地铁全生命周期的碳排放强度研究：以广州地铁21号线为例

Full Life-Cycle Carbon Emission Intensity of Subway： A Case Study of Guangzhou Metro Line 21

摘要

在全球应对气候变化的背景下，碳排放核算是量化减排路径有效性的关键前提，对促进我国轨道交通领域绿色低碳发展具有重要意义。鉴于此，基于生命周期评价方法构建了城市轨道交通全生命周期碳排放测算模型，并以广州地铁21号线为案例进行碳排放核算与分析，研究结果表明，该线路全系统全生命周期的总碳排放量达到4 676 856.43 t二氧化碳当量，其中建造阶段的碳排放量占总排放的46.35%；运营阶段中，列车牵引和车站运营的碳排放量分别占比30.06%和23.59%。研究明确了城市轨道交通碳排放计算的核算边界，并深入了探讨广州地铁21号线全生命周期的碳排放强度，为轨道交通系统的碳排放评估提供了重要的参考依据。

Abstract

Given the context of global efforts in addressing climate change, carbon emission accounting serves as a critical prerequisite for quantifying the effectiveness of emission reduction pathways, holding significance for promoting green and low-carbon development in the rail transit sector of China. To this end, a full life-cycle carbon emission measurement model for urban rail transit was constructed based on the life cycle assessment method, with Guangzhou Metro Line 21 selected as a case study for carbon emission accounting and analysis. The results demonstrate that the total carbon emissions throughout the system's full life-cycle of the line reach 4 676 856.43 t carbon dioxide equivalent, where the construction phase contributes 46.35% of the total emissions. During the operation phase, train traction and station operation account for 30.06% and 23.59% of emissions respectively. This study establishes clear accounting boundaries for the carbon emissions of urban rail transit and examines the full life-cycle carbon emission intensity of Guangzhou Metro Line 21, providing critical reference for the carbon emission assessment in rail transit systems.

Graphical abstract

关键词

城市轨道交通 / 碳排放 / 全生命周期评估 / 广州地铁 / 碳排放核算模型

Key words

Urban Rail Transit / Carbon Emission / Full Life-Cycle Assessment / Guangzhou Metro / Carbon Emission Accounting Model

0　引言

在全球气候变化的背景下，碳减排已成为各国的共同责任。2015年《巴黎协定》达成，明确目标是将全球气温上升控制在2 ℃以内，推动各国采取行动减少温室气体排放^[1]。作为全球碳排放大国，我国积极响应，提出了“碳达峰、碳中和”目标，计划在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和^[2]。2019年，交通运输系统的碳排放量约占全国各行业总排放量的9%^[3]。由此可见，交通运输领域的碳排放问题已十分严峻。在城市客运交通碳排放中，私家车是碳排放的主要来源^[4]。而轨道交通在单位乘客/货物运输中的能源效率显著高于公路和航空系统^[5]，在各种交通工具全生命周期的运营阶段中，城市轨道交通因其高效的客运能力和低碳排放特性，被视为推动绿色低碳出行的重要手段^[6-7]。虽然城市轨道交通在运营阶段具有低碳优势，但建设阶段碳排放亦对整体碳足迹产生重要影响，仅评估运营期难以全面反映其减排效益。因此需要综合全生命周期对城市轨道交通进行碳排放研究。

生命周期评价方法(LCA)是一种收集项目每个阶段的材料、能源和排放详细数据的碳排放核算方法，能够对环境影响进行全面分析^[5]。目前已有学者针对地铁的不同阶段进行碳排放核算研究，针对地铁建设阶段，杨洋等^[8]提出基于碳回收期的评估指标，将施工建设等阶段纳入量化体系，拓展了全生命周期视角；Liu等^[9]提出了基于配额的碳排放模型，指出混凝土和钢构件为主要排放源；王幼松等^[10]和贺晓彤^[11]分别对地铁建设阶段土建工程中的盾构隧道土建工程和地下明挖阶段土建工程进行碳排放核算。为减少地铁建设时期的碳排放，Zhang等^[12]分析得出了优化建筑材料生产、运输和施工设备能耗等潜在减碳措施。针对地铁运营阶段，龙江英等^[13]研究了运营阶段碳排放核算方法；谢鸿宇等^[14]对深圳地铁的牵引电力和地铁站场用电进行分析；Doll等^[15]测算了德里地铁系统运营阶段的牵引碳排放量；Chen等^[16]运用生命周期评价方法分析了深圳地铁2005—2021年运营阶段的碳排放强度。尽管这些研究为碳排放核算提供了有力支持，但大多数研究仅针对生命周期的某个阶段进行碳排放量化。

在此背景下，已有研究基于全生命周期视角开展碳排放核算。Li等^[17]使用LCA方法计算了上海地铁建设、运营和维护阶段的温室气体排放；陈坤阳等^[18]基于全国地铁建设运营统计数据，通过分析地铁全生命周期的碳排放强度，得到全国地铁建设运营的碳排放平均水平；Guo等^[19]提出简化的LCA方法，考虑了建设阶段的材料生产、运输、施工能耗及运营阶段的列车运行、车辆轻量化和能源管理等因素；李晓峰等^[20]对北京一条新建地铁线路全生命周期的碳排放量进行了定量分析。

综上所述，现有研究的局限性，一是颗粒度较大，忽视了各子系统之间的差异，也未能充分考虑不同地区、不同设计等因素对碳排放的影响，导致碳排放评估结果存在显著差异；二是核算边界的划分不够清晰，未明确界定具体的核算范围，缺乏统一的规范和标准，导致建设和运营阶段的划分存在不一致性。因此，有必要明确城市轨道交通碳排放核算边界并且整合地铁全系统进行全生命周期的碳排放核算^[21-23]。以广州地铁21号线为例建立精细化的全系统、全生命周期的碳排放核算模型，研究单线地铁全生命周期的碳排放强度，揭示广州地铁21号线在不同阶段和子系统中的碳排放贡献。

1　城市轨道交通碳排放核算边界与模型

1.1　核算边界

基于LCA方法，将地铁全生命周期划分为3个阶段：建造阶段、运营阶段和拆除回收阶段。在核算空间边界方面，城市轨道交通系统包括了土建工程、列车车辆和机电设备在内的各个组成部分。在核算时间边界方面，鉴于土建工程、列车车辆和机电设备在建造过程中具有不同的特点，因此需要分析每个子系统在建造阶段碳排放的不同特点。此外，城市轨道交通系统还包含通信、信号和自动售检票等子系统。尽管这些设备在生产和安装过程中存在较高的能源消耗和碳排放，但由于地铁公司对该过程无法直接控制，本研究将忽略生产安装阶段的碳排放，重点分析设备运营阶段的碳排放。与建造阶段不同，运营阶段统一定义为设备或系统投入使用后的整个运营期间。值得注意的是，城市轨道交通全生命周期理论上包括建造、运营及回收(报废)阶段，但已有研究结果表明城市轨道交通的碳排放90%以上主要来自建设和运营阶段^[17]，因此为聚焦对碳排放贡献最大的阶段，仅核算建造和运营阶段的碳排放，回收阶段的碳排放可以忽略^[24]。城市轨道交通碳排放核算边界划分如图1所示。

1.2　城市轨道交通子系统碳排放核算分析

1.2.1　线路土建工程

地铁工程参考城市轨道交通工程划分^[25]，将地铁线路土建工程划分为隧道工程、桥梁工程、轨道工程、车站工程和车辆段工程等。车辆段工程由于碳排放数据缺口量大且在整条线路中占比较小，暂且忽略不计。

参考建筑全生命周期碳排放的划分，同时考虑到地铁土建工程的特点，将预制构件的成型环节纳入地铁工程全生命周期。将地铁土建工程划分为9个阶段：勘察设计、材料获取、材料运输、建材生产、预制构件成型、运输、工程施工、运营维护和拆除回收。经分析，勘察设计、运营维护和拆除回收阶段的碳排放量相对微小，故不予考虑。原材料开采、运输及建材生产过程中的碳排放主要来源于建材生产，故简化为“建材生产阶段”。且由于预制构件成型与建材生产过程高度相似，故合并为建材与预制构件生产阶段。研究重点集中在对总体碳排放贡献显著的建材与预制构件的生产、运输及施工3个阶段，这3个阶段统称为地铁土建工程建造阶段。

1.2.2　列车车辆

列车碳排放核算是一个全面评估列车各装置从生产加工、运输、安装、使用到最终报废全生命周期内所产生的环境影响的过程，每一个环节都可能产生碳排放。原材料的加工和生产需要消耗能源，如果依赖化石燃料，则会生成大量碳排放；生产过程中的焊接、涂装等工艺也会直接或间接产生碳排放；运输环节中，无论是原材料的运输还是成品列车的移动，都会因燃料消耗而产生碳排放；列车装置的使用和维护，如电力驱动和空调系统的运行，同样会涉及能源消耗和碳排放；废弃物处理和材料回收过程的碳排放忽略不计。列车车辆的生产加工、运输和安装这3个阶段统称为列车建造阶段。

1.2.3　机电设备

一方面，供电设备是城市轨道交通的能源中枢，例如主变电所、牵引/降压变电所、牵引网等子设备为列车、车站设备以及车辆基地提供稳定可靠的电力支持；另一方面，车站机电设备是城市轨道交通系统中至关重要的组成部分，包括多种为列车运营和乘客服务提供支持的设施，如车站结构设备、环控系统以及安全系统等。

在变电所碳排放核算中，主要关注变压器和开关柜，其他设备忽略不计。主变电所中的变压器与牵引/降压变电所中的开关柜在生命周期的各个环节产生显著碳排放，因此作为核算的重点。牵引网负责电力的传输与分配，其碳排放主要集中在基础设施建设阶段，选用接触轨和电缆作为牵引网的主要代表核算对象。车站结构设备中选用扶梯、电梯和屏蔽门作为主要代表核算对象，这些设备在建造和运营阶段会消耗大量能源，同时产生显著碳排放。环控系统选用冷水机组作为主要代表核算对象，其在原材料生产、整机生产、运输安装以及运行阶段都会产生显著的能源消耗及大量碳排放。

综上，机电设备的碳排放核算对象为变压器、开关柜、接触轨、电缆、电扶梯、冷水机组和屏蔽门7个设备，碳排放计量范围包括原材料生产、原材料运输、产品生产、产品运输等建造阶段以及运营阶段。

1.3　全生命周期碳排放计算模型

1.3.1　线路土建工程

线路土建工程建造阶段碳排放计算方法参考黄旭辉的研究^[26]。地铁线路土建工程建造阶段包括建材和预制构件生产阶段、建材和预制构件运输阶段、施工阶段，由下往上累计得到线路土建工程建造阶段碳排放，计算公式如式⑴所示。

C_{jz}=C_{sc}+C_{ys}+C_{sg}⑴

式中：C_{jz}为线路土建工程建造阶段总碳排放，tCO₂e；C_{sc}为建材和预制构件生产阶段碳排放，tCO₂e；C_{ys}为建材和预制构件运输阶段碳排放，tCO₂e；C_{sg}为建材和预制构件施工阶段碳排放，tCO₂e。

建材和预制构件生产阶段的碳排放是指在建材从原料的获取、加工到成品制造的全过程中，资源与能源的消耗以及污染物排放所导致的碳排放。

建材和预制构件生产阶段的碳排放计算公式为

C_{sc}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{Q}_i\left(\mathrm{1}+u_i\right)F_i⑵

式中：C_{sc}为建材和预制构件生产阶段碳排放，tCO₂e；Q_i为建材和预制构件工程量，t或m³或m(不同材料对应不同单位，下同)；u_i为建材和预制构件损耗率；F_i为原生建材和预制构件生产阶段碳排放因子，kgCO₂e/kg或kgCO₂e/m³；n为建材和预制构件种类数。

建材和预制构件运输阶段的碳排放是指在运输建材从产地到施工现场中，各类交通工具的能源消耗会产生直接或间接的碳排放。

建材和预制构件运输阶段的碳排放计算公式为

C_{ys}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1},j=\mathrm{1}}^{n,k}}{Q}_i\left(\mathrm{1}+u_i\right){\rho }_i\frac{D_{ij}}{\mathrm{100}}{F}_j⑶

式中：C_{ys}为建材和预制构件运输阶段碳排放，tCO₂e；Q_i为建材和预制构件工程量，t或m³或m²或m；u_i为建材和预制构件损耗率；{\rho }_i为建材和预制构件密度，t/t或t/m³或t/m²或t/m；D_{ij}为第i种建材和预制构件第j种运输方式的运距，km；F_j为第j种运输方式每百吨公里的运输碳排放因子，kgCO₂e/(100 t·km)；n为建材和预制构件种类数；k为运输方式种类数。

在建材和预制构件施工阶段，大量施工机具的作业、劳动力的使用、水资源的消耗和周转材料的摊销使用都会产生碳排放。

建材和预制构件施工阶段碳排放计算公式为

C_{sg}=C_{sg\mathrm{1}}+C_{sg\mathrm{2}}+C_{sg\mathrm{3}}+C_{sg\mathrm{4}}⑷

式中：C_{sg}为施工阶段碳排放，tCO₂e；C_{sg\mathrm{1}}为施工机具耗能产生的碳排放量，tCO₂e；C_{sg\mathrm{2}}为劳动力产生的碳排放量，tCO₂e；C_{sg\mathrm{3}}为用水产生的碳排放量，tCO₂e；C_{sg\mathrm{4}}为周转材料摊销使用产生的碳排放量，tCO₂e。

施工机具耗能、劳动力、用水和周转材料摊销使用产生的碳排放量，分别如式⑸—⑻所示。

C_{sg\mathrm{1}}={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^a}{M}_j{F}_j={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^b}{R}_j{F}_{Rj}⑸

式中：M_j为第j种施工机具台班数，台班；F_j为第j种施工机具台班碳排放因子，kgCO₂e/台班；R_j为第j种能源消耗量，kg或kW·h；F_{Rj}为第j种能源碳排放因子，kgCO₂e/kg或kgCO₂e/(kW·h)；a为施工机具种类数；b为能源种类数。

C_{sg\mathrm{2}}=T{F}_T⑹

式中：T为工日总数，d；F_T为工日碳排放因子，kgCO₂e/d。

C_{sg\mathrm{3}}=R_w{F}_w⑺

式中：R_w为用水量，m³；F_w为用水碳排放因子，kgCO₂e/m³。

C_{sg\mathrm{4}}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{W}_i{t}_i{F}_i^{\text{'}}\text{'}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{W}_i{t}_i\left.\left[\left(\mathrm{1}-{\alpha }_i\right)F_i+{\alpha }_i{F}_i^{\mathrm{\text{'}}}\right.\right)]⑻

式中：W_i为周转材料工程量，t或m³或m²或m；t_i为摊销消耗率；{\alpha }_i为再生率；F_i为原生周转材料生产阶段碳排放因子，kgCO₂e/t或kgCO₂e/m³或kgCO₂e/m²或kgCO₂e/m；F_i^{\mathrm{\text{'}}}为全再生周转材料生产阶段碳排放因子，kgCO₂e/t或kgCO₂e/m³或kgCO₂e/m²或kgCO₂e/m；F_i^{\text{'}}\text{'}为特定比例再生周转材料生产阶段碳排放因子，kgCO₂e/t或kgCO₂e/m³或kgCO₂e/m²或kgCO₂e/m；m为周转材料种类数。

在城市轨道交通建设中，线路土建工程主要由轨道工程、隧道工程、车站工程和桥梁工程4个部分构成。

轨道工程是指城市轨道交通建设的轨道铺设，轨道工程建设阶段单位里程的碳排放量计算公式为

C_{jz,g}=\frac{C_{sc,g}+C_{ys,g}+C_{sg,g}}{L_g}⑼

式中：C_{jz,g}为轨道工程建设阶段单位里程总碳排放量，tCO₂e /km；L_g为轨道工程建设里程，km；C_{sc,g}，C_{ys,g}和C_{sg,g}分别为轨道工程生产阶段、运输阶段和施工阶段的碳排放量，tCO₂e。

隧道工程是指城市轨道交通建设的隧道建设，隧道工程建设阶段单位里程的碳排放量计算公式为

C_{jz,s}=\frac{C_{sc,s}+C_{ys,s}+C_{sg,s}}{L_s}⑽

式中：C_{jz,s}为隧道工程建造阶段单位里程总碳排放量，tCO₂e/km；L_s为隧道工程建设里程，km；C_{sc,s}，C_{ys,s}和C_{sg,s}分别为隧道工程生产阶段、运输阶段和施工阶段的碳排放量，tCO₂e。

车站工程是指城市轨道交通建设的车站建造，单位面积车站工程的总碳排放量计算公式为

C_{jz,\mathrm{z}}=\frac{C_{sc,\mathrm{z}}+C_{ys,z}+C_{sg,z}}{A}⑾

式中：C_{jz,z}为单位面积车站工程建造阶段的碳排放量，tCO₂e/m²；C_{sc,z}，C_{ys,z}和C_{sg,z}分别为单个车站工程生产阶段、运输阶段和施工阶段的碳排放量，tCO₂e；A为车站建筑面积，m²。

桥梁工程是指城市轨道交通建设的桥梁建设，桥梁工程建设阶段单位里程的碳排放量计算公式为

C_{jz,q}=\frac{C_{sc,q}+C_{ys,q}+C_{sg,q}}{L_q}⑿

式中：C_{jz,q}为桥梁工程建造阶段单位里程总碳排放量，tCO₂e/km；L_q为桥梁工程建设里程，km；C_{sc,q}，C_{ys,q}和C_{sg,q}分别为桥梁工程生产阶段、运输阶段和施工阶段的碳排放量，tCO₂e。

1.3.2　列车车辆

列车车辆全生命周期碳排放计算方法参考城市轨道交通工程碳排放核算标准^[27]。列车车辆建造阶段的总碳排放量计算公式为

C_{jz,c}=C_{sc,c}+C_{ys,c}+C_{sg,c}⒀

式中：C_{jz,c}为单辆列车车辆建造阶段总碳排放量，tCO_2e；C_{sc,c}，C_{ys,c}和C_{sg,c}分别为单辆列车生产阶段、运输阶段和施工阶段的碳排放量，tCO₂e。

各阶段碳排放量分别如式⒁—⒃所示。

C_{sc,c}={\displaystyle \sum _i^n}{W}_i\times F_i⒁

式中：W_i为第i种部件的质量，kg；n为部件总数量；F_i为第i种部件的主要使用材料的碳排放因子，kgCO₂e/kg。

C_{ys,c}={\displaystyle \sum _i^n}{W}_i\times L_i\times T{F}_i⒂

式中：L_i为第i种部件主要材料的运输距离，km；T{F}_i为第i种部件主要材料的运输碳排放因子，kgCO₂e/(t·km)。

C_{sg,c}=T\times F_T+{\displaystyle \sum _j^m}{M}_j\times F_j⒃

式中：T为工日总数，d；F_T为工日碳排放因子，kgCO₂e/d；M_j为第j种施工机具台班数，台班；F_j为第j种施工机具台班碳排放因子，kgCO₂e/台班；m为施工机具台班总数量，台班。

列车运营阶段的碳排放直接由列车牵引能耗影响，通过获取列车全寿命运营期间的牵引能耗计算出列车运营阶段的碳排放量，如式⒄所示。

C_{yy,c}=L_T{F}_e{\displaystyle \sum _j^b}{E}_j⒄

式中：C_{yy,c}为单个列车运营阶段总碳排放量，tCO₂e；b为一年当中的天数，d；E_j为第j天中列车牵引能耗，kW·h；L_T为列车寿命年限，a；F_e为电力碳排放因子，kgCO₂e/(kW·h)。

1.3.3　机电设备

机电设备建造阶段碳排放计算方法参考秦骜等的研究^[28]，机电设备建造阶段的总碳排放量计算公式为

C_{jz,j}={\displaystyle \sum _i^n}\left(C_{sc,i}+C_{ys,i}+C_{sg,i}\right)⒅

式中：C_{jz,j}为机电设备总碳排放量，tCO₂e；n为机电设备组成部分的总数量；C_{sc,i}，C_{ys,i}和C_{sg,i}分别为第i个机电设备组成部分的生产阶段、运输阶段和施工阶段的碳排放量，tCO₂e。

机电设备的生产阶段碳排放计算公式为

C_{sc,i}=\sum _k\sum _i\sum _p\left(M_{k,i,p}{W}_{k,i,p}\right)+\sum _k\sum _i\sum _l\left(E_{k,i,l}{U}_{k,i,l}\right)⒆

式中：k为机电设备中的子系统种类；i为子系统中的单元构件种类；p为材料种类；l为能耗种类；M_{k,i,p}为第k种子系统、第i种单元构件中第p种材料的使用量，kg；W_{k,i,p}为第k种子系统、第i种单元构件中第p种材料的碳排放因子，kgCO₂e/kg；E_{k,i,l}为第k种子系统、第i种单元构件中第l种能源的消耗量，kW·h或kg或m³；U_{k,i,l}为第k种子系统、第l种能源的碳排放因子，kgCO₂e/(kW·h)或kgCO₂e/kg或kgCO₂e/m³。

机电设备的运输阶段碳排放计算公式为

C_{ys,i}=\sum _k\sum _t\sum _i\left(M_{k,i,t}{U}_{k,t}{L}_{k,i,t}\right)⒇

式中：t为运输方式的种类；M_{k,i,t}为第k种子系统中以第t种方式运输的单元构件i的质量，t；U_{k,t}为第k种子系统中第t种运输方式的碳排放因子，kgCO₂e/(t·km)；L_{k,i,t}为第k种子系统中以第t种方式运输的单元构件i的运输距离，km。

机电设备的安装阶段碳排放计算公式为

C_{sg,i}=\sum _k\sum _c\left(Q_{k,c}{E}_{k,c}{U}_c\right)21

式中：c为安装工艺的种类；Q_{k,c}为第k项子系统中第c种安装施工工艺的工程量，kg或m³；E_{k,c}为第k项子系统中第c种安装施工工艺的单位工程量所产生的能耗，kW·h/kg或kW·h/m³；U_c为第c种安装施工工艺所消耗能源的碳排放因子，kgCO₂e/(kW·h)。

目前地铁大部分的能量消耗都为间接碳排放的电力消耗，因此对地铁运营阶段碳排放研究通常忽略其他能源形式的碳排放。地铁机电设备系统数量繁多，各系统又包括若干个子系统，本研究的模型通过获取机电设备全寿命期间所消耗的电能进而计算全生命周期机电设备运营阶段的碳排放量，如式22所示。

C_{yy,j}=F_e{\displaystyle \sum _j^n}{\displaystyle \sum _i^{a_j}}{E}_{i,j}22

式中：C_{yy,j}为机电设备运营阶段总碳排放量，tCO₂e；a_j为第j个设备总寿命的天数，d；E_{i,j}为第i天中第j个设备所消耗的电能，kW·h；F_e为电力碳排放因子，kgCO₂e/(kW·h)。

2　案例分析

2.1　案例概况

广州地铁21号线(以下简称“21号线”)全长约61.6 km，包括40.1 km地下段隧道、6.8 km山体隧道及14.7 km地面段。在施工过程中，地下段隧道采用了盾构法，山体隧道采用钻爆法。全线设有21座车站，其中17座为地下站，4座为高架站。初期运营车辆总数为24辆。

2.2　地铁土建工程碳排放核算

2.2.1　轨道工程碳排放核算

地铁轨道工程的碳排放主要来源于钢轨所使用的钢材、轨枕所需的钢材和混凝土，以及道床所铺设的碎石。根据广东省轨道交通工程设计规范^[29]，城市轨道交通钢轨采用的规格为60 kg/m，21号线的地下线高架线整体道床采用预应力混凝土长轨枕，铺设标准为1 680根/km。1 km双线轨道的施工材料清单参考Baron等的研究^[30]。碳排放因子数据和轨道工程建筑材料运输阶段数据参考黄旭辉的研究^[26]，经计算得轨道工程材料生产阶段与运输阶段每公里碳排放清单如表1所示。

1 km地下线铺轨的施工机械耗能清单参考北京市住房和城乡建设委员会提出的标准指南^[31]，轨道工程施工阶段每公里碳排放清单如表2所示，可以计算得轨道工程施工阶段碳排放强度为43.913 tCO₂e/km。由表1可得出轨道工程建筑材料生产阶段与运输阶段单位里程碳排放强度分别为1 183.92 tCO₂e/km和8.74 tCO₂e/km，轨道工程碳排放强度共为1 236.573 tCO₂e/km，计算得地铁土建工程中轨道工程碳排放量为76 172.90 tCO₂e。

2.2.2　隧道工程碳排放核算

地铁隧道工程的施工技术主要包括2种：盾构隧道工程和矿山隧道工程。盾构隧道工程是利用盾构机在地下进行隧道开挖和衬砌的施工方法。盾构隧道工程中碳排放的计算数据参考黄旭辉的研究^[26]。

矿山隧道工程是通过在地面上进行大规模的土方开挖来形成隧道的施工方法。21号线在矿山隧道工程施工过程所采用的具体方法是钻爆法。因此在矿山隧道工程中主要考虑钻爆法的碳排放计算。矿山隧道工程中碳排放的计算数据参考王一鹏等的研究^[32]。隧道工程碳排放强度清单如表3所示。经计算得出盾构隧道工程的碳排放量为531 886.40 tCO₂e，矿山法隧道工程93 042.70 tCO₂e，21号线隧道工程总碳排放量为624 929.10 tCO₂e。

2.2.3　车站工程碳排放核算

车站工程分为地下明挖车站工程、地下暗挖车站工程与高架车站工程。21号线的车站工程碳排放计算只考虑地下明挖车站工程与高架车站工程。以神舟路站作为地下明挖车站工程的案例分析。神舟路站车站总建筑面积29 949 m²。神舟路站车站工程建造阶段建材消耗量清单如表4所示。

车站工程关键建材的碳排放因子主要参照《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)以及四川大学数据库CLCD。神舟路站车站工程碳足迹计算排放因子如表5所示。通过分析计算可得神舟路站车站工程建筑材料生产阶段碳排放强度为3 256.51 kgCO₂e/m²，经过实际调研可得运输阶段与施工阶段碳排放强度数据，分别为31.24 kgCO₂e/m²和269.27 kgCO₂e/m²。即可得地下明挖车站工程碳排放强度为3 557.02 kgCO₂e/m²。

高架车站的碳排放强度数据参照李晓锋等的研究^[33]。高架车站的碳排放强度取1 077.885 kgCO₂e/m²。

根据广州地铁统计的数据可得21号线地下明挖车站总面积约为290 167.482 m²，高架车站总面积约为41 485.04 m²。通过车站总建筑面积乘以车站建造碳排放强度，得到21号线地下明挖车站工程碳排放量为1 032 131.54 tCO₂e，高架车站工程碳排放量为44 716.10 tCO₂e，车站工程总碳排放量为1 076 847.64 tCO₂e。

2.2.4　桥梁工程碳排放核算

根据《广东省城市轨道交通工程设计规范》^[29]，桥梁结构宜优先选用整孔预制架设、预制节段拼装的设计及施工方法。桥梁工程碳排放强度计算数据参考李思慧等对粤港澳大湾区某城际线路无砟轨道桥梁的研究^[34]。桥梁工程生产阶段、运输阶段和施工阶段碳排放强度分别为18 823.11 tCO₂e/km，212.95 tCO₂e/km和870.69 tCO₂e/km，桥梁工程总碳排放强度为19 906.75 tCO₂e/km。经核算得桥梁工程碳排放量为292 629.20 tCO₂e。

2.2.5　土建工程碳排放结果分析

通过对地铁土建工程的碳排放核算，可得21号线地铁土建工程碳排放量为2 070 578.84 tCO₂e，其中轨道工程、隧道工程、车站工程和桥梁工程碳排放量占比分别为3.68%，30.18%，52.01%和14.13%，21号线地铁土建工程碳排放量如图2所示。

2.3　列车车辆碳排放核算

在列车车辆建造阶段碳排放核算中，根据21号线地铁部件质量数据计算出21号线列车各部件的碳排放量，碳排放因子中钢的数据参考《城市轨道交通工程碳排放核算标准》^[27]，其余数据参考中国产品全生命周期温室气体排放系数库(CPCD)^[35]。21号线列车建造阶段各材料重量及其碳排放量如表6所示。单辆列车在生产阶段的总碳排放量为221.04 tCO₂e。运输阶段均默认材料运输距离为500 km^[27]，并使用重型柴油货车运送材料，碳排放因子为18.964 kgCO₂e/(100 t·km)^[26]。21号线列车质量为197.62 t，可计算得出21号线列车在运输阶段碳排放量为18.74 tCO₂e。列车建造阶段中的施工部分数据缺失暂不考虑。单辆列车建造阶段产生的碳排放总量为239.78 tCO₂e，按21号线共有24列列车来计算，则21号线列车在建造阶段总碳排放量为5 754.72 tCO₂e。

在列车车辆运营阶段碳排放核算中，由于数据的缺失，采用2024年中典型工作日和典型周末的能耗数据进行估算。具体而言，选择21号线在2024年6月14日(工作日)和6月15日(周末日)的单列车牵引运行能耗数据，以此预估列车在其使用寿命期间的碳排放量。在计算过程中，依据每月工作日22天、周末8天，以及每年工作日261天、周末104天的标准，分别估算了21号线列车车辆的月能耗和年能耗。根据地铁设计标准，车辆寿命不小于30年^[36]，故列车的寿命年限L_T设置为30年，21号线列车牵引运行能耗及碳排放量如表7所示。此外，列车车辆运营阶段的碳排放核算采用广东省的电力碳排放系数0.637 9 kgCO₂e/(kW·h)^[37]。

通过对列车车辆进行碳排放核算，可得21号线列车车辆建造阶段碳排放量为5 754.72 tCO₂e，运营阶段碳排放量为1 405 785.46 tCO₂e。

2.4　机电设备碳排放核算

在机电设备建造阶段碳排放核算中，由于数据缺失，开关柜、接触轨和电缆忽略了运输阶段与施工阶段的碳排放量，冷水机组忽略了施工阶段的碳排放量。

（1）变压器。以油浸变压器折算成干式变压器为标准进行21号线变压器的碳排放核算。根据现有研究^[38]，生产110 kV油浸变压器产品的碳排放量为184.42 tCO₂e，本研究粗略地定义失去原材料油的油浸变压器为干式变压器，经计算得出110 kV干式变压器产品碳排放量为149.49 tCO₂e。按比例折算得33 kV干式变压器碳排放量为44.85 tCO₂e，将规格为2 750 kVA的整流变压器碳排放量视为33 kV干式变压器的碳排放量，其他规格(kVA)的变压器按比例进行折算。21号线变压器数量清单及碳排放量如表8所示，经计算21号线变压器的总碳排放量为4 071.34 tCO₂e。

（2）牵引/降压变电所(开关柜)。以山东泰开成套电器有限公司开关柜产品为标准进行21号线牵引/降压变电所典型设备开关柜的碳排放核算。开关柜的碳排放计算数据参考山东泰开成套电器有限公司的报告^[39]，得出12 kV开关柜的碳排放量为1.41 tCO₂e/台。进而可以根据比例折算36 kV开关柜的碳排放量为4.23 tCO₂e/台以及1 500 V开关柜的碳排放量为0.18 tCO₂e/台。

由21号线统计数据可知，36 kV开关柜共有353台，1 500 V开关柜共有211台。36 kV开关柜碳排放量为1 493.19 tCO₂e，1 500 V开关柜碳排放计算为37.98 tCO₂e，共计1 531.17 tCO₂e。

（3）接触轨。以钢铝复合材料为标准进行21号线工程中接触轨的碳排放核算。由21号线提供的数据得钢铝复合轨的规格为14.7 kg/m。而钢轨总长可以粗略按照线路全长61.6 km的4倍计算为246.4 km，则钢轨总质量为3 622.08 t。估计该钢铝复合材料中铝的含量为85%，钢的含量为15%。钢和铝的碳排放因子数据参考《城市轨道交通工程碳排放核算标准》^[27]，分别为1.72 kgCO₂e/kg和3.64 kgCO₂e/kg。经计算得出21号线接触轨的碳排放量为11 212.21 tCO₂e。

（4）电缆。以浙江中大元通特种电缆有限公司电缆产品为标准进行21号线工程中电缆的碳排放核算。定义生产1 km的95 mm²的电缆的碳足迹为108.18 kgCO₂e^[40]。21号线电缆数量统计信息如表9所示，1\times95 mm²的电缆长度共为2 486.54 hm，其碳排放量为26 899.389 7 kgCO₂e。其他规格的电缆采用按电缆横截面积比例折算方法，经计算可得21号线电缆的总碳排放量为392.40 tCO₂e。

（5）自动扶梯。以提升高度10 m、速度0.5 m/s、倾斜角30°的通力TransitMaster^TM 140自动扶梯为标准进行21号线车站扶梯建造阶段的碳排放核算。根据现有研究^[41]，每台自动扶梯的全生命周期碳排放量为120.859 tCO₂e。统计21号线车站自动扶梯总提升高度为2 180.99 m，再按提升高度的比例折合计算得出21号线车站自动扶梯建造阶段的总碳排放量为26 359.23 tCO₂e。

（6）电梯。以沃克斯迅达电梯有限公司生产的载重0.8 t、额定速度1.5 m/s的VE800/1.5型乘客电梯为标准进行21号线车站无机房电梯建造阶段的碳排放核算。根据现有研究^[42]，每台VE800/1.5型乘客电梯产品在建造阶段的碳排放量为16.025 tCO₂e。统计21号线车站无机房电梯总载重为73.3 t，再按电梯载重的比例折合计算得出21号线车站无机房电梯建造阶段的总碳排放量为1 468.29 tCO₂e。

（7）冷水机组。采用重庆美的通用制设备有限公司生产的直驱变频离心冷水机组CCWE250EV为标准进行21号线车站冷水机组建造阶段的碳排放核算，经过实际调研可得，冷水机组生产阶段碳排放量为37.23 tCO₂e，运输阶段为0.44 tCO₂e，则冷水机组建造阶段碳排放量为37.67 tCO₂e。按21号线21座车站21台冷水机组来计算，其建造阶段总碳排放量为791.07 tCO₂e。

在机电设备的运营阶段碳排放核算中，考虑到机电设备种类多且繁杂，本研究直接通过公式22获取机电设备寿命期间所消耗的电能进而计算全生命周期车站机电设备运营阶段的碳排放量，同时假设车站设备所有子系统使用寿命为15年。以每月工作日22日、周末8日以及每年工作日261日、周末104日为标准分别估算21号线每个车站产生的月能耗、年能耗。21号线车站设备运营能耗及碳排放量如表10所示。

通过估计，21号线全线月碳排放量为3 024.84 tCO₂e，年碳排放量36 769.53 tCO₂e。为与列车车辆使用寿命统一，将车站设备中所有子系统的使用时长按30年核算，则车站设备在运营阶段产生的碳排放量为1 103 085.90 tCO₂e，碳排放因子采用广东省的电力碳排放系数0.637 9 kgCO₂e/(kW·h)^[37]。

通过对机电设备进行碳排放核算，可得21号线的机电设备一次建造阶段的碳排放数据如下：变压器4 071.34 tCO₂e，开关柜1 531.17 tCO₂e，接触轨11 212.21 tCO₂e，电缆392.40 tCO₂e，自动扶梯26 359.23 tCO₂e，电梯1 468.29 tCO₂e，冷水机组791.07 tCO₂e，总计45 825.71 tCO₂e。机电设备中所有子系统使用寿命以15年计算，则30年共需两批设备。21号线机电设备(按两批核算)建造阶段碳排放量如图3所示。因此，建造阶段碳排放量为91 651.42 tCO₂e，运营阶段碳排放量为1 103 085.90 tCO₂e，共计1 194 737.32 tCO₂e。

2.5　全生命周期碳排放结果分析

通过对地铁土建工程、列车车辆和机电设备进行碳排放核算与分析，可得全系统总碳排放估计量为4 676 856.43 tCO₂e，其中地铁土建工程碳排放估计量2 070 578.84 tCO₂e，占总碳排放量44.27%，列车车辆碳排放估计量1 411 540.27 tCO₂e，占总碳排放量30.18%，机电设备碳排放估计量1 194 737.32 tCO₂e，占总碳排放量25.55%，21号线碳排放结果如表11所示。

21号线建造阶段碳排放量为2 167 984.98 tCO₂e，占比为46.35%，其中列车车辆建造占比0.12%，机电设备建造占比1.96%，土建工程的碳排放占比最大达到44.27%，成为碳排放的主要贡献者，提示在未来的建设中，需要特别关注建造阶段的碳减排措施。此外运营阶段碳排放量为2 508 871.45 tCO₂e，碳排放占比为53.65%，其中列车牵引贡献了30.06%，机电设备使用则占23.59%。

3　结论

研究基于全生命周期理论，明确了城市轨道交通的碳排放核算边界，构建了城市轨道交通的碳排放核算模型，并对广州地铁21号线的碳排放强度进行了系统的分析，主要结论如下。

（1）明确了城市轨道交通的全生命周期碳排放核算边界，将地铁建造阶段划分为线路土建工程、机电设备和列车车辆，同时将运营阶段划分为车站运营和列车牵引2个部分。其中线路土建工程又包括了轨道工程、隧道工程、车站工程和桥梁工程，机电设备划分为变压器、开关柜和接触轨等不同的子系统。这一划分方法确保了碳排放核算的全面性和准确性。

（2）通过生命周期评估方法，建立细致的城市轨道交通全线、全系统及全生命周期碳排放计算模型，针对城市轨道交通的不同组成部分建立了对应的碳排放计算方法，该方法能够系统性地评估不同阶段和子系统的碳排放量。

（3）对广州地铁21号线进行了系统的碳排放计算，研究结果表明，该线路全生命周期碳排放总量为4 676 856.43 tCO₂e，建造阶段占比46.35%，运营阶段占比53.65%，其中土建工程和列车牵引系统在各自阶段的碳排放中占主导地位，具有较大减排潜力。

尽管研究构建了系统的地铁全生命周期碳排放核算模型，并以广州地铁21号线为例进行了实证分析，但在数据完整性与区域代表性方面仍存在一定局限。后续研究应进一步强化关键设备环节的数据支撑，并拓展多区域、多类型轨道交通系统的对比研究，以提升模型的普适性与推广适用性。

参考文献

[1] United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC).Paris Agreement [EB/OL].(2015-12-12)[2024-12-20].

[2] 中华人民共和国国务院新闻办公室.中国应对气候变化的政策与行动(2021)[R].北京：中华人民共和国国务院新闻办公室，2021.

[3] 中华人民共和国生态环境部.第三次国家气候变化通讯[R].北京：中华人民共和国生态环境部，2019.

[4] LI X，LYU T， ZHAN J，et al.Carbon Emission Measurement of Urban Green Passenger Transport：A Case Study of Qingdao[J].Sustainability，2022，14(15)：9588.

[5] FONSECA-SOARES D DA， ELIZIÁRIO S A， GALVINCIO J D，et al. Greenhouse Gas Emissions in Railways：Systematic Review of Research Progress[J]. Buildings，2024，14(2)：539.

[6] 袁振洲，袁晓敬，杨　洋，等. 城市轨道交通低碳效应研究综述[J]. 铁道运输与经济，2024，46(8)：8-23，57.

[7] YUAN Zhenzhou， YUAN Xiaojing， YANG Yang，et al. Review on Research of Low-Carbon Effects in Urban Rail Transit[J]. Railway Transport and Economy，2024，46(8)：8-23，57.

[8] WANG Z J， CHEN F， FUJIYAMA T. Carbon Emission from Urban Passenger Transportation in Beijing[J]. Transportation Research Part D：Transport and Environment，2015，41：217-227.

[9] 杨　洋，王雪纯，袁振洲，等. 基于碳回收期理论的城市轨道交通碳减排效应测算[J]. 交通运输系统工程与信息，2023，23(5)：1-11，23.

[10] YANG Yang， WANG Xuechun， YUAN Zhenzhou，et al. Calculation for Carbon Emission Reduction Effect of Urban Rail Transit Based on Carbon Recovery Period Theory[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology，2023，23(5)：1-11，23.

[11] LIU M H， JIA S Y， HE X T. A Quota-Based GHG Emissions Quantification Model for the Construction of Subway Stations in China[J]. Journal of Cleaner Production，2018，198：847-858.

[12] 王幼松，黄旭辉，闫　辉. 地铁盾构区间物化阶段碳排放计量分析[J]. 土木工程与管理学报，2019，36(3)：12-18，47.

[13] WANG Yousong， HUANG Xuhui， YAN Hui. Quantitative Analysis of Embodied Carbon Emission in Metro Shield Tunnel[J]. Journal of Civil Engineering and Management，2019，36(3)：12-18，47.

[14] 贺晓彤. 城市轨道交通明挖车站建设碳排放计算及主要影响因素分析[D]. 北京：北京交通大学，2015.

[15] ZHANG R， LI L， CUI L B，et al. Strategy and Methods for Carbon Emission Mitigation during Construction of Rail Transit[J]. ACS Omega，2024，9(32)：34175-34184.

[16] 龙江英，李　焱，马　龙. 城市轨道交通运营期碳排放算量研究[J]. 贵阳学院学报(自然科学版)，2011，6(2)：1-11.

[17] LONG Jiangying， LI Yan， MA Long. Research on Carbon Emission Calculation in the Process of Urban Rail Transit[J]. Journal of Guiyang University (Natural Sciences)，2011，6(2)：1-11.

[18] 谢鸿宇，王习祥，杨木壮，等. 深圳地铁碳排放量[J]. 生态学报，2011，31(12)：3551-3558.

[19] XIE Hongyu， WANG Xixiang， YANG Muzhuang，et al. The Carbon Emission Analysis of Shenzhen Metro[J]. Acta Ecologica Sinica，2011，31(12)：3551-3558.

[20] DOLL C N H， BALABAN O. A Methodology for Evaluating Environmental Co-Benefits in the Transport Sector：Application to the Delhi Metro[J]. Journal of Cleaner Production，2013，58：61-73.

[21] CHEN K Y， ZHANG G B， WU H Y，et al. Uncovering the Carbon Emission Intensity and Reduction Potentials of the Metro Operation Phase：A Case Study in Shenzhen Megacity[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health，2022，20(1)：206.

[22] LI Y， HE Q， LUO X，et al. Calculation of Life-Cycle Greenhouse Gas Emissions of Urban Rail Transit Systems：A Case Study of Shanghai Metro[J]. Resources，Conservation and Recycling，2018，128：451-457.

[23] 陈坤阳，周　鼎，粟月欢，等. 城市轨道交通生命周期碳排放强度与碳减排潜力研究[J]. 铁道标准设计，2022，66(5)：1-7.

[24] CHEN Kunyang， ZHOU Ding， SU Yuehuan，et al. Research on Carbon Emission Intensity and Reduction Potentials of Urban Rail Transit Life Cycle[J]. Railway Standard Design，2022，66(5)：1-7.

[25] GUO H， ZHAO L Y， ZANG S，et al. Calculation of Greenhouse Gas Emissions of Urban Rail Transit Systems in China[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Engineering Sustainability，2024，177(4)：209-216.

[26] 李晓锋，王　荔，栾承志，等. 基于实际地铁线路的全生命周期碳排放研究[J]. 都市快轨交通，2024，37(1)：82-87.

[27] LI Xiaofeng， WANG Li， LUAN Chengzhi，et al. Whole Life-Cycle Carbon Emissions Based on Actual Metro Lines[J]. Urban Rapid Rail Transit，2024，37(1)：82-87.

[28] HU X D， XIA B， YIN L Y，et al. Carbon Emissions of Railways：An Overview[J]. International Journal of Environmental Research，2024，19(2)：49.

[29] YUAN Z Z， YUAN X J， YANG Y，et al. Greenhouse Gas Emission Analysis and Measurement for Urban Rail Transit：A Review of Research Progress and Prospects[J]. Digital Transportation and Safety，2023，2(1)：36-51.

[30] OLUGBENGA O， KALYVIOTIS N， SAXE S. Embodied Emissions in Rail Infrastructure：A Critical Literature Review[J]. Environmental Research Letters，2019，14(12)：123002.

[31] 秦　骜，袁艳平，蒋福建. 地铁站建筑全生命周期碳排放研究：以成都三号线某站为例[J]. 建筑经济，2020，41(S1)：329-334.

[32] 住房和城乡建设部标准定额研究所.城市轨道交通工程预算定额[R].北京：住房和城乡建设部标准定额研究所，2008.

[33] 黄旭辉. 地铁土建工程物化阶段碳排放计量与减排分析[D]. 广州：华南理工大学，2019.

[34] 中国工程建设标准化协会. 城市轨道交通工程碳排放核算标准：T/ CECS 1532—2024 [S]. 北京：中国计划出版社，2024：16-77.

[35] 秦　骜，袁艳平，蒋福建. 地铁车站通风空调系统生命周期CO₂排放量研究[J]. 城市轨道交通研究，2021，24(10)：149-153.

[36] QIN Ao， YUAN Yanping， JIANG Fujian. Research on Life Cycle Carbon Emission of Metro Station Ventilation and Air Conditioning System[J]. Urban Mass Transit，2021，24(10)：149-153.

[37] 广东省住房和城乡建设厅.广东省城市轨道交通工程设计规范[R].广州：广东省住房和城乡建设厅，2022.

[38] BARON T， MARTINETTI G， PÉPION D.Carbon Footprint of High Speed Rail[R].France，Paris：International Union of Railways，2011.

[39] 北京市住房和城乡建设委员会.《北京市建设工程计价依据：预算消耗量标准》应用指南：城市轨道交通工程[R].北京：北京市住房和城乡建设委员会，2021.

[40] 王一鹏，王　锦. 铁路隧道钻爆法与盾构法施工碳排放强度分析[J]. 铁路节能环保与安全卫生，2024，14(3)：24-30.

[41] WANG Yipeng， WANG Jin. Carbon Emission Intensity Analysis of Railway Tunnel Drilling and Blasting Method and Shield Tunneling Method Construction[J]. Railway Energy Saving & Environmental Protection & Occupational Safety and Health，2024，14(3)：24-30.

[42] 李晓锋，王　荔，栾承志，等. 基于实际地铁线路的全生命周期碳排放研究[J]. 都市快轨交通，2024，37(1)：82-87.

[43] LI Xiaofeng， WANG Li， LUAN Chengzhi，et al. Whole Life-Cycle Carbon Emissions Based on Actual Metro Lines[J]. Urban Rapid Rail Transit，2024，37(1)：82-87.

[44] 李思慧，李仪弟，黄世清. 铁路桥梁建设期不同预制方案碳排放对比分析[J]. 铁道标准设计，2024，68(12)：67-75.

[45] LI Sihui， LI Yidi， HUANG Shiqing. Comparative Analysis of Carbon Emissions from Different Precast Schemes during the Railway Bridge Construction[J]. Railway Standard Design，2024，68(12)：67-75.

[46] 中国城市温室气体工作组.中国产品全生命周期温室气体排放系数库[EB/OL].(2023-04-05)[2025-02-07].

[47] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 地铁设计规范：GB 50157—2013 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2014：1-21.

[48] 广东省生态环境厅.广东省企业(单位)二氧化碳排放信息报告通则(2023年修订)[R].广州：广东省生态环境厅，2023.

[49] 赵　扉，王曦冉，沈　梁，等. 绿色低碳发展下电工装备产品碳足迹评价方法研究[J]. 管理科学与工程，2022(3)：383-390.

[50] ZHAO Fei， WANG Xiran， SHEN Liang，et al. Research on Carbon Footprint Evaluation Method of Power Equipment

[51] Products under Green and Low-Carbon Development[J]. Management Science and Engineering，2022(3)：383-390.

[52] 山东泰开成套电器有限公司.山东泰开成套电器有限公司开关柜产品碳足迹报告(2022年度)[R].山东：山东泰开成套电器有限公司，2023.

[53] 金玲燕，曾文郦.浙江中大元通特种电缆有限公司电线电缆碳足迹报告[R].浙江：浙江中大元通特种电缆有限公司，2024.

[54] KONE C.The Environmental Product Declaration Document for the KONE TransitMaster^TM 140[R].Espoo，Finland：Kone Corporation，2021.

[55] 李 娜，陈鑫鑫，沃克斯迅达电梯有限公司VE800/1.5型乘客电梯生命周期评价报告[R].杭州万泰认证有限公司，2023.

基金资助

广州市科技计划项目(2023A03J0073)