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基于生命周期的高速鐵路節(jié)能效果評估的分析論文
新建高速鐵路投產(chǎn)運營后，本應(yīng)由平行的既有客運方式承擔(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，高速鐵路本身會誘增客流。從整個城際客運系統(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)由既有客運方式承擔(dān)的客流造成的能源消耗的差值，這個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算了高速鐵路運營階段每年的凈能源消耗及概率:若凈能源消耗為負(fù)，說明高速鐵路是節(jié)能的;若為正，則說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: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)、高速鐵路客流來自轉(zhuǎn)移和誘增的比例以及與高速鐵路平行的既有客運方式的能源消耗強度。對于以上因素對評估結(jié)果的影響通過以下方式量化。
(1)皮爾生長曲線:由于高速鐵路運營后承擔(dān)的客流是逐漸增長的過程，隨著運營年數(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曲線增長。
(2)三角形分布:對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方式的能源消耗強度等參數(shù)來說，雖然未來技術(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，可以預(yù)測最可能的取值。這些參數(shù)的數(shù)學(xué)特征符合三角形分布的特征，因此，采用三角形分布來描述這些參數(shù)的概率特性。
(3)均勻分布:對于高速鐵路客流來自轉(zhuǎn)移的比例這些參數(shù)來說，雖然根據(jù)對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%與來自既有客運方式的轉(zhuǎn)移客流比例之和的差值。
本文設(shè)計算例中，與高速鐵路平行的既有客運方式包括普速鐵路、民航、長途巴士和私家車4種，高速鐵路運營里程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)航空煤油運輸，長途巴士使用傳統(tǒng)柴油驅(qū)動，私家車采用傳統(tǒng)汽油驅(qū)動。評估結(jié)果表明:基于生命周期的高速鐵路節(jié)能效果依然明顯。運營第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，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，運營第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%,在運營第13年的時間斷面上，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，在運營第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，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自民航轉(zhuǎn)移時，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自普速鐵路或長途巴士轉(zhuǎn)移時，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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