王景榮，肖 鶴，解建光

（1.江蘇交通控股有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016）

據(jù)國(guó)際能源署（IEA）推算，由能源消耗產(chǎn)生的碳排放量中，有20%以上是來(lái)源于交通部門(mén)［1］，預(yù)計(jì)到2030年這一比例還將提高到40%以上，交通行業(yè)碳減排已成為發(fā)達(dá)國(guó)家碳減排研究的重點(diǎn)方向［2］。我國(guó)交通運(yùn)輸部門(mén)的碳排放量占全社會(huì)碳排放量的25%，僅次于能源（發(fā)電）產(chǎn)業(yè)的40%，是中國(guó)碳排放的主要來(lái)源之一，而其中公路運(yùn)輸碳排放更是占了交通部門(mén)碳排放總量的85%以上［3］，因此，公路運(yùn)輸領(lǐng)域節(jié)能減排勢(shì)在必行。

江蘇省高速公路通行量較大，車(chē)輛在行駛過(guò)程中由于天氣惡劣、車(chē)輛故障或駕駛技術(shù)等原因容易發(fā)生事故，引起交通擁堵。交通擁堵會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛行駛速度降低甚至完全停止不動(dòng)，不僅延長(zhǎng)出行時(shí)間，而且不確定性增加。同時(shí)，車(chē)輛在怠速狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生不必要的油耗，而低速行駛狀態(tài)下的油耗遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)時(shí)速下的油耗，因此擁堵會(huì)額外造成大量的CO2排放。

論文旨在通過(guò)理論分析的方法，對(duì)高速公路擁堵碳的碳排放量化計(jì)算進(jìn)行研究，建立碳排放計(jì)算模型，為今后的高速公路低碳運(yùn)營(yíng)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 擁堵碳排放計(jì)算模型

高速公路擁堵產(chǎn)生的碳排放由車(chē)輛額外油耗造成，因此擁堵碳減排主要通過(guò)減少車(chē)輛怠速或低速行駛時(shí)間，降低車(chē)輛油耗，實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。高速公路管理公司可以通過(guò)建立應(yīng)急預(yù)案、制定相關(guān)政策、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)交通分流與疏導(dǎo)等方法減少交通擁堵的產(chǎn)生。計(jì)算擁堵造成的碳排放，要從擁堵時(shí)間、車(chē)量油耗、車(chē)輛類(lèi)型等幾個(gè)方面入手研究。

1.1 擁堵油耗計(jì)算

高速公路擁堵根據(jù)車(chē)輛行駛狀態(tài)可以分為停止不動(dòng)和緩慢移動(dòng)兩種情況：

1.1.1 停止不動(dòng)

在沒(méi)有明確前方道路現(xiàn)狀時(shí)，特別在夏季和冬季，駕乘人員基本不會(huì)熄火等待，因此會(huì)造成大量的怠速碳排放。在實(shí)際行駛過(guò)程中，車(chē)輛發(fā)生擁堵需經(jīng)歷減速停車(chē)階段、怠速等待階段和加速駛離階段，其中車(chē)輛減速停車(chē)階段僅為幾秒鐘，而擁堵時(shí)間通常為幾十分鐘甚至數(shù)小時(shí)，因而車(chē)輛減速階段的油耗可以忽略不計(jì)，論文僅計(jì)算車(chē)輛怠速等待階段和加速駛離階段。

（1）車(chē)輛怠速等待階段的油耗為：

式中：f1為車(chē)輛擁堵怠速階段油耗；FCw為車(chē)輛怠速單位油耗；Ta為擁堵時(shí)間。

（2）車(chē)輛加速過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗情況十分復(fù)雜，目前并沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法，論文從能量角度進(jìn)行分析，根據(jù)能量守恒原則確定車(chē)輛加速過(guò)程中的油耗。車(chē)輛加速所需能量全部由汽油或柴油燃燒產(chǎn)生的能量提供，因此只需計(jì)算出車(chē)輛加速階段所需能量即可推導(dǎo)出相應(yīng)油耗，車(chē)輛加速階段所需能量為：

式中：W為車(chē)輛加速駛離所需能量；m為車(chē)輛有效質(zhì)量；V為高速公路最低限速；Fa、Fr、Fi分別為車(chē)輛行駛過(guò)程中的空氣阻力、滾動(dòng)阻力、慣性阻力；L為擁堵長(zhǎng)度；E為汽車(chē)內(nèi)部構(gòu)件摩擦產(chǎn)生的熱量；Co為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；g為重力加速度。

車(chē)輛在加速過(guò)程中平均速度較低，為便于計(jì)算，空氣阻力、慣性阻力及汽車(chē)構(gòu)件摩擦產(chǎn)生的熱量均可忽略不計(jì)。

由于車(chē)輛所需能量全部由燃油燃燒產(chǎn)生，因此車(chē)輛加速過(guò)程中油耗為：

式中：f2為加速階段車(chē)輛油耗；η為汽油燃燒效率；q為汽油熱值；ρ為汽油密度。

則交通擁堵停止不動(dòng)狀態(tài)下，車(chē)輛油耗為

式中：F為車(chē)輛擁堵停止不動(dòng)狀態(tài)下車(chē)輛油耗。

1.1.2 緩慢移動(dòng)

車(chē)輛緩慢移動(dòng)狀態(tài)下的油耗等同于該速度下對(duì)應(yīng)的百公里油耗與行駛距離的乘積，即

式中：F l為車(chē)輛擁堵緩慢移動(dòng)狀態(tài)下車(chē)輛油耗；Ql為車(chē)輛在低速狀態(tài)下的百公里油耗；L為擁堵長(zhǎng)度。

1.2 擁堵碳排放量計(jì)算

車(chē)道在擁堵過(guò)程中的油耗與正常行駛過(guò)程中的油耗之差即為擁堵產(chǎn)生的額外油耗量，再根據(jù)油耗量與CO2排放系數(shù)，即得到擁堵碳排放量。

（1）停止不動(dòng)時(shí)的擁堵碳排放量計(jì)算如下：

式中：M為CO2總排放量；Ni為同一類(lèi)型車(chē)輛擁堵車(chē)輛數(shù)；Qi為車(chē)輛正常行駛狀態(tài)下的百公里油耗。

（2）緩慢移動(dòng)時(shí)的擁堵碳排放量計(jì)算如下：

式中：k為燃料CO2折算系數(shù)；Qi'為車(chē)輛在擁堵?tīng)顟B(tài)下的百公里油耗。

在推導(dǎo)出的交通擁堵碳排放模型基礎(chǔ)上，已知高速公路年度總通行量、車(chē)輛性能以及擁堵時(shí)間、擁堵長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到一次擁堵產(chǎn)生的CO2排放量，根據(jù)管理公司記錄的年度擁堵情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即得到高速公路擁堵年碳排放量。

2 車(chē)型及車(chē)輛數(shù)確定

根據(jù)擁堵碳排放模型計(jì)算公式，進(jìn)行具體碳排放量計(jì)算，需要對(duì)模型各項(xiàng)參數(shù)予以確定。論文以滬寧高速為研究對(duì)象，通過(guò)查閱文獻(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及理論分析等方法確定了擁堵碳排放模型的各項(xiàng)參數(shù)，具體如下：

2.1 代表車(chē)型

根據(jù)車(chē)輛用途和尺寸，滬寧高速公路將通行車(chē)輛劃分為11種車(chē)型，見(jiàn)表1。

表1 高速公路車(chē)輛類(lèi)型

在高速公路運(yùn)營(yíng)階段，收費(fèi)站對(duì)集裝箱長(zhǎng)度的確定存在諸多不便，因此在實(shí)際操作過(guò)程中，統(tǒng)一將集裝箱車(chē)輛按載重量進(jìn)行分類(lèi)，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)與貨車(chē)相同，通行量數(shù)據(jù)記入貨車(chē)統(tǒng)計(jì)量，因此高速公路管理公司提供的通行量數(shù)據(jù)僅包括9種車(chē)型。

由于各類(lèi)車(chē)型均包含多種車(chē)輛型號(hào)，其排氣量、發(fā)動(dòng)機(jī)、油耗等參數(shù)各不相同，因此需要選擇一種代表車(chē)型，將其各項(xiàng)參數(shù)代入擁堵碳排放模型，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的碳排放量。

對(duì)于7座及7座以下客車(chē)，本文根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)公布的2013年汽車(chē)銷(xiāo)量排行榜，選擇年銷(xiāo)售量排名前十的車(chē)輛，根據(jù)銷(xiāo)售比例計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)的加權(quán)平均值，將計(jì)算結(jié)果作為每種車(chē)型的代表車(chē)型參數(shù)。7座及7座以下客車(chē)銷(xiāo)售量及各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表 2 2013年7座及以下客車(chē)銷(xiāo)量

根據(jù)每種車(chē)型的年銷(xiāo)售量、質(zhì)量、長(zhǎng)度、百公里油耗以及怠速油耗，確定7座及7座以下客車(chē)代表車(chē)型相關(guān)參數(shù)為：

m=∑αi·mi=1 263 kg；

L1=∑αi·Li=4 543 mm；

Q=∑αi·Qi=7.0 L/100 km；

FCw=∑αi·FCw=0.25 mL/s。

對(duì)于大中型客車(chē)及貨車(chē)，由于其通行量遠(yuǎn)低于小客車(chē)通行量，因此目前并沒(méi)有權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)各種車(chē)型的銷(xiāo)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本文采用實(shí)地調(diào)研的方式，在滬寧高速南京收費(fèi)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，調(diào)查得出各種車(chē)型通行量及其所占比例，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算各車(chē)型通行量所占比例，再結(jié)合每種車(chē)型參數(shù)，計(jì)算加權(quán)平均值，得到每種車(chē)型的代表車(chē)型相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表5。

表3 南京收費(fèi)站7座以上客車(chē)10 h通行量比例

表4 南京收費(fèi)站貨車(chē)10 h通行量比例

表5 代表車(chē)型相關(guān)參數(shù)

2.2 擁堵車(chē)輛數(shù)

在道路發(fā)生擁堵時(shí)，每種車(chē)型的擁堵車(chē)輛數(shù)直接決定了碳排放總量，在計(jì)算過(guò)程中需要對(duì)每種車(chē)型的擁堵數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。但在實(shí)際情況中，由于人力、物力等因素的限制，對(duì)擁堵車(chē)輛數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)存在諸多不便，目前高速公路管理公司并沒(méi)有相關(guān)數(shù)據(jù)，因此有必要對(duì)擁堵車(chē)輛數(shù)進(jìn)行分析確定。

根據(jù)高速公路上一年度各車(chē)型年通行量所占比例及各車(chē)型代表車(chē)型的長(zhǎng)度，確定一種平均車(chē)型，長(zhǎng)度由各車(chē)型的加權(quán)平均值重新計(jì)算得出，擁堵長(zhǎng)度與平均車(chē)型長(zhǎng)度的比值即為單車(chē)道擁堵車(chē)輛數(shù)，公式如下：

式中：L1為平均車(chē)型長(zhǎng)度；αi為每種車(chē)型通行量比例；L2i為每種車(chē)型代表車(chē)型長(zhǎng)度。

假設(shè)車(chē)輛在擁堵過(guò)程中車(chē)距為1 m，則單條車(chē)道擁堵車(chē)輛總數(shù)及各車(chē)型車(chē)輛數(shù)分別為：

式中：N為單條車(chē)道擁堵車(chē)輛數(shù)；Ni為各車(chē)型車(chē)輛數(shù)；C為擁堵車(chē)道數(shù)。

3 車(chē)輛油耗確定

車(chē)輛行駛速度不同，其百公里油耗也有所差異，論文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)確定客車(chē)和貨車(chē)在不同時(shí)速下的油耗見(jiàn)圖1、圖2［4-6］。

圖 1 不同車(chē)速下客車(chē)百公里油耗

圖 2 不同車(chē)速下貨車(chē)百公里油耗

4 燃油CO2排放系數(shù)及相關(guān)性能參數(shù)

根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的溫室氣體排放系數(shù)管理表，可查得不同能源的CO2排放系數(shù)及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表6。

汽油、柴油密度及燃燒效率等性能參數(shù)會(huì)根據(jù)環(huán)境因素的變化而有所不同，如汽油密度會(huì)隨著溫度、氣壓等條件的改變而產(chǎn)生變化，因此僅能根據(jù)實(shí)際情況得出一個(gè)范圍值，各參數(shù)范圍見(jiàn)表7。

此外，在擁堵碳排放模型參數(shù)中，高速公路最低限速根據(jù)滬寧高速公路實(shí)際規(guī)定取v=60 km/h。高速公路年通行量、擁堵時(shí)間、擁堵長(zhǎng)度以及擁堵車(chē)道數(shù)等數(shù)據(jù)作為變量，可由高速公路聯(lián)網(wǎng)中心等部門(mén)提供的年度統(tǒng)計(jì)報(bào)告獲得。

表6 部分能源碳排放系數(shù)

表7 相關(guān)能源參數(shù)范圍

5 結(jié)語(yǔ)

論文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和查閱文獻(xiàn)等方式對(duì)交通擁堵碳排放的相關(guān)因素進(jìn)行了分析，其主要影響因素包括高速公路擁堵車(chē)輛數(shù)、車(chē)輛型號(hào)、燃油性能、擁堵時(shí)間、擁堵長(zhǎng)度等；通過(guò)理論分析的方法，建立了高速公路擁堵碳排放計(jì)算模型，用于計(jì)算由交通擁堵造成的CO2排放量，為交通擁堵碳排放量化分析提供了理論依據(jù)。

［1］International Energy Agency（IEA）. CO2Emissions from Fuel Combustion 2009 ［M］. Pari：IEA Publication，2009：117-180.

［2］ Organisation for Economic Cooperation and Development（OECD）. Cutting Transport CO2 Emissions：What Progress?［M］.Paris：OECD Publications，2007：76-153.

［3］ 蔡博峰，曹東，劉蘭翠，等.中國(guó)交通二氧化碳排放研究［J］.氣候變化研究進(jìn)展，2011（3）：197-203.

［4］ 劉斌.高速公路對(duì)汽車(chē)油耗及大氣環(huán)境的影響分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［5］ 李景豐，薛峰，李昌虎.徐明高速公路環(huán)保節(jié)約設(shè)計(jì)理念的探索與實(shí)踐［J］.公路交通技術(shù)，2013（2）：145-146.

［6］ 趙愷彥，吳紹華，蔣費(fèi)雯，等.高速公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的碳足跡研究［J］.資源科學(xué)，2013，35（6）：1318-1327.