基于生命周期的高速鐵路節(jié)能效果評(píng)估的分析論文
新建高速鐵路投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)后，本應(yīng)由平行的既有客運(yùn)方式承擔(dān)的一部分客流轉(zhuǎn)移至高速鐵路承擔(dān)，并且由于交通供給改善，高速鐵路本身會(huì)誘增客流。從整個(gè)城際客運(yùn)系統(tǒng)的能源消耗看，變化值是高速鐵路客流(包括轉(zhuǎn)移和誘增兩部分)造成的能源消耗與本應(yīng)由既有客運(yùn)方式承擔(dān)的客流造成的能源消耗的差值，這個(gè)變化值定義為高速鐵路的凈能源消耗。引入概率理論，在考慮電力生命周期能源消耗的基礎(chǔ)上，利用蒙特卡洛方法計(jì)算了高速鐵路運(yùn)營(yíng)階段每年的凈能源消耗及概率:若凈能源消耗為負(fù)，說(shuō)明高速鐵路是節(jié)能的;若為正，則說(shuō)明新建高速鐵路并未達(dá)到節(jié)能效果。
影響生命周期視角下高速鐵路節(jié)能效果的主要因素包括以下幾個(gè):高速鐵路的客流和座位利用率、燃料及電力生命周期的能源消耗系數(shù)、高速鐵路客流來(lái)自轉(zhuǎn)移和誘增的比例以及與高速鐵路平行的既有客運(yùn)方式的能源消耗強(qiáng)度。對(duì)于以上因素對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響通過(guò)以下方式量化。
(1)皮爾生長(zhǎng)曲線:由于高速鐵路運(yùn)營(yíng)后承擔(dān)的客流是逐漸增長(zhǎng)的過(guò)程，隨著運(yùn)營(yíng)年數(shù)推進(jìn)，每年高速鐵路全線的平均客流密度按照皮爾生長(zhǎng)曲線增長(zhǎng)。
(2)三角形分布:對(duì)于高速鐵路的座位利用率、傳統(tǒng)燃料及電力生命周期的能源消耗系數(shù)以及與高速鐵路平行的既有客運(yùn)方式的能源消耗強(qiáng)度等參數(shù)來(lái)說(shuō)，雖然未來(lái)技術(shù)發(fā)展存在不確定性，但這些參數(shù)的取值一般容易確定上、下限，并且根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)，可以預(yù)測(cè)最可能的取值。這些參數(shù)的數(shù)學(xué)特征符合三角形分布的特征，因此，采用三角形分布來(lái)描述這些參數(shù)的概率特性。
(3)均勻分布:對(duì)于高速鐵路客流來(lái)自轉(zhuǎn)移的比例這些參數(shù)來(lái)說(shuō)，雖然根據(jù)對(duì)己開通高速鐵路客流的數(shù)據(jù)調(diào)查和分析，基本可以確定取值范圍，但與三角形分布不同的是，這些參數(shù)難以在取值范圍內(nèi)確定最可能取值，因此，認(rèn)為這些參數(shù)在取值范圍內(nèi)取各值的概率是相同的，符合均勻分布的`特征，用均勻分布來(lái)描述這些參數(shù)的數(shù)學(xué)特征。誘增客流的比例即100%與來(lái)自既有客運(yùn)方式的轉(zhuǎn)移客流比例之和的差值。
本文設(shè)計(jì)算例中，與高速鐵路平行的既有客運(yùn)方式包括普速鐵路、民航、長(zhǎng)途巴士和私家車4種，高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程1000 km，與其平行的普速鐵路列車采用電力牽引，民航采用傳統(tǒng)航空煤油運(yùn)輸，長(zhǎng)途巴士使用傳統(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)，私家車采用傳統(tǒng)汽油驅(qū)動(dòng)。評(píng)估結(jié)果表明:基于生命周期的高速鐵路節(jié)能效果依然明顯。運(yùn)營(yíng)第1年，高速鐵路能夠節(jié)約的能源的數(shù)學(xué)期望可達(dá)6916 TJ，而高速鐵路不具備節(jié)能效果的概率不足5 070。隨著客流增長(zhǎng)，高速鐵路能夠節(jié)約的能源的數(shù)學(xué)期望逐漸提高，節(jié)能量跨度也在增加，運(yùn)營(yíng)第13年，客流密度達(dá)到穩(wěn)定值的90070，客流基本成熟，高速鐵路能夠節(jié)約的能源的數(shù)學(xué)期望可達(dá)25606TJ.
最后，對(duì)影響高速鐵路節(jié)能效果的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，包括以下三個(gè)參數(shù):電力生命周期能源消耗系數(shù)、高速鐵路的座位利用率以及高速鐵路客流來(lái)自轉(zhuǎn)移和誘增的比例。敏感性分析結(jié)果表明:
電力生命周期能源消耗系數(shù)的降低能夠明顯提高高速鐵路的節(jié)能效果，這個(gè)參數(shù)的基準(zhǔn)三角形分布為(1.84, 2.41, 3.25) MT/MT，敏感性分析區(qū)間為下降50%和上升10%,在運(yùn)營(yíng)第13年的時(shí)間斷面上，高速鐵路能夠節(jié)約的能源的數(shù)學(xué)期望關(guān)于這個(gè)參數(shù)的彈性系數(shù)為-3.47。
提高高速鐵路的座位利用率也能夠明顯提高其節(jié)能效果，這個(gè)參數(shù)的基準(zhǔn)三角形分布為(70% 80%, 90%)，敏感性分析區(qū)間為下降30%和上升10%。在座位利用率下降20%至上升10%的范圍內(nèi)，高速鐵路的節(jié)能效果依然較為顯著，在運(yùn)營(yíng)第13年能夠節(jié)約的能源的數(shù)學(xué)期望關(guān)于座位利用率的彈性系數(shù)為11.52。不過(guò)，當(dāng)座位利用率下降30%后，高速鐵路的節(jié)能效果具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性，其具備節(jié)能效果的概率不足42% 。當(dāng)高速鐵路客流有較大比例來(lái)自民航轉(zhuǎn)移時(shí)，其節(jié)能效果最為顯著;當(dāng)高速鐵路的客流有較大比例來(lái)自普速鐵路或長(zhǎng)途巴士轉(zhuǎn)移時(shí)，其不具備節(jié)能效果的概率上升至16-20;而高速鐵路在高誘增客流的情景下，其節(jié)能效果的不確定性最大，不具備節(jié)能效果的概率達(dá)到了39% 。
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