運營階段的碳排放歷史數據，結合碳足跡理論構建了軌道交通項目的碳回收期模型，運用該模型對長沙市所有在運營的軌道交通線路碳回收期進行了分析和測算，得到了以下結論：

1） 城市軌道交通項目具有顯著的碳減排效益， 且碳減排效益大小受線路客運量飽和情況直接影響；

2） 長沙市5 條線路在2050 年前均能全部回收建設階段的碳排放，其中2 號線的碳回收期最短為14 a，4 號線最長為23 a；

3） 碳回收期后每年將產生巨大的碳減排效益，預計到2050 年5 條線路通過碳排放交易將產生正效益2.38 億元。