基于客运周转量的城市轨道交通能源与碳排放定量分析

张成龙、董崇、刘克、李晟、张昕

(天津三号线轨道交通运营有限公司，天津 300392)

1 城市轨道交通总能耗的计算

城市轨道交通系统由车辆、供电、通信、信号、机电自动化、工务、运输等各个专业汇集而成，属于一项系统性的工程。在既有线路中，未能为每一机房安装电表，按专业叠加，计算用能设施总能耗非常困难，所以一般利用图1 所示的方法来统计运营总能耗。

图1 城市轨道交通便于统计的用能设施能耗

2 能源效率的计算

参考近五年城市轨道交通年度统计和分析报告，以及城市轨道交通节能管理探讨与措施分析，现有四种计算城市轨道交通能源效率的方法[1]。

其一，基于客流量的能源利用效率计算（单位：千克标煤/人次）。

这种方法是利用运营总能耗折标煤计算，与客流量相除得出。这种方法的缺陷在于，没有综合考虑每一个乘客的运距，不全面。

其二，基于走行列公里的能源利用效率计算（单位：千克标煤/公里）。

这种方法，利用运营总能耗折标煤计算，与走行列公里相除得出。这种方法的优点在于，每月汇总每列车的走行公里数，数据精准度非常高。缺点在于，忽略了运营的平均满载率。

这种指标只适合作为开展招标信号、车辆厂家工作时的参考，列车运营后利用该指标评价能源利用效率没有任何意义。

其三，基于票款收入的能源利用效率计算（单位：千克标煤/万元）。

这种指标类似于工业生产的盈利效率，即每营收一万元需要消耗多少千克标准煤。但城市轨道交通运营公司承担着一定的社会公益责任，不能完全以盈利多少来评价城市轨道交通的价值。因此，票款收入只能作为生产经营的参考指标。

其四，基于客运周转量的能源利用效率计算（单位：千克标煤/百人公里）。

该指标是将运营总能耗与客运周转量相除得出的，最符合“双碳”工作精细化管理的要求。因为客运周转量既包含客流人数信息，也包含每一个乘客的运输距离信息，比单纯的客流量信息更能体现客运运输效率的指标。图2 为六座城市近五年的能源利用效率对比（数值越低效率越高）。

图2 六座城市近五年城市轨道交通能源利用效率变化

3 碳排放计算

通过对能源效率的计算研究，认为碳排放效率也该基于客运周转量计算。

计算城市轨道交通运营总碳排放时，应该对各类能耗（见图1）分别计算并汇总相加，不能漏算。

用计算出的总碳排放量除以客运周转量，即可得出碳排放效率。图3 为六座城市近五年的碳排放对比（数值越低效率越高）。

图3 六座城市近五年城市轨道交通能源碳排放变化

与城市轨道交通节能环保工作相关的指标中，平均满载率也非常重要。

平均满载率=客运周转量/客位里程

客位里程=满载客位数×运营里程

全市城轨的平均满载率=全市城轨客运周转量总和/（线路1 客位数×线路1 运营里程+线路2 客位数×线路2 运营里程+线路3 客位数×线路3 运营里程…….)

4 分子、分母理论

通过前文得出结论：城市轨道交通节能环保的重点不只在于限制生产能耗总电能，生产能耗总电能仅仅是分子；作为轨道交通行业中相当重要的指标——客流数据，在节能环保工作中，没有被重视。

4.1 分子对节能环保管理的影响

公式分子中，运营总能耗，统计点位为线路生产总电量、机关办公区食堂用电、内燃机工程车柴油用量、公务用车汽油用量。经计算，电能消耗为主要因素，占比99%以上。

对分子的限制，可通过技术和管理手段来节约能耗，比如风井维护、设备房照明管理、空调机组养护、电扶梯变频控制、列车牵引制动模型优化等。但这些措施的节能空间有限，而且很多技术改进代价高昂。

4.2 分母对节能环保管理的影响

表1 为张铁映在论文《城市不同交通方式能源消耗比较研究》中给出的北京各种交通工具能耗对比。

表1 北京各交通方式能耗对比

根据天津市交通科学研究院王博洋、张廉青的论文《基于VMT 法公交行业能耗监测模型研究》，按柴油公交车、油电混合公交车、纯电动公交车、液化气公交 车 之 间 的 数 量 比（8∶1∶0.5∶0.5），估 算 出 表2、表3[2]。

表2 根据天津市交通科学研究院论文估算公交车能源效率

表3 根据天津市交通科学研究院论文估算公交车碳排放

结合图2、图3 可知，六座城市近五年的轨道交通能源效率为0.463～3.194 千克标煤/百人公里，平均值为1.569 千克标煤/百人公里；碳排放为2.189～15.1 千克二氧化碳/百人公里，平均值为7.417 千克二氧化碳/百人公里。

以天津为例，近五年能源效率约为1.627 千克标煤/百人公里，表4 为天津地区其他交通方式在实际情况下估算的能源效率和碳排放。

表4 估算各种交通方式满载率、能源和碳排放效率

目前，地铁作为城市公共交通的重要组成部分，平均满载率还有巨大的提升空间。以天津地铁为例，平均满载率常年低于15%，甚至低至10%、5%。相比于公交车，城市轨道交通的节能减碳潜力更高。

作为分母的客运周转量，还有巨大的增长空间。因此，提高客运周转量，是城市轨道交通未来节能环保工作的重中之重，也是达成国家2030 年前实现碳达峰目标的工作重点。

5 城市轨道交通业实现碳达峰指标的主要手段

城市轨道交通运输具有运输量大、能源清洁、相对空间占用小的优点，但存在建设期费用高昂、施工周期较长的缺点。

类似于天津这样的城市，轨道交通长期线网平均满载率不高于10%，折合到每人百公里的能源消耗和碳排放量居高不下。

结合前文，可以得出这样一条结论：天津城市轨道交通节能环保工作的重点，不在于限制运营总耗能，而在于通过承接大量客流，提高能源利用效率。

5.1 通过分子提高能源利用效率的措施

第一，通过信号系统改造，改善牵引制动模型，减少频繁的牵引、制动动作，降低闸瓦磨损，降低牵引耗能。

第二，加强照明管理。风道和消防设备房在人走后仅保留应急照明；非消防设备房，人走灯灭。

第三，对照明系统进行声光改造，使各设备房间有人状况下亮灯、无人状况下灭灯，节省电力。

第四，车站电扶梯变频功能维护。定期排查车站的电扶梯变频情况，节省无客时的电能消耗。

第五，在列车高峰小时最大拥挤度不超过100%，满载率10%以下的情况下，不加开小交路行车。

5.2 通过分母提高能源利用效率的措施

第一，通过《城市不同交通方式能源消耗比较研究》和前文内容，可以得出：新能源公交车在节能方面，不如城市轨道交通有潜力。因此，最直接的手段是，从公共交通管理条例方面，彻底改变公交车站点、线路的规划与建设思路，避免公交车和城轨“抢活”。

第二，向地方政府申请长期票价补贴，大幅度优惠城市轨道交通票价，在较长时间吸引客流。

第三，在城市轨道交通末端布置面向青年人的保障住宅或职工宿舍。目前，在建的有武汉黄家湖城市轨道交通小镇和洛阳红山城市轨道交通小镇项目。

第四，城市轨道交通票务系统，应加入对客运周转量（即实际运送的旅客人数与其平均运输距离的乘积）数据的精确采集。如果票务系统能够通过票价和进出站、换乘信息，将每一个乘客的乘车距离相加，便会得到更加精准的客运周转量值。

第五，城市轨道交通云平台的建设应立足全市、全线网轨道交通运营服务的需求。云平台与信号系统、综合监控系统、票务系统等都存在数据接口。云平台采集的票务信息，应该精确到每一张城市轨道交通客票（不管换乘了几次）。对于短距离存在一次或多次换乘的乘客，宜按最少换乘次数计算乘坐距离；对于较长距离存在一次或多次换乘的乘客，宜按最短乘坐里程计算乘坐距离。对于具体的临界距离或临界车站数，应进行专项调查论证。

第六，应对公交车客运票务技术进行适当改善。比如，在公交车上、下车位置均设立打卡设备，将公交车票务信息远程传至票务主机，由主机分析客运信息，计算出实时的满载率。此举有利于公交车节能减碳精细化管理。

第七，通过与网约车、出租车公司合作，利用接单程序和票务主机，采集每一辆网约车、出租车的实时满载率信息，计算空驶率，以提高网约车、出租车节能减碳工作的科学性、精准性。

第八，提高燃油附加税，抑制私家车保有量，将通勤、探亲、旅游、上学客流引向最节能的城市轨道交通。

6 结语

精准计算能源使用及碳排放量是实现碳达峰、碳中和目标的重要一步。通过基于客运周转量的能源利用效率和碳排放指标，计算各种交通方式的能源利用率，来建设城市能源和碳排放模型，以优化制定能源价格政策，优化交通运输业的产业结构，是未来的重要研究方向。