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原文发表于《都市快轨交通》
第 36 卷 第 2 期 2023 年 4 月
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路林海1, 2, 3，韩 帅2, 3，孙捷城2, 3，刘家海2, 3，胡冰冰2, 3，武朝军2, 3
摘要:围绕“绿色低碳”理念，基于对城市轨道交通绿色建造的调研，在政策标准体系、实施路线、建造技术3个方面，系统梳理城市轨道交通绿色建造的有益成果；基于对城市轨道交通碳排放现状的调研，分析围绕碳排放权的城市轨道交通发展方向，并从能源转型、建材生产和节能增效3个视角详细剖析双碳目标下城市轨道交通发展新要求。基于上述两方面的研究，从政策制度建构、城轨绿色建造实施路线、城轨低碳技术3个方面构思双碳目标下城市轨道交通绿色建造实施路径，为双碳目标下城市轨道交通高质量发展提供借鉴和参考。
关键词:绿色低碳；城市轨道交通；绿色建造；碳中和；碳达峰
中图分类号:U239.5 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)02-0141-10
2020年9月22日，第75届联合国大会一般性辩论在美国纽约拉开帷幕，我国承诺力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值，努力争取于2060年前实现碳中和，这标志着我国即将开启新一轮能源革命和经济发展方式变革升级。随后，国务院先后发布了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》(以下简称“双碳意见通知”)，提出围绕“绿色低碳”理念，加快绿色交通基础设施建设，降低全寿命周期能耗和碳排放，为城市轨道交通绿色变革指明了方向[1]。
城市轨道交通是公认的绿色便捷、舒适高效的城市交通运输方式，绿色低碳即为双碳目标下城市轨道交通绿色建造。根据董书芸[2]关于地铁节能设计方面的研究，当城市地铁分担率达100%时，运营能耗为地铁0分担率时的68%，可见城市轨道交通具有显著的节能降耗优势，是低碳节能减排、推行绿色建筑、贯彻新发展理念的重要方向。另外，由于其系统复杂，能耗、碳排放惊人，建设期与运营期投入巨大，与工民建存在诸多差异，因此应当深入研究其双碳目标下的绿色建造[3]。
围绕“绿色低碳”理念，本文广泛调研了城市轨道交通绿色建造发展现状，系统梳理了城市轨道交通绿色建造的有益成果，详细剖析了双碳目标下城市轨道交通发展新要求，构思城市轨道交通(以下简称“城轨”)绿色建造实施路径，以期为双碳目标下城轨高质量发展提供借鉴和参考。
1.1绿色建造政策标准体系发展现状历经十多年的发展，我国绿色建造政策体系逐步完善，实践性工程稳步推进[4]。如图1、表1所示，绿色建造纲领文件在不同时期各有侧重，大致分为如下3个阶段：
第一阶段为2005年住建部、科技部发布的《绿色建筑技术导则》，提出了发展节能、节地、节水、节材、环保的绿色建筑发展模式，这是我国首个系统性引导、促进、规范绿色建筑的政策文件。第二阶段为2013年发展改革委、住建部发布的《绿色建筑行动方案》，将主攻方向定在建筑节能、建筑废弃物资源化利用、绿色建材、建筑工业化4个方面，并首次将“低碳”列为核心理念。截至2018年12月，全国累计绿色建筑25亿m2，执行绿色建筑标准的城镇建筑超过40%，取得了卓有成效的发展[4]。
第三阶段为2021年3月住建部发布的《绿色建造技术导则(试行)》，核心理念为推动建筑业绿色发展、落实双碳目标，该导则重构了绿色建造全过程、全要素流程，补齐了绿色建造早期发展方向局限于绿色设计、绿色施工两方面的缺陷。如图1所示，当前绿色建造规范标准主要集中在绿色设计、绿色施工两方面，缺乏关于全寿命周期内绿色策划、绿色交付方面的规范标准。
目前，城轨绿色建造方面的规范标准也同样集中于绿色设计、绿色施工两方面。在绿色设计方面，主要依据《绿色建筑行动方案》《绿色建筑评价标准》《公共建筑节能设计标准》及各地方规范标准，结合各项目特点，形成绿色建筑设计专篇、公共建筑节能设计专篇，与其他民用建筑绿色设计思路一致[5-6]。2013年，长沙地铁编制了国内首部《绿色城市轨道交通评价标准》。随后，深圳、上海、北京等地陆续发布地方相关标准(意见)，至2020年7月，《绿色城市轨道交通建筑评价标准》(T/CECS724－2020)发布，这是第一部城轨绿色评价团体标准，有利于规范、引导、促进城轨绿色发展。可见，城轨绿色建造专项标准规范起步较晚，发展较为迟滞，尚未构成完整的体系架构，亟需完善。
2010年，长沙在国内首次提出了“绿色地铁”的建设理念，并将“绿色建设”引入轨道交通全过程、全寿命。此后，随着可持续发展、绿色建造理念的深入普及，绿色建造技术广泛集成应用于城轨工程，一批示范性项目引领、推动了绿色建造技术的更新进步，全国各个新建轨道交通线路陆续开展轨道交通绿色建造的探索、应用，取得了较好的综合效益。各城市轨道交通的绿色建造各有专长、各具特色，在当前双碳、绿色建造目标引领下，极有必要总结前期经验，系统梳理轨道交通工程绿色建造经验，以便为更深入的绿色变革提供支持[7-11]。下面从绿色建造实施路线、绿色建造技术等方面论述前期的有益经验。
1)当前我国城轨绿色建造侧重于应用符合绿色建筑评价指标体系的绿色技术、执行绿色建造全寿命周期流程。如图2、3所示，绿色建造全寿命周期一般划分为绿色规划、绿色设计、绿色施工、绿色运维和绿色评价5个阶段，各阶段相互衔接，符合建筑建造流程。理想情景下，绿色规划明确宏观目标及路径，指导后续4个阶段有序实施，而后通过评价阶段正向反馈前置4个阶段循环提升。但在实施过程中，一方面存在重设计施工轻规划现象，规划阶段普遍无明确的目标和实施路径，缺失对设计、施工、运维的推演、预测及评估，致使在环保、土地集约利用、与其他城市规划协同等方面存在不足[3,7]。另一方面，缺乏对运维经验和绿色评价的系统梳理及反馈环节，对规划、设计、施工正向激励作用不明显。鉴于上述两方面的不足，应当增加绿色策划阶段，以目标为导向，明确实施路径及计划，强化对建造全过程、全寿命的统筹和集成组织。
2)城市轨道交通包含建筑、结构、岩土、通信、信号、轨道、车辆、消防、供电、照明、排水、人防、监控等40多个专业，各系统专业兼容协作复杂。各个城市的不同线路在绿色建造方面各有优势，但尚未构建涵盖各专业、覆盖全寿命的绿色建造技术体系[3]。表2梳理汇总了城市轨道交通应用效益较好的绿色建造技术，其展现出当前城轨绿色建造技术的主要特点为：①技术创新主要集中于绿色设计、施工阶段，侧重于施工工法、绿色施工信息化管理创新。如图4所示，预制叠合理念应用于地下车站取得了较好的综合效益[9]。但在绿色规划方面缺少统筹建造全过程、全寿命的绿色技术，更是甚少研究绿色评价技术；②技术集成应用主要集中于绿色运维阶段，侧重于成熟技术的推广应用。如图5、6所示，自然采光理念应用于高架、地下车站节能增效效果显著；③对照双碳意见通知，在低碳相关的城轨绿色能源、绿色建材、节能等方面存在研究盲区[1]；④对照《绿色建造技术导则》，在城轨建筑信息化、集约化、工业化、产业化方面存在不足[4]。
综上所述，城轨绿色建造存在专项标准体系发展迟滞、实施路线有待完善、绿色低碳技术研究不深入等问题，与双碳意见通知要求的将绿色低碳理念贯穿于交通基础设施建造全过程存在极大差距，下文将进一步剖析双碳目标下城轨发展新要求。
全国碳排放权交易于2021年7月16日开市，发电行业成为首个纳入全国碳市场的行业，可以预见，建材、钢铁、交通、建筑等碳排放重点行业将陆续纳入碳排放权交易市场。部分省份未经历地方试点碳市场，缺乏碳交易的经验，不可避免地在体制机制、政策配套、企业履约等方面陷入被动，因此应当主动研究基于碳排放权的城轨低碳发展方向。碳排放权是一项涉及各行业、各地区的发展权，在碳排放总量逐年压减的情况下，如何分配碳排放指标以及如何利用碳排放权提高碳排放利用效率至关重要。理想情景下，应当有序引导高耗能、高碳排放企业及技术退出，促使低碳企业、技术占比逐年提升，提高碳排放利用效率，统筹好经济发展、民生福祉与低碳发展的关系，稳字当头、稳中求进，避免不计成本的减碳降碳。随着工业化、城镇化的发展，碳达峰迟早会实现，但我国要求在时间上提前达峰，在总量上削峰、压峰。
碳排放权交易是政府利用市场要素促进达峰、压峰的有效举措，其核心目的是刚性约束碳排放、提升碳排放使用效率。随着双碳目标的推进，势必将持续压减碳排放配额，在碳汇、碳捕集利用等减碳措施逐步政策化、规范化后，建材生产、电力部门将对下游用户转移碳交易压力，或者在碳计量、碳核算技术方面取得较大突破，将城轨行业直接纳入碳排放权交易中。不管何种途径，发展本行业减碳、低碳技术势在必行，这样才能提升碳竞争优势。
能源是现代社会赖以运行的基础，也是碳排放比重最大的领域。2020年，我国能源领域排放99亿tCO2，占比高达88%，这也是“碳达峰十大行动”将能源低碳转型置于首位的原因[12]。据《中国统计年鉴2021》数据显示(见图7、8)，我国能源消耗中煤炭、石油、天然气的占比分别为56.8%、18.9%、8.4%，一次电力及其他能源(清洁能源)的占比仅为15.9%，这与我国“富煤、贫气、少油”的资源禀赋相关，因此清洁能源(水电、风电、太阳能发电、核电)的大规模开发利用将成为实现能源领域绿色变革的关键途径[13-14]。水电、风电、太阳能发电、核电等一次电力已初具规模，合计占比为43%，良好的产业前景及应用基础有利于清洁能源的进一步发展。火电在电力结构中的占比为56.6%，其碳排放量高达51.2亿t，占比为43%，以火电为主的二次电力是当前我国最主要的发电方式，同时也是最大的碳排放途径[13,15]。减少化石能源使用、开发清洁能源，减少火电、增加一次电力是双碳目标下能源低碳转型的方向。
图9为我国电力结构发展趋势(2018—2050年)，可以看到，一次电力等清洁能源至2030年、2050年分别可提升至57%、90%，“碳达峰十大行动”中提出推进煤炭消费替代和转型升级，大力发展新能源，可以预想，一次电力在双碳目标阶段将实现跨越式发展[13-17]。同时，风电、太阳能发电等一次电力趋向于分布式区块发展，且风电、太阳能发电技术相对成熟，这给下游用户参与电力产业链创造了一定条件。
城市轨道交通运营电力消耗约500万kWh/(年·km)，以煤电碳排放强度800g/(kW·h)计算，一条30km的地铁线路年碳排放量为12万t，年电力消耗可达一个地市级城市的0.7%(2020年上半年济南市规模以上工业企业能源消费为102.8亿kWh)，可谓消耗惊人[3,18-19]。济南轨道交通1号线7座高架车站，屋顶光伏可用面积约14000m2，通过光伏元件比选分析，采用技术成熟、性能稳定、转换效率高的多晶硅太阳能电池组件，平均年总辐照量为1373kWh/m2，每座车站日发电量为276kWh(光照充足)，初始年发电量为8.39万kWh，年节煤约为25.2t。深圳地铁6号线在国内首次实现分布式光伏发电规模化应用，设计寿命期内预计减排22.59万tCO2[8]。车站光伏所发电量直接供给车站内的低压动力照明负荷使用，自发自用，余电上网，充分利用清洁可再生能源。
据《建材生产能耗和碳排放分析(2020)》数据显示(见图10)，在建筑全过程中，2018年建材生产能耗11亿t标准煤当量、碳排放量为27.2亿t，占比分别为51.23%、55.17%。其中，城轨建设对钢铁、水泥、铝材的需求量最大，这三种主材的能耗及碳排放占比也最大[12,17]。按照《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》，要求钢铁行业、有色金属行业、建材行业、石化化工行业严禁新增产能，率先实现碳达峰。钢筋水泥的碳排放可达我国总排放量的1/4，要率先达峰，同时建筑业仍在保持稳定增长，这就倒逼建筑业原材的转型升级。
目前，城轨行业对绿色建材研究甚少，且主要研究集中于结构体系优化方面。实际上，钢筋混凝土自1849年发明以来已有170余年，建筑主材方面未有革命性的创新，对建材微观理论及新材料的研发重视度也不足，因此有必要研究新型建材设计理论，推动建材资源化、减量化、低碳化发展，建材低碳生产利用运维，发展绿色建材。当前，通过低效产能退出、产能置换、工艺改良等技术降碳、结构降碳是建材行业转型升级的必由之路，为碳排放权交易储备竞争力。例如，青岛地铁主要结构构件100%预制装配，节省4～6个月工期，用工量减少80%，节约800m3木材，减少约20%的碳排放[10]。但也应当看到，钢铁水泥行业、新型建材及脱碳捕碳技术性、革命性创新仍是解决建材生产过程高能耗、高碳排放的前进方向。
城轨用能主要集中在牵引供电、动力照明两方面，动力照明涉及环控、照明、电扶梯、站台门、弱电智能化、给排水等专业。如表3所示，牵引系统、环控系统、照明系统用能占比为80%～90%，体现出城轨主要用能系统集中，因此通过针对性节能技术创新可取得较好效益[20]。
城轨已应用了较多的节能技术，取得了较好的效益。例如，列车制动中压回馈系统将列车制动产生的能量回馈到供电接触网，供其他运行的车辆使用，采用该技术的济南轨道交通1号线(全长26.1km)每年节约牵引用电约30%，每年节省电能约2000万kWh。济南轨道交通1号线采用先进的空调变频技术降低能耗，在通风空调方面每年综合节能约30%。北京地铁广泛使用再生制动能量吸收装置，取得了较好的经济效益，其中10号线年均节约22万元电费，占牵引用电的5.2%[21]。但也应当看到，政府对节能的监管集中于事前审批，立项之初的节能审查并不能100%反映实际能耗情况，施工阶段缺乏量化数据，缺少事中、事后监管。在当前双碳目标下，应当进一步重视城轨节能，注重超低能耗技术与应用、能量回馈技术与应用、近零能耗建筑、绿色供暖技术、光储直柔建筑等方面的研究。综上所述，在双碳目标下，城轨在能源转型、建材生产、节能增效等方面存在一定不足和差距，对相关领域缺乏系统性、专而精的研究，因此有必要研究双碳目标下城轨绿色建造实施路径，响应“3060双碳目标”要求，率先达峰。
基于上述对城轨绿色建造、城轨低碳发展的剖析，可以看到，双碳目标为城市轨道交通绿色建造赋予了新的内涵，设立了更高目标，为实现城轨建造全过程、全寿命的绿色、低碳化，本节从政策制度建构、城轨绿色建造实施路线、城轨低碳技术3个角度构思双碳目标下城市轨道交通绿色建造实施路径。
1)加强顶层设计，完善城轨依存的法律法规环境。构建利于引导规范、促进绿色低碳发展的法律法规体系，推动清洁能源、低碳科技、绿色建材、节能增效、碳中和碳达峰等立法工作，明确项目节能降碳事前审批、过程监管、事后评价的全过程跟踪纠偏机制，明确设备设施能耗限额、减碳指标、碳排放配额、产能更新置换等强制性标准[1,22]。
2)建立健全行业标准规范。针对城轨行业标准规范体系不完善问题，紧跟国家政策法规，建立健全本行业全寿命、全流程的绿色低碳发展标准及扶持政策，引导技术和资金向绿色低碳技术转移，明确碳达峰碳中和时间表、路线图，形成全寿命、全流程的减碳降碳机制。3.1.2建立健全统一规范的碳排放权交易市场
当前碳排放权交易市场方兴未艾，针对城轨等行业，亟待建立健全统一规范的碳排放权交易市场[1,23]，如图11所示，应做好以下工作：
1)做好引导低碳产业发展的低碳规划，以提高碳排放利用效率、兼顾行业发展为目标，调研好行业现状，明确减碳降碳指标，合理分配碳配额，布局好低碳、碳汇技术产业发展。
2)建立统一规范的碳核算体系，研究碳排放、碳汇核算方法，发展云计算及遥感等碳排放、碳汇实测技术，构建碳审计体系。
3)完善帮扶低碳产业发展的碳金融体系，建立健全财税、债券扶持政策及期货碳市场，引导技术和资金向低碳行业发展，优化资源配置。
3.1.3处理好政府、市场与企业的关系，引导上下游行业联动
通过对双碳目标下城轨绿色建造发展新要求进行剖析可以看到，能源侧、建材生产、城轨本行业减碳降碳的主责和优势分别在发展改革委和电力企业、工信部和建材生产企业、交通部和城轨企业，因此如何实现上下游行业联动、优势共享至关重要。
1)有赖于政府宏观调控政策，建立光电、水电、新型建材、碳汇、节能增效等技术降碳、结构降碳、创新降碳共享机制，引导促进规范优势技术共融共享。
2)以全国统一大市场为契机，建立准入规则统一、市场运行透明度高、要素市场流动顺畅的统一市场和公平竞争环境，打破行业垄断与技术割裂，促进优势技术在不同行业间顺畅流动。
3)城轨企业应当发挥主体地位，紧紧围绕本行业绿色化、低碳化的变革目标，遴选利用其他行业优势技术，联合优势力量在能源转型、建材生产、节能增效等方面开展系统性、专而精的研究。
基于《绿色建筑技术导则》及前述分析，本文完善了城轨绿色建造实施路线，并对城轨的绿色策划、绿色规划阶段进行重点阐述。
城轨作为公益性、服务性、线性的城市基础设施，与工民建项目相比，绿色策划一方面应当立足于满足基础功能需求，明确主控指标、实施路径与综合效益分析，如前文所述，城轨低碳发展围绕减碳降碳技术创新展开，绿色策划阶段即统筹在全寿命周期绿色技术布局应用及应用效果预测评估，特别是在能源转型、建材生产、节能增效三大领域的绿色技术应用。另一方面，对标对表先进指标，在各个建造阶段设立明确的绿色目标，建立保证体系及容错纠错机制，形成审查审核闭环管理，以期绿色效益落地。当前，城轨线网规划存在客流预测可信度低，与城市总体规划、综合交通规划协调性差，运能预测准确性低，服务水平满意度差，交通接驳容错率低，出行效率低等问题[24]。针对以上问题，策划阶段应突出明晰主线、导向作用，绿色规划策划应当着力以解决城市供求矛盾、交通需求为主线，以提升服务效能、优化城市布局与交通结构为目标，以实现近远期建设时序与城市发展相协调为导向。
与其他公益性、服务性公共交通工具类似，城轨运营初期一般处于亏损状态，需要长期运营补亏，这与绿色建造、低碳发展有所相悖，因此需要综合考量建设规模与城市财政能力、城市发展与交通需求、可持续发展与低碳发展等诸多要素，合理选定线网规划规模、分期建设规划、线站位、敷设方式、交通接驳、车辆基地规划等内容，可将绿色规划总结为以下3项。
1)与城市的空间发展规划协调一致，支撑重点片区的发展，连接重要核心交通枢纽和商业中心，服务早晚潮汐通勤客流，实现便利的出行和换乘，实现城轨交通线网之间的协调，实现互联互通，统筹考虑确定不同线路的车辆选型、制式、标准和联络线，实现资源的最大化利用，提高网络化互连互通运营的能力。
2)加强城市群之间的协调互通发展，按照《国家综合立体交通网规划纲要》的要求，推动城市内外交通有效衔接，推动干线铁路、城际铁路、市域(郊)铁路融合建设，并做好与城轨衔接协调，构建运营管理和服务“一张网”，实现设施互联、票制互通、安检互认、信息共享、支付兼容。
3)统筹考虑线路周边城市更新和资源要素保障的协调统一。建轨道交通就是建城市，在规划阶段就要系统性地统筹协调线路周边城市更新的需求，协调土地、管线、道路等资源要素的保障，实现城轨更便捷出行和城市更新升级的协调发展。
减少碳排放、增加碳吸收是两条基本的减碳降碳技术路线[17,23]。如图12所示，在城轨全寿命周期内，建材能耗、运营期电力能耗是最主要的碳排放途径，作为需求侧用户，其碳达峰路径主要有以下3个：
1)调整用能结构，即减少火电使用，因地制宜地发展自主风电、太阳能发电等一次电力，探索采用氢能等低碳能源，改善单位能耗碳排放指标。
2)积极研发新型建材体系，建材资源化、减量化利用，优化建筑结构及组织方式，推广采用低碳技术，建立完备的应用体系，建设一批示范工程。考虑到可能长期处于渐进式技术降碳情境下，建材仍以传统建材为主，倡导采用再生建材、低碳胶凝材料等低碳建材，探索新型胶凝材料体系，研究树脂类、纤维类等材料应用的可行性。
3)注重遴选成熟关键技术，嫁接融合形成城轨节能增效产业，锚定超低能耗技术与应用、能量回馈技术与应用、近零能耗建筑、绿色供暖技术、光储直柔建筑等研究方向，形成本行业特色技术产业。城轨碳中和技术路线，即通过碳捕集、利用和封存技术及生态补偿方式实现碳排放与碳吸收的平衡。实质上，我国的碳排放政策法规及配套的各类技术手段还不完备，但政策导向、技术创新方向是明确的，在技术合理、经济可行的条件下，遵循减碳降碳的基本技术路线是必然的实施路径。
本文系统梳理了城轨绿色建造有益成果，详细剖析了双碳目标下城轨发展新要求，构思了双碳目标下城市轨道交通绿色建造实施路径。主要结论如下：
1)围绕“绿色低碳”理念，需进一步完善城轨绿色建造政策标准体系、实施路线、关键技术，并着力在能源结构转型、建材生产、节能增效等方面开展系统性研究，响应“3060双碳目标”要求，率先达峰。
2)碳排放权是一项涉及各行业、各地区的发展权，当前政策导向、技术创新方向是明确的，在技术合理、经济可行的条件下，遵循减碳降碳的基本技术路线是城轨发展必然的实施路径。
3)城轨绿色建造全寿命周期包含绿色策划、绿色规划、绿色设计、绿色施工、绿色运维和绿色评价六个阶段，应强化绿色策划对建造全过程、全寿命的统筹、规划，重视建立绿色运维、评价反馈系统，促进绿色规划、设计、施工不断完善。
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