城际铁路作为绿色运输骨干，对减少能源消耗和实现“碳达峰碳中和”目标起到支撑作用。本文通过对我国城际铁路发展及能耗现状进行分析，基于“双碳”背景下对规划设计、施工建造、运营等全生命周期能耗及碳排放进行研究，考虑节能减排、绿化碳汇等措施影响，以京雄城际铁路为典型案例进行分析。
研究结果表明，规划设计阶段勘测产生的碳排放占比很小，运营期年均能耗占比最大，约占全生命周期年均总综合能耗的74.9%，建材生产阶段(折算100 a)年均能耗占比约22.4%;考虑节能减排以及绿化固碳等措施效果明显，年均能耗可节约12%左右;与国内外同类铁路能耗指标类比分析，单位运输牵引能耗指标为6.42 tce·(10⁶人公里)⁻¹，符合预期;对照转移公路出行客运量减碳效果明显，节省碳汇交易总额约61267万元，产生的社会效益较大。本文为构建绿色低碳城际铁路碳排放双控指标体系提供了参考和借鉴。
关键词：铁路运输;碳排放;全生命周期;京雄城际;能耗指标
论文《京雄城际铁路全生命周期能耗及碳排放研究》发表在《交通运输系统工程与信息》，版权归《交通运输系统工程与信息》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
0 引言
2020年9月，中国政府在世界联合国大会上提出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO₂排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。随后，中央层面不断加快建立“1+N”政策体系，先后发布了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030碳达峰行动方案》，要求实施交通运输绿色低碳行动，确保交通运输领域碳排放增长保持在合理区间，为我国实现“碳达峰、碳中和”目标制定了时间表和路线图。
交通行业是碳排放的主要来源之一，产生的CO₂排放占全社会总排放量的11.7%左右，其节能减排及绿色低碳发展对全社会实现碳达峰、碳中和意义重大。根据铁路相关规划，到2025年铁路路网规模达到16.5万km左右，展望到2035年铁路率先实现现代化。铁路作为世界的主要公共交通方式，有序推进碳达峰碳中和，需要进一步发挥铁路绿色低碳的运输优势：从“减污”来看，铁路运输产生的氮氧化物、SO₂、颗粒物等污染物少;从“降碳”来看，铁路运输能源消耗低，CO₂排放更少。
1 国内外铁路能耗及碳排放研究现状
铁路的碳排放及节能减排问题，受到了国内外学者的广泛关注。如袁振洲等[1]对国内外轨道交通碳排放测算研究进展及数字化平台建设等相关文献综述进行了全面总结。陈进杰等[2]从高速铁路全生命周期角度出发，认为高速铁路在建材生产阶段、建筑施工阶段、运营维护阶段以及拆除报废阶段都会产生CO₂，而高速铁路运营阶段的碳排放大，约占其整个全生命周期排放量的84.97%。谢汉生等[3]从土地占用、新能源利用、可再生能源和“以电带油”分析了高速铁路的节能减排效果，为铁路节能减排测算分析提供了借鉴。杨洋等[4]基于生命周期理论，建立了考虑运力贡献和运输效率的节能减排评价体系，并结合京沪高铁等项目进行节能减排效果评价分析。薛静[5]利用全寿命周期理论分析研究京津冀城际铁路能耗和碳排放量，确定城际铁路全寿命周期的计算边界，基于过程分析划分为4个阶段，建立各个阶段的能耗和碳排放量清单，并建立数学模型进行测算。崔占伟等[6]对京沪高速铁路运营阶段能耗及碳排放进行了研究分析。钱生泽[7]对轨道交通车站建筑物化和运营阶段碳排放分析，建立单元工序计算模型，并提出节能减排措施。
国内研究学者虽然对高速铁路全生命周期碳排放模型及评估进行了一定的研究，但受相关铁路规划设计、建设及运营阶段基础资料影响限制，现有成果侧重全生命周期施工建设或铁路运营某一阶段，对碳排放分析建模采用简化宏观估算;也鲜有考虑规划设计阶段勘测、运维阶段节能和绿化固碳措施等能耗分析，此外，以往学者对城际铁路能耗系统研究较少。
未来随着我国铁路发展，铁路客运网络更加完善，服务水平大幅提升，高速铁路将主要承担中长途客流，城际铁路主要承担中短途客流。从技术标准上来看，高速铁路速度主要以350 km·h⁻¹为主，线路长且站间距较大，普遍在30~50 km;城际铁路主要建设于都市圈内部或城市群，服务通勤、商务等中短途客流，速度普遍在250 km·h⁻¹，线路长度一般在300 km以下，车站间距一般在5~20 km，具有典型的“高密度、小编组、公交化”的特点。以某铁路为例，线路全长约340 km，设站13个，采用350 km·h⁻¹和250 km·h⁻¹标准方案进行分析：从工程投资分析，350 km·h⁻¹比250 km·h⁻¹投资增加约45亿元，约10%，主要体现技术标准差异上，对施工建设阶段各种建筑材料能耗影响较大;从运行能耗分析，在同等线路平纵条件下，采用8辆编组按照250 km·h⁻¹标准运行一趟，较350 km·h⁻¹运行牵引总能耗降低约30%。
截至2023年上半年，据统计我国城际铁路运营里程达到4609 km，在建里程达到3849 km。从发展进程来看，发达地区城际铁路推进较快，如京津冀、长三角、粤港澳、成渝等地，四大城市群城际铁路运营里程达到2620 km，约占全国的56.8%。综上，国内城际铁路在一段时期内仍然是发展建设重点，而城际铁路能耗和碳排放研究在我国还处于起步阶段，有待进一步从全生命周期角度进行系统研究。
2 城际铁路全生命周期研究
2.1 各阶段划分
从全生命周期视角剖析城际铁路能源消耗和碳排放机理及特征，将城际铁路的生命周期划分为规划设计、材料生产、施工建设和运营期维护这4个阶段，并在运营阶段增加节能减排和绿化固碳碳汇等措施，分析各阶段的能耗及碳排放活动。
2.2 各阶段碳排放测算方法
2.2.1 规划设计阶段
规划设计阶段主要包含技术标准、运输组织、通道及线站位方案比选和现场勘察测量等，其中技术标准主要包括速度目标值、最小平面曲线半径和最大坡度，决定各项设备及其配套设施的选择标准，并将最终决定工程的投资水平及其运营效益的优劣，也直接决定铁路运输能耗的高低。设计阶段以人工及办公场所耗能为主，暂不考虑碳排放，勘测阶段以勘察钻探等钻机设备消耗燃料的碳排放为主，受铁路沿线钻探场地影响，暂未考虑电动机械钻探设备。
经统计，高铁、城际铁路等每公里钻探量平均1500延米左右(含站房及生产生活房屋)，岩心钻机主要以XY-100、XY-150等机型，耗能设备为柴油机和驱动电机，受土、岩层不同地质条件影响，钻机耗油量不同。勘测碳排放测算模型为：
[E_{pd, C}=sum_{i=1}^{n} E_{dm, i, C}=sum_{i=1}^{8}left(Z_{dm, i} cdot F_{i} ight)]
式中：(E_{pd, C})为勘测设计阶段产生的碳排放(kgCO₂);(E_{dm,i,C})为第i类勘探钻机产生的碳排放(kgCO₂);(Z_{dm,i})为第i类钻机设备燃料消耗量(kg);(F_{i})为第i类能源碳排放因子(kgCO₂·kg⁻¹);n为施工机械设备能源类型数目。
2.2.2 建材生产阶段
建材生产阶段碳排放模型中铁路工程包含路基、桥涵、隧道、轨道、电气化、建筑结构等系统，包含水泥、砂、碎石、石灰、粉煤灰、钢材、钢轨等主要材料，其中，施工建造过程中水泥、钢材、石灰等建筑材料消耗量巨大，碳排放量大。建材生产碳排放测算模型为：
[E_{mat, C}=sum_{j=1}^{m} E_{mat, j, C}=sum_{j=1}^{m}left(M_{mat, j} cdot M_{j} ight)]
式中：(E_{mat,C})为建材生产阶段产生的碳排放(kgCO₂);(M_{mat,j})为第j类建材使用消耗量(kg);(M_{j})为第j类建材的碳排放因子(kgCO₂·kg⁻¹);m为建材类型数目。
2.2.3 施工建设阶段
施工建设阶段碳排放模型主要包含路基、桥梁、隧道、轨道、站房、四电工程等建筑物，以及构筑物施工过程中的机械设备碳排放。根据机械台班定额，可以测算不同种施工机械消耗的电力、汽油、柴油等能源产生的碳排放。施工建设碳排放测算模型为：
[E_{con, C}=sum_{k=1}^{r} E_{ma, k} cdot F_{i}=sum_{i=1}^{r} sum_{k=1}^{r}left(K_{mac, i, k} cdot P_{ma, i, k} ight) cdot F_{i}]
式中：(E_{con,C})为施工建设阶段产生的碳排放(kgCO₂);(E_{ma,k})为第k种施工机械设备使用过程能源消耗量(kg、kWh);(K_{mac,i,k})为使用第i类能源的第k种施工机械设备每台班能耗量(kg·台班⁻¹、kWh·台班⁻¹等);(P_{ma,i,k})为使用第i类能源的第k种施工机械设备的运行台班数;r为施工机械设备类型数目。
2.2.4 运营维护阶段
运营阶段碳排放模型主要包含列车运行、车站设备及子系统等能耗碳排放，对应能耗品种主要为电力、市政热力、燃料(汽油、柴油)及耗能工质水，按能源品种进行碳排放计算。其中，消耗的电力用于保证牵引动力设备及辅助生产设施的正常运转，牵引动力设备用电由牵引供电系统供给(包含牵引运行用电、系统损耗);辅助生产设施用电由电力供配电系统供给(包含各专业设备用电及系统损耗)。市政热力主要指站房及生产生活房屋采用市政热力采暖，市政热力消耗量计算采用指标法。项目柴油和汽油等燃料消耗主要来自基础设施维修的轨行车辆、汽车、内燃小型维修机具及机务专业应急救援热备机车，年耗油量采用指标法。项目水资源消耗量主要是市政自来水及自建管井。运营碳排放测算模型为：
[E_{op, C}=E_{tra, C}+E_{eq, C}=sum_{l=1}^{z} E_{tec, l, C}]
式中：(E_{op,C})为运营阶段产生的碳排放，包含牵引(E_{tra,C})和设备碳排放(E_{eq,C})(kgCO₂);(E_{tec,l,C})为不同设备消耗产生的碳排放(kgCO₂);l为不同能耗类型;z为能耗类型数目。
运维阶段还要考虑采用节能措施减碳影响，主要包括采用光伏发电、车站综合能源管理系统、太阳能、再生自动功能的牵引动力设备等，降低能源消耗。节能碳排放量为：
[Delta E_{t, C}=sum_{q=1}^{x} Delta E_{t, q, C}]
式中：(Delta E_{t,C})为采用多项技术措施节能碳减排量(kgCO₂);(Delta E_{t,q,C})为第q项技术措施节能碳减排量(kgCO₂);q为采用节能技术措施类型;x为节能技术措施类型数目。
铁路工程站所及线路区间场地绿化措施产生的固碳作用对碳减排有一定影响，包括车站、维修工区、动车所场地、路基边坡、桥下绿色通道、隧道边仰坡等植被区域产生的碳汇。年碳汇量测算公式为：
[E_{g, C}=sum_{l=1}^{u} T_{g, l} cdot S_{l}]
式中：(E_{g,C})为绿化措施产生的固碳量(kgCO₂);(T_{g,l})为第l类植栽方式单位绿地面积每年CO₂固碳因子(kg·(m²·a)⁻¹);(S_{l})为第l类植栽绿地面积(m²);u为栽植类型数目。
3 碳排放因子分析
城际铁路建设、运营能源消耗和碳排放的测算模型涉及到多种碳排放因子参数，结合以往学者关于电力、钢材、水泥等敏感性分析研究，目前随着国内电力生产结构的优化和调整，生产工艺水平提高，生产单位质量钢材、水泥的碳排放会逐年下降，考虑排放因子的时空变化，初步得出电力碳排放因子敏感性最强，是铁路全寿命周期碳排放计算中需要重点控制的因素，水泥和钢材是影响建设能源消耗和碳排放的重要建筑材料。本次重点对电网及燃料和建筑材料等碳排放因子等进行分析。
3.1 电力及燃料碳排放因子
碳排放系数指的是消耗单位能源产生的CO₂排放量，根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)假定能源的碳排放系数是固定的。国家电力可再生比例近年来发展快速，国内电力生命周期的能源消耗系数和碳排放系数逐年降低。我国2016年首次发布了全国电网排放因子，到2022年初进行了第一次更新，至2024年全国电力平均CO₂排放因子已从0.5810 tCO₂·MWh⁻¹，逐年下降到0.5703 tCO₂·MWh⁻¹、0.5568 tCO₂·MWh⁻¹。
对于施工建设和运营维护期间净购入使用电力隐含的CO₂排放量计算公式为：
[E_{e, C}=sum_{p} D_{e, p} cdot F_{e, p}]
式中：(E_{e,C})为核算和报告期内净购入使用电力隐含的CO₂排放量(tCO₂);(D_{e,p})为核算和报告期内从第p个区域电网净购入电量(MWh);(F_{e,p})为第p个区域电网供电平均CO₂排放因子(tCO₂·MWh⁻¹);p为区域电网。
电力排放因子应根据企业购电所属电网及区域选取，按照目前东北、华北、华东、华中、西北、南方电网划分，选用国家主管部门公布的最近年份相应区域电网CO₂排放因子进行计算。根据国家气候战略中心发布的2021年度减排项目中国区域电网基准线排放因子，结合项目地区取不同参数，如下表所示：
表1 2021年度减排项目中国区域电网基准线排放因子
Table 1 Emission factors of China's regional power grid base line for 2021 emission reduction project
| 电网名称 | OM排放因子/(tCO₂·MWh⁻¹) | BM排放因子/(tCO₂·MWh⁻¹) |
| 华北区域电网 | 0.9714 | 0.4701 |
| 东北区域电网 | 1.0673 | 0.1892 |
| 华东区域电网 | 0.7777 | 0.2802 |
| 华中区域电网 | 0.7938 | 0.2553 |
| 西北区域电网 | 0.8995 | 0.5105 |
| 南方区域电网 | 0.7722 | 0.1880 |
注：OM为2017-2019年电量边际排放因子的加权平均值;BM为截至2019年统计数据的容量边际排放因子;本结果以公开的上网电厂的汇总数据为基础计算得出;数据来源全国温室气体自愿减排注册登记系统及信息平台。
施工机械台班和设备运转消耗的燃料主要以汽油和柴油为主，其碳排放因子参考《省级温室气体清单编制指南》，查询得到机械台班用汽油碳排放因子为2.925 kgCO₂·kg⁻¹，柴油碳排放因子为3.096 kgCO₂·kg⁻¹。
3.2 主要建筑材料碳排放因子
根据薛静[5]、李超[8]等文献中主要建筑材料消耗项的碳排放因子，参考铁路工程碳排放核算标准、《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366-2019)、《建筑碳排放核算标准》(DB3502/Z5053-2019)、中国生命周期基础数据库等，并结合城际铁路建材消耗特点，选取重点采用的水泥、碎石、生石灰、砖块、钢材、钢轨等碳排放因子，具体如下表所示：
表2 主要建筑材料单位数量碳排放因子汇总表
Table 2 Summary of carbon emission factors per unit quantity of main building materials
| 主要材料 | 消耗量单位 | 碳排放因子/kgCO₂ | 主要材料 | 消耗量单位 | 碳排放因子/kgCO₂ |
| 普通水泥32.5级 | t | 621 | 烧结普通砖块 | m³ | 295 |
| 普通水泥42.5级 | t | 795 | 砖块(多孔砖) | m³ | 215 |
| 锯材 | m³ | 178 | 钢材(钢板、方钢) | t | 2246 |
| 碎石40以内 | t | 4.4 | 钢筋(圆钢、螺纹钢) | t | 2208 |
| 中粗砂 | t | 6.6 | 钢绞线 | t | 2490 |
| 生石灰 | t | 1306 | 钢管(无缝、焊接) | t | 3150 |
| 粉煤灰 | t | 8.0 | 钢轨(含道岔) | t | 1690 |
| 沥青 | t | 63.1 | 水 | t | 0.168 |
4 典型城际铁路案例分析
4.1 京雄城际铁路概况
新建北京至雄安新区城际铁路作为京津冀区域城际铁路网的重要组成部分[9]，线路起自京九线李营站，途径北京市大兴区、河北省廊坊市及雄安新区，正线全长92.83 km。项目建设对促进京津冀协同发展，支撑雄安新区建设，优化快速客运网布局具有重要意义。
该项目李营至新机场段速度标准为250 km·h⁻¹，机场至雄安段速度为350 km·h⁻¹，总桥长72.2 km，占线路总长的77.78%;隧道全长12.6 km(含机场地下站)，占线路总长的13.57%。全线共设车站5座，分别为黄村、新机场、固安东、霸州北、雄安站，设雄安动车运用所1座。新增房屋总面积33.2万m²，其中生产房屋为29.6万m²;生活房屋3.6万m²。
根据项目设计阶段地质勘察投入数量、工程量清单、运营阶段列车牵引能耗及设备耗能[10]，并考虑项目采取的节能减排及绿化固碳措施，本次研究以近期2030年为基础，推荐采用8辆、16辆编组的CRH380A、CRH380B等型号动车组列车，结合开行方案对铁路全生命周期能耗进行测算。研究年度各区段客流密度及开行对数如下表所示：
表3 研究年度本线各区段客流密度及设计列车开行对数表
Table 3 Passenger flow density of each section of line in study year and design train running logarithm table
| 区段 | 客流密度/(万人·km⁻¹) | | | 客车对数/(对·天⁻¹) | | |
| | 初期2025年 | 近期2030年 | 远期2040年 | 初期2025年 | 近期2030年 | 远期2040年 |
| 北京西-雄安 | 1028 | 2160 | 3299 | 50 | 102 | 147 |
4.2 全生命周期能耗及碳排放测算
4.2.1 规划设计阶段
根据京雄城际初步设计批复，本项目地勘钻探总量为1965孔118800延米，勘测期间投入XY-100、XY-150等钻机设备约90台。一般土层地质条件，钻机每天钻探深度约30 m，机械台班消耗柴油量约13 L;一般岩石地层，钻机每天钻探深度约10 m，机械台班消耗柴油量约22 L。本项目华北区域主要为土层，地质钻探深度范围约30~70 m，按照上述公式测算勘测阶段柴油能耗为43243 kg(柴油密度0.84 kg·L⁻¹)，折算标煤量为63 tce，对应碳排放量为134 tCO₂。
4.2.2 建材生产阶段
根据初步设计阶段成果，梳理各专业工程数量及明细，测算水泥、生石灰、钢材、碎石、砂、钢轨等主要材料消耗量及碳排放量汇总表，具体如下表所示：
表4 主要材料消耗量及碳排放汇总表
Table 4 Summary of main material consumption and carbon emissions
| 序号 | 主要耗能类别 | 消耗量单位 | 消耗数量 | 碳排放量/tCO₂ | 折算标煤量/tce |
| 1 | 水泥 | t | 2305453 | 1632261 | 654738 |
| 2 | 锯材 | m³ | 63900 | 11374 | 4562 |
| 3 | 生石灰 | t | 292998 | 382655 | 153492 |
| 4 | 碎石 | m³ | 8405320 | 36983 | 14835 |
| 5 | 砂 | m³ | 4576737 | 30206 | 12117 |
| 6 | 粉煤灰 | t | 556061 | 4448 | 1784 |
| 7 | 沥青 | t | 4608 | 291 | 117 |
| 8 | 砖块 | m³ | 72531 | 18495 | 7419 |
| 9 | 钢材(钢板、方钢) | t | 24315 | 54611 | 21906 |
| 10 | 钢筋(圆、螺纹钢) | t | 719431 | 1588504 | 637186 |
| 11 | 钢绞线 | t | 51025 | 127052 | 50964 |
| 12 | 钢管(无缝、焊接) | t | 29859 | 94056 | 37728 |
| 13 | 钢轨(含道岔) | t | 37763 | 63819 | 25599 |
| | 合计 | - | - | 4044758 | 1622446 |
4.2.3 施工建设阶段
根据初步设计阶段路基、桥梁、隧道、轨道、建筑及四电等实体工程数量清单，结合《铁路工程预算定额》《铁路工程施工机具台班费用定额》中单位工程定额消耗标准进行换算，测算施工措施机械台班消耗，汇总整理水、电、燃料消耗量及碳排放量，不考虑人工天消耗量，具体如下表所示：
表5 施工措施机械台班燃料消耗量及碳排放汇总表
Table 5 Summary of fuel consumption and carbon emissions of mechanical platforms for construction measures
| 序号 | 主要耗能类别 | 消耗量单位 | 消耗数量 | 碳排放量/tCO₂ | 折算标煤量/(tce·a⁻¹) |
| 1 | 电 | kWh | 343966 | 161884 | 27382 |
| 2 | 汽油 | t | 32040 | 104739 | 480814 |
| 3 | 柴油 | t | 10954 | 35 | 205419 |
| 4 | 水 | t | 40.8 | 69 | - |
| | 合计 | - | - | 480814 | 35 |
4.2.4 运营维护阶段
根据运营阶段碳排放公式，项目运营期间对应电力(牵引及辅助用电)、市政热力、汽油、柴油及耗能工质水等能源消费量计算，根据开行方案进行牵引能耗测算，其中电力采用2021年度华北区域电网基准线容量边际排放因子0.4701进行测算，车站及动车所采用市政热源集中供暖，市政热力管网效率取0.92，汇总计算如下表所示：
表6 项目运营期总用能情况汇总表
Table 6 Summary of total energy consumption during project operation period
| 序号 | 能源种类 | 消耗量 | 当量折标系数 | 折算标煤量/(tce·a⁻¹) | 碳排放量/tCO₂ |
| 1 | 电力 | 27070×10⁴ kWh | 0.1229 kgce·kWh⁻¹ | 33269 | 127255 |
| 2 | 柴油 | 180 t | 1.4571 kgce·kg⁻¹ | 262 | 557 |
| 3 | 汽油 | 78 t | 1.4714 kgce·kg⁻¹ | 115 | 228 |
| 4 | 市政热力 | 83730 GJ | 0.03412 kgce·MJ⁻¹ | 2857 | 7117 |
| 5 | 水 | 69×10⁴ t | 0.0857 kgce·t⁻¹ | 59 | 116 |
| | 合计 | - | - | 36562 | 135273 |
项目采用相关节能措施，测算运营期每年节能总量，具体节能总量如下表所示：
表7 项目节能措施情况汇总表
Table 7 Summary of energy-saving measures of project
| 序号 | 节能措施 | 节省电力/(10⁴ kWh·a⁻¹) | 碳排放量/tCO₂ | 折算标煤量/tce |
| 1 | 采用再生制动功能的牵引设备 | 1129.0 | 5307 | 1293 |
| 2 | 采用智能照明控制系统 | 338.0 | 155 | 39 |
| 3 | 采用一级能效等级空调设备 | 275.0 | 129 | 31 |
| 4 | 自动扶梯采用节能运行装置 | 86.5 | 40 | 9.7 |
| 5 | 采用太阳能电辅助热水器 | 10.2 | 4.7 | 1.1 |
| 6 | 采用I级能效配电变压器 | 40.6 | 19 | 4.6 |
| 7 | 采用站房综合能源管理系统 | 712.8 | 331 | 80.0 |
| 8 | 隧道采用LED节能光源 | 580.0 | 2727 | 651.0 |
| 9 | 雄安站光伏屋面发电 | 1387.5 | 6510 | 1580.0 |
| | 合计 | - | 10204 | 2667.5 |
按照《铁路工程绿色通道建设指南》等有关规定，采用内灌外乔的绿化形式，靠近线路地带应栽种草、灌植物，远离线路地带宜栽种灌木、乔木，形成立体复层的绿化带。原则上乔木种植株间距2 m;灌木穴间距1 m，每穴4株;围墙宜采用藤本植物覆盖，间距1 m，每穴3株;桥下及站所空地种植草坪。根据设计资料，绿化设施对应碳汇总量如下表所示：
表8 项目绿化措施碳汇量汇总表
Table 8 Summary of carbon sink of project greening measures
| 序号 | 种植类型 | 面积/m² | 固碳因子/(kgCO₂·(m²·a)⁻¹) | 年碳汇量/tCO₂ |
| 1 | 落叶乔木区 | 32630 | 13.43 | 438 |
| 2 | 密植灌木区 | 1230322 | 9.55 | 11750 |
| 3 | 多年生蔓藤区 | 34932 | 2.58 | 90 |
| 4 | 低茎草坪区 | 298564 | 0.35 | 104 |
| | 合计 | 1596448 | - | 12382 |
4.3 全生命周期能耗及碳排放分析
根据铁路设计规范有关要求，桥梁、隧道、路基等主体结构设计使用年限为100 a，本文全生命周期按100 a进行计算。考虑将规划设计、建材生产、施工建设阶段总能耗均摊到运营期，扣除节能及碳汇等减排措施，测算全生命周期能耗及碳排放量如下表所示：
表9 项目全生命周期综合能耗及碳排放量汇总表
Table 9 Summary of comprehensive energy consumption and carbon emissions in whole life cycle of project
| 序号 | 阶段能耗 | 碳排放量/tCO₂ | 折算标煤量/tce | 年均综合能耗/tce | 年均碳排放量/tCO₂ |
| 1 | 勘测阶段 | 134 | 63 | 0.63 | 1.34 |
| 2 | 材料生产 | 4044758 | 1622446 | 16224.46 | 40447.58 |
| 3 | 施工建造 | 480814 | 205419 | 2054.19 | 4808.14 |
| 4 | 运营期(年) | 135273 | 36562 | 36562 | 135273 |
| 5 | 节能措施(年) | -2668 | -10204 | -1020.4 | -2668 |
| 6 | 绿化碳汇(年) | -4967 | -12382 | -1238.2 | -4967 |
| | 合计 | - | - | 47207.68 | 172904.06 |
表9结果表明，规划设计阶段勘测产生的碳排放占比很小，运营期年均能耗占全生命周期年均总综合能耗的74.9%，建材生产阶段(折算100 a)年均能耗占比约22.4%。同时，考虑节能减排以及绿化固碳措施，经测算节能占比年均综合能耗约12%左右，可以看出采取节能措施效果明显。
结合铁路工程项目特点，项目单位工作量综合能耗以单位运输工作量能耗指标(综合能耗及牵引能耗)进行衡量。根据京雄城际近期客流密度、区段长度，测算客运(换算)周转量为4010×10⁶人公里，相关能效指标测算结果如下表所示：
表10 项目近期单位能耗指标情况汇总表
Table 10 Summary of recent project unit energy consumption indicators
| 序号 | 主要参数 | 符号 | 能耗指标 | 单位 | 备注 |
| 1 | 客运周转量 | T | 4010 | 10⁶人公里 | - |
| 2 | 总牵引能耗 | Y | 25751 | tce | - |
| 3 | 综合能耗 | E | 47207 | tce | - |
| 4 | 单位运输工作量牵引能耗指标 | A=Y/T | 6.42 | tce·(10⁶人公里)⁻¹ | - |
| 5 | 单位运输工作量综合能耗指标 | e=E/T | 11.77 | tce·(10⁶人公里)⁻¹ | - |
表10结果计算表明，牵引能耗作为项目运营期的主要能耗，单位运输工作量牵引能耗指标占全生命周期年均综合能耗指标的55%，是全生命周期碳排放最大的部分，其指标很大程度上决定了项目的能耗水平。
本文重点对项目牵引能耗和碳排放产生的社会效益两个维度进行对比分析：
(1)牵引能耗对比分析
由于铁路项目尚无相应的能耗指标评价体系，本次研究采用类比分析法，重点对牵引能耗指标进行能耗水平分析。根据国内外铁路能耗对比[10]可知，美国、加拿大客运能源强度较大，均值分别为61.73 tce·(10⁶人公里)⁻¹和66.05 tce·(10⁶人公里)⁻¹，主要受两国运输结构影响;而日本客运能源强度处于低位，均值在6.72 tce·(10⁶人公里)⁻¹，能源利用率较高。选取我国有代表性的京津城际、京沪高铁[11]作为类比，结合实际运营统计数据测算出牵引能耗指标分别6.00 tce·(10⁶人公里)⁻¹和5.85 tce·(10⁶人公里)⁻¹，比日本综合能耗低。
通过对比可以看出，京雄城际能耗水平比日本略低，大于类比项目的统计指标，主要原因是京津城际、京沪高铁已运营多年，客流量大且满载率较高，而本项目作为区域间城际功能，通道内有京广高铁、雄安新区至机场快线等项目，满载率相对较低，且本项目车站数量较多，站间距较小，列车启停较频繁，从而使得其单位运输工作量牵引能耗指标较类比项目高。
(2)碳排放社会效益对比分析
根据本项目客运量，参考城市公共客运交通碳排放相关文献[12]，采用大巴车、小汽车等公共交通出行人均碳排放强度进行测算，一般约0.3~0.5 kgCO₂·km⁻¹，结合各种类型出行结构占比，加权平均测算为0.42 kgCO₂·km⁻¹，京雄铁路雄安新区至北京段代替公路出行减少碳排放量约583.5万tCO₂。参考北京绿色交易所关于碳排放配额有偿竞价相关成果，采用碳汇均价约105元·t⁻¹，可计算得出30 a运营期内京雄铁路代替公路运输将节省61267万元，年均节省2042万元。从碳排放角度可以看出，铁路作为绿色运输骨干，社会效益巨大。
5 结论
本文从全生命周期的角度对京雄城际铁路勘测设计、建材生产、施工建筑和运营阶段进行分析，并考虑了节能措施和绿化碳汇等减排影响因素，建立了各阶段碳排放数学模型，并通过研究分析和查找相关数据资料，分别测算了各阶段的能耗和碳排放量。
结果表明，规划设计阶段勘测产生的碳排放占比很小，运营期年均能耗占比最大，约占全生命周期年均总综合能耗的74.9%，建材生产阶段(折算100 a)年均能耗占比约22.4%;考虑节能减排以及绿化固碳等措施效果明显，年均能耗可节约12%左右。同时，与国内外同类铁路能耗指标类比分析，研究结果表明，牵引能耗指标为6.42 tce·(10⁶人公里)⁻¹，符合预期，并对照转移公路出行客运量减碳效果明显，节省碳排放583.5万t，对应碳汇交易总额约61267万元，产生的社会效益较大，为构建绿色低碳城际铁路全生命周期碳排放双控指标体系提供了参考和借鉴。
鉴于铁路全生命周期碳排放涉及建筑材料种类众多，受施工期间运输、工艺设备以及碳排放因子时空敏感性等影响，需要建立庞大的基础数据库，结合我国能源结构调整、节能减排等新技术进行深入研究，进一步提高铁路碳排放测算的精度。同时，面向铁路可持续发展需求，从全生命周期角度综合考量环境效益和社会效益，制定铁路工程“碳定额”标准，建立能碳双控综合评价体系。
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