“雙碳目標(biāo)”下高鐵建設(shè)節(jié)碳策略淺析

桑朝輝

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043）

0 引言

在全球資源短缺、環(huán)境惡化的背景下，各行各業(yè)都在以低碳高質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo)，通過(guò)行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，內(nèi)部產(chǎn)出能耗優(yōu)化，高效運(yùn)營(yíng)組織、使用新材料、新工藝等方面的探索，全方位的實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。鐵路作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施之一，有責(zé)任做出自己的努力，為低碳高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1 研究背景

“雙碳”目標(biāo)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要舉措和要求，作為全球最大的發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)碳排放體量大、任務(wù)重，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)任重而道遠(yuǎn)。特別是對(duì)于鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域，有巨大的低碳優(yōu)化空間，構(gòu)建低碳智能化高鐵體系，優(yōu)化鐵路運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，推廣節(jié)能、低碳交通工具，積極引導(dǎo)低碳出行等，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)鐵路力量[1]。

雙碳目標(biāo)是可以控制并實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)。從《復(fù)興號(hào)雙碳新科技》一文中可知，高鐵每人每百公里能耗僅為飛機(jī)的18%、大客車的50%，與4 車道高速公路相比，高鐵占地僅為其50%，而二氧化碳排放量?jī)H為飛機(jī)的6%、汽車的11%，高鐵作為目前較為綠色的交通方式，得到大多數(shù)人的青睞。從這些數(shù)據(jù)中就能否得出高鐵是真正的低碳交通工具，需要從高鐵的前期設(shè)計(jì)及建設(shè)、中期運(yùn)營(yíng)、后期維保等幾個(gè)階段進(jìn)一步分析討論，研究提升高鐵低碳空間措施的可能性，使其成為真正意義的低碳出行交通。

2 研究?jī)?nèi)容及方法措施

2.1 高鐵前期設(shè)計(jì)及建設(shè)階段的低碳措施

高鐵的前期工作主要包括勘察設(shè)計(jì)及建設(shè)兩個(gè)階段，從線路的選線、測(cè)量到設(shè)計(jì)、建設(shè)，包含著諸多方面的技術(shù)要求。在以往的技術(shù)及環(huán)境背景下，除滿足自身的技術(shù)要求外，體現(xiàn)生態(tài)、綠色、環(huán)保是主要原則，該文以目前低碳要求進(jìn)行分析，探索可以提升的空間，以便為后續(xù)設(shè)計(jì)、建設(shè)提供參考的經(jīng)驗(yàn)。

首先應(yīng)分清楚生態(tài)、綠色、低碳這幾者之間在工程上的不同含義。生態(tài)工程是根據(jù)生態(tài)學(xué)原理進(jìn)行的人工設(shè)計(jì)，充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，利用生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律，協(xié)調(diào)人與自然的關(guān)系，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，達(dá)到高效和諧，實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的統(tǒng)一。綠色工程是指充分應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，在工程建設(shè)中加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，發(fā)展清潔施工，不斷改善和優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，使人與自然和諧發(fā)展，建造質(zhì)量?jī)?yōu)良、經(jīng)濟(jì)效益長(zhǎng)久的生態(tài)環(huán)境和無(wú)污染的建設(shè)工程。低碳工程是指在工程項(xiàng)目建設(shè)階段以低碳設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在工程建設(shè)中嚴(yán)格執(zhí)行低碳標(biāo)準(zhǔn)，并采取措施在整個(gè)建設(shè)過(guò)程中實(shí)施優(yōu)化低碳控制，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。高鐵如何在前期階段實(shí)現(xiàn)低碳化，是實(shí)現(xiàn)全過(guò)程低碳化的重要基礎(chǔ)。下面以鐵路選線、鐵路客站及低碳建設(shè)為例進(jìn)行具體分析。

在鐵路選線方面，我國(guó)幅員遼闊，鐵路線動(dòng)輒橫跨上百公里，面臨不同的地形地質(zhì)環(huán)境情況，科學(xué)合理的線路規(guī)劃有助于鐵路建設(shè)的安全性、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性。以“規(guī)劃選線、環(huán)保選線、地質(zhì)選線、減災(zāi)選線”全壽命周期選線理念為主的中尼鐵路，是我國(guó)眾多鐵路中的一條。青藏線的選線在當(dāng)時(shí)技術(shù)和環(huán)境下，通過(guò)人量步跨的方式，完成了選線工作，沿線的凍土、自然保護(hù)區(qū)等都是線路確定的重要影響因素。隨著技術(shù)進(jìn)步，目前以綠色、生態(tài)、與自然和諧共生及技術(shù)控制等原則共同構(gòu)成了目前選線工作的大框架。

在雙碳目標(biāo)下，需要對(duì)選線工作重新進(jìn)行梳理，以往的是否具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的價(jià)值、是否最優(yōu)，一方面要考慮當(dāng)前的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及維保，另一方面要考慮工程全生命周期的綜合價(jià)值。比如，黔張常鐵路的選線，除了要避免巖溶不良地質(zhì)對(duì)鐵路工程的危害，還需要分析增加的橋隧比例對(duì)生態(tài)環(huán)境的友好度。將其所增加的建設(shè)材料、資金、用地等，放在全生命周期中去衡量，將這些增加的工程代價(jià)折算成節(jié)碳碳當(dāng)量，這樣在進(jìn)行工程分析與綜合價(jià)值判斷時(shí)，就能形成更為直觀和科學(xué)的判斷依據(jù)。

從另一個(gè)角度看，雙碳目標(biāo)下的鐵路選線工作，首先是要滿足工程本體的需要，更多的附加值應(yīng)該被挖掘出來(lái)，作為低碳高品質(zhì)綠色可持續(xù)鐵路發(fā)展的新途徑，綜合節(jié)碳最優(yōu)是目標(biāo)之一，這需要從線路本體工程出發(fā)，綜合考慮全過(guò)程，以減少“下游工程”的整體代價(jià)為目標(biāo)，最終達(dá)到節(jié)碳要求[2]。其次是減少對(duì)環(huán)境的擠壓，盡量減少本體工程對(duì)環(huán)境的占比，從而反向增加碳匯比例，對(duì)沖實(shí)際的碳排放。在新的目標(biāo)要求下，選線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的變化需要在項(xiàng)目前期階段就做好策劃，形成低碳高鐵整體實(shí)施的第一步。

在鐵路客站方面，作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾ㄖ?，因其空間大、人流密集、交通負(fù)荷大，建筑能耗量大，旅客對(duì)便捷、舒適性要求高等特點(diǎn)，是鐵路項(xiàng)目中重點(diǎn)進(jìn)行碳排放控制的節(jié)點(diǎn)。車站作為一個(gè)地區(qū)對(duì)外交通的重要窗口，一方面肩負(fù)著基本的旅客運(yùn)輸功能，另一方面是展示城市整體形象，體現(xiàn)城市對(duì)外開(kāi)放的重要空間，功能與需求較高，這無(wú)形中增加了綜合耗能。在我國(guó)每年建成的近百座車站中，能實(shí)現(xiàn)低碳標(biāo)準(zhǔn)的車站本身較少，一方面是目前的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范較為陳舊，缺乏低碳設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性文件；另一方面是在建造及運(yùn)維過(guò)程中存在落實(shí)不到位或者無(wú)法落實(shí)的情況，其主要原因是管理、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等環(huán)節(jié)的人員缺乏對(duì)低碳車站的認(rèn)識(shí)，“怎么做才是低碳”這一概念基本沒(méi)有形成，因此落實(shí)起來(lái)就非常困難。此外，站房在設(shè)計(jì)階段受到整體造價(jià)影響，經(jīng)常把各專業(yè)的低碳設(shè)計(jì)措施降低標(biāo)準(zhǔn)或者直接取消，造成概念高大上，落地大打折扣。因此，在低碳標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)上也基本沒(méi)有可能。除了上述的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及人員意識(shí)不到位外，建立投資與節(jié)碳之間的平衡，也需要在全周期上做出更為理性的衡量，通過(guò)投資增量與碳排放的計(jì)算，進(jìn)行量化控制，作為決策者科學(xué)選擇的依據(jù)。

在低碳建設(shè)方面，其本身的經(jīng)濟(jì)性、安全性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性、區(qū)域性特征是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。鐵路行業(yè)涉及的專業(yè)多，涵蓋面廣，工程內(nèi)容復(fù)雜，建設(shè)周期長(zhǎng)，要達(dá)到統(tǒng)一的低碳建設(shè)要求有一定難度，應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)的特點(diǎn)和建設(shè)時(shí)序進(jìn)行針對(duì)性地策劃，建立更為科學(xué)的精準(zhǔn)管控。

首先應(yīng)加強(qiáng)各參建單位的低碳建設(shè)理念，建立統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化各級(jí)的管理創(chuàng)新。通過(guò)智能化等高效方式來(lái)替代傳統(tǒng)的管理模式，形成傳統(tǒng)管理模式向新的管理方式的過(guò)渡，也就意味著從“高碳”向“低碳”的轉(zhuǎn)變。其次是根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行低碳建設(shè)的策劃，制定可操作的實(shí)施目標(biāo)。例如房建專業(yè)，低碳房屋可以通過(guò)建造過(guò)程中低碳建材的選用以及低碳采暖系統(tǒng)、可再生能源系統(tǒng)的利用實(shí)現(xiàn)低碳排放，建筑屋面可根據(jù)具體的氣候環(huán)境選用恰當(dāng)?shù)谋夭牧?，外窗也可以選擇充氬氣的三玻兩腔構(gòu)造等，以提升其節(jié)能性能。對(duì)于寒冷地區(qū)可設(shè)置陽(yáng)光房，用以減少冬季采暖負(fù)荷，建筑通風(fēng)方面可采用無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽，并采用排風(fēng)熱回收技術(shù)降低新風(fēng)處理能耗，采用綠色供電系統(tǒng)，并設(shè)置光伏系統(tǒng)作為用電補(bǔ)充。再者是低碳建設(shè)的政策扶持，進(jìn)行低碳建設(shè)勢(shì)必帶來(lái)成本增加，那么在造價(jià)上應(yīng)相比傳統(tǒng)造價(jià)應(yīng)予增加，在后期具體實(shí)施中應(yīng)設(shè)置嚴(yán)格的考核標(biāo)準(zhǔn)，保證低碳建設(shè)落到實(shí)處。在納稅環(huán)節(jié)，國(guó)家應(yīng)對(duì)低碳工程的稅收予以降低，材料的生產(chǎn)、購(gòu)買、運(yùn)輸?shù)热a(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行政策傾斜，鼓勵(lì)低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過(guò)國(guó)家層面的政策引導(dǎo)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、具體的優(yōu)惠政策實(shí)施等調(diào)控手段，使得低碳建設(shè)從操作層面變得可行，為全過(guò)程節(jié)碳打下良好的基礎(chǔ)。

2.2 高鐵運(yùn)營(yíng)階段的低碳策略

2016 年國(guó)家發(fā)改委等部委聯(lián)合發(fā)布了《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2025 年鐵路路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到175 000 km 左右，到2030 年基本達(dá)成縣級(jí)覆蓋，區(qū)際線路暢通，城市快速互通的目標(biāo)。面對(duì)較長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)里程，如何做到低碳綠色運(yùn)營(yíng)，乘客的碳足跡最短（見(jiàn)圖1），是非常困難的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

圖1 高鐵乘客碳足跡圖

在理論計(jì)算控制方面，國(guó)內(nèi)外已有諸多研究，如土耳其鐵路公司是基于生命周期理論的研究，張永闖的最小能源需求理論，朱勇的投入產(chǎn)出理論，薛靜的全壽命周期理論[3]等均為單方面的研究，缺乏綜合體系研究，難以形成有效的“綜合治理模型”。那么，如何形成理論與實(shí)際操作更為貼切的技術(shù)路線，是解決節(jié)碳、低碳的實(shí)操手段。首先，需要分析哪些因素與鐵路碳排放有密切關(guān)系，從《我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)碳排放效率與影響因素分析》[4]一文中可知，對(duì)于鐵路來(lái)說(shuō)運(yùn)輸是影響碳排放的首要因素，但是對(duì)于鐵路運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)不僅僅是“前臺(tái)的表演”（車輛的運(yùn)輸），也離不開(kāi)后臺(tái)的保障（車輛運(yùn)營(yíng)的后臺(tái)保障體系），只有全系統(tǒng)的低碳才是終極目標(biāo)，做好全面控制，才能做好全面“禁碳”。

高速鐵路運(yùn)營(yíng)階段產(chǎn)生的碳排放分為3 個(gè)部分：動(dòng)車組牽引能耗產(chǎn)生的碳排放、維持車站日常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的碳排放、運(yùn)輸系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)維修過(guò)程中的耗能或更換材料產(chǎn)生的碳排放。確定每個(gè)階段的研究邊界，建立各部分的節(jié)碳計(jì)算模型，通過(guò)量化指標(biāo)分析和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，形成解決問(wèn)題的具體技術(shù)方案。

車輛作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾d體，是鐵路運(yùn)輸?shù)暮哪艽髴?，以電力?qū)動(dòng)的機(jī)車是目前的主流形式。因此，如何從機(jī)車性能和電能充分利用上做好提升，是此命題的切入點(diǎn)。車輛行駛一方面要面對(duì)空氣阻力、另一方面要面對(duì)來(lái)自車輛內(nèi)部的功能性損耗，這些都是影響能耗的重要因素，對(duì)于網(wǎng)上所說(shuō)的“真空管高鐵”“超級(jí)磁懸浮鐵路”，這些都是通過(guò)某種手段減少車輛的行駛阻力，達(dá)到速度最快，能耗最低。對(duì)于目前的技術(shù)條件來(lái)說(shuō)，車輛行駛速度、載重、耗能等根據(jù)能量曲線關(guān)系通過(guò)模擬計(jì)算，可以得到幾者之間的最優(yōu)平衡。通過(guò)優(yōu)化耗能降低整體能耗，進(jìn)而減少碳排放是可行的措施。功能性損耗要通過(guò)優(yōu)化設(shè)備使用效率，提高設(shè)備服務(wù)水平，降低無(wú)用功，達(dá)到節(jié)碳目的。

車輛運(yùn)營(yíng)的后臺(tái)保障系統(tǒng)也是碳排放較大的組成。供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等多系統(tǒng)的高效融合，通過(guò)建立科學(xué)高效且可融性強(qiáng)的數(shù)據(jù)融合關(guān)系，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)障礙互通，減少各系統(tǒng)之間的壁壘，通過(guò)云平臺(tái)的介入，提高信息交互的效率和準(zhǔn)確性，減少各系統(tǒng)之間形成的內(nèi)耗，進(jìn)而達(dá)到節(jié)碳目的。

2.3 高鐵維保階段的低碳措施

高鐵維保階段的低碳措施往往容易被忽略，在這個(gè)階段還是有些可以優(yōu)化的工作去研究。一方面是設(shè)備及材料更新，要選擇更為高效和低碳的新型設(shè)備及材料，另一方面是建立科學(xué)管理模式，確定維保時(shí)間、設(shè)備及材料的更換保養(yǎng)周期，建立高鐵運(yùn)營(yíng)性能與綜合碳排放幾者之間的關(guān)系，從而用最優(yōu)的代價(jià)確保車輛的安全運(yùn)輸。

京滬高鐵的做法是值得借鑒的，例如在南京南站安裝600 多塊智能型電表，實(shí)現(xiàn)能耗精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用智能化運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)采集的現(xiàn)場(chǎng)各類能耗數(shù)據(jù)，通過(guò)分類統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，對(duì)相關(guān)機(jī)電末端設(shè)備的饋出進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，優(yōu)化節(jié)能策略。在系列舉措之下，南京南站自2019 年3月—2020 年2 月末，全年節(jié)電1 825 400 kW·h，節(jié)約蒸汽24 792.85 t，合計(jì)節(jié)約673.36 萬(wàn)元，各種能源換算成節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2 648 t，減少碳排放量8 845 t。如何形成維保應(yīng)用曲線，這個(gè)需要建立更多的數(shù)據(jù)收集場(chǎng)景，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，同時(shí)利用BIM 技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)應(yīng)用，根據(jù)不同地區(qū)氣候及運(yùn)行特征，形成可利用的數(shù)字平臺(tái)，更為精準(zhǔn)地做好維保減碳、節(jié)碳工作。

結(jié)合鐵路專業(yè)多且復(fù)雜的特征，維保工作應(yīng)結(jié)合不同的作業(yè)流程，建立維保臺(tái)賬，通過(guò)不同專業(yè)的維保需求，收集作業(yè)數(shù)據(jù)，形成運(yùn)輸效能、維保要求、節(jié)碳量幾者之間的應(yīng)用曲線，通過(guò)具體的數(shù)據(jù)分析及管控，建立碳當(dāng)量維保作業(yè)流程，最終達(dá)到合理的維保應(yīng)用。

3 總結(jié)

高鐵建設(shè)中的雙碳目標(biāo)是復(fù)雜的、多層面的、全過(guò)程控制的，需要有頂層策劃及具體的落實(shí)方案，需要參建各方建立統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，形成深度理解，把各環(huán)節(jié)的“小事”做好，從設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行整體的控制，通過(guò)科研、實(shí)驗(yàn)等技術(shù)手段，配合建設(shè)、管理、運(yùn)維等精細(xì)化的有效措施，最終達(dá)到節(jié)碳、低碳目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鐵路工程的全過(guò)程零碳。