城市鐵路交通樞紐地區(qū)整體碳排放量化研究——以武昌火車站交通樞紐區(qū)為例

毛駿亞 | Mao Junya周思月 | Zhou Siyue季群峰 | Ji Qunfeng李傳成 | Li Chuancheng

1 研究背景

城市鐵路交通樞紐地區(qū)承載了居民日常生活和出行活動，其特征表現(xiàn)為人口集中、土地開發(fā)強(qiáng)度大、建筑密度高、功能混合、交通種類多、交通流量大，是典型的城市碳排放密集區(qū)。區(qū)內(nèi)能源消耗集中，對城市整體能耗負(fù)效應(yīng)明顯。以典型城市鐵路交通樞紐地區(qū)為對象進(jìn)行碳排放的量化研究,不僅可以直觀反映城市能耗主體的碳排放水平和特征，也能為城市制定減排策略提供依據(jù)，對我國城市低碳建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

在我國高速鐵路及城市軌道交通快速發(fā)展的時代背景下，鐵路綜合交通樞紐已經(jīng)成為城市及城市圈功能復(fù)合的重要節(jié)點(diǎn)。城市核心地段的鐵路交通樞紐區(qū)域不僅具有較高的城市職能等級，承擔(dān)著高強(qiáng)度的生產(chǎn)活動，同時又有別于一般城市密集區(qū)，還承擔(dān)著很高的交通負(fù)荷。

目前關(guān)于一般城市街區(qū)能耗及碳排放相關(guān)的既有研究指出，建筑碳排放高于交通碳排放[1]，但尚未有對鐵路樞紐型城市密集街區(qū)這一特殊地段碳排放比例變化和整體碳排放結(jié)構(gòu)特征的研究，本文引入國外碳排放軟件模擬方法試圖揭示其中關(guān)鍵問題。

2 建筑及交通碳排放相關(guān)研究

目前，我國現(xiàn)有的建筑—交通整體能耗及碳排放研究仍集中于整體城市層面且以居住區(qū)為研究對象居多。霍燚等人[2]認(rèn)為城市配套公共服務(wù)設(shè)施的合理的空間布局有利于

降低交通需求從而達(dá)到減少碳排放的目的；張鋒鋼[3]、黃經(jīng)南[4]、朱雪梅[5]等分別以上海、武漢、廣州為對象，研究了城市居住區(qū)碳排放整體結(jié)構(gòu)并分析其與土地混合度、日常出行、生活消費(fèi)等因素的相關(guān)性。可知城市生產(chǎn)生活的碳排放與土地利用、交通出行之間存在關(guān)聯(lián)，揭示其內(nèi)在機(jī)制是目前碳排放研究的難點(diǎn)：趙鵬軍[6]通過建立土地—交通—環(huán)境的綜合碳排放模型初步得出城市能耗關(guān)聯(lián)因子。張宇[7]亦提出了目前可應(yīng)用于指導(dǎo)國內(nèi)城市規(guī)劃的交通—土地碳排放模型，可作為碳排放研究的基礎(chǔ)。

就既有研究看，針對城市交通樞紐站點(diǎn)周邊區(qū)域的碳排放或能耗研究尚缺失，主要與相關(guān)區(qū)域的建筑—交通—環(huán)境碳排放結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不透明、采集難度大有關(guān)。

3 研究方法

城市鐵路交通樞紐地區(qū)的碳排放由建筑、交通及其他三方面構(gòu)成，相關(guān)研究表明建筑碳排放及交通碳排放是城市碳排放的主體。因此，本文僅圍繞建筑運(yùn)行維護(hù)碳排放及交通出行碳排放建構(gòu)二氧化碳排放的量化計(jì)算方法（圖1）。建筑碳排放量化引入計(jì)算機(jī)模擬軟件HTB2及插件VirVil SketchUp-HTB2（以下簡稱VirVil）作為能耗模擬工具，對建筑運(yùn)行維護(hù)中的采暖、制冷、熱水、照明、通風(fēng)及其他電器六大設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)生的直接碳排放進(jìn)行量化[8]；交通碳排放量化采用自下而上的量化策略，即先采集區(qū)內(nèi)各種交通實(shí)際交通量數(shù)據(jù)，然后以百公里油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行碳排放折算。計(jì)算中劃分為城市道路機(jī)動車及車站內(nèi)部集散交通兩大部分進(jìn)行。

圖1 城市鐵路交通樞紐地區(qū)整體碳排放結(jié)構(gòu)圖

3.1 建筑碳排放量化方法

建筑碳排放模型的建立主要基于SketchUp、HTB2及VirVil插件。其中，SketchUp主要用于基礎(chǔ)建模，HTB2用于模型的能耗計(jì)算，并以VirVil作為兩個核心軟件的對接平臺。采用軟件HTB2進(jìn)行建筑碳排放模擬的優(yōu)勢在于該軟件適用于地方性的氣候環(huán)境及建設(shè)條件，并考慮到建筑與建筑、建筑與環(huán)境之間的相互影響，能夠完成不同尺度的建筑整體熱工環(huán)境的動態(tài)模擬。由于HTB2在非3D建模環(huán)境較難描述建筑與周邊環(huán)境之間的聯(lián)系，因此引入SketchUp的3D建模系統(tǒng)，并采用插件VirVil進(jìn)行對接[9]。

3.2 交通碳排放量化方法

交通碳排放量化計(jì)算主要基于百公里油耗法，為交通工具的具體能耗、行車公里數(shù)VKT（Vehicle Kilometers Travelled）和所耗能源物質(zhì)的二氧化碳排放因子相乘所得值。VKT值按單耗疊加法進(jìn)行推算[10]。機(jī)動車碳排放系數(shù)計(jì)算中的能源平均地位發(fā)熱量和折標(biāo)煤系數(shù)按照《綜合能耗計(jì)算通則》取值[10]。

CEK—機(jī)動車運(yùn)營期間二氧化碳排放總量；

CEK—k類公共交通車輛運(yùn)營期間二氧化碳排量；

N：運(yùn)營天數(shù)；

FK：k類公共交通車輛的日交通總量；

SK：k類交通方式對應(yīng)的交通分?jǐn)偮手担?/p>

Li：i段道路的道路長度；

Gk：k類公共交通車輛的百公里油耗值；

Dk：燃料密度；

Ek：燃料對應(yīng)的二氧化碳排放因子

Dk：燃料密度。

4 案例研究

4.1 研究范圍

數(shù)據(jù)采集以2019年為基準(zhǔn)年，研究范圍選取以武漢市武昌站為中心半徑1km范圍內(nèi)由城市主干道圍合而成的區(qū)域。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)的常住居民生產(chǎn)生活行為受武昌站影響明顯，定為鐵路樞紐“影響區(qū)”，作為碳排放模擬計(jì)算范圍，面積為1.92km2。另將武昌站站房、周邊交通樞紐設(shè)施及配套設(shè)施劃為“核心區(qū)”（圖2），其內(nèi)建筑包含交通、商業(yè)、辦公等功能，碳排放模擬過程中發(fā)現(xiàn)，“核心區(qū)”內(nèi)部的交通組織和交通量與外部城市交通差異明顯，是鐵路交通樞紐區(qū)碳排放差異化的重要因素。

圖2 武昌站樞紐區(qū)研究范圍及交通觀測點(diǎn)示意圖

4.2 現(xiàn)狀調(diào)查

（1）建筑信息調(diào)查

建筑碳排放模擬軟件HTB2為了提高模擬的真實(shí)性和準(zhǔn)確性增加了建筑信息的種類，包括氣候條件、地理?xiàng)l件、建筑運(yùn)行維護(hù)情況、建筑材料構(gòu)造和建筑內(nèi)部得熱等參數(shù)。以城市道路為邊界，將研究地塊劃分為10個區(qū)域進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)（圖3）。統(tǒng)計(jì)表明，地塊內(nèi)主要建筑類型包含居住、商業(yè)、辦公、教育、酒店、交通（圖4），建筑質(zhì)量信息依據(jù)建成年限劃分為20世紀(jì)八、九十年代建成建筑及本世紀(jì)建成建筑兩大類（表1）。其中C地塊為武昌火車站及站前廣場所在地塊，緊鄰的B1、B2、D1、D2地塊主要以火車站配套的商業(yè)、辦公、酒店及交通（長途汽車站）等公共建筑為主；A、E1、E2、F1、F2地塊則主要以居住建筑為主，辦公、商業(yè)、教育、酒店等公共配套建筑為輔。其中，鐵路西側(cè)A、B1、D1地塊功能布局主要滿足車站交通換乘及配套服務(wù)需求，服務(wù)指向性對外。鐵路東側(cè)B2、D2、E1、E2、F1、F2地塊主要為鐵路職工的居住及辦公用地，涵蓋中小學(xué)、醫(yī)院、菜市場等生活配套設(shè)施，服務(wù)指向性對內(nèi)。

表1 武昌站樞紐區(qū)典型建筑能耗特征統(tǒng)計(jì)

圖3 武昌站樞紐區(qū)地塊劃分示意圖

圖4 武昌站樞紐區(qū)建筑功能劃分示意圖

（2）道路交通信息采集

根據(jù)道路等級劃分，研究范圍內(nèi)的道路網(wǎng)由四條城市主干道（中山路、雄楚大道、紫陽東路、首義路）及五條次干路和支路（東安路、靜安路、南安街、福安街、北安街）構(gòu)成（圖5）。交通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示城市主干道交通量大于城市次干道及支路，其中中山路的交通量最大，原因是其為武漢市二環(huán)線路段，承擔(dān)了大量過境交通（圖6）。另外，核心區(qū)的交通量主要由到離站機(jī)動車及公交樞紐站內(nèi)機(jī)動車構(gòu)成。信息采集過程中根據(jù)交通工具類型分別統(tǒng)計(jì)，初步得到交通流量構(gòu)成結(jié)構(gòu)（圖7）。

圖5 站區(qū)道路結(jié)構(gòu)及等級劃分

圖6 站區(qū)道路日流量統(tǒng)計(jì)示意圖

圖7 武昌站樞紐區(qū)內(nèi)各類交通工具日流量統(tǒng)計(jì)

4.3 數(shù)據(jù)輸入及來源

（1）建筑部分

首先，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過SketchUp對研究范圍內(nèi)的現(xiàn)狀建筑進(jìn)行模型還原。其次，簡化模型，排除臨時建筑，提取研究范圍內(nèi)的交通建筑、辦公樓、商業(yè)建筑、酒店和居住建筑共5類主要建筑作為研究對象。模型導(dǎo)入HTB2后根據(jù)實(shí)際情況輸入氣候條件、建成環(huán)境、建筑能耗需求、建筑材料構(gòu)造和建筑內(nèi)部得熱5個參數(shù)數(shù)據(jù)（表2）。

表2 建筑碳排放模擬參數(shù)設(shè)置表

（2）交通部分

我國現(xiàn)有的機(jī)動車排放控制標(biāo)準(zhǔn)與歐洲制定的機(jī)動車排放控制標(biāo)準(zhǔn)兼容，故參照歐洲機(jī)動車劃分標(biāo)準(zhǔn)將機(jī)動車類型大致劃分為9類——公共汽車、出租車、19座以上大型客車、19座以下中型客車、小型客車（含私家車）、電瓶車、重型貨車（載重14t以上）、中型貨車（載重7～14t）、小型貨車（2～7t）。交通量及車輛信息數(shù)據(jù)主要通過實(shí)地觀測和影像記錄的方式獲取，在工作日（2019—09—14至2019—09—18）采用攝像機(jī)對研究范圍內(nèi)的7個觀測點(diǎn)（圖2）道路斷面不同類型雙向車流進(jìn)行每小時15分鐘頻率的視頻拍攝，以此估算每小時的車流量并統(tǒng)計(jì)車輛信息，進(jìn)而推算出全年的交通數(shù)據(jù)和模擬參數(shù)。核心區(qū)內(nèi)私家車和公交車流量數(shù)據(jù)通過車站停車管理辦公室和公交汽車調(diào)度室獲取并推算。

5 碳排放量化結(jié)果分析

總體碳排放模擬結(jié)果顯示（圖8），交通碳排放量占總量的28.4%，占比較一般城市區(qū)域高，但建筑碳排放依然占據(jù)主要，比例為71.5%。其中，居住建筑是武昌站樞紐區(qū)最主要的碳排放源（總占比24%，建筑占比33.6%），其次為商業(yè)建筑（總占比19.7%，建筑占比27.5%）。交通建筑碳排放占比同樣較高，占總碳排放的15.3%，占建筑碳排放的21.4%。交通碳排放中私家車仍是最主要碳排放來源，其次為出租車及公交車。

圖8 武昌站站區(qū)建筑和機(jī)動車交通碳排放結(jié)構(gòu)比例圖

5.1 建筑碳排放模擬結(jié)果

研究范圍內(nèi)建筑能耗終端類型主要包括油、電、天然氣、煤4類。因各類型建筑設(shè)備差異導(dǎo)致的能耗類型及構(gòu)成比例的差異較大，為簡化計(jì)算，軟件模擬輸出的建筑能耗值為統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為電能再折算二氧化碳排放量得到。折算因子參考《2014年中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》[10]。模擬得出的武昌站樞紐區(qū)內(nèi)各類型建筑年總體能耗及單位面積平均能耗。

數(shù)據(jù)表明，武昌站樞紐區(qū)內(nèi)居住建筑的年總體能耗占比最大，與其總建筑面積最大相關(guān)聯(lián)（圖9）。而單位面積能耗中，交通建筑的單位面積排放量最大，其次為商業(yè)、酒店、辦公，居住建筑為最小（圖10）。

圖9 武昌站站區(qū)各類建筑年總體能耗構(gòu)成圖

圖10 武昌站站區(qū)各類建筑單位面積能耗構(gòu)成圖

模擬結(jié)果亦顯示夏季制冷產(chǎn)生的碳排放在建筑總體及單位面積碳排放均占比最大，其次為熱水產(chǎn)生碳排放。而冬季采暖需求總體較低，以居住建筑及辦公建筑相對較高。

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性，將軟件模擬結(jié)果與余意（2014）[11]對武漢市各類型建筑的能耗定額研究數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，將武昌站站房建筑碳排放模擬結(jié)果與李立清（2010）[12]對長沙火車站的年總體碳排放均值進(jìn)行比對。模擬結(jié)果與文獻(xiàn)參考值、實(shí)際值基本相似，說明此次引入HTB2軟件及插件VirVil的模擬方法對研究范圍內(nèi)的建筑碳排放模擬計(jì)算具有良好的再現(xiàn)性（表3）。

表3 建筑碳排放模擬數(shù)據(jù)對比定額研究數(shù)據(jù)

5.2 交通碳排放計(jì)算結(jié)果

模擬得出研究范圍內(nèi)年交通碳排放總量約為54050t。由各道路碳排放模擬結(jié)果可知，主要道路日碳排放量及年碳排放量與道路等級、車流量基本對應(yīng)，碳排放量最多的道路依次為中山路、雄楚大道、紫陽路、首義路，均為主干道。機(jī)動車碳排放集中時段為6:00—21：00，其中中山路、雄楚大道碳排放量在6：00—9：00以及15：00—18：00增加明顯，呈現(xiàn)顯著的通勤特征。中山路作為城市主干道，碳排放量占比最大（48%）（圖11）。

圖11 武昌站站區(qū)城市交通碳排放時空分布圖

武昌站核心區(qū)內(nèi)部的交通客流對應(yīng)產(chǎn)生的年交通碳排放量經(jīng)推算約為1350t，包含武昌站及周邊長途汽車站、公交車站以及私家車停車場，其中由武昌站產(chǎn)生的碳排放量占比67.4%，四車占比分別為長途汽車11%、公交車31%、出租車34%和私家車24%。全區(qū)域交通碳排放模擬中，碳排放產(chǎn)值最高為私家車，占比52%，之后依次為公交車、出租車、大型客車、中型貨車、電瓶車、大型貨車、小型貨車及中型客車（圖12）。對比2013年中國OECD武漢路面交通平均碳排放數(shù)據(jù)[13]，本次交通碳排放模擬結(jié)果具有良好的再現(xiàn)性。

圖12 武昌站站區(qū)機(jī)動車停車場分布及規(guī)模調(diào)查

結(jié)語

武昌站站區(qū)作為典型的城市鐵路交通樞紐地區(qū)，建設(shè)強(qiáng)度適中、交通類型多樣，結(jié)構(gòu)完整。整體看，由建筑產(chǎn)生的碳排放仍占整體碳排放的主要部分，且以居住建筑中的制冷耗能為最主要碳排放來源。交通建筑、商業(yè)建筑、酒店則呈現(xiàn)出夏季制冷需求大，冬季采暖需求低的特征。機(jī)動車及非機(jī)動車產(chǎn)生的碳排放是研究城市交通密集地區(qū)碳排放不可忽視的領(lǐng)域，大量起訖交通、過境車輛和臨時停靠交通的匯集是該區(qū)域交通碳排放占據(jù)較高比例的重要原因。

對于城市鐵路交通樞紐地區(qū)，建筑仍是碳排放主體，以建筑的低碳策略引導(dǎo)城市減碳仍是構(gòu)建可持續(xù)型城市發(fā)展模式的最有效途徑之一，而建筑的減碳研究應(yīng)聚焦于住宅建筑。一方面，住宅建筑的增多伴隨著私家車碳排放的增加，而交通樞紐設(shè)施融合了大量公共交通，利用公共交通出行對于減碳效果明顯。另一方面，將居住、辦公、交通、商業(yè)進(jìn)行合理的功能混合，優(yōu)化建筑布局，發(fā)展交通綜合體及商業(yè)綜合體，有利于縮短交通出行距離，并完善步行和非機(jī)動車設(shè)施，可減少機(jī)動車使用率，從而達(dá)到減碳的目的。

資料來源：

文中圖表均為作者提供。