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城市轨道交通绿色低碳发展策略

国际金属加工网 2022年06月06日

摘要

城轨交通是大容量公共交通的基础设施,是城市引导承载低碳出行的骨干交通方式,当前,我国城轨交通仍处于快速发展阶段,并继续保持增长态势,其能源消耗和碳减排压力仍将与日俱增。在对我国城轨交通发展机遇、 发展现状、工作基础和面临问题分析的基础上,提出城轨交通绿色低碳发展的目标、重点任务和策略,为城轨交通加快绿色低碳转型、挖掘节能减排潜力、提高能效水平、推进城轨行业做好“碳达峰、碳中和”工作提供借鉴。

一、绿色低碳是城轨交通的发展机遇

中共中央、国务院先后发布《关于完整准确多方面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[1]和《2030碳达峰行动方案》[2],为我国实现“碳达峰、碳中和”目标制定了时间表和路线图,标志着碳达峰、碳中和的政策体系正式建立,也必将对我国城轨交通的发展和转型产生深刻的影响。据中国城市轨道交通协会统计,截至2021年12月31日,我国大陆地区(不含港澳台)共有50个城市开通城市轨道交通(其中包括超大城市7个,特大城市14个,大城市19个),投运线路总长度9192.62km,其中地铁线路长度7253.73km,占比78.9%[3]。

从网络规模来看,北京、上海、广州、深圳、成都、南京的开通运营线路均在10条以上,已逐步形成超大线网规模,未来发展以线网优化为主;杭州、天津、武汉、大连和长春等城市开通运营线路超过5条,线路网络初具规模,未来几年仍存在较大的发展空间。未来城轨建设仍将处于迅速发展阶段。

中共中央、国务院关于碳达峰、碳中和工作的意见中,明确了“积极引导低碳出行,加快城市轨道交通等大容量公共交通基础设施建设”,明确了绿色低碳、碳达峰、碳中和背景下城轨的定位,指明了城轨的发展方向,绿色低碳是城轨发展的重大机遇。

二、城轨交通绿色低碳发展面临的挑战

据统计,交通运输行业的碳排放量占全国碳排放总量的比例在不断升高,2017—2019年占比从9%升至12%。全国城轨交通总能耗在2018—2020年期间也呈增长态势,分别为132.12、152.6、172.4亿kw·h,平均人公里能耗分别为0.181、0.155、0.116kw·h;国内新开通城市由于客流处于培育期,平均人公里能耗高于国际平均水平。城轨交通的能耗总量需求很大,绿色低碳发展面临着诸多挑战。

1、不同城市碳排放差异大

总体来看,各城市的城轨交通碳排放差异较大。考虑目前各城市的城轨网络的存量规模和发展态势,结合各地经济发展和城区人口数量因素,未来不同城市的城轨交通的碳排放趋势呈现一定的差异:

(1)对于城轨交通已形成超大线网规模的城市,经济发展水平高且城区人口数量大,未来城轨交通的碳排放量将稳步达到峰值,但随着其他交通方式碳排放量的减少,城轨交通的碳排放占比会继续上升。

(2)对于城轨交通线网已成规模的城市,其经济发展增速较快、城区人口流入较快,城轨交通近期还将快速发展,因此碳排放量在短期内仍将快速上升冲顶达峰。

(3)对于目前城轨交通线网尚处于形成阶段的城市,随着城市化进程加快,经济发展和城区人口均面临大幅增速,未来城轨交通将长期处于快速发展阶段。

(4)对于城轨交通处于起步阶段的城市,目前线网尚处于构建阶段,但经济发展和城区人口的增长空间有限,因此城轨交通的碳排放量增幅缓慢,由于客流形成规模时间较长,降低人公里碳排放强度的难度较大。

2、粗放型发展方式亟待转变

从全生命周期考虑,城轨节能降耗仍有较大空间。以建造阶段为例,在车站及区间的土建施工阶段,在采用明挖、暗挖、盾构、盖挖等多种工法的施工过程中,自卸汽车、挖掘机、装载机等燃油机械在整个施工机械设备台班数中占比较大,电动机械应用占比不高,施工过程中机械设备直接碳排放量较大。因此,施工机械亟待实现电动化、清洁能源化。

在运营阶段,以北京为例,2020年初运营线网规模727km,年总耗电21.9亿kw·h,其中列车牵引能耗11亿kw·h,占总能耗的53%,动力照明能耗10亿kw·h,占总能耗的47%。车站通风空调系统、照明设备及自动扶梯等设备的能耗占车站总能耗的80%以上。地下线车站电能耗平均约299.8万kw·h/站/年,地上线车站电能耗平均约128.5万kw·h/站/年。在牵引能耗和设备能耗方面仍有进一步节能降耗空间。

3、绿色建筑和装配式建造技术亟待推广

绿色建筑是按照绿色发展的要求,通过科学管理和技术创新,采用有利于节约资源、保护环境、减少排放、提高效率、保障品质的技术,实现人与自然和谐共生的工程建造活动。一是在绿色认证方面,主要城市城轨交通获得绿色建筑认证的案例偏少,仅上海、广州等城市部分城轨线路车站获得绿色认证,认证数量占比较小,国内尚无全线通过绿色认证的线路;二是装配式建造方面,仅个别城市的几个车站主体结构采用了装配式建造技术,如长春2号线双丰站、青岛6号线黄海学院站及富春江路站、无锡锡澄S1线南门站、3号线高浪东路站等,尚处于试点阶段。

4、绿色可再生能源亟需再开发

城轨线路高架、地面车站,停车场,车辆段等采光充足的场站,有大量屋面面积可进行太阳能资源的开发利用,但是目前开发利用率还很低,仅北京、上海、重庆等部分线路有开发应用,太原、宁波等地在筹划应用光伏发电系统。

5、城轨绿色低碳标准体系亟待健全

城轨绿色低碳发展缺乏技术、法规和标准支撑,城轨绿色低碳标准体系不健全,特别是与碳达峰、碳中和直接相关的标准亟待制定,如温室气体核算类、温室气体监测类、温室气体排放限额及绩效类、低碳技术类标准,低碳技术评价类标准、碳中和评价标准、碳信息披露指南,碳排放专项法律、法规以及其他相关标准等。

三、城轨绿色低碳发展的工作基础

相比于公交车、小汽车等交通方式,城轨交通以电力为牵引动力,具备直接碳排放少、能效高、污染低、运量大等特点,是绿色交通方式。目前,在全行业共同努力下,城轨交通在规划设计节能、运营管理节能、绿色可再生能源应用、装备制造节能等方面采取了很多措施,具有较好的基础。

在规划设计节能方面:线路在中心城区外围优先选择高架或地面敷设,设置节能坡,车站系统整合机房控制土建规模,部分城市开展绿色建造技术试点。

在运营管理节能方面:采用多交路行车组织方式,减少列车空驶;采用节能运行图和节能运行模式;车站照明、通风等机电设备采用时间表控制;加装能源管理系统,对能耗数据进行分类、分项和分户统计;推进新建线路乘客服务体系建设和既有线路服务体系提升改造,提高乘客服务的便捷化、舒适化、智能化水平,引导乘客乘坐城轨交通。

在绿色可再生能源应用方面:自2013年起城轨领域※早的分布式光伏发电用案例——北京地铁14号线张郭庄站光伏发电项目成功投用,至今已有多个城市开始筹划利用停车场、车辆段和地面线车站屋面的空间资源,开展分布式光伏发电技术应用。投入使用的光伏发电基本实现本地消纳,应用效果和节能效果良好。

在装备制造节能方面:车辆系统采用合理车型,车体轻量化,客室采用LED照明及智能照明,空调采用变频及温度智能控制,试点应用永磁牵引技术,提高了列车牵引效率,降低了牵引能耗。牵引供电系统合理设置交直流网络、供电分区,选择非晶合金变压器,设置再生能量吸收装置及储能装置,提高再生电能利用效率。通风空调系统采用群控系统、风水节能控制系统,实现车站通风空调节能运行,北京试点直膨式和蒸发冷却制冷系统。动力照明选择LED节能光源、直流照明供电、智能照明控制等技术实现节能。

四、城轨绿色低碳发展的目标

应贯彻落实国务院《2030年前碳达峰行动方案》,以技术创新、管理创新和装备创新为主导,充分考虑行业发展和绿色低碳转型特点,确定行业的绿色低碳发展目标。应充分发挥城轨绿色出行的优势和在城市交通体系中的骨干作用,坚持系统观念,有力、有序、有效推动形成城轨绿色发展方式。积极推动绿色城轨和零碳城轨示范线的创建,加强城轨建设期生态环境保护,强化城轨运营期节能减排和污染防治,助力上下游供应链减排,将节能减排、便捷乘客、提高效率的原则应用到城轨规划、设计、建造、运营、装备全生命周期及全产业链中,建立完备的技术标准体系,准确把握城轨绿色低碳发展方向,确保如期实现2030年碳达峰、2060年碳中和目标。

2025年城轨绿色低碳发展的目标可包括以下内容:初步建立绿色低碳发展体系,完善碳达峰、碳中和专项行业标准、法规,确保城轨行业能源利用效率大幅提升,城轨交通绿色低碳技术研发和推广应用取得新进展,节能率普遍提高;综合能耗强度比2020年下降10%以上,城轨绿色出行比得到显著提升。

2030年发展目标可包括:全行业绿色低碳发展转型取得显著成效,实现绿色低碳智能发展模式、绿色低碳关键技术和设备研发取得突破,建立完善的城轨绿色低碳发展体系;城轨行业能源利用率达到国际先进水平,综合能耗强度比2020年下降15%以上,城轨绿色出行比例得到大幅提升。

五、城轨绿色低碳发展的重点任务

基于城轨绿色低碳发展现状和总体目标,城轨行业应把自身优势和国家配套支持政策相结合,在制度建设、关键技术、创新技术上下功夫,将绿色低碳理念贯穿于规划、建设、运营全过程,覆盖城轨上下游全产业链的各个方面,围绕以下重点任务开展工作。

1、强化规划引领,发挥城轨低碳出行优势

充分发挥绿色规划理念的引领作用,将绿色规划理念贯穿于城轨规划、制式选择和工程设计的全过程,将绿色低碳理念纳入城轨线网规划和项目规划,同步推进城轨交通的智慧化和绿色低碳规划。推动开展城轨绿色低碳专项设计方案及论证,从源头引导城轨按照绿色设计建造标准进行工程规划、设计,合理确定土建规模,应用装配式技术、电动化施工机械等低碳绿色施工技术和装备开展施工。深化城轨规划布局,推进TOD开发,提升城轨交通和城市建设的一体化协同,科学制定规划建设方案,推进“四网融合”,拓展城轨交通客流强度导向和客流吸引力提升的能力。推进城轨既有线网加密改造、节能改造和乘客服务智慧化建设,改善出行体验与碳普惠相结合,发挥城轨低碳出行优势,系统提升城轨出行竞争力[4-6]。

2、优化运营管理体系,提高运营能效

优化目前城轨运营方式和组织模式,推进网络化柔性运营。构建网络化运营管理平台,推广高效运营组织模式,运能运量精准匹配,采取管理优化和既有设备设施改造并举的节能措施。优化运营组织模式,采用多交路行车组织方式,推广应用列车节能运行图,采取灵活编组、虚拟编组和夜间存车线停车的运行模式,提高运输效能。多措并举,提升列车再生能量利用率,提高能源利用效率。针对客流变化情况,对车站重点耗能机电设备(扶梯、通风空调、照明)采取分时、分区域的运行策略,降低运营能耗。

3、开发应用新一代技术装备,加快城轨绿色升级

在持续推广成熟绿色节能技术装备的基础上,推进城轨基础设施和装备的绿色升级,建立淘汰产品清单,推动基础设施与装备的绿色设计及评价。大力推动新一代绿色智能技术装备的研发应用,聚焦灵活编组和智能调度的新一代列车运行控制系统,运用永磁牵引技术和轻量化材料的简统化车辆,基于双向变流技术的新一代柔性牵引供电系统、再生制动能量储馈吸收、大空间空调通风一体化、直流照明供电、智能照明控制,基于新一代储能、光伏与城轨供电系统融合,构建“源、网、荷、储”一体化的城轨交通能源互联网等技术及装备,提高能源利用效率。

4、构建智能能源体系,系统管理用能和排放

健全城轨行业能源监测管理体系,完善城轨能耗统计监测和计量体系,加强二氧化碳排放统计核算能力建设。充分运用智慧城轨建设成果[7],基于城轨云平台,构建城轨企业线网级智能能源管理平台,以数据融合为基础,实现能耗和排放数据的自动计量采集、超标准用能及排放的设备设施的自动识别,研究能耗-客流的耦合关系,建立能源系统动态管理模型,建立运营综合场景的能耗关联指标体系,提升城轨交通能耗计量和碳排放监测的智能能源管理的能力,提升城轨能源智能决策水平。

5、同步开发可再生能源,增加自身碳抵消资源

引入太阳能、地热能等绿色可再生能源,充分利用车站及车辆场站的建筑条件,以自发自用为导向,因地制宜地多方面推进、开发、利用光伏发电,推广光伏建筑一体化,研究光伏发电与城轨供电系统的结合,构建多元化清洁能源供应体系,增强城轨自身的消纳能力。鼓励因地制宜采用地源热泵及空气源热泵系统,扩大氢能源在城轨工程车辆、维护作业车的应用,多方面推进替代石化优化城轨交通的整体用能结构,推进城轨清洁能源化、绿色低碳化发展。

6、完善用能和节能标准体系,加强制度和法律法规管理,实现能耗的精准管控

健全绿色低碳标准规范体系,针对各设备系统专业建立能耗等级评定标准,面向车站运行建立分专业、分功能、分区域的差异化、定量化的能耗指标和法规体系。及时更新修订现有标准,提升绿色标准的适应性。抓紧制定一批能耗限额、产品设备能效标准,加快完善行业、企业、产品等碳排放核查核算报告标准,建立统一规范的碳核算体系,并完善低碳产品标准标识制度。

7、积极运用政策工具,营造绿色低碳发展动力机制

积极发展绿色低碳金融产品,充分利用国家碳减排货币政策工具,为城轨交通提供稳定的绿色金融支持,提高资金效益。做好数据质量把控,建立健全碳排放报告和信息披露制度,积极参与碳排放权市场交易,通过碳交易市场获取收益,促进城轨企业低碳技术革新和低碳转型。积极运用市场化节能减排机制,引入市场化节能方式,推进合同能源管理模式,调动社会资本参与用能系统节能改造和运行维护。

六、结语

碳达峰、碳中和对城轨行业而言,既是挑战也是机遇,更是城轨行业面临的历史性任务和重大战略,关系到城轨交通规划、建设、运营、维保等全生命周期和上下游全产业链的高效、绿色、高质量可持续健康发展。

城轨交通应着眼目前现状和未来发展的全局,统筹谋划、顶层设计,多方面践行绿色低碳发展理念,加快自身的绿色低碳转型,结合城轨特征,做好双碳目标制定、技术引领、政策扶持等宏观战略部署,把节约资源放在首位,实行多方面节约战略,挖掘节能减排潜力,提高能效水平,倡导绿色低碳出行的生活方式。坚持自主创新,攻克城轨绿色低碳的关键核心技术,加强上下游产业协同,围绕绿色低碳、节能降碳、节能增效的目标,推广行业先进绿色低碳技术和经验,提升城轨节能减排潜力。进一步推进新一代智慧城轨技术与城轨绿色低碳业务深度融合,以智慧赋能城轨节能降碳战略,共同推进城轨行业“双碳”目标的实现和绿色低碳发展,实现城轨尽早、率先达峰,为交通行业提前实现“碳达峰、碳中和”做出努力,为助力国家碳达峰、碳中和战略的实施贡献力量。

参考文献

[1]交通运输部科学研究院. 交通运输碳达峰、碳中和知识解读[M]. 北京: 人民交通出版社股份有限公司, 2021:54-55.

[2]住房和城乡建设部, 国家发展和改革委员会, 教育部,等. 绿色建筑创建行动方案[Z]. 北京, 2019.

[3]中国城市轨道交通协会. 2021 年中国内地城轨交通线路概况[EB/OL].(2021-12-31)[2021-12-31].https://www. (暂不可见)/xhfb/9269.

[4]交通运输部. 绿色交通“十四五”发展规划[Z]. 北京, 2021.

[5]中国城市轨道交通协会. 城市轨道交通发展战略与“十四五”发展思路[R]. 北京, 2021.

[6]中国城市轨道交通协会. 智慧城轨发展纲要[R]. 北京, 2018.

[7]国家机关事务管理局, 国家发展和改革委员会, 财政部,等. 深入开展公共机构绿色低碳引领行动促进碳达峰实施方案[Z]. 北京, 2021.

(文章由轨道科技网综合整合)

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