桑朝輝

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,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，通過行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，內(nèi)部產(chǎn)出能耗優(yōu)化，高效運營組織、使用新材料、新工藝等方面的探索，全方位的實現(xiàn)雙碳目標。鐵路作為國家基礎(chǔ)設(shè)施之一，有責任做出自己的努力，為低碳高質(zhì)量發(fā)展貢獻力量。

1 研究背景

“雙碳”目標是我國實現(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)展中國家，中國碳排放體量大、任務(wù)重，實現(xiàn)“雙碳”目標任重而道遠。特別是對于鐵路運輸領(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)化鐵路運輸結(jié)構(gòu)，推廣節(jié)能、低碳交通工具，積極引導低碳出行等，為實現(xiàn)“雙碳”目標貢獻鐵路力量[1]。

雙碳目標是可以控制并實現(xiàn)的指標。從《復興號雙碳新科技》一文中可知，高鐵每人每百公里能耗僅為飛機的18%、大客車的50%，與4 車道高速公路相比，高鐵占地僅為其50%，而二氧化碳排放量僅為飛機的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)計及建設(shè)、中期運營、后期維保等幾個階段進一步分析討論，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 研究內(nèi)容及方法措施

2.1 高鐵前期設(shè)計及建設(shè)階段的低碳措施

高鐵的前期工作主要包括勘察設(shè)計及建設(shè)兩個階段，從線路的選線、測量到設(shè)計、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行分析，探索可以提升的空間，以便為后續(xù)設(shè)計、建設(shè)提供參考的經(jīng)驗。

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)學原理進行的人工設(shè)計，充分利用現(xiàn)代科學技術(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，促進可持續(xù)發(fā)展，達到高效和諧，實現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟、社會效益的統(tǒng)一。綠色工程是指充分應(yīng)用現(xiàn)代科學技術(shù)，在工程建設(shè)中加強環(huán)境保護，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)量優(yōu)良、經(jīng)濟效益長久的生態(tài)環(huán)境和無污染的建設(shè)工程。低碳工程是指在工程項目建設(shè)階段以低碳設(shè)計為基礎(chǔ)，在工程建設(shè)中嚴格執(zhí)行低碳標準，并采取措施在整個建設(shè)過程中實施優(yōu)化低碳控制，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。高鐵如何在前期階段實現(xiàn)低碳化，是實現(xiàn)全過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)為例進行具體分析。

在鐵路選線方面，我國幅員遼闊，鐵路線動輒橫跨上百公里，面臨不同的地形地質(zhì)環(huán)境情況，科學合理的線路規(guī)劃有助于鐵路建設(shè)的安全性、科學性、經(jīng)濟性。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，是我國眾多鐵路中的一條。青藏線的選線在當時技術(shù)和環(huán)境下，通過人量步跨的方式，完成了選線工作，沿線的凍土、自然保護區(qū)等都是線路確定的重要影響因素。隨著技術(shù)進步，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。

在雙碳目標下，需要對選線工作重新進行梳理，以往的是否具有長遠的價值、是否最優(yōu)，一方面要考慮當前的建設(shè)、運營及維保，另一方面要考慮工程全生命周期的綜合價值。比如，黔張常鐵路的選線，除了要避免巖溶不良地質(zhì)對鐵路工程的危害，還需要分析增加的橋隧比例對生態(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折算成節(jié)碳碳當量，這樣在進行工程分析與綜合價值判斷時，就能形成更為直觀和科學的判斷依據(jù)。

從另一個角度看，雙碳目標下的鐵路選線工作，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，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)是目標之一，這需要從線路本體工程出發(fā)，綜合考慮全過程，以減少“下游工程”的整體代價為目標，最終達到節(jié)碳要求[2]。其次是減少對環(huán)境的擠壓，盡量減少本體工程對環(huán)境的占比，從而反向增加碳匯比例，對沖實際的碳排放。在新的目標要求下，選線技術(shù)標準的變化需要在項目前期階段就做好策劃，形成低碳高鐵整體實施的第一步。

在鐵路客站方面，作為鐵路運輸?shù)闹匾ㄖ蚱淇臻g大、人流密集、交通負荷大，建筑能耗量大，旅客對便捷、舒適性要求高等特點，是鐵路項目中重點進行碳排放控制的節(jié)點。車站作為一個地區(qū)對外交通的重要窗口，一方面肩負著基本的旅客運輸功能，另一方面是展示城市整體形象，體現(xiàn)城市對外開放的重要空間，功能與需求較高，這無形中增加了綜合耗能。在我國每年建成的近百座車站中，能實現(xiàn)低碳標準的車站本身較少，一方面是目前的標準及規(guī)范較為陳舊，缺乏低碳設(shè)計的指導性文件；另一方面是在建造及運維過程中存在落實不到位或者無法落實的情況，其主要原因是管理、設(shè)計、施工、運維等環(huán)節(jié)的人員缺乏對低碳車站的認識，“怎么做才是低碳”這一概念基本沒有形成，因此落實起來就非常困難。此外，站房在設(shè)計階段受到整體造價影響，經(jīng)常把各專業(yè)的低碳設(shè)計措施降低標準或者直接取消，造成概念高大上，落地大打折扣。因此，在低碳標準的實現(xiàn)上也基本沒有可能。除了上述的規(guī)范標準及人員意識不到位外，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，通過投資增量與碳排放的計算，進行量化控制，作為決策者科學選擇的依據(jù)。

在低碳建設(shè)方面，其本身的經(jīng)濟性、安全性、系統(tǒng)性、動態(tài)性、區(qū)域性特征是一項系統(tǒng)工程。鐵路行業(yè)涉及的專業(yè)多，涵蓋面廣，工程內(nèi)容復雜，建設(shè)周期長，要達到統(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)的特點和建設(shè)時序進行針對性地策劃，建立更為科學的精準管控。

首先應(yīng)加強各參建單位的低碳建設(shè)理念，建立統(tǒng)一認識，強化各級的管理創(chuàng)新。通過智能化等高效方式來替代傳統(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)特點進行低碳建設(shè)的策劃，制定可操作的實施目標。例如房建專業(yè)，低碳房屋可以通過建造過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?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。對于寒冷地區(qū)可設(shè)置陽光房，用以減少冬季采暖負荷，建筑通風方面可采用無動力風帽，并采用排風熱回收技術(shù)降低新風處理能耗，采用綠色供電系統(tǒng)，并設(shè)置光伏系統(tǒng)作為用電補充。再者是低碳建設(shè)的政策扶持，進行低碳建設(shè)勢必帶來成本增加，那么在造價上應(yīng)相比傳統(tǒng)造價應(yīng)予增加，在后期具體實施中應(yīng)設(shè)置嚴格的考核標準，保證低碳建設(shè)落到實處。在納稅環(huán)節(jié)，國家應(yīng)對低碳工程的稅收予以降低，材料的生產(chǎn)、購買、運輸?shù)热a(chǎn)業(yè)鏈進行政策傾斜，鼓勵低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過國家層面的政策引導、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、具體的優(yōu)惠政策實施等調(diào)控手段，使得低碳建設(shè)從操作層面變得可行，為全過程節(jié)碳打下良好的基礎(chǔ)。

2.2 高鐵運營階段的低碳策略

2016 年國家發(fā)改委等部委聯(lián)合發(fā)布了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2025 年鐵路路網(wǎng)規(guī)模達到175 000 km 左右，到2030 年基本達成縣級覆蓋，區(qū)際線路暢通，城市快速互通的目標。面對較長的運營里程，如何做到低碳綠色運營，乘客的碳足跡最短（見圖1），是非常困難的一項挑戰(zhàn)。

圖1 高鐵乘客碳足跡圖

在理論計算控制方面，國內(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，如何形成理論與實際操作更為貼切的技術(shù)路線，是解決節(jié)碳、低碳的實操手段。首先，需要分析哪些因素與鐵路碳排放有密切關(guān)系，從《我國鐵路運輸業(yè)碳排放效率與影響因素分析》[4]一文中可知，對于鐵路來說運輸是影響碳排放的首要因素，但是對于鐵路運營來說不僅僅是“前臺的表演”（車輛的運輸），也離不開后臺的保障（車輛運營的后臺保障體系），只有全系統(tǒng)的低碳才是終極目標，做好全面控制，才能做好全面“禁碳”。

高速鐵路運營階段產(chǎn)生的碳排放分為3 個部分：動車組牽引能耗產(chǎn)生的碳排放、維持車站日常運營產(chǎn)生的碳排放、運輸系統(tǒng)養(yǎng)護維修過程中的耗能或更換材料產(chǎn)生的碳排放。確定每個階段的研究邊界，建立各部分的節(jié)碳計算模型，通過量化指標分析和發(fā)現(xiàn)問題，形成解決問題的具體技術(shù)方案。

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

車輛運營的后臺保障系統(tǒng)也是碳排放較大的組成。供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等多系統(tǒng)的高效融合，通過建立科學高效且可融性強的數(shù)據(jù)融合關(guān)系，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以最小的代價實現(xiàn)信息的無障礙互通，減少各系統(tǒng)之間的壁壘，通過云平臺的介入，提高信息交互的效率和準確性，減少各系統(tǒng)之間形成的內(nèi)耗，進而達到節(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管理模式，確定維保時間、設(shè)備及材料的更換保養(yǎng)周期，建立高鐵運營性能與綜合碳排放幾者之間的關(guān)系，從而用最優(yōu)的代價確保車輛的安全運輸。

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，實現(xiàn)能耗精準監(jiān)測，同時利用智能化運營管理平臺采集的現(xiàn)場各類能耗數(shù)據(jù)，通過分類統(tǒng)計分析計算，對相關(guān)機電末端設(shè)備的饋出進行實時控制，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，合計節(jié)約673.36 萬元，各種能源換算成節(jié)省標準煤2 648 t，減少碳排放量8 845 t。如何形成維保應(yīng)用曲線，這個需要建立更多的數(shù)據(jù)收集場景，通過大數(shù)據(jù)分析，同時利用BIM 技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)應(yīng)用，根據(jù)不同地區(qū)氣候及運行特征，形成可利用的數(shù)字平臺，更為精準地做好維保減碳、節(jié)碳工作。

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

3 總結(jié)

高鐵建設(shè)中的雙碳目標是復雜的、多層面的、全過程控制的，需要有頂層策劃及具體的落實方案，需要參建各方建立統(tǒng)一的認識，形成深度理解，把各環(huán)節(jié)的“小事”做好，從設(shè)計源頭進行整體的控制，通過科研、實驗等技術(shù)手段，配合建設(shè)、管理、運維等精細化的有效措施，最終達到節(jié)碳、低碳目標，實現(xiàn)鐵路工程的全過程零碳。