崔力心

(北京交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044)

1 國(guó)外高速鐵路節(jié)能減排效益的影響因素

1.1 直接能源消耗

高速鐵路的直接能源消耗主要指行車方面的消耗，其能源消耗主要有4個(gè)影響因素：為克服阻力所消耗的能源；由于牽引系統(tǒng)低效率而損失的能耗；為使乘客感覺舒適所消耗的能源；從變電所到接觸網(wǎng)之間的能源損失。在以上影響因素中，以克服阻力為主要因素。根據(jù)日本新干線的數(shù)據(jù)，用于行車方面的能耗約占高速鐵路總耗能量的87%[1]。

1.1.1 克服阻力所需要的能源

行車消耗能源的直接阻力有機(jī)械阻力和空氣阻力兩種。Davis方程式[2]描述了不考慮坡度影響，既在水平的軌道上列車運(yùn)行的阻力計(jì)算方法：

式中：R — 阻力；V — 速度；A — 獨(dú)立于速度的機(jī)械阻力常數(shù)；B — 與速度成正比的機(jī)械阻力系數(shù)；C — 與速度平方成正比的空氣阻力系數(shù)。

從公式中可以得出兩個(gè)結(jié)論：在高速行駛中，空氣阻力占有主導(dǎo)地位；當(dāng)速度足夠高的時(shí)候，空氣阻力與速度的平方成一定的比例。

對(duì)于高速列車，當(dāng)列車速度超過300km/h 時(shí)，列車運(yùn)行阻力的80%以上均為空氣動(dòng)力學(xué)阻力。從列車縱向動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)看，在地面稠密大氣層里運(yùn)行的任何車輛，當(dāng)超過一定速度，如350km/h或400km/h 時(shí)，空氣阻力將占運(yùn)行阻力的絕大部分，而且是無法回避的。因此，速度將是計(jì)算高速鐵路能耗的主要參數(shù)。

1.1.2 牽引系統(tǒng)中損失的能源

在各種電氣、機(jī)械效率不完全發(fā)揮下的列車牽引系統(tǒng)部件的能量一部分以熱能的形式散發(fā)，這不僅引起了一部分能量的損失，同時(shí)也會(huì)反過來導(dǎo)致對(duì)機(jī)械降溫的能源需求。目前，較為先進(jìn)的16.7Hz、15kV AC系統(tǒng)在滿負(fù)荷的情況下也只能達(dá)到85%的效率。負(fù)載率越低，牽引系統(tǒng)的效率就越低。

再生制動(dòng)系統(tǒng)可以將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量部分收回，然后轉(zhuǎn)化為列車運(yùn)行時(shí)所需的動(dòng)力勢(shì)能。若安裝再生制動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)減少能源消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，為克服慣性阻力和坡度阻力，高速鐵路機(jī)車車輛安裝再生系統(tǒng)，將會(huì)減少8% 的能源消耗。

1.1.3 列車舒適功能需要的能源

列車舒適功能通常包括照明、恒溫、車廂通風(fēng)等，這些功能大約消耗列車運(yùn)行過程中所需能源的20%。用于列車舒適功能的能源消耗與速度沒有直接關(guān)系，但是與行使的時(shí)間直接相關(guān)。在同等距離的條件下，高速鐵路與傳統(tǒng)鐵路相比更加節(jié)能。

1.1.4 供電系統(tǒng)損失的能源

由于輸電線的電阻與效率原因，將不可避免地產(chǎn)生變電所到接觸網(wǎng)之間的電力損失，這部分損失與列車運(yùn)行時(shí)的能耗相比顯得微不足道。

1.2 間接能源消耗

國(guó)外高速鐵路間接能源消耗是指建設(shè)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及后期的維護(hù)過程中所發(fā)生的能源消耗。傳統(tǒng)鐵路每公里路基大約需消耗990t 水泥及39t 鋼筋，高速鐵路無砟軌道路基每公里大約消耗4500t水泥及132t 鋼筋[3]，這些材料的生產(chǎn)和制造屬于高能源密集產(chǎn)業(yè)，因而應(yīng)對(duì)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嵌入式排放量進(jìn)行估算。

2 與其他交通方式能源消耗及排放量的比較

隨著速度的提高，列車的能源消耗也隨之加大。圖1[4]顯示了倫敦至愛丁堡的高速鐵路一次性燃油消耗(根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r將電力能源消耗換算成燃油消耗)的計(jì)算結(jié)果。從以上比較中可以看出，高速鐵路的節(jié)能減排與速度有著密切關(guān)系。

對(duì)高速鐵路與傳統(tǒng)鐵路節(jié)能減排效果進(jìn)行了對(duì)比研究[2]，如表1所示。結(jié)果顯示，高速鐵路的節(jié)能減排效益與傳統(tǒng)鐵路相比差距很小，這種差距隨著高新技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步縮小。

圖1 各種交通方式能耗比較圖

表1 傳統(tǒng)鐵路與高速鐵路能源消耗對(duì)比

在CO2排放量方面，2004年英國(guó)國(guó)會(huì)運(yùn)輸部給出了一組數(shù)據(jù)[4]，數(shù)據(jù)顯示了各種交通方式下倫敦—愛丁堡之間的CO2排放量情況，如表2所示。

從表2可以看出，高速鐵路CO2的排放量比小汽車的排放量小很多。

表2 各種交通方式CO2 排放量 kg/人

3 國(guó)外高速鐵路節(jié)能減排措施

（1）增加高速鐵路的客座利用率。客座利用率越高，高速鐵路節(jié)能減排的效果就越明顯，提高客座利用率將會(huì)使高速鐵路更加具有社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益?？妥寐适强瓦\(yùn)需求的量化單位，而客運(yùn)需求與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有著密切的關(guān)系。提高高速鐵路的客座利用率，應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展規(guī)律，提供符合人們需要的高速鐵路運(yùn)輸服務(wù)。

（2）設(shè)計(jì)合理的速度目標(biāo)值。速度目標(biāo)值與節(jié)能減排之間具有直接關(guān)系：過高的速度目標(biāo)值，使得高速鐵路節(jié)能減排的效益降低；另一方面，速度的提高使得旅行時(shí)間縮短，所需的舒適功能的總能耗也隨之降低。因此，設(shè)計(jì)合理的速度目標(biāo)值將對(duì)高速鐵路節(jié)能減排起到很大的決定作用。

（3）優(yōu)化車輛車型設(shè)計(jì)，減少空氣阻力。列車運(yùn)行中主要的能量消耗都用來克服空氣阻力，因而通過優(yōu)化車型設(shè)計(jì)，采用鋁合金、復(fù)合材料和各種輕型結(jié)構(gòu)減輕車體重量，將減少列車運(yùn)行中機(jī)械阻力。另外，還可以采取提高牽引電機(jī)效率及采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)方式等措施，利用再生制動(dòng)系統(tǒng)以節(jié)約能源消耗。

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[1]徐 艷．從節(jié)能角度看高速鐵路[J]．佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(10)：579-581．

[2]International Union of Railways(UIC)，Institute for Future Studies & Technology Assessment(IZT)．Evaluation of energy efficiency technologies for rolling stock and train operation of railways(EVENT)final report [R]．London：UIC EVENT，2003．

[3]New Line Program．Comparing environmental impact of conventional and high speed rail[R]．London：Network Rail，2009．

[4]Roger Kemp．Transport energy consumption[J]．Power Engineer，2004(10)：1-7．