城市交通能耗和碳排放统计测算方法研究

张秀媛，杨新苗，闫 琰

(1.北京交通大学运输学院，北京，100044;2.清华大学 土木工程系，北京，100087)

一、引言

当前，北京、上海等大城市车用能源在城市能源消费总量中的比重相对较高。与此同时，二三线城市甚至四线城市的汽车销量和保有量增速较快，和一线城市的差距在不断缩小。二三线城市集中了全国城市人口的60%，其经济总量占全国的比例约为50%。轿车进入家庭导致私人汽车过多、车用燃料标准和尾气排放标准过低等导致交通拥堵和雾霾等环境质量下降。车用能源已经成为城市能源消耗的重点领域。因此，调整城市交通结构，完善交通能源消耗和碳排放统计，大力发展公共交通，降低人均能耗和人均排放是城市交通可持续发展的关键环节之一。

(一)国内外相关研究进展

目前，国内外对于城市交通能耗研究的主要方法包括如下几个方面。Toshihiko等人用CGE(Computational General Equilibrium Model)模型通过模拟能源、经济、环境的三者关系，主要用于预测碳税等促进节能减排的政策效果，为决策者制定长期能源战略和政策提供支持，应用于国家和地区等宏观层面分析［1］。周伟等在2010年采用MARKAL-MACRO(The Market Allocation of Technologies Model-MACRO)模型，用人口统计学理论进行中国城市化能源消耗［2］定量分析。研究设定了中国未来能源消费的3种情景预测，分别为基准情景，一次能源结构优化情景以及气候变化约束情景。对不同情景下各行业能源消耗量及CO2排放量进行了测算，并指出由于机动车保有量的增加，交通运输行业的能耗及碳排放量将持续上升。Eric D Larson等以MARKAL模型为基础建立了中国能源系统模型，研究在保证社会经济发展、能源供应安全、环境可持续发展的基础上，对中国能源发展技术战略进行了情景分析［3］。赵娴在2007年根据AIM(Asian-Pacific Integrated Model)能源技术模型建立了北京市2008年交通能源需求与环境排放模型，以2005年为基准年预测了2008年能耗和排放［4］。并对2008年北京市交通能源需求和环境排放进行了4种情景分析。朱松丽等人在2002年采用LEAP(Long-range Energy Alternatives Planning System)模型预测了北京市1998－2020年交通能源需求［5］。在研究过程中建立了北京市和杭州市城市交通数据库，包括各类型机动车排放因子的测定。王晓华应用LEAP模型建立了北京市物流系统能耗计算模型，并利用MOBILE模型核算了能耗及排放强度［6］。Ranjan等人在1997年利用LEAP模型和环境数据库分析了印度新德里交通部门的能源消耗和排放影响因素，并预测了能源需求总量和排放量［7］。闫琰的分析研究中指出公共交通系统作为交通领域重要的节能方式，完全可以成为环境税的受益者，但由于我国目前尚未形成完善的能源环境税收体系，公共交通系统的节能优势尚没有给出合理的分析和支持［8］。张铁映研究指出由于能源问题的日益严重，碳交易市场成为全球温室气体减排、减少CO2排放所推广的市场机制，充分利用公共交通系统节能减排的优势，收益用于公共交通系统的建设和运营［9］。

(二)我国城市交通能耗统计的现状及问题

当前我国城市交通系统能源消耗和碳排放的测算研究不断深入开展，迫切需要加强我国城市交通能源统计系统建设和完善，具有合理的统计结构和量化研究所需的统计数据。但是，目前我国城市交通能源消耗统计缺失和不完整，使得城市客运交通系统能耗统计测算存在诸多问题。

城市公共交通系统的能源消耗和碳排放整体分析和统计，以及公共交通系统能耗数据体系的建立是城市交通能耗分析的关键环节之一。唐旭南等人针对城市公交系统全生命周期能耗进行分析，通过测算车辆生命周期成本，包括购置成本、运行成本、维护保养成本、其他成本，并给出了车辆生命周期成本与行驶里程之比等关系分析，形成公交车辆能源费率参数［10］。贾顺平等人也指出不同交通方式的能源消耗因子比较，应考虑全过程消耗和全承担消耗，用生命周期评价方法进行评价。包括建设阶段、运营阶段、维护阶段、运营及更新等为交通运输能源消耗的研究重点之一［11］。

在之前的城市交通能源消耗研究中，主要针对车辆终端能耗分析，缺少针对城市交通基础设施能耗的研究，尤其是缺乏对于公共交通系统生命周期能耗测算和城市交通基础设施能耗测算的研究。交通系统的能耗往往只关注车辆运营的阶段，即车辆的燃油消耗产生的能源消耗和温室气体排放，而忽略了基础设施建设及运营维护的能耗。忽略交通基础设施对于环境的影响来分析评价某种交通方式的环境影响是不科学的，也是不全面的。这在轨道交通方式上体现的尤为明显，轨道交通的基础设施建设包括轨道、车站、站台等，其能源消耗和绿色温室气体排放是巨大的，如果忽略这个阶段而只考虑其运营阶段，再将其与其他交通方式相比较难以得到客观的结果［12］。

对于公共交通系统而言，交通运输工具的终端能源消费量只是整个公共交通系统能源消费量的一部分，单独凭借运输工具的终端能源消费量来评价不同公共交通方式的用能是不全面、不准确的。从城市公共交通系统全生命周期角度研究能源消耗应包括基础设施能耗和交通运输工具能耗。因此本文按照生命周期分析方法来建立公共交通系统能耗模型关系。

二、城市交通全生命周期能耗分析

目前，城市交通系统结构包括公共交通、准公共交通、非公共交通，其中公共交通主要由地面公交和轨道交通为主，出租车为准公共交通方式构成，非公共交通中重点是小汽车。对公共交通和出租车进行全生命周期能耗和碳排放分析中能耗影响因素包括内部和外部两部分，其中能耗内部影响因素主要是基础设施、车辆性能、燃料类型、运营组织和驾驶员技能等;外部影响因素主要有城市土地利用、居民出行方式选择等方面。

城市交通系统能源消耗和碳排放统计指标体系应按照交通方式结构确定，指标体系既要考虑交通方式结构和交通需求，也要考虑能源消耗结构包括汽油、柴油、天然气和电等变化［13］。

公共交通系统中，轨道交通包括机车牵引和列车能耗、车站能耗以及基础设施能耗。其中，机车牵引能耗是影响轨道交通系统总能耗的关键，机车牵引能耗包括列车加速牵引能耗和环控能耗两部分。轨道交通车辆性能对轨道交通能耗的影响体现在其机车牵引效率和辅助牵引能耗占比两个方面。机车辅助牵引占能耗牵引能耗的比例，辅助牵引能耗指在列车运行过程中，为乘客提供舒适、安全保障的车载设备能源消耗。

从全生命周期角度研究城市客运交通系统能耗应该包括车辆，基础设施和燃油3个方面，前两个方面又包括设计、原料开采、制造过程、建设过程、运营过程、维护和报废7个阶段。不同交通方式的能源消耗因子比较，考虑全过程消耗和全承担消耗，用生命周期模型方法进行分析评价，包括建设阶段、运营阶段、维护阶段、回收处理阶段，是交通运输能源消耗的研究重点之一。

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测算公共交通系统能耗及排放强度，探索公共交通能耗影响因素、主要参数和测算模型方法。

(一)公共交通系统能耗统计测算影响因素

本文重点考虑公共交通的车用能源类型和公共交通系统组成要素。

(1)公共交通车用能源类型较多，简单划分为传统公交车辆和新能源车辆。2009年我国工信部制订的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》正式确定了新能源车辆的范围，指除汽油、柴油发动机之外所有其他能源汽车，包括纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)、氢发动机汽车及燃气、醇醚、生物柴油汽车等。新能源车辆概念取代了替代燃料车辆的概念。清洁能源汽车是以车用清洁能源取代传统汽油、柴油的环保型汽车的统称，其特征是能耗低、污染物排放少、对环境友好［14-15］。

(2)城市公共交通系统组成要素，包括内部要素和外部要素。公共交通系统内部构成要素可以划分为物理设施、运营计划、从业人员。物理设施包括基础设施，车辆，燃料，设备，动力系统，控制、通信和地理系统;公共交通系统外部构成要素可划分为:政府决策，私人交通出行方式及非机动交通出行方式，消费者指城市居民等。

城市客运交通出行总量，出行距离，出行结构由城市经济发展、土地利用、居民出行选择等宏观层面影响因素决定，即城市客运交通出行总量，出行距离，出行结构是公共交通系统能耗强度的外部影响因素的构成要素，此外还有公共交通系统内部构成要素影响着公共交通方式能耗强度。

(二)公共交通能耗与排放测算的主要参数

城市公共交通能源消耗与排放测算主要参数为车辆速度、交通基础设施、满载率和燃料类型等。

(1)车辆速度，对车辆能耗的影响主要体现在对发动机牵引力和风阻力上。有研究表明车速较低时，车速波动对车辆油耗的影响较小，车速的增加对车辆油耗的影响越显著。目前我国城市公交车平均速度在30km/h以下，车速变化对车辆百公里油耗影响不大，车速波动在20%左右，油耗波动在10%左右。

(2)交通基础设施能耗按照全生命周期分析包括交通建设、运营、维护和报废处理四个阶段，其中建设阶段是能源消耗的主要来源。由于基础设施使用寿命较长，报废阶段也暂时不予考虑，其生命周期清单分析中基础设施的建设和维护阶段是能耗和排放的主要和直接来源。基础设施建设及维护能耗生命周期评价往往使用基于过程的评价方法，即根据基础设施的施工过程和技术来逐步计算能耗和排放。

公共交通系统的基础设施可按照地面交通和轨道交通分为两类，地面交通(地面公交和出租车)的基础设施主要包括道路、站台、停车场站等，轨道交通基础设施主要包括区间轨道、车站和车辆段。公共交通系统的运输工具根据交通方式可划分为公共汽电车、出租车、轨道交通车辆。

(3)满载率，车辆满载率对车辆能耗的影响主要在于影响车辆载重，车辆载重越大，滚动阻力越大，百公里能耗越高。对于大型公交车，满载时能耗比空载时有较大幅度提高，平均达35%以上，同时随着速度的增加，增幅也会增加。

车辆满载率对人均能耗有着显著影响，人均能耗随着车辆满载率的提高而快速降低，满载率超过50%后，人均能耗降幅变平缓。当公交车辆满载率较低时，人均能耗较高，当满载率不足10%时甚至超过私人汽车出行人均能耗。从节能减排角度考虑，应通过调整运营计划或车型调配，保证车辆的载客率在50%以上。

(4)燃料类型，公共交通的燃料类型主要有汽油、柴油、天然气、电和混合动力。假定在满载率100%理想条件下进行不同燃料类型地面公交车辆的人均能耗及排放强度对比，差距较大。混合动力地面公交车辆在能耗及碳排放方面均有比较明显的优势，与传统柴油公交车相比，人均能耗及排放强度下降23%左右。混合动力公交车辆能够显著的降低车辆运行能耗和碳排放，技术较为成熟，是目前新能源车辆发展的主要方向。但车辆购置成本偏高，我国许多城市正在积极推广混合动力公交车的应用，对购置混合动力公交车提供一定的补助。天然气公交车辆与传统柴油公交车辆相比，优势主要体现在经济性和减少有害气体排放方面，其能耗和碳排放方面并不具有显著优势。天然气的价格是柴油价格的25%左右，并且能够降低近90%PM2.5排放量。因此天然气作为清洁能源和替代能源将成为未来公交车辆的一个重要发展方向。电力公交车目前主要是以有轨电车和无轨电车为主，纯电动公交车辆虽然运行阶段不产生排放，但是由于我国电力生产过程中能耗及碳排放量较高。因此，纯电动公交车辆整体碳排放水平仍然较高，还不具备大规模运营的技术条件。

(三)公共交通全生命周期能耗与排放模型结构

城市公共交通能源消耗和排放的主要统计指标为载客人数、燃料类型、百公里能耗、能耗强度、排放强度等。

模型结构和统计指标选取。根据公共交通系统能耗测算模型结构，模型的计算模块分为3个部分，即基础设施建设能耗及排放计算，基础设施运营能耗及排放计算，运营车辆能耗及排放计算。

(1)基础设施建设方面，将基础设施建设阶段分为准备阶段和施工阶段，准备阶段能耗与排放为建筑材料生产的排放与能耗，施工阶段能耗与排放为施工过程中机械耗电的能耗与排放。基础设施建设能耗为准备阶段和建设阶段能耗及排放之和，计算公式如下:

Ec、CEc指基础设施建设阶段能耗、碳排放量;PEn、EFn指第n类建筑材料能耗、排放因子;Un为第n类建筑材料用量;PEc、EFc指电力能耗、排放因子，Ui指第i类施工器械耗电量。

(2)基础设施运营方面，运营能耗主要指维持公共交通系统运转的设备能耗，包括照明系统、空调通风系统、信号系统等，根据其耗电量计算能耗和排放，详见以下两个公式:

E0、CE0指基础设施运营阶段能耗、碳排放量，PEc、EFc指电力能耗、排放因子，Uj指第 j类运营设备耗电量。

(3)车辆运行方面，车辆运营能耗由城市居民交通需求、城市交通结构、车辆承载系数、车辆能耗强度等参数进行计算，如下各式。

D指年均城市客运交通需求量，用客运周转量表示，单位人公里，p指城市居民人口，n指居民人均每日出行次数，d指居民平均单次出行距离。

Ev、CEv指车辆运营阶段能耗、碳排放量，Ek、CEk指k类型公共交通方式车辆运营阶段能耗、碳排量，Sk指k类型公共交通方式的交通分担率，Qk，i指k类型交通方式中i类型燃料车辆占比，Gk，i指k类型交通方式i类型燃料车辆单位公里能耗强度，PEi、EFi指 i类型燃料能耗、排放因子。

一般情况下，地面交通车辆燃油经济性计算普遍采用如下公式:

Gk，j指k类型交通方式中i类型燃料车辆单位公里能耗，P为车辆行驶阻力功率，gi为燃料消耗率，V为车辆行驶速度，γ为燃料密度，ηγ为发动机传动机械效率，m为车辆重量，g为重力速度，f为滚动阻力系数，i为道路坡度，Cp为空气阻力系数，A为车辆迎风面积。

四、北京市公共交通能耗和排放测算分析

以北京市公共交通系统为例，对公共交通系统能耗和碳排放作统计分析。北京市公共交通中，公交车辆一般为大型客车，以12米单节车、18米铰链车为主。公交车辆主力车型包括BK6111单机(12米)、BK6140(14米铰链)、BK6180(18米铰链)等。公交车辆按照主要燃料分类主要有柴油车、天然气车、混合动力车及电车。北京市地铁采取6节编组，3动3托，常见的车型有DKZ系列、SFM系列B型车，采用直流第三轨供电。

(一)北京市客运交通定额下的能耗与排放统计指标选取

根据城市客运交通额定载客量下的能耗和碳排放统计指标要求，给出北京市载客量对应的能耗与排放统计指标取值如表1所示。

表1 北京市客运交通额定载客量对应的能耗与排放统计指标取值

(二)不同交通方式生命周期能耗及排放强度

根据北京市交通统计数据计算出在车辆按照额定载客人数运行情况下，公共交通系统不同交通方式的生命周期得到基础设施建设、运营能耗强度、运营人均能耗及排放强度结果，如表2所示。根据测算结果，地铁基础设施运营阶段能耗及排放均远高于公交和出租车。地铁基础设施运营阶段人均能耗强度约为公交系统的483倍，出租车的362倍。地铁基础设施运营阶段人均排放强度约为公交系统的525倍，出租车的332倍。公共交通系统中地铁的全生命周期能耗强度最低，约为公交的45.2%，出租车的11.4%。地铁的排放强度受我国电力行业排放强度较高的影响，比公交排放强度高，但仍低于出租车。通过测算结果可以看出，基础设施建设能耗占全生命周期能耗的比例均较低，地铁的基础设施建设能耗占比最高为4.66%。公交和出租的基础设施建设和运营能耗总和占比仍然极低，不到1%。公交和出租系统能耗99%来自于车辆运行阶段。

表2 不同交通方式生命周期能耗及排放强度(额定载客)

(三)不同燃料类型对应的能耗与排放强度

图1 不同燃料类型公共交通能耗强度和排放强度(额定载客)

不同燃料类型下，公交车天然气能耗强度大，出租车汽油排放强度大，但是具有灵活、速度快、舒适便捷的特点可以作为公共交通系统的一个补充部分。适度发展出租车，提高出租车的服务水平是遏制私人汽车发展的重要途径。但出租车的数量不宜过多，大量空驶里程将造成能源浪费和排放，如图1所示。

根据北京市交通发展研究报告2008－2010年数据，如表3所示，运用本文建立的公共交通系统能耗测算模型计算北京市交通系统能耗及排放量。

表3 北京市公共交通系统能耗分析基础数据

计算结果如表4所示，基础设施能耗约占公共交通系统总能耗的5%，车辆能耗是主要的能源消耗来源。2008－2010年公共交通系统客运量占比呈现增加趋势，而同时公共交通系统能耗占比呈现显著下降趋势。2010年公共交通系统承担了46.3%的城市客运量，但消耗的能源仅占城市客运交通系统能耗的14.67%，体现出了公共交通系统节能的巨大优势。公共交通系统内部能耗组成，地面公交系统能耗占比最高，约60%左右，地铁系统能耗占比最低，2010年地铁能耗占比仅为6.86%但承担了24.33%的客运量。

表4 北京市公共交通系统能耗测算

(四)北京市2015年能耗与排放情景分析

从城市层面来看，改善交通出行结构、提高公共交通出行比例是降低城市客运交通系统能耗和人均能耗的主要手段。根据北京市“十二五”交通发展规划目标，2015年公共交通出行比例力争达到50%以上，轨道交通日均客运量1200万人次以上，中心城地面公交日均客运量1300万～1500万人次。私人小汽车出行比率降低至25%，自行车出行比例保持在18%左右。运用交通需求预测模型，LEAP模型对城市公共交通交通系统能耗和排放进行情景预测、显著影响因素和灵敏度分析。以2015年为基准年，设置多种满载率情景，得到公交和地铁的能耗与碳排放指标如表5所示。

表5 不同满载率情景下公交和地铁能耗及碳排放测算结果

根据地面公交系统生命周期能耗强度计算结果，公交系统基础设施建设和运营阶段能耗仅占总能耗的0.45%，车辆运行阶段能耗是公交系统能耗的绝对主要组成。按照传统柴油公交车型占比50%，天然气公交车型占30%比例，混合动力公交车型占15%比例，电力公交车型占5%比例计算。

基准情景的公共交通中地面公交、地铁和出租车满载率分别为43%，59%，30%，当公共交通车辆满载率达到50%、60%、70%、80%时，地面公交系统能耗及碳排放强度与基础情景相比分别下降了12.6%、27.2%、37.6%和45.4%。可以看出在地面公交系统随着满载率的提高，节能减排潜力巨大。因此，积极调整公交车辆能源结构，公交车辆能源结构仍然以柴油公共汽车为主，以天然气公共汽车为辅，以无轨电池、混合动力、纯电动车为补充，积极推广新能源和清洁能源车辆十分必要。

2015年北京市公共交通低碳发展情景设定为地面公交满载率为60%，地铁满载率为65%，出租车满载率为32%。基准情景和低碳情景能耗与碳排放测算结果，如表6所示。

表6 2015年北京市基准和低碳情景下公共交通系统能耗及排放对比

低碳情景下北京市公共交通系统能耗和碳排放分别下降22%和14%，公共交通人均能耗及碳排放则分别下降超过31%。低碳情景下北京市客运总能耗为719.84万吨标煤，与基准情景相比下降26%。其中，地铁系统低碳情境下能耗及排放强度与基础情景相比分别下降0.9%、15.1%、25.7%。随着满载率的提高，能耗和排放下降速度减缓。

五、结论与建议

我国城市客运交通系统应建设以大容量公共交通方式为骨架、常规公交为补充的多层次公共交通体系。在城区内大型客流集散处设置大型换乘枢纽，换乘枢纽连接多种交通方式，尽量缩短换乘距离。枢纽开发向立体化、综合化发展，与商业开发相结合。中心城边缘建设换乘枢纽，通过收取拥堵费，提高停车费用汽车牌照控制等措施推进P+R模式出行模式，鼓励私人汽车换乘公共交通方式进入中心城区。收取的费用作为改善公交服务的资金，有效缓解了城市交通拥堵问题。

具体节能减排措施如下:

·优化城市交通结构，提高公共交通的出行比例。

·在政府主导的公交领域推广新能源车辆，实现交通节能减排。

·提升公共交通的服务水平，完善车辆信息服务，便利的换乘系统和高可达性的线路设置。

·提高私人汽车的使用成本，来弥补其给城市交通和环境带来的负外部性效应。

改善出行结构，缩短出行距离、提高车辆满载率是降低公共交通系统和城市客运交通能耗和排放的最有效方法。

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