双碳目标下高速公路收费站碳排放模型研究

2024年3月4日发(作者：福特小猛禽ranger)

总764期第三十期2021年10月河南科技HenanScienceandTechnology科技管理双碳目标下高速公路收费站碳排放模型研究褚如思1武同乐1何文聪1曹光辉2郑州450016）（1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州450015；2.河南省交通运输厅，河南摘要：交通行业是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要领域，ETC是落实双碳目标在交通领域的具体举措。为有效量化车辆进出收费站过程的碳排放，推动节能减碳和智慧交通发展，本文立足于河南省高速公路收费站现状特点，运用理论分析和数学建模的方法，构建了不同收费模式下车辆碳排放测算模型，并对模型影响因素进行分析、对参数进行标定，最后以具体实例进行碳排放量测算。结果表明，碳排放测算模型具有一定的实用性，可以为碳排放量化研究、碳效益评估提供理论基础，也可为推动收费站开展节能减碳工作提供一定的参考。关键词：双碳；高速公路；收费站；ETC；碳排放中图分类号：U491文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）30-0120-04ResearchonCarbonEmissionModelofExpresswayTollStationsunderDoubleCarbonTargets(rovincialCommunicationsPlanning&DesignInstituteCo.,Ltd,ZhengzhouHenan450015;rovincialDepartmentoftransportation,ZhengzhouHenan450016)CHURusi1WUTongle1HEWencong1CAOGuanghui2Abstract:Thetransportationindustryisanimportantareatoachievethegoalof\"carbonpeakingandcarbonneutral?ization\",andETCisaspecificrtoeffectivelyquantifythecarbonemissionofvehiclesinandoutoftollstationsandpromotethedevelopmentofenergyconservation,carbonreductionandintelligenttransportation,basedonthecurrentcharacteristicsofexpresswaytollstationsinHenanProvince,vehiclecarbonemissioncalculationmodelsunderdifferenttollmodesareconstructedinthispapultsshowthatthecarbonemissioncalculationmodelhascertainpracticability,whichcannotvideacertainreferencds:doublecarbon;expressway;tollstation;ETC;carbonemission研究分析表明，实现双碳目标的核心在于碳吸收与碳减排，交通行业主要通过碳减排途径实现双碳目标，即大力发展智慧和绿色交通［1］。近年来，我国高度重视碳减排，2020年12月，中央经济工作会议明确将“做好双碳工作”作为八项重点任务之一［1］。2021年2月，《国家综合立体交通网规划纲要》提出，加快推进绿色低碳发展，交y,aspecificexampleisconductedtocalculatethecar?onlyprovideatheoreticalbasisforcarbonemissionquantitativeresearchandcarbonbenefitevaluation,butalsopro?通领域CO2排放尽早达峰［2］。从交通方式来看，公路产生的碳排放在交通行业中的占比最高，超过了80%，需要重点推进碳减排。ETC系统正是作为可以促进节能低碳的新技术，在国内被推广应用。目前我国客车应用ETC技术相对成熟，但货车应用ETC尚处于起步阶段，收费站碳排放方法收稿日期：2021-08-20基金项目：河南省交通运输厅科技计划项目“基于收费数据的河南省高速公路收费站通行能力分析及规划研究”（2019G-2-6）。作者简介：褚如思（1995—），男，硕士，助理工程师，研究方向：综合交通规划、城市交通规划。Copyright?博看网 . All Rights Reserved.

第30期双碳目标下高速公路收费站碳排放模型研究·121·研究也主要是针对客车车型，如王清洲等［3］在考虑排队长度等因素的影响，提出了高速主线收费站污染物排放模型；肖鹤等在高速公路低碳运营方面构建了ETC系统碳减排计算模型。基于此，本文在双碳背景下，以货车也可应用ETC技术为契机，开展不同收费模式下车辆碳排放量化方法研究，以期更好地为高速公路收费站开展节能减碳工作提供理论、数据参考和决策依据。［4］车辆需要排队等候，此阶段油耗为：f·tf4=ω+cωd，η·q·ρ1000（6）（7）（8）é1mv2+1ω=（R-1）?（F+Fr+Fi）Lb+Eù2f?2?Td=（R-1）（tb+tc）+t，1不同收费模式下的碳排放量测算模型J；s；td为排队等候时间，R为平均等待车辆数；t为车m。车头间距，L；ω为所需能量，式中，f4为排队等候阶段油耗，s；m/s；v为缓行最高速度，Lb为排队辆缓行减速时间，车辆进出收费站的碳排放源主要是燃油油耗。MTC收费模式下，车辆经过减速-怠速-加速进出收费站；ETC收费模式下，车辆以最高限速匀速进出收费站。基于此，需先测算出车辆进出收费站过程中的油耗量，再折算成二氧化碳的排放量进行测算。1.1MTC收费模式下碳排放量测算模型构建1.1.1MTC油耗计算。MTC收费模式下的油耗量为减速-怠速-加速阶段的油耗之和。1.1.1.1减速阶段。根据驾驶实际情况，假设车辆在减速状态为空挡滑行，则减速油耗与怠速油耗相同，为：f·tf1=cωa，（1）1000式中，f1分别为车辆怠速阶段油耗，L；fcω为怠速单ta为减速时间，位油耗mL/s；s。综上所述，车辆经过MTC总油耗为：F1=f1+f2+f3+f4，（9）L；f2为怠速油耗，L；f3为加速油耗，L；f3为排队等候油L。耗，F1为车辆经过MTC油耗，式中，L；f1为减速油耗，排放系数，进行碳排放量测算。M1=∑k·Ni·F1ni=1n1.1.2MTC碳排放量测算。通过将油耗量乘以CO2N为代表车型通行量。燃料CO2排放系数；（10）(2ta+tb+tc+2td)2ωiùé2Wifcωi?=∑k·Ni?++êúηqρ?1000i=1?ηqρkg；k为式中，M1为车辆通过MTC的总碳排放量，1.2ETC收费模式下碳排放量测算模型构建1.1.1.2怠速阶段。车辆取卡和缴费的过程为怠速，此阶段油耗为：f·（tb+tc）f2=cω，（2）1000tb为收费站入口人工L；式中，f2分别为怠速油耗，s；s。tc为出口人工服务时间，服务时间，ETC收费口时的油耗为：Qi·LaF2=（11）100000L；F2为车辆通过ETC收费口时的油耗，Qi为式中，汽车百公里油耗,L/100km。1.2.2ETC碳排放量计算。通过将油耗量乘以CO2M2=∑k·Ni·F2ni=1n1.2.1ETC油耗计算。ETC收费模式下，车辆进出1.1.1.3加速阶段。本文按照能量守恒定律，确定加速阶段的油耗。车辆加速阶段所需能量为：W=1mv2+1（F+Fr+Fi）La+E，（3）22fFr=fo·m·g，（4）W为车辆加速阶段所需能量，式中，J；m为车辆有效Ff为加速阶段空气质量，kg，V为收费站最高限速，m/s；Fr为滚动阻力，Fi惯性阻力，阻力，N；N；N；fo为滚动摩m/s2；La为收费广场长度，E擦系数；g为重力加速度，m；J。为车辆内部构件摩擦产生的热量，根据收费站管理规定，车辆进出收费广场速度最高Ff、Fi、E均可忽略不计，不超过20km/h，为便于计算，排放系数，进行碳排放量测算。，（12）é2QiLaù=∑k·Ni??êú1001000?i=1?kg。M2为车辆通过ETC的总碳排放量，式中，22.1碳排放量测算模型参数标定代表车型根据《河南省高速公路客、货车车型分类及通行费收费标准》，河南省高速公路将客、货车分别划分为四种、五种车型，如表1所示。由于客、货车均包含多种车辆型号，不同车型性能参数不同，需先确定代表车型的相关参数。第1类客车，本文根据中国汽车工业协会统计的2019年汽车销量榜单排名前十的车辆［5］，计算销量比例，求出加权平均值，得到代表车型相关参数，如表2所示。所需能量全部由燃油燃烧产生，则加速油耗为：f3=W，η·q·ρq为热值，率；J/kg；ρ为燃料密度，kg/L。（5）η为燃料燃烧效L；式中，f3为车辆加速阶段油耗，1.1.1.4排队等候阶段。当收费站交通量较大时，Copyright?博看网 . All Rights Reserved.

·122·表1车型第1类第2类第3类第4类第5类双碳目标下高速公路收费站碳排放模型研究第30期河南省高速公路客、货车车型分类客车8~19座≥40座—≤7座表3客、货车代表车型相关参数车型8~19座≥40座≤7座车型第1类第2类第3类第4类第5类货车载重≤2t5t<载重≤10t2t<载重≤5t70质量/kg长度/mm4624760008750百公里油耗/（L/100km）5.410202511.51421257怠速油耗（/mL/s）0.20.40.50.350.370.450.520.70.620~39座10t<载重≤15t（含6.096m集装箱车）载重>15t（含12.192m集装箱车）20~39座载重≤2t5t<载重≤10t载重>15t2t<载重≤5t第1类客车代表车型相关参数为：m=∑αi·mi=1268kg，（13）（14）（15）（16）10t<载重≤15t118000Q=∑αi·Qi=5.4L/100km，FCw=∑αi·FCw=0.2mL/s，L1=∑αi·Li=4624mm，能源类别单位热值（/J/kg）CO2排放量/kg表4CO2排放系数表煤kg柴油L汽油4.6×107煤油4.6×107第2~4类客车和第1~5类货车通行量较低，目前并没有权威机构统计其销量。因此本文根据河南省收费站相关数据和现场调研等方式，计算各车型通行量所占比例，求出加权平均值，得到代表车型相关参数，如表3所示。2.22.33根据《综合能耗计算通则》（GB/T2589—2008）、《省级范围值CO2排放系数3.4×1071.94.3×107LL3.02.93.0表5相关燃料参数范围汽油密度（/kg/L）0.7~0.78柴油密度（/kg/L）汽油燃烧效率65%~75%柴油燃烧效率75%~85%滚动摩擦系数0.01~0.020.83~0.86温室气体清单编制指南》得到CO2排放系数，如表4所示。相关燃料参数范围，如表5所示。实例分析出高速公路收费站过程的碳排放量。根据不同收费模式下的碳排放量测算模型，需要对收费站服务时间、收费广场长度等数据进行标定，按照需要对东三环南收费站开展现场调研，相关参数及调研数据如表6、表7所示。模型计算结果如下：得到MTC收费模式下客、货车及合计的碳排放量分别为80.7t、86.3t、167t；ETC收费模式本文以郑州东三环南收费站为具体实例测算车辆进表2车型大众朗逸日产轩逸丰田卡罗拉大众宝来大众速腾别克英朗大众桑塔纳本田思域本田雅阁丰田雷凌销量（比例）526291（16.5%）462598（14.5%）348840（10.9%）333528（10.4%）307323（9.6%）279280（8.7%）255836（8.0%）243966（7.6%）223706（7.0%）213906（6.7%）第1类客车2019年汽车销量榜单及相关参数质量/kg1210长度/mm46562475346934640百公里油耗（/L/100km）5.76.15.55.85.75.25.6544.1怠速油耗（/mL/s）0.250.170.140.230.190.210.180.280.250.19Copyright?博看网 . All Rights Reserved.

第30期双碳目标下高速公路收费站碳排放模型研究·123·表6入口服务时间/s3.85出口服务时间/s15.1进站减速时间/s3东三环南收费站参数数据MTC限速（/km/h）5ETC限速/（km/h）20收费广场长度/m100车辆平均排队数4缓行减速时间/s2表7车型入口出口客车第1类78第2类17173757东三环南收费站连续三个月客、货车通行量（辆）货车第3类2358643第4类17441102第1类9第2类6238063770第3类1694322184第4类1807726500第5类7122199536下客、货车及合计的碳排放量分别为25.9t、24.3t、50.2t。结果表明：①车辆在MTC收费模式下碳排放量约是ETC收费模式下碳排放量的3倍；②收费模式对车辆进出收费站碳排放影响最为明显，合理的增加ETC车道数可大幅减少收费站碳排放量；③货车通行比例对MTC收费模式下的碳排放影响最大；④假设客、货车通过收费站的通行比例保持不变，采用ETC代替MTC车道，郑州东三环南收费站全年可实现碳减排约467.2t。4结语动收费站开展节能减碳工作提供一定的参考，也为交通行业推动双碳目标的落实提供有力支撑。未来随着善的空间。ETC等相关技术的不断发展，本模型还有不断优化和完参考文献：［1］刘振亚.实现碳达峰、碳中和的根本途径［J］.电力设备管理，2021（3）：20-23.［2］林红兵.碳中和目标下的城市治理蓝图［N］.中国建设报，2021-04-01（007）.［3］王清洲，栾海敏，范鑫，等.高速公路主线收费站节能减排测算模型与实例分析［J］.环境工程，2019，37（6）：184-189，164.［4］肖鹤，解建光，余健晖，等.ETC系统碳减排模型研究［J］.中国交通信息化，2015（S1）：36-39.［5］中国汽车工业协会.2019年汽车销量排行榜［EB/OL］.（2020-01-20）［2021-07-01］.http：///.本文采用查阅文献、理论分析和现场调研等方式对收费站碳排放量化方法展开研究，并以货车也可应用ETC技术为契机，建立了不同收费模式下碳排放测算模型，最后结合具体实例，分析车辆进出收费站过程的节能减碳效果，并测算出东三环南收费站采用ETC技术全年可实现碳减排约467.2t，验证了模型的实用性，可以为收费站碳排放量化研究等提供理论和数据依据，为推Copyright?博看网 . All Rights Reserved.