（产业经济学专业论文）高速铁路与其他交通方式节能减排比较研究.pdf

学位论文版权使用授权书 l i i iii il uli i i ii i iiiil y 17 8 0 3 7 2 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 缈汐 导师签名： i ，忉 名 签字嗍，。年7 月厂日 签字同加年7 月同 中图分类号：f 5 3 0 3 u d c ：3 3 8 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 高速铁路与其他交通方式节能减排比较研究 c o m p a r a t i v es t u d yo n e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o no fh i g hs p e e dr a i la n d o t h e rt r a n s p o r tm o d e s 作者姓名：崔力心 导师姓名：赵坚 学位类别：经济学 学科专业：产业经济学 学号：0 8 1 2 0 6 5 1 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：运输经济学 北京交通大学 2 0 1 0 年7 月 致谢 本论文的工作是在我的导师赵坚教授的悉心指导下完成的，赵坚教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢研究生期间 赵老师对我的关心和指导。 感谢评审老师对论文提出中肯的修改意见，这些意见使论文逻辑更加合理、 论述更具说服力。感谢产业经济学专业各位老师在学业上的指导和关心。 在论文撰写过程中，师兄苏红建、汤浒、程健、师姐于晓萍对我的科研工作 和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在数据收集及整理过程中，王佳同学对论文中的基础数据处理给予了热情的 帮助，在此向她表达我的感激之情。 另外也感谢北京交通大学产业经济学专业的同学，大家的互相鼓励与帮助也 使我能够更加积极努力的刻苦研究进而完成学业。 中文摘要 高速铁路作为当代铁路科学技术的一项重大成就，在世界铁路发展史上产生 了重大影响。高速铁路项目的评价需要对各种经济技术指标进行综合考查。根据 国家可持续发展战略以及建设资源节约型和环境友好型社会的根本要求，在设计 和规划高速铁路项目时就必须要对该项目对环境产生的影响进行分析，将节能减 排特征作为项目评估中的重要一项来考虑。 本文首先分析了影响高速铁路能源消耗及c 0 2 排放量的因素，包括影响高速 列车直接能源消耗及c 0 2 排放、高速列车间接能源消耗及c 0 2 排放以及建设高速 铁路基础设施能源消耗及c 0 2 排放的因素；随后，基于速度目标值对比分析了高 速铁路与其他交通方式的节能减排，主要是高速铁路与传统铁路、飞机、汽车之 间的比较；在上述理论分析的基础上，本文以一条6 0 0 公里的线路为例，对上述 四种交通方式的能源消耗及排放量进行了比较，并对比较结果进行分析；最后， 得出高速铁路在不同速度及客座率的情况下的不同节能减排结果。 关键词：高速铁路速度能源消耗二氧化碳排放量 分类号：f 5 3 0 3 a bs t r a c t a sa s i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n to fm o d e r n r a i ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eh i g l ls p e e d r a i l w a yh a s i n f l u e n c e di nm o r ew a y st h a no n ei nt h e h i s t o r yo fw o r l dr a i l w a y d e v e l o p m e n t i ti sn e c e s s a r yt h a tac o m p r e h e n s i v ea p p r o a c hs h o u l db eu s e di nt h e p r o c 懿so ft h eh i g hs p e e dr a i l w a yp r o j e c tv a l u a t i o n r e s e a r c h e so nt h ei m p a c to ft h i s p r o j e c to nt h ee n v i r o n m e n th a v et ob em a d ei no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fa s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n db u i l d i n gar e s o u r c e - c o n s e r v i n ga n de n v i r o m e n t - f r i e n d l y s o c i e t y t h e r e f o r e , e n e r g ys a v i n ga n do m i s s i o nr e d u c t i o na r ei m p o r t a n ta s p e c t sw h i c h s h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h ee v a l u a t i o np r o c e s s f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h ef a c t o r sa f f e c t e dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dc 0 2 e m i s s i o no ft h eh i g l ls p e e dr a i l w a y , i n c l u d i n gt h ef a c t o r sd i r e c t l ya n d i n d i r e c t l ya f f c c t e d t h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dc 0 2 e m i s s i o na n di nt h eb u i l d i n gi n f r a s t r u c t u r eo ft h eh i g h s p e e dr a i l w a y s e c o n d l y , b a s e do nt h et a r g e tv a l u e 一- s p e e d ，t h ep a p e rc o n t r a s t i v e l y a n a l y z e st h ee n e r g y 鼢v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tm e a n so f t r a n s p o r t a t i o n , p r i m a r i l ya m o n gh i g hs p e e dr a i l w a ya n dt r a d i t i o n a lr a i l w a ya n da i r p l a n e a n dc a r , a n dt h e nt a k e sa6 0 0k m sl e n g t hl i n ea sae x a m p l et oa n a l y z ea b o v et h e o r i e s a t l a s t , w eg e tt h ec o n c l u s i o n so ft h eh i g hs p e e dr a i l w a ya td i f f e r e n ts p e e d sa n dl o a d f a e t o r so ne n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a y s ；s p e e d ；e n e r g yc o n s u m p t i o n ；e m i s s i o no fc a r b o n d i o x i d e c l a s s n 0 ：f 5 3 0 3 目录 中文摘要i i i a b s l r a c t i v l 弓i 言1 1 1选题背景及意义引言1 1 2文献综述。2 1 3研究工作范围。4 1 3 1 研究内容4 1 3 2 单位说明4 1 3 3 研究思路5 2高速铁路及关键参数说明。6 2 1高速铁路。6 2 2关键参数6 2 2 1 速度目标值6 2 2 2 客座率7 2 2 3 发电效率及c 0 2 排放量9 3 影响高速铁路能源消耗及c 0 2 排放量的因素及分析1 1 3 1 列车的直接能源消耗与c 0 2 排放一1 2 3 1 1 列车运行消耗能源的理论背景1 2 3 1 2 高速铁路列车当前及未来的能源消耗1 7 3 2 列车的间接能源消耗与c 0 2 排放2 1 3 3 铁路基础设施建设时产生的能源消耗及c 0 2 排放2 4 3 4能够降低高速铁路能源消耗的主要方式2 5 4高速铁路与其他交通方式节能减排比较2 7 4 1高速铁路与传统铁路的节能减排比较2 7 4 2高速铁路与飞机和小汽车的节能减排比较3 l 4 2 1 飞机能源消耗及c 0 2 排放量3 2 4 2 2 小汽车能源消耗及c 0 2 排放量3 4 4 2 3 实证比较分析3 5 4 2 4 比较结果分析3 8 5 结论3 9 参考文献4 0 索引4 2 独创性声明4 3 学位论文数据集4 4 1 引言 1 1 选题背景及意义 随着经济社会的发展，全球运输能源需求在逐年上升。面对资源枯竭及环境 恶化的问题，减少运输对环境的影响已经成为了全世界的重大课题。在各种交通 方式中铁路到目前为止还是最重要的交通运输方式，而高速铁路作为当代铁路科 学技术的一项重大成就，在世界铁路发展史上产生了重大影响，其地位也越来越 重要，因此对高速铁路的节能减排研究就更加的重要了。 高速铁路是高科技发展的产物。它包括铁路在牵引动力、线路结构、行车控 制、运输组织和经营管理等方面的先进技术，涉及力学、机械、电子、能源、信 息、材料、建筑、环保等多个科学技术领域。因此，对一个国家来说，发展高速 铁路需要一定的科学技术水平作为前提条件；反过来，通过发展高速铁路可以促 进国家的铁路乃至相关的各个科学技术领域的进步。 高速铁路也是社会经济发展的产物。随着社会经济的发展，人们劳动生产率 提高，对出行的效率要求也随之提高；同时，随着人们生活水平提高，对出行的 舒适性要求也在提高。而提高交通工具的旅行速度是提高交通出行效率和舒适性 的主要措施。 任何一种商品或服务都具有特定的技术特征和经济特征。交通工具是向公 众提供旅行服务的商品，其主要技术经济特征是行车速度、票价水平、安全性、 舒适性、可靠性、方便性、环保性等。每种交通工具是否能够带来良好的经济效 益和社会效益就要对这些特定的技术和经济特征进行综合的分析。 评价高速铁路能否取得良好的经济效益与社会效益时，不仅要考虑工程投资 和运输收入，也要考虑到高速铁路对环境产生的影响。按照国家总体发展战略以 及建设资源节约型和环境友好型社会的根本要求，在设计和规划高速铁路项目时 就必须要对该项目对环境产生的影响进行综合分析，将环境价值作为项目经济评 估中的重要一项来考虑。 高速铁路对环境的影响，目前在国际上存在很大的争端，主要分成两派：一 派认为铁路高速铁路与传统铁路一样有很明显的节能减排作用，另一派认为传统 铁路存在明显的节能减排作用，而高速铁路无论在基础设施建设上还是机车设计 上都比传统铁路有着更高的技术要求，高速度必然带来高消耗和高排放，因此， 当速度达到一定高度时，高速铁路并不具有明显节能减排效益。 我国对于高速铁路节能减排方面的研究很少，而且大部分都是笼统的将高速 铁路和传统铁路混在一起与其他交通方式进行比较，没有对高速度的行驶做过单 独的实验及数据收集，并且高速铁路与小汽车和飞机不同，需要大规模的基础设 施建设，而在这些基础设施建设对环境的影响也是不可忽略的，因此更详细的研 究是必要。 1 2 文献综述 自1 9 6 4 年日本建成世界上第一条高速铁路以来，法国、英国、德国、西班牙、 意大利等发达国家也相继修建了高速铁路。高速铁路快速发展的同时也引发了一 系列有关高速铁路问题的研究与争论。而高速铁路与节能减排问题的关系研究是 近几年开始进行的，存在两种不同的观点： ( 一) 认为高速铁路与其他交通方式相比具有节能减排的优势 周新军( 2 0 0 9 ) 在“高速铁路与能源可持续发展 一文中提到：在各种运输 方式中，公路是能耗最大的部门，占运输总耗能的8 0 左右；在日本，汽车的能 源消耗量高达国内各运输部门能源消耗总量的8 7 ，而且主要是轿车和卡车，而 铁路为5 ，海运为5 ，航空为3 ：在美国，对于客运来说，各种运输方式每 人公里所耗用的能源，飞机是城际列车的3 倍，汽车是城际列车的6 倍；而对于 货运来说，城际货运卡车的单位能耗是列车的8 倍。 美国总统奥巴马执政之后为了促进美国经济开始进行美国高速铁路的规划。 他认为：“高速铁路是环保的而且能源利用效率最高的交通方式”。美国f r a 声明， 高速铁路每年节约2 3 0 万公吨二氧化碳排放量。 英国国会主管运输国务卿秘书部( 2 0 0 4 ) 回答记者问的时候给出了从伦敦到 爱丁堡各种交通工具的二氧化碳排放量的数据： 表1 1 各种交通方式c 0 2 排放量( 克乘客公里) t a b l ei 1c 0 2e m i s s i o n sf g p a s s k m ) 伦敦一爱丁堡c o ：排放量 航空9 6 4 铁路( c l a s s9 1 高速铁路) 1 1 9 小汽车 7 1 0 公共汽车 9 2 这些文献里都没有具体的数据和完善的对比来支持其观点，只是利用一些宏 观的数据来大概说明高速铁路的节能减排特征。并且高速铁路与其他交通方式相 2 比较更加节能减排的观点一般都是政府的观点，没有得到各方学者的支持。 ( 二) 高速铁路与其他交通方式相比没有节能减排的优势 c o m p a r i n ge n v i r o n m e n t a li m p a c to fc o n v e n t i o n a la n dh i g hs p e e dr a i l ( 2 0 0 9 ) 将影 响能源消耗及排放量的因素归结六点：1 ) 车辆直接能源消耗及产生的温室气体的 排放：2 ) 客座率及班次密度对能源消耗及温室气体排放的影响；3 ) 为机车提供 电力时产生的直接的和间接的温室气体排放，能源消耗；4 ) 建造基础设施需要的 材料时发生的能源消耗；5 ) 气体排放及后期运行中维护发生的能源消耗和气体排 放；6 ) 由于交通方式转变及对各种交通工具需求因素而节约的能源消耗及排放量。 其中，车辆的直接能源消耗及产生的温室气体排放对研究高速铁路的节能减 排效益影响最大。从变电站到轮轨借口，机车电力系统直接能源消耗可以被区分 为四个主要区域：克服这列火车的阻力的能源消耗；受电弓和车轮之间牵引系统 低效率的能源损失；用于使乘客更加舒适的能源；变电站和受电弓之间电力供给 系统的能源损失。 计算高速铁路的能源消耗，不能仅仅考虑行车时候的消耗。众所周知，高速 的建造十分昂贵，高速铁路基础设施建造时钢筋混凝土的使用量非常大，而这些 又是高能源密度产业，因此铁路基础设施建造而引起的嵌入式排放量的预计将非 常重要，所以建设高速铁路时候消耗的能源也要考虑进去。r a n d a lo t o o l ew p c a d j u n c ts c h o l a r ( 2 0 0 9 ) 认为，高速铁路所节约的能耗和减排的二氧化碳几乎可以忽 略不计，因为高速铁路的无渣路基的建造成本非常高，需要大量的钢材，如果将 这些基础设施的能耗及排放考虑进去高速铁路日后所节约的能源及减少的排碳量 会被建造成本抵消。 即使不考虑高速铁路的间接能源消耗和基础设施建设时产生的能源消耗， r o g e rk e m p ( 2 0 0 4 ) 也认为高速火车在速度超越时速2 0 0 公里时能源消耗就会急 剧上升。他以伦敦到爱丁堡一段路程为例，将空中客车a 3 2 1 和大众帕萨特柴油小 汽车分别与运行速度为3 0 0 k m h 和2 2 5 k m h 假定的火车相比较，得出：在2 2 5 k m h 的速度下，火车与有效率的柴油小汽车的耗能量相同；在3 5 0 k m h 的速度下，火 车与空中客车a 3 2 1 的耗能量也几乎没有什么差别。 认为高速火车并不能带来节能减排的效应另一个原因是：火车能源效率提高 速度比汽车和飞机慢了很多。r a n d a lo t o o l e w p ca d j u n c ts c h o l a r ( 2 0 0 9 ) 汽车 制造和飞机制造业都在努力提高能源的利用率，自从1 9 7 5 年到现在飞机的能耗已 经减少了一般以上，而火车减少了2 5 3 。从1 9 8 5 年到现在飞机能耗减少了3 6 1 ， 而火车仅仅减少了2 o 。从数据中可以看出火车能源效率的提高较飞机和汽车都 减慢了很多。 美国国会声称，美国在2 0 3 0 年将会通过提高技术减少一半的二氧化碳排放量。 3 同，部分因为这些研究对小汽车和高速火车的客座率的假设不同。另一个原因有 些研究是以燃油小汽车耗油量的平均值为基础，而另一些是特定了一个效率高的 现代柴油汽车。还有一个原因是目前高速铁路的能源供给以电力为主，这样计算 高速铁路的能源消耗就需要换算，这就给评价工作带了麻烦。 r a n d a lo t o o l e ( 2 0 0 9 ) 也说明了一些存在分歧的原因，上述分析都假设小汽 车的成载率为1 6 以下，这个数据应用于在城市中行驶的数据。而城际之间的运输 汽车的承载率应该按照2 4 计算。若按照2 4 的承载率，高速铁路并不比汽车能源 利用率更高。因此，在进行各种交通方式的比较中必须要考虑客座率。 1 3研究范围 1 3 1 研究内容 本文主要研究两个问题： 1 ) 影响高速铁路能耗及排放量的因素：火车直接能源消耗和排放，包括牵引 系统消耗，克服空气阻力消耗，克服行车摩擦阻力消耗，克服坡度阻力消耗，舒 适功能消耗( 空调) ；火车间接能源消耗和排放量，包括车内设施，车体维护等； 铁路基础设施建造造成的能源消耗和排放量 2 ) 高速铁路与其他交通方式节能减排的比较：高速铁路与传统铁路比较：高 速铁路与飞机比较；高速铁路与汽车比较；以一条6 0 0 公里的高速铁路为例，与 其他交通方式进行实证分析。 1 3 2 单位说明 本文要对高速铁路，传统铁路，飞机及小汽车进行节能减排的比较研究。这 几种交通方式需要的能源不同，有电力也有原油。本文将用到的单位如下： 1 ) 在不考虑客座率的情况下： 能源消耗单位：千瓦时座位公里( k w h s e a t k m ) 或者 升原油座位公里( 1 i t e r so f f u e l s e a t k m ) 温室气体排放量单位：c 0 2 9 s e a t k m ( 克二氧化碳座位公里) 2 ) 考虑客座率的情况下： 4 能源消耗单位：千瓦时乘客公里( k w h p a s s k m ) 或者 升原油乘客公里( 1 i t e r so ff u e l p a s s k m ) 温室气体排放量单位：c 0 2 9 s e a t k m ( 克二氧化碳乘客公里) 高速铁路主要以电力为主要动力能源，由于其并不直接排放温室气体，所以 分析高速铁路的排放量必须结合发电系统的排放情况。由于各个国家的电力组成 不同( 火电，水电，风电，核电等等) ，而且技术水平也不同，因此会使得各地高 速铁路引起的排放量有很大的差异。本文主要为了提供一个分析高速铁路及其他 交通方式节能减排比较的研究方法，将会以英国到爱丁堡这条线路为例进行比较。 根据英国电力协会公布的数据，当前英国每千瓦时的电力伴随4 5 5 9 的二氧化碳。 1 3 3 研究思路 l现实背景 5 2 高速铁路及关键参数说明 本章主要回答一下两个问题： 1 ) 什么是高速铁路 2 ) 影响高速铁路与其他交通方式节能减排比较的关键参数 2 1高速铁路 根据u i c ( 国际铁路联盟) 的定义，高速铁路是指通过改造原有线路( 直线 化、轨距标准化) ，使营运速率达到每小时2 0 0 公里以上，或者专门修建新的“高 速新线，使营运速率达到每小时2 5 0 公里以上的铁路系统。早在2 0 世初前期， 当时火车“最高速率 超过时速2 0 0 公里者寥寥无几。直到1 9 6 4 年1 0 月1 3 日在 东海道新干线东京大阪高速铁路以2 1 0 k m h 运行，史上第一个实现“营运速率 高于时速2 0 0 公里的高速铁路系统。高速铁路除了在列车在营运达到速度一定标 准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。高速铁路的发展已有4 0 年的历史。在 这4 0 年中高速铁路得到了快速的发展，在我国开始规划我国的高速铁路网后，高 速铁路的发展又迈上了一个新的台阶。 目前世界上运行成熟的高速铁路，有日本的新干线，法国的t g v ，德国的i c e ， 英国的a p t ，西班牙的a v e 等系统。本文主要以这几个系统与其他交通方式进行 比较。 2 2关键参数 高速铁路与其他交通方式节能比较中一些参数对比较结果会产生很大的影 响，主要参数有以下三点：客座率、速度、发电效率及c 0 2 排放量。 2 2 1 运行速度 速度与能源消耗及c 0 2 的排放量直接相关：速度越高能源消耗及c 0 2 的排放 量就越大。2 0 0 4 年，一篇发表在机械工程协会的论文计算出了不同交通工具的相 对能源消耗，陈述了在伦敦到爱丁堡这条线路上，一次性燃油消耗( 根据当地情 况将电力能源消耗换算成了燃油消耗) 的计算。这个比较是这样进行的：将空中 客车a 3 2 1 和v wp a s s a tt d i 小汽车分别与假设运行速度为3 0 0 k m h 和2 2 5 k m h 6 的高速动车组相比较。比较结果得出：在2 2 5 k m h 的速度下，同样的客座率火车 的耗能量与汽车几乎相同；在3 5 0 k m h 的速度下，火车与空中客车a 3 2 1 的耗能量 也几乎相同。 从比较中可以看出来速度目标值与节能减排之间的直接关系：过高的速度目 标值，使得高速铁路的节能减排效益降低。 从时间价值方面考虑，速度越快，旅途时间就越短，乘客的时间价值就越大。 同时，旅途时间的缩短，使得所需的舒适功能能耗也就越低。这样，高速度也带 来了更多的价值。因此，设计合理的速度目标值需要全面的考虑各种因素。 2 2 2客座率 从客座率的角度考虑，无论哪种交通方式客座率越高则能源的利用率就越高， 每乘客公里所需要的能源越少。在不同的客座率下，每乘客公里的能源消耗有很 大的不同。现实中，一班满载列车的能源消耗会比一班空载列车的能源消耗高出 很多，但是满载列车的能源利用率会远远高于空载列车。所以在做各种交通方式 能源消耗和c 0 2 排放量比较的时候，以乘客每公里为基本单位会更有现实意义。 以乘客每公里作为基本单位就需要考虑客座率这个因素。各种交通方式的客座率 或者载客率有很大的不同，甚至同一种交通方式在不同时段不同季节的客座率也 会有很大的差别。 客座率是计算及比较高速铁路能源消耗及c 0 2 排放量非常敏感的一个参数， 对比较结果有很大的影响。因此，需要详细的讨论一下有关客座率对高速铁路节 能减排的影响。 英国铁路的客座率范围是从2 5 到4 8 ，大概成正偏态分布1 。但是，这些平 均数据隐藏着非常重要的有关客座率的信息。例如，从尤斯顿到格拉斯哥这一段 高速铁路平均客座率为4 5 ，但是在这段线路的前l o o k m 经常是满载而且有很多 乘客需要站着乘车，可是到了后l o o k m 常常是每节列车仅有几个乘客。与我国的 情况不同，英国传统铁路线路的客座率大都仅仅在4 0 左右，而英国高速铁路预 定便捷和服务周到，其客座率比传统铁路高出很多。 i n t e r f l e e t ，l a n c a s t e ru n i v e r s i t y , t r a c t i o ne n e r g ym e t r i c s ，r a i ls a f e t ya n ds t a n d a r d sb o a r d ( r s s b ) ，d e c e m b e r2 0 0 7 7 北京交通大学硕士学位论文高速铁路及关键参数说明 表2 1欧洲主要高速铁路客座率情况 t a b l e2 1l o a df a c t o r sf o re u r o p e a nh i g h - s p e e dr a i ls e r v i c 鹤 线路国家距离( k m )客座率( )年份 伦敦一巴黎 4 9 66 42 0 0 9 巴黎一斯特拉斯堡 法国4 8 77 72 0 0 7 ( t g vf r i s tc l a s s ) 巴黎一斯特拉斯堡 法国 4 8 78 82 0 0 7 ( t g vs e c o n dc l a s s ) 巴黎一马赛( t g vf r i s tc l a s s )法国 7 4 0 6 02 0 0 3 巴黎一马赛( t g vs e c o n d c l a s s ) 法国7 4 07 62 0 0 3 纽伦堡一英格史达特( i c e ) 德国 9 04 22 0 0 6 柏林一汉堡( i c e )德国 2 8 84 9 2 0 0 6 马德里一塞维利亚( a v e )西班牙 4 7 28 51 9 9 7 马拉加一科尔多瓦( a v e ) 西班牙1 5 95 62 0 0 7 表2 1 列出了欧洲主要高速铁路线路的客座率，从中比较得出：欧洲高速铁路 的客座率范围从4 2 到8 8 。德国i c e 与法国t g v 和西班牙a v e 形成了很鲜明 的对比：t g v 和a v e 客座率能够达到8 0 以上而i c e 的客座率不到5 0 。i c e 的客座率低，很大程度上是由于在这条线路上有非常廉价的航空线路与其形成了 竞争。在大部分情况下，t g v 和欧洲之星的客座率都能达到6 0 以上，并且这个 客座率也在基础设施所能容纳的客流量以内同时能够保证列车运行的准时性2 。高 速铁路中长距离的运输与短距离和长距离运输相比，能够达到相对较高的客座率， 这个距离的分界线大概在8 0 0 公里。短距离运输中，公路的灵活性使得其比高速 铁路更有竞争力。而在长距离运输上，飞机将会节省更多的时间使得其比高速铁 路更有竞争力。 在讨论高速铁路能源消耗及c 0 2 排放量时一般的工业报告都是以座位每公里 为基本单位。影响高速铁路客座率的主要因素有以下几个方面： 1 ) 列车的容载量 2 ) 开通班次密度 3 ) 列车的运行安排及准时率 2 n e wl i n e sp r o g r a m m e ，2 0 0 9 n e wl i n e sp r o g r a m m es t r a t e g i cb u s i n e s sc a s e n e t w o r kr a i l ，2 0 0 9 8 4 ) 中间站个数 5 ) 列车服务质量 6 ) 列车运行时间 在评价高速铁路能列车制造引起的能源消耗及排放量时，将客座率与班次密 度或者乘客总数相结合分析，能够更加准确的评价出高速铁路基础设施利用率。 假如，在某条线路上，一种情况是每小时发两班列车，每班列车6 0 的客座 率，另一种情况每小时发送三班，每班列车4 0 的客座率。两种情况下可以发送 同样数目的乘客。在这两种情况中，第一种情况的乘客每公里的能源消耗量及排 放量都要就比第二种的能消耗量和排放量低。 2 2 3 发电效率及c 0 2 排放量 关于发电机组效率的假设将会对很多方面产生显著的影响，包括铁路车辆的 直接能源消耗，列车的间接能源消耗和建设基础设施时能源消耗。与飞机和小汽 车不同，电力火车运行并不直接产生c 0 2 排放量，而是在发电的过程中产生大量 的c 0 2 。因此，在各种交通方式的节能减排比较中就要换算出火车运行时c 0 2 排 放量。 1 千瓦时产生的c 0 2 气体排放量假设，会直接影响最后的比较结果。发电机组 装配及技术水平不同，会使发电机组的效率有很大的差别，产生的c 0 2 排放量也 会有很大的差别。并且，在输电网传输过程中也会产生大量的损耗。这些都是属 于影响高速铁路节能减排的外部因素。由于很多研究中将发电机组效率设定为 6 0 7 0 ，本文将发电机组效率假设为6 5 。 发电过程中产生的排放量与国家对排放量的控制有很大关系。2 0 0 7 年英国每 千瓦时发电量c 0 2 排放量4 5 5 9 ，预计到2 0 0 2 年，每千瓦时发电量c 0 2 排放量 3 2 0 9 。面对当前环境问题，各个国家都在积极发展新能源，减少火力发电的比重。 欧盟委员会于2 0 0 7 年公布了“新欧洲能源政策 。目标2 0 2 0 年将温室效应气体 排放量降低2 0 将可再生能源的比例提高到2 0 。 9 p r o j e c t i o no fc a r b o ni n t e n s i t yo fuk g r i de l e c t r i c i t y 6 u 口u | 0 5 0 一 令 - l o ws c e n a n o | i - - , , - hi g hs c e n a d o ! l 0 4 0 。 ! 萎 l !o 厶0 3 0 n o o ：里0 2 0 一 0 1 0 nn n u - u u-ii i i ilii 一 2 0 0 52 0 102 0 2 02 0 3 02 0 4 02 0 5 02 0 6 02 0 7 0 图2 1 英国发电碳排放降低计划 f i g u r e2 ip r o j e c t i o no f c a r b o ni n t e n s i t yo f u kg r i de l e c t r i c i t y 如上图预计2 0 7 0 年发电碳排放量为o ，到那时高速铁路的排放量也随之降低 几乎为零。如果各个国家都大力发展清洁发电，高速铁路将会成为完全环保型交 通方式。这个是否能够实现，不仅依赖于铁路工业企业的进步，而且与低碳发电 技术进步紧密相关的。如果能够按照这个计划稳步发展，那么高速铁路将会成为 节能减排最有效的交通方式，对环境保护有着非常的意义。 本文主要基于当前发电效率及碳排放浓度来讨论各个交通方式节能减排情 况。 1 0 3 影响高速铁路能源消耗及c 0 2 排放量的因素 这一章主要回答两个问题： 1 ) 影响高速铁路能源消耗和排放的因素有哪些 2 ) 如何降低高速铁路能源消耗量和排放 影响高速铁路全过程包括机车车辆的制造维护回收、基础设施建的修建维护、 列车运行过程。在高速铁路全过程中，影响其节能减排的因素主要有以下几个方 面： 1 ) 列车运行的直接能源消耗：要比较分析列车运行的直接能源消耗不仅要考 虑当前列车的能源消耗及排放量，还要充分考虑随着技术的进步未来列车的能源 消耗及排放量。因此在本文的比较过程中通常要用到平均能源消耗和平均排放量。 在分析这个因素的时候必须将客座率考虑在内，客座率直接影响能源的消耗及排 放量的多少。在较高的客座率下，不同的运行班次密度也会产生不同的能源消耗 及排放量。并且，平均客座率及班次密度也可以作为一条线路利用率的评价指标， 可以用于评估基础设施建造时产生的嵌入式排放量，并分摊到乘客每公里基本单 位上。 2 ) 制造，维护及回收铁路车辆时产生的间接的排放量：要想做全面的能源消 耗及排放量比较还需要将铁路车辆制造，维护及后期回收时产生的能源消耗及排 放量计入在内。不同型号的车辆会有不同的能源消耗量及排放量，这也将会对比 较结果产生很大的影响。 3 ) 建造高速铁路新线路的基础设施而产生的能源消耗及排放量：建设高速铁 路基础设施时产生的能源消耗及排放量在宏观上看来占据非常重要的地位。高速 铁路的基础设施相对于其他交通方式的基础设施将耗费更大物资因而产生相当大 量的能源消耗及排放量。建设高速铁路基础设施将在以下几个方面产生能源消耗 及排放量： a 生产用于高速铁路基础设施建设的物资时产生的能源消耗及排放量： b 高速铁路基础设施建设施工过程中产生的能源消耗及排放量； c 每年高速铁路线路使用及维护产生的能源消耗及排放量 4 ) 考虑需求因素及替代其他交通方式而节省的能源消耗及排放量：交通方式 的转换( 从乘坐小汽车或者飞机转换到高速铁路) 及提高市场需求也将影响整体 综合评价。 这章将主要详细讨论影响高速铁路全过程中能源消耗及c 0 2 排放量的因素。 本章将按一下顺序讨论：列车的直接能源消耗与c 0 2 排放、列车的间接能源消耗 高速铁路的直接能源消耗主要是行车方面的消耗，包括电力从变电站到轮轨 接触面整个过程。在高速铁路在运行中，能源消耗主要有4 个影响因素：1 克服各 种阻力及惯性；2 由于牵引系统低效率而损失的能耗；3 为使乘客感觉舒适所消耗 的能源；4 从变电所到接触网之间的能源损失。 图3 1 高速铁路运行能源消耗需求典型组成 f i g u r e3 1t y p i c a lc o m p o s i t i o no fe n e r g yd e m a n df o rh i g h - s p e e ds e r v i c e s 图3 13 描述了高速铁路从接触网上得到的能量分解为克服惯性及坡度阻力、 运行阻力、舒适功能消耗。其中，舒适功能消耗的能量仅占2 0 ，而克服惯性及 坡度阻力和水平运行时的摩擦阻力的能源消耗占主要地位，这部分能源消耗称为 3 i n s t i t u t ef o rf u t u r es t u d i e s & t e c h n o l o g ya s s e s s m e n t ( i z t ) 。e v a l u a t i o no f e n e r g ye f f i c i e n c yt e c h n o l o g i e sf o rr o l l i n g s t o c ka n dt r a i no p e r a t i o no f r a i l w a y s ( e v e n t ) f i n a lr e p o r t ，i n t e r n a t i o n a lu n i o no f r a i l w a y s ( u i c ) 【r 】l o n d o n ： u i ce v e n t ，2 0 0 3 p 2 0 p 2 7 - 3 0 1 2 列车运行能源消耗。 1 ) 列车运行能源消耗 图3 1 说明了克服惯性及坡度阻力、水平运行阻力、舒适功能消耗影响因素中 以克服阻力为主要因素。克服阻力包括克服水平运行中的摩擦阻力、克服惯性( 如 加速时的产生的惯性) 和克服坡度阻力。 d a v i s 方程式描述了在水平的轨道上列车运行的阻力计算方法：r = a + b v + c v 2 式中：r 为阻力；v 为速度；a 为独立于速度的机械阻力常数；b 为与速度成 正比的机械阻力系数：c 为与速度平方成正比的空气阻力系数。 表3 1d a v i s 方程式系数意义及样本数值 t a b l e 3 1e x a m p l ev a l u e sf o rt h et h i n ed a 、，i sf o r m u l ac o e f f i c i e n t s 代表意义样本数值4 a 表示独立于速度的机械阻力常数2 2 4 0 b 与速度成正比的机械阻力系数 4 3 5 3 c 与速度平方成正比的空气阻力系数4 4 1 根据表3 1 中的样本数据，列车以2 0 0 k m h ( 5 5 5 6 r r g s ) 的速度行驶则计算空 气阻力( c v 2 ) 这部将比其他两部更有决定性。因此从公式中可以得出两个结论： 1 ) 在高速行驶中，空气阻力占有主导地位； 2 ) 当速度足够高的时候，空气阻力与速度的平方成一定的比例。 如图3 2 4 火车阻力与速度曲线。火车运行阻力随着速度的增加而迅速增加，在 火车的速度超过2 0 0 k m h 以上后，火车阻力与速度曲线为向上弯曲的曲线。由此 高速铁路将会受到比传统铁路运行时更大的阻力，这也就决定了高速铁路克服阻 力所消耗的能源比传统铁路多。k e m p 教授也曾经强调过，当火车运行速度超过 2 0 0 k m h 时，能源消耗就会急剧增加。 4s - w k i m ，h bk w o n ，y - gk i m ，a n dt - wp a r k ，c a l c u l a t i o no f r e s i s i t a n c et om o t i o no f ah i g h s p e e dt r a i nu s i n g a c c e l e r a t i o nm e a s u r e m e n t si ni r r e g u l a rc o a s t i n gc o n d i t i o n s , i m c c h e ，2 0 0 6 ，j u l y 图3 2 火车阻力与速度趋势 f i g u r e 3 2t r e n db e t w e e nr a i lr e s i s t a n c ea n ds p e e d 根据d a v i s 方程式，描述了火车的能源消耗随着速度的增加而明显增大。当列 车速度超过3 0 0 k m h 时，火车运行阻力的8 0 以上均为空气阻力。当速度达到3 5 0 k m h 或4 0 0k m h 时，空气阻力将占运行阻力的绝大部分，而且是无法回避的。图 3 3 火车运行速度与能源消耗回归曲线。这个图是对多个型号针对现实路况下的火 车速度与能源消耗的回归趋势图s 。 n i i ，一一一 一一一一 一 u u ， 黟搿獭嬲獭彬獬槲嬲辩嘲秽黔嬲缫垮秽端搿燃铹 孵翳臻男臻搿霹翳蒹嚼嘲翳释努嬲黝曩 o 0 6 爹 谚 ：l 亘0 0 5 z 覆。烈 寥 秀 ， ? 。 、 !一 篱 菱 荔 0 0 3 萝 雾 由0 0 2 ： 葫 0 0 l l ， 镄 彰 羹 ，菇 鞔巍i i 一! ? 锰? ，i j 一i ，：赢。j ! ：渤 u 1 5 0 2 0 02 5 0 3 0 03 5 0 s p e e dk m h 图3 3 火车运行速度与能源消耗趋势 f i g u r e 3 3t r e n db e t w e e ne n e r g yu s ea n ds p e e df o rr a i l 5 r o g e rk e m p ，t r a n s p o r te n e r g yc o n s u m p t i o n j ，l a n c a s t e rs e p t e m b e r2 0 0 4 1 4 由此，火车的节能减排必须强调速度的设定，速度与节能减排密切相关。能 源消耗随着速度的增加而直线上升。因此，这也决定速度将是计算高速铁路能耗 的主要参数。 2 ) 牵引系统的能源损失 在各种电气、机械效率不完全发挥下的列车牵引系统的能量部分以热能的形 式散发，这不仅引起了部份能量损失，同时也会反过来导致对机械降温的能源需 求。当前，1 6 7 h z 、1 5 k va c 系统在满负荷的情况下也只能达到8 5 的效率。并 且，负载率越低，牵引系统的效率就越低。为了减少这部分损失安装了再生制动 系统。 再生制动系统是一种可以将制动时产生的热量部分收回，然后转化为列车行 进时所需的动