国外高速铁路节能减排影响因素分析

崔力心

(北京交通大学 经济管理学院，北京 100044)

1 国外高速铁路节能减排效益的影响因素

1.1 直接能源消耗

高速铁路的直接能源消耗主要指行车方面的消耗，其能源消耗主要有4个影响因素：为克服阻力所消耗的能源；由于牵引系统低效率而损失的能耗；为使乘客感觉舒适所消耗的能源；从变电所到接触网之间的能源损失。在以上影响因素中，以克服阻力为主要因素。根据日本新干线的数据，用于行车方面的能耗约占高速铁路总耗能量的87%[1]。

1.1.1 克服阻力所需要的能源

行车消耗能源的直接阻力有机械阻力和空气阻力两种。Davis方程式[2]描述了不考虑坡度影响，既在水平的轨道上列车运行的阻力计算方法：

式中：R — 阻力；V — 速度；A — 独立于速度的机械阻力常数；B — 与速度成正比的机械阻力系数；C — 与速度平方成正比的空气阻力系数。

从公式中可以得出两个结论：在高速行驶中，空气阻力占有主导地位；当速度足够高的时候，空气阻力与速度的平方成一定的比例。

对于高速列车，当列车速度超过300km/h 时，列车运行阻力的80%以上均为空气动力学阻力。从列车纵向动力学的观点看，在地面稠密大气层里运行的任何车辆，当超过一定速度，如350km/h或400km/h 时，空气阻力将占运行阻力的绝大部分，而且是无法回避的。因此，速度将是计算高速铁路能耗的主要参数。

1.1.2 牵引系统中损失的能源

在各种电气、机械效率不完全发挥下的列车牵引系统部件的能量一部分以热能的形式散发，这不仅引起了一部分能量的损失，同时也会反过来导致对机械降温的能源需求。目前，较为先进的16.7Hz、15kV AC系统在满负荷的情况下也只能达到85%的效率。负载率越低，牵引系统的效率就越低。

再生制动系统可以将制动时产生的热量部分收回，然后转化为列车运行时所需的动力势能。若安装再生制动系统将会减少能源消耗。据统计，为克服惯性阻力和坡度阻力，高速铁路机车车辆安装再生系统，将会减少8% 的能源消耗。

1.1.3 列车舒适功能需要的能源

列车舒适功能通常包括照明、恒温、车厢通风等，这些功能大约消耗列车运行过程中所需能源的20%。用于列车舒适功能的能源消耗与速度没有直接关系，但是与行使的时间直接相关。在同等距离的条件下，高速铁路与传统铁路相比更加节能。

1.1.4 供电系统损失的能源

由于输电线的电阻与效率原因，将不可避免地产生变电所到接触网之间的电力损失，这部分损失与列车运行时的能耗相比显得微不足道。

1.2 间接能源消耗

国外高速铁路间接能源消耗是指建设高速铁路基础设施及后期的维护过程中所发生的能源消耗。传统铁路每公里路基大约需消耗990t 水泥及39t 钢筋，高速铁路无砟轨道路基每公里大约消耗4500t水泥及132t 钢筋[3]，这些材料的生产和制造属于高能源密集产业，因而应对高速铁路基础设施建设嵌入式排放量进行估算。

2 与其他交通方式能源消耗及排放量的比较

随着速度的提高，列车的能源消耗也随之加大。图1[4]显示了伦敦至爱丁堡的高速铁路一次性燃油消耗(根据当地情况将电力能源消耗换算成燃油消耗)的计算结果。从以上比较中可以看出，高速铁路的节能减排与速度有着密切关系。

对高速铁路与传统铁路节能减排效果进行了对比研究[2]，如表1所示。结果显示，高速铁路的节能减排效益与传统铁路相比差距很小，这种差距随着高新技术的发展将进一步缩小。

图1 各种交通方式能耗比较图

表1 传统铁路与高速铁路能源消耗对比

在CO2排放量方面，2004年英国国会运输部给出了一组数据[4]，数据显示了各种交通方式下伦敦—爱丁堡之间的CO2排放量情况，如表2所示。

从表2可以看出，高速铁路CO2的排放量比小汽车的排放量小很多。

表2 各种交通方式CO2 排放量 kg/人

3 国外高速铁路节能减排措施

（1）增加高速铁路的客座利用率。客座利用率越高，高速铁路节能减排的效果就越明显，提高客座利用率将会使高速铁路更加具有社会经济效益。客座利用率是客运需求的量化单位，而客运需求与经济社会发展有着密切的关系。提高高速铁路的客座利用率，应遵循经济社会的发展规律，提供符合人们需要的高速铁路运输服务。

（2）设计合理的速度目标值。速度目标值与节能减排之间具有直接关系：过高的速度目标值，使得高速铁路节能减排的效益降低；另一方面，速度的提高使得旅行时间缩短，所需的舒适功能的总能耗也随之降低。因此，设计合理的速度目标值将对高速铁路节能减排起到很大的决定作用。

（3）优化车辆车型设计，减少空气阻力。列车运行中主要的能量消耗都用来克服空气阻力，因而通过优化车型设计，采用铝合金、复合材料和各种轻型结构减轻车体重量，将减少列车运行中机械阻力。另外，还可以采取提高牵引电机效率及采用适当的制动方式等措施，利用再生制动系统以节约能源消耗。

：

[1]徐 艳．从节能角度看高速铁路[J]．佳木斯大学学报，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．