城市鐵路交通樞紐地區整體碳排放量化研究——以武昌火車站交通樞紐區為例

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承載了居民日常生活和出行活動，其特征表現為人口集中、土地開發強度大、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。區內能源消耗集中，對城市整體能耗負效應明顯。以典型城市鐵路交通樞紐地區為對象進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，對我國城市低碳建設具有現實意義。

在我國高速鐵路及城市軌道交通快速發展的時代背景下，鐵路綜合交通樞紐已經成為城市及城市圈功能復合的重要節點。城市核心地段的鐵路交通樞紐區域不僅具有較高的城市職能等級，承擔著高強度的生產活動，同時又有別于一般城市密集區，還承擔著很高的交通負荷。

目前關于一般城市街區能耗及碳排放相關的既有研究指出，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這一特殊地段碳排放比例變化和整體碳排放結構特征的研究，本文引入國外碳排放軟件模擬方法試圖揭示其中關鍵問題。

2 建筑及交通碳排放相關研究

目前，我國現有的建筑—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為研究對象居多。霍燚等人[2]認為城市配套公共服務設施的合理的空間布局有利于

降低交通需求從而達到減少碳排放的目的；張鋒鋼[3]、黃經南[4]、朱雪梅[5]等分別以上海、武漢、廣州為對象，研究了城市居住區碳排放整體結構并分析其與土地混合度、日常出行、生活消費等因素的相關性。可知城市生產生活的碳排放與土地利用、交通出行之間存在關聯，揭示其內在機制是目前碳排放研究的難點：趙鵬軍[6]通過建立土地—交通—環境的綜合碳排放模型初步得出城市能耗關聯因子。張宇[7]亦提出了目前可應用于指導國內城市規劃的交通—土地碳排放模型，可作為碳排放研究的基礎。

就既有研究看，針對城市交通樞紐站點周邊區域的碳排放或能耗研究尚缺失，主要與相關區域的建筑—交通—環境碳排放結構復雜、基礎數據不透明、采集難度大有關。

3 研究方法

城市鐵路交通樞紐地區的碳排放由建筑、交通及其他三方面構成，相關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，本文僅圍繞建筑運行維護碳排放及交通出行碳排放建構二氧化碳排放的量化計算方法（圖1）。建筑碳排放量化引入計算機模擬軟件HTB2及插件VirVil SketchUp-HTB2（以下簡稱VirVil）作為能耗模擬工具，對建筑運行維護中的采暖、制冷、熱水、照明、通風及其他電器六大設備系統產生的直接碳排放進行量化[8]；交通碳排放量化采用自下而上的量化策略，即先采集區內各種交通實際交通量數據，然后以百公里油耗數據進行碳排放折算。計算中劃分為城市道路機動車及車站內部集散交通兩大部分進行。

圖1 城市鐵路交通樞紐地區整體碳排放結構圖

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

3.2 交通碳排放量化方法

交通碳排放量化計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VKT（Vehicle Kilometers Travelled）和所耗能源物質的二氧化碳排放因子相乘所得值。VKT值按單耗疊加法進行推算[10]。機動車碳排放系數計算中的能源平均地位發熱量和折標煤系數按照《綜合能耗計算通則》取值[10]。

CEK—機動車運營期間二氧化碳排放總量；

CEK—k類公共交通車輛運營期間二氧化碳排量；

N：運營天數；

FK：k類公共交通車輛的日交通總量；

SK：k類交通方式對應的交通分攤率值；

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

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

圖2 武昌站樞紐區研究范圍及交通觀測點示意圖

4.2 現狀調查

（1）建筑信息調查

建筑碳排放模擬軟件HTB2為了提高模擬的真實性和準確性增加了建筑信息的種類，包括氣候條件、地理條件、建筑運行維護情況、建筑材料構造和建筑內部得熱等參數。以城市道路為邊界，將研究地塊劃分為10個區域進行參數統計（圖3）。統計表明，地塊內主要建筑類型包含居住、商業、辦公、教育、酒店、交通（圖4），建筑質量信息依據建成年限劃分為20世紀八、九十年代建成建筑及本世紀建成建筑兩大類（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、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、教育、酒店等公共配套建筑為輔。其中，鐵路西側A、B1、D1地塊功能布局主要滿足車站交通換乘及配套服務需求，服務指向性對外。鐵路東側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、醫院、菜市場等生活配套設施，服務指向性對內。

表1 武昌站樞紐區典型建筑能耗特征統計

圖3 武昌站樞紐區地塊劃分示意圖

圖4 武昌站樞紐區建筑功能劃分示意圖

（2）道路交通信息采集

根據道路等級劃分，研究范圍內的道路網由四條城市主干道（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）構成（圖5）。交通量統計結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線路段，承擔了大量過境交通（圖6）。另外，核心區的交通量主要由到離站機動車及公交樞紐站內機動車構成。信息采集過程中根據交通工具類型分別統計，初步得到交通流量構成結構（圖7）。

圖5 站區道路結構及等級劃分

圖6 站區道路日流量統計示意圖

圖7 武昌站樞紐區內各類交通工具日流量統計

4.3 數據輸入及來源

（1）建筑部分

首先，結合現場調查統計數據通過SketchUp對研究范圍內的現狀建筑進行模型還原。其次，簡化模型，排除臨時建筑，提取研究范圍內的交通建筑、辦公樓、商業建筑、酒店和居住建筑共5類主要建筑作為研究對象。模型導入HTB2后根據實際情況輸入氣候條件、建成環境、建筑能耗需求、建筑材料構造和建筑內部得熱5個參數數據（表2）。

表2 建筑碳排放模擬參數設置表

（2）交通部分

我國現有的機動車排放控制標準與歐洲制定的機動車排放控制標準兼容，故參照歐洲機動車劃分標準將機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據主要通過實地觀測和影像記錄的方式獲取，在工作日（2019—09—14至2019—09—18）采用攝像機對研究范圍內的7個觀測點（圖2）道路斷面不同類型雙向車流進行每小時15分鐘頻率的視頻拍攝，以此估算每小時的車流量并統計車輛信息，進而推算出全年的交通數據和模擬參數。核心區內私家車和公交車流量數據通過車站停車管理辦公室和公交汽車調度室獲取并推算。

5 碳排放量化結果分析

總體碳排放模擬結果顯示（圖8），交通碳排放量占總量的28.4%，占比較一般城市區域高，但建筑碳排放依然占據主要，比例為71.5%。其中，居住建筑是武昌站樞紐區最主要的碳排放源（總占比24%，建筑占比33.6%），其次為商業建筑（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 武昌站站區建筑和機動車交通碳排放結構比例圖

5.1 建筑碳排放模擬結果

研究范圍內建筑能耗終端類型主要包括油、電、天然氣、煤4類。因各類型建筑設備差異導致的能耗類型及構成比例的差異較大，為簡化計算，軟件模擬輸出的建筑能耗值為統一轉換為電能再折算二氧化碳排放量得到。折算因子參考《2014年中國區域電網基準線排放因子》[10]。模擬得出的武昌站樞紐區內各類型建筑年總體能耗及單位面積平均能耗。

數據表明，武昌站樞紐區內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聯（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、酒店、辦公，居住建筑為最小（圖10）。

圖9 武昌站站區各類建筑年總體能耗構成圖

圖10 武昌站站區各類建筑單位面積能耗構成圖

模擬結果亦顯示夏季制冷產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。

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

表3 建筑碳排放模擬數據對比定額研究數據

5.2 交通碳排放計算結果

模擬得出研究范圍內年交通碳排放總量約為54050t。由各道路碳排放模擬結果可知，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，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 武昌站站區城市交通碳排放時空分布圖

武昌站核心區內部的交通客流對應產生的年交通碳排放量經推算約為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%。全區域交通碳排放模擬中，碳排放產值最高為私家車，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據[13]，本次交通碳排放模擬結果具有良好的再現性。

圖12 武昌站站區機動車停車場分布及規模調查

結語

武昌站站區作為典型的城市鐵路交通樞紐地區，建設強度適中、交通類型多樣，結構完整。整體看，由建筑產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、商業建筑、酒店則呈現出夏季制冷需求大，冬季采暖需求低的特征。機動車及非機動車產生的碳排放是研究城市交通密集地區碳排放不可忽視的領域，大量起訖交通、過境車輛和臨時停靠交通的匯集是該區域交通碳排放占據較高比例的重要原因。

對于城市鐵路交通樞紐地區，建筑仍是碳排放主體，以建筑的低碳策略引導城市減碳仍是構建可持續型城市發展模式的最有效途徑之一，而建筑的減碳研究應聚焦于住宅建筑。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、商業進行合理的功能混合，優化建筑布局，發展交通綜合體及商業綜合體，有利于縮短交通出行距離，并完善步行和非機動車設施，可減少機動車使用率，從而達到減碳的目的。

資料來源：

文中圖表均為作者提供。