【摘要】：高速鐵路作為快速、大運量的城市間公共交通運輸方式,能夠較好地解決國內人口較多以及人均資源不足的矛盾。近年來,在國家政策支持下,高速鐵路建設速度明顯加快。然而,高速鐵路基礎設施建設工程量大、高速列車行駛的電力消耗高,特別是國內“以橋代路”的高速鐵路建設思想和仍然以效率較低、排放較高的煤電為主的電力生產(chǎn)結構,導致從生命周期的角度重新審視高速鐵路的環(huán)境影響具有重要的現(xiàn)實意義。 為實現(xiàn)該目的,以環(huán)境影響中的能源消耗和碳排放為對象,在總結生命周期視角下高速鐵路能源消耗和碳排放特征的基礎上,提出高速鐵路基礎設施建設階段的能源消耗和碳排放的分析框架和測算方法。基于機械做功,構建運營階段高速列車牽引能耗的數(shù)值計算模型。從生命周期的視角,評估高速鐵路的節(jié)能和碳減排效果。最后,從節(jié)能目標出發(fā),建立了高速列車的運行速度優(yōu)化模型。主要研究內容和結論如下： (1)將高速鐵路按全生命周期劃分為設計、建設、運營、維護和拆解5個階段,分析了各階段的典型活動�？偨Y了生命周期視角下高速鐵路的能源消耗和碳排放特征：第一,轉移性,即以電力為主要能源的運營階段的典型活動不直接造成碳排放,而是轉移到了上游電力生產(chǎn)過程中；第二,隱藏性,即大規(guī)模基礎設施建設導致高速鐵路全生命周期的能源消耗和碳排放有較大比重隱藏在建設階段。而不同地區(qū)高速鐵路的生命周期評估結果具有明顯的地域性特征：雖然不同地區(qū)的評估結果都表明建設階段和運營階段是全生命周期中能源消耗和碳排放的主要階段,但建設階段和運營階段的相對比重在不同地區(qū)之間差異較大。 (2)將高速鐵路拆分成橋涵、隧道、路基、軌道和電氣化系統(tǒng)5個子模型,通過計算各子模型的建筑材料使用總量和建設設備運轉時間,結合具有地域性特征的生產(chǎn)數(shù)據(jù)清單,測算高速鐵路建設階段的能源消耗和碳排放。對京滬高速鐵路的應用結果表明：京滬高速鐵路建設造成的能源消耗為145502TJ,引起的碳排放為19154Kt C02e,兩者90%以上都來自建筑材料使用。建設單位里程的隧道所造成的能源消耗最大,引起的碳排放也最多,分別是排名第2位的橋涵的1.9和1.7倍。不過,由于京滬高速鐵路高達86%的橋涵比重,導致其建設能源消耗的67%和碳排放的66%來源于橋涵建設。水泥和鋼材是影響高速鐵路建設碳排放的顯著要素,若兩者生命周期碳排放系數(shù)分別降低20%,則高速鐵路建設碳排放總量可以分別降低13%和7%。 (3)基于機械做功,構建了高速列車牽引能耗的數(shù)值計算模型。模型兼顧高速列車因停站間距過短而達不到預定速度目標值的情形,通過引入發(fā)動機傳動效率,提出在列車牽引力或電流曲線缺失條件下,能夠滿足一定精度要求的牽引能耗計算模型。模型表明,速度目標值對牽引能耗的影響主要表現(xiàn)在加速到的峰值上,從200到350km/h,不同停站方案下列車牽引能耗關于速度目標值的彈性系數(shù)為1.8-2.1。停站次數(shù)對牽引能耗的影響主要表現(xiàn)在加速的周期上,在169km、共9個客運站的高速鐵路上運行的站站停列車的牽引能耗約是直達列車的1.7倍。 (4)采用概率理論和蒙特卡洛方法評估了生命周期視角下高速鐵路的節(jié)能和碳減排效果。以三角形分布描述客運方式的能源消耗強度和座位利用率及燃料(包括電力)生命周期能源消耗系數(shù)和碳排放系數(shù)的不確定性,以均勻分布描述客流轉移比例的不確定性,在高速鐵路客流發(fā)育的皮爾生長曲線基礎上,評估高速鐵路運營階段每年的節(jié)能和碳減排水平及概率,以及因建設和維護基礎設施所造成的能源消耗和碳排放在運營時所需要的償還期。評估結果表明,從生命周期角度看,高速鐵路的節(jié)能效果依然明顯,但高速鐵路的碳減排效果具有一定的不確定性,不如其節(jié)能效果明顯。而電力生命周期碳排放系數(shù)、高速鐵路座位利用率以及客流轉移和誘增結構都是影響高速鐵路碳減排效果的顯著因素。 (5)提出了基于節(jié)能考慮的高速列車運行速度優(yōu)化模型。當高速鐵路線路建成、列車型號確定后,通過優(yōu)化運輸組織是降低牽引能耗的重要手段。模型以鐵路運輸部門的利潤最大和鐵路旅客出行的廣義費用最小為優(yōu)化目標。運行速度通過影響列車的牽引能耗而對鐵路運輸部門的成本產(chǎn)生影響,通過與公路大巴和小汽車的客流競爭而對收入產(chǎn)生影響,并且運行速度也與旅客出行廣義費用中的快速性直接相關。在運輸供給、列車到發(fā)時間和列車數(shù)配置等約束下,建立運行速度優(yōu)化的多目標非線性規(guī)劃模型,并采用基于模糊折中思想的算法進行求解。模型優(yōu)化結果表明：在一定經(jīng)濟發(fā)展程度下,一味地追求高速度并不能減少鐵路旅客出行的廣義費用,反而造成牽引能耗的大量增加。
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：X82;U238
【圖文】：

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