城市轨道交通生命周期碳排放强度与碳减排潜力研究

陈坤阳，周 鼎，粟月欢，段华波，陈湘生

(1.深圳大学 土木与交通工程学院，未来地下城市研究院，深圳 518061； 2.滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室(深圳大学)，深圳 518060； 3.深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室，深圳 518060； 4.华夏幸福基业股份有限公司南方总部，深圳 518066)

引言

交通运输是居民出行和物流服务的重要基础支撑和保障。随着城镇化水平不断提升以及城市交通物流与出行需求的多样化，交通领域已成为我国能源消费、影响城市空气质量和碳排放增长的主体[1]。交通领域(含私人汽车)的碳排放占我国总排放比例约为10%左右，占终端排放比例约为17%[2]。为促进交通运输业的绿色低碳发展，我国出台了一系列政策与措施。如国家发展和改革委员会于2007年发布了《综合交通网络中长期发展规划》，明确提出了交通路网建设提高资源利用效率、减少环境污染和保护生态环境的要求；2011年，国家交通运输部发布了《建设低碳交通运输体系指导意见》，提出充分发挥技术进步在低碳发展中的基础性和先导性作用；2017年，国务院发布了《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》，强调促进交通运输的绿色发展；2021年，中共中央、国务院发布了《国家综合立体交通网规划纲要》，明确了将绿色交通作为主要发展目标和重要建设内容。

相应地，发展公共交通是减少城市碳排放、推动交通绿色低碳发展的重要方式[3-4]。轨道交通作为城市公共交通的重要组成部分，因其速度快、运量大、环境影响低以及节约土地资源等特点，被广泛认为是提高运输效率、缓解交通拥堵、提高城市地下空间利用率、实现节能减排的重要途径。陈爱侠等(2007)研究表明，轨道交通不仅大量节约了宝贵土地资源和降低能源消耗，同时减少了汽车尾气排放和降低了道路交通噪声[5]。张清等(2012)指出轨道交通是碳排放强度最低的客运方式[6]。CHATURVEDI等(2015)研究表明，轨道交通系统可使交通业能耗下降5%～20%以及碳排放下降8%～49%[7]，但地铁等轨道交通在建设和运营过程中会产生一定的碳排放。MAO等(2021)描述了地铁发展模式、建筑材料库存以及全球219个拥有地铁城市的实际碳排放量[8]。针对地铁建设阶段，贺晓彤等(2015)核算了地铁车站建设期间的碳排放量[9]，黄旭辉(2019)估算了地铁盾构隧道和地下明挖车站建设阶段的碳排放[10]，LIU等(2019)研究了地铁车站预制结构的温室气体减排潜力，研究结果指出单位长度预制断面施工比传统现浇断面施工温室气体减排约13%[11]，LIU等(2021)基于生态学视角对低碳建设的环境影响进行了探讨[12]；而针对地铁运营阶段[13]，谢鸿宇等(2011)从列车牵引用电和地铁站场用电两方面计算了深圳地铁的碳排放量，并与公交车、出租车和香港地铁运营碳排放强度进行了对比分析[14]。此外，曾雪兰等(2015)基于生命周期理论，对比分析了广佛二期地铁与出租车、私人载客汽车、公交车、私人摩托车4种客运交通工具的能源利用效率、能源强度和碳排放强度[15]，黄莹等(2017)提出了居民乘坐地铁出行减碳量的核算方法，并计算了广州市居民乘坐地铁出行的减碳量[16]，DONG等(2018)对深圳公共交通系统的碳排放进行了研究，发现公交车和地铁分别占城市公共交通系统碳排放总量的64%和36%，但却忽略了出租车对其的影响[17]，秦骜等(2020)对地铁车站全生命周期的碳排放进行了计算[18]，赵荣钦等(2021)则对地铁开通前后居民通勤交通碳排放进行了核算[19]。上述针对地铁碳排放相关研究主要侧重于微观或中观尺度层面，如对特定项目或单一城市或指定生命周期阶段的碳排放进行研究，而对地铁减碳方面的研究相对较少，且尚未有研究学者从宏观尺度如全国层面分析地铁全生命周期的碳排放强度和水平，以及探讨其减排潜力和发展策略。

因此，有必要对我国地铁所产生的碳排放水平及其碳减排效益进行系统评估，以促进轨道交通的绿色低碳发展，并助力国家双碳战略。本研究将全面分析我国地铁所产生的碳排放及碳减排效益，并探讨其自身建设与运营减排潜力以及低碳化路径，具体内容如下：(1)定量分析地铁建设和运营过程碳排放强度和水平；(2)定量分析地铁绿色出行的碳减排量；(3)定量分析因地铁建设所释放城市绿地空间的碳汇/碳减排量；(4)定性分析地铁自身规划建设与运营的碳减排潜力和低碳化、近零排放路径与策略。研究结果可为交通运输业科学制定管理政策提供理论模型及数据参考。

1 地铁生命周期碳排放评价方法

1.1 研究方法

生命周期评价(LCA)是一种评价产品(包括服务或系统)从原材料开采到最终处置全过程潜在综合环境影响的定量化分析方法[20-21]。开展生命周期评价研究主要包含4个阶段：研究目标和范围的确定、数据采集与清单分析、环境影响指标选取与定量化分析、评价结果解释与讨论。本研究采用精简型LCA方法，并选用二氧化碳排放当量(CO2equivalent，CO2e)作为环境影响评价指标，以地铁(含规划建设和运营阶段)为研究对象，构建了地铁生命周期碳排放评价方法，对其碳排放/碳汇情况进行定量化分析，对估算过程中的基础数据和指标参数进行持续修正，以及对评价结果的科学性和合理性进行解释。

(1)地铁规划建设阶段碳排放强度和水平

对地铁建造过程的碳排放测算包括建筑材料生产、运输及施工机械设备(能耗)所产生的直接或间接碳排放。

建材生产阶段——交通基础设施如地铁建设过程需要消耗大量建筑材料，其中全国各类建造过程建材生产所产生的碳排放约占建筑业全生命周期碳排放的9%～12%[22-23]。建材生产阶段的碳排放是指，各类建材从原材料开采、加工、生产到形成最终建材制品整个过程中因资源、能源消耗和污染物排放所产生的直接或间接碳排放。其测算方法如式(1)所示。

(1)

式中，CeM为建材生产阶段的碳排放量(CO2e)；Ui为第i种建材消耗量，kg或m3；Ei为第i种建材生产阶段的碳排放因子，kg CO2e/单位建材数量；φi为第i种建材损耗率；a为建设材料类型；y为地铁规划建设年份。

建材运输阶段——是地铁建造碳排放主要贡献源之一，其主要为使用各类交通运输工具，将建材从生产地运送到施工现场因能源消耗而产生的直接或间接碳排放。其测算方法如式(2)所示。

(2)

式中，CeT为建材运输阶段的碳排放量(CO2e)；Di，j为第i种建材使用第j种运输方式的运输距离，km；Ej为第j种运输方式下，单位重量运输距离的碳排放因子，kg CO2e/(t·km)；b为运输方式(交通工具)种类。

施工阶段——本研究对地铁施工建设阶段碳排放定义为各类施工机械使用过程中所消耗的能源(如汽油、柴油、电力)产生的碳排放，即包含能源使用过程和上游生产过程两部分。其中，测算施工机械能耗主要是根据轨道交通综合定额和施工工序，首先计算各施工机械台班消耗量；其次查阅施工机具台班费用编制规则——《全国统一施工机械台班费用定额2018》，进而算出各施工机械的能源消耗量；再次，结合商业化LCA软件所获取的本地化(中国化)能源碳排放因子，即可测算施工过程(机械设备)产生的碳排放强度。其测算方法如式(3)所示。

(3)

式中，CeC为施工建设阶段的碳排放量，CO2e；Qk为第k种能源的消耗量，L、kg、m3、kW·h；Ek1为第k种能源生产过程的碳排放因子，kg CO2e/L、kg CO2e/kg、kg CO2e/m3；Ek2为第k种能源使用过程的碳排放因子，kg CO2e/L、kg CO2e/kg、kg CO2e/kW·h；c为能源类别。

(2)地铁运营阶段碳排放强度和水平

地铁运营是地铁全生命周期中持续时间最长的阶段，其所消耗的能源也相对较大。地铁运营阶段能耗主要包括列车牵引能耗和车站(含车辆段)运行能耗。本研究对地铁运营阶段碳排放主要侧重于列车加速牵引和环控等系统、车站动力设备、照明设备及其他设备等运行过程中能源能耗所带来的碳排放影响。值得注意的是，地铁运营过程的能源消耗主要是电力消耗。为此，本研究在地铁运营阶段仅考虑电力消耗产生的碳排放。其测算方法如式(4)所示。

CeOy=Ut×Ek，e+Us×Ek，e

(4)

式中，CeO为地铁运营阶段总碳排放量，CO2e；Ut为地铁列车牵引耗电量，kW·h；Us为地铁车站动力及照明耗电量，kW·h；Ek，e为电力排放因子(全国电网平均水平)，kg CO2e/kW·h。

(3)地铁运营阶段相对减排量

地铁出行阶段碳减排量通过地铁客运量乘以对应人均碳减排当量(相对量)得到，其测算方法如式(5)所示。

CeOy-Re.=Py×(Eave-Esub)

(5)

式中，CeOy-Re.为第y年地铁出行碳减排总量，CO2e；Py为第y年的客运量，人次；Eave.和Esub.则分别表示城市公共交通人均碳排放量和地铁出行人均碳排放量，kg CO2e /人次，两者之差值为相对减排量。

(4)地铁建设释放土地资源碳汇量

地铁建设释放土地资源碳汇量为通过开发地下空间而释放地上土地资源面积(当量)乘以对应单位绿植碳汇量(相对量)得到，分别如式(6)和式(7)所示。

(6)

式中，Sy-sub为第y年新建地铁所释放的土地面积，m2；Ly-tunnel为第y年地铁新增运营里程，m；wtunnel为地铁隧道的宽度，m，即盾构一环的直径；n为第y年新建地铁车站数量，座；ht和wt分别为地铁车站的长度和宽度，m。

CeSy-Seq.=Sy-sub×Fave.

(7)

式中，CeSy-Seq.为第y年地铁建设释放绿地碳汇总量，CO2e；Fave.为绿地碳汇量，kg CO2e/hm2。

1.2 数据来源

本研究主要数据来源如表1所示。其中，关于地铁建造阶段建材消耗(类别和数量)、运输(距离)和施工过程(施工机械设备能耗)等相关投入产出清单数据主要源于项目调研和资料文献数据，且以基建为主。与建材类别、交通运输工具和能源消耗相关的碳排放因子，则主要源于GB T51366—2019《建筑碳排放计算标准》、GaBi商业数据库(已本地化)和部分参考文献。与地铁新增运营里程、地铁车站数量、地铁客运量等历年相关数据主要源于统计年鉴资料。

表1 地铁碳减排/碳汇主要指标及数据来源

1.3 不确定性分析

宏观层面的LCA分析中由于数据类型复杂且获取难度大，如难以获得详尽的统计数据、工程投入产出数据，故以案例特征化后代表宏观水平，因此存在一定的不确定性。本文结果的不确定度主要来自以下几方面：(1)除统计数据外，其他各类投入产生或排放因子均因数据的代表性问题存在一定的误差;(2)案例特征化，即选择典型城市地铁建设和运营案例进行全国层面的特征化研究，而非对所有地铁项目进行调查和统计。本文通过蒙特卡洛模拟的方式将不确定性考虑在内，主要包括3个过程：(1)构造或描述概率过程；(2)实现从已知概率分布抽样；(3)建立各种估计量。数据的质量指标通过不确定度对照表确定[28]。主要参数的不确定度如表2所示。

表2 LCA分析主要参数不确定度

地铁在施工和运营过程中的资源和能源消耗与结构及地域有关，本研究选取典型城市地铁建设和运营案例进行分析。在蒙特卡洛模拟中，材料消耗量、施工机械能耗、CO2排放因子及地铁运营里程选择均匀分布，客运量预测值选择均匀分布并根据统计数据和理论计算确定地铁出行碳排放最大值和最小值，确定相应的概率密度函数。对结果进行10 000次计算，并采用了95%的置信水平，不确定度通过结果讨论图中的误差线得以展示。

2 研究结果

(1)地铁建设与运营阶段碳排放强度和水平

根据本研究构建的地铁生命周期碳排放评价方法(式(1)～式(4))与历年地铁运营里程及客运量等统计数据，可测算出2000—2025年中国地铁建设与运营阶段碳排放强度和水平，其中预测到2025年地铁开通里程及客运量数据则根据《十四五规划和2035年远景目标纲要草案》中规划推算得到。近年来，地铁建设与运营过程碳排放量持续增长，如图1所示。2020年全国地铁建设(按当年通车里程算)和运营碳排放总量约为2 830万t，相比2019年下降约12%，这主要是因为地铁出行人次、对应运营里程及时长受疫情影响明显下降导致。但通车里程(建设量)还是趋于稳定增长，基于2020年全国地铁通车里程数据和相关的建材消耗、物流运输和施工等投入产出和排放因子数据，可知当年地铁建造阶段碳排放总量约为1 860万t，相比2019年仍增长约4%，随后仍将持续稳定增长。

图1 全国地铁建设与运营阶段碳排放量初步估算数据

其中，单位里程盾构隧道建设阶段碳排放量约为1.3万t CO2e/km，建材生产、建材运输及施工建造阶段的碳排放量占比分别是75.3%、1.7%和23%。而单位面积地下车站建设阶段碳排放总量约为371 t CO2e/100 m2，在上述3个阶段碳排放量占比分别为81.0%、1.8%及17.2%。此外，单位里程盾构隧道建材生产阶段的总碳排放量为9 972 t CO2e/km，主要源于隧道管片(60.2%)、水泥(24.3%)和钢筋混凝土(10.2%)的消耗。施工机械碳排放主要源于水平运输机械、盾构机及通风设备，分别约占28.0%、24.4%及22.3%。

此外，基于地铁运营阶段的人均碳排放量和全国地铁客运量(约138.6亿人次)，得到2020年全国地铁运营碳排放总量约970万t CO2e，地铁牵引和车站对应的碳排放约各占50%；因疫情影响，2020年全国地铁运营碳排放总量与2019年相比降幅高达32%，其与全球交通客运领域碳排放下降水平基本一致。

(2)地铁运营阶段相对减排潜力分析

将地铁出行与其他常规交通出行方式(公交车、出租车、私人小汽车、大巴车等)的碳排放强度(平均水平)相比，得到地铁出行相对减排量约0.53 kg CO2e /人次[16]，再结合公式(5)以及客运量统计数据，可测算出2000—2025年中国地铁运营阶段相对减排潜力，如图2所示。可以看出，虽然受到疫情影响，2020年全国地铁出行依然可减排(733±13)万t CO2e，“十四五”期间出行量将会逐渐恢复并稳定增长，预计2025年地铁出行相比其他交通方式减排将有望达到1 240万t CO2e。依此估算，过去20年(2001—2020年)，居民选择地铁出行方式累计减碳量约为1.4亿t，约占全国能源领域化石燃料碳排放总量的1%。由于地铁预测客运量不是唯一确定的，所以在计算过程中使用最大值和最小值来反映误差，误差由Oracle Crystaball模拟计算。

图2 全国城市居民地铁出行碳减排量(相对非地铁交通出行方式)

(3)地铁建设释放城市绿地碳汇潜力分析

根据式(6)、式(7)，单位地铁线站(含站场)建设释放地面土地面积量，并结合地铁建设里程和车站总量，可获取全国通过规划建设地铁交通所释放的城市土地资源(面积)—相对于其他公共交通方式，进一步结合城市绿地碳汇效益和水平，可测算全国尺度的碳汇总量。2020年全国地铁建设所释放的城市绿地碳汇或碳减排量约为29.8万t CO2e，预计到2025年将达到44.8万t CO2e(图3)，增长33%。地铁自建设以来因开发地下空间而释放的城市绿地累计碳汇量近400万t CO2e，相当于不丹全国能源消耗碳排放总量(2018年)。

图3 全国地铁建设释放城市绿地碳汇效益(碳减排)

(4)地铁规划建设与运营碳排放及其低碳化发展

上述分析表明，地铁建设与运营具有显著的碳汇或碳减排效益。但另一方面，随着地铁大量规划建设及开通运营里程的持续增长，面临着自身建设和运营带来的资源、能源大量消耗及对应碳排放问题，因而有必要对地铁规划建设与运营过程所产生的环境影响，特别是碳排放强度和水平进行系统评价，并研究其低碳化发展技术路径和管理策略。

地铁轨道交通全生命周期包括规划、设计、建设、运营、维护和最终拆除等阶段，其中运营阶段是持续时间最长、能源消耗最大且产生碳排放最多的阶段[29]。而地铁节能降碳不仅可节约运营成本，且具有显著的环境效益。地铁现有各类节能降碳技术和方法：如地铁车站和列车牵引节能等方面主要包括再生制动技术[30]、地铁基地屋顶光伏发电技术[31]、设备能效优化与能源综合管理[32]，规划设计方面则主要是考虑优化平纵断面设计中的线路坡度、曲线半径和站间距等[33]。

本研究团队综合考虑上述多种减排技术并结合其发展趋势，情景分析表明：建设阶段如建材生产与运输、现场施工节能降耗减排空间相对较小(10%～15%)；运营阶段最高虽可减少排放40%～50%，但碳排放总量仍接近500万～1 000万t CO2e[20]。未来通过能源结构的调整和持续优化，如广泛使用太阳能、风能或地热等清洁能源以及增加绿地碳汇或碳交易，有望实现更大幅度的减碳，并提前实现2060年碳中和目标。

3 结论

地铁在建设与运营过程中消耗了巨量的资源与能源，现已成为城市交通领域碳排放的主要贡献源。本研究旨在评估城市轨道交通碳排放水平及其减排潜力，并进一步探讨了地铁的低碳、近零碳排放路径与策略。近年来全国地铁建设和运营碳排放总量为2 500万～3 500万tCO2e/年；地铁隧道单位里程碳排放约为1.3万tCO2e/km，单位面积地下车站碳排放约为371 t CO2e/100m2，居民地铁出行碳排放约为0.7 kg CO2e/人次。相比其他常规出行方式，地铁绿色出行年减排当量约为730万t CO2e(2020年)，预计2025年减排潜力将达到1 240万t CO2e。而因开发地下空间释放土地资源形成的城市绿地碳汇量约为30万t CO2e(2020年)，预计到2025年将达到44.8万t CO2e。未来可通过推广节能减排技术与方案，缓解城市轨道交通碳排放的快速增长。同时，应优化能源结构，提高清洁新能发电比例，以减少与能源组合相关的排放，提升碳减排潜力。研究结果可为交通领域科学实现绿色低碳转型及制定地铁系统节能管理政策提供理论支撑及数据参考。