天津市机动车排放清单及影响要素研究

CN11-2223/NJTsinghuaUniv(Sci&Tech),2008,Vol.48,No.3w17

http://qhxbw.chinajournal.net.cn

天津市机动车排放清单及影响要素研究

刘　欢,　贺克斌,　王岐东

(清华大学环境科学与工程系,北京100084)

摘　要:为掌握天津市机动车排放现状和各因素对排放的定量影响,该文在对天津市机动车类型分布、技术水平、行驶状况和启动信息进行数据采集的基础上,运用国际机动车排放(IVE)模型,建立起天津市机动车排放清单。结果发现:天津市机动车NOx等污染物排放存在3个峰值时间,高峰期排放占排放总量的52%～55%;无催化器车辆占各种污染物排放总量的60%～95%;居民路的交通状况对于排放的影响最为不利,这些因素应该成为天津市机动车排放控制的重点。

关键词:大气污染物;机动车;排放清单;排放因子;国际

机动车排放(IVE)模型;影响要素

中图分类号:X51

文章编号:1000-0054(2008)03-0371-04

文献标识码:A

控制城市机动车排放的基础。建立天津市机动车排放清单、探寻影响机动车污染的症结对于改善“京津唐”区域环境质量具有重要作用。但由于机动车排

放的影响因素众多、基础数据需求量大,准确建立机动车排放清单一直存在较大难度。

本文建立了一套基础数据收集和分析的方法,在大量活动水平调查的基础上,运用国际机动车排放模型(internationalvehicleemission,IVE)计算排放因子,并通过车公里数(vehiclekilometerstraveled,VKT)的测算,建立起天津市机动车逐时排放清单,完善了中国城市机动车排放清单建立的方法学。通过分析城市交通、车队构成与机动车排放的关系,明确了造成城市机动车污染的主要车辆类型和道路交通状况,为制定机动车污染控制政策提供依据。

[4]

[3]

VehicularemissionsinventoryandinfluencingfactorsinTianjin

LIUHuan,HEKebin,WANGQidong

(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,

TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:EffectdatacollectedinTianjinCityrelatedtovehicletype,technologydistribution,drivingpatterns,andaccelerationpatternswereusedtoestimatevehicularemissionsinthecity.Thedataprovideacomprehensiveanalysisoftheon-roadvehicularemissioninTianjin.Theinternationalvehicleemissions(IVE)modelwasusedtocreatethemobileemissionsinventory.Apreliminaryanalysisindicatesthat52%-55%ofthetotalemissionsarefromthepeakemissionhours.Non-catalyzedvehiclesarethemainsourcescontributing60%-95%oftheemissions.Trafficonresidentialroadsleadstorelativelyhighemissions.ThesefactorsshouldbethefocusoftheTianjinvehicleemissioncontrolstrategy.Keywords:airpollutants;vehicle;emissioninventory;emission

factor;internationalvehicleemissions(IVE)model;

influencingfactor

1　研究方法和模型机理

1.1　研究方法

由于国内机动车排放的基础数据较为缺乏、准确性不够,本文建立起了一套行之有效的数据采集方法,主要通过逐秒行驶状况采集、启动信号收集、道路交通流拍摄和技术类型调查来获得天津市在用车行驶、启动、分布和技术水平信息,从而为准确计算排放清单奠定了数据基础;在此基础上,通过建立VKT测算方法并运用IVE模型,确立天津市机动车排放清单;最后通过对假定重要影响因素进行排放结果验证,衡量不同因素对于排放的影响,从而确定污染控制的主要因素。1.2　数据采集

1)实验区域及道路。

随着机动车保有量不断增加,机动车使用和技术类型分布的研究对于排放控制和节约能源都尤为重要

[1-2]

收稿日期:2007-02-01

基金项目:国际合作项目;中国城市机动车排放清单研究项目作者简介:刘欢(1983—),女(汉),青海,博士研究生。通讯联系人:贺克斌,教授,E-mail:hekb@tsinghua.edu.cn。建立机动车排放清单,定量解析各因素与

排放的关系,是利用交通规划、车辆更新等多种方法372

清华大学学报(自然科学版)

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2008,48(3)

本研究针对天津市外环路以内,在3个区域内分别选定快速路、主干路和居民路,共9条路线,进行行驶状况采集、道路交通流拍摄和机动车技术类型调查。

2)测试项目及数据量统计。

表1列出了各项测试的设备、测试内容及获得的有效数据量。

表1　数据采集情况

数据采集分类

设备

数据项目

有效数据量

行驶过程中加减速对排放的影响;根据车辆详细

技术类型划分出1371种车型,每种车型采用独立排放因子;可有效计算启动排放;基础理论严谨,其中的一些重要概念,被美国环保局确定为开发下一

[7]

代模型包的理论基础。

以上优势的发挥需要建立在大量数据输入的基础上,对城市尺度来说,数据需求巨大;因此,IVE模型在中国尚未得到充分的应用。本研究在大量数据采集的基础上,完成天津市车队信息输入文件和天津市机动车活动水平输入文件,满足了模型的输入数据要求,建立起天津市逐时机动车排放清单。

行驶状况全球卫星定位逐秒速度、UTC时轿车:195203s采集系统(global间、经度、纬度、海拔、出租车:91218s

positioning卫星数

system,GPS)

启动信号启动检测器收集

道路交通摄像机流拍摄技术类型调查

卡车:27436s公交车:46247s

2　结果与讨论

2.1　天津市机动车使用

1)速度加速度分布。

机动车的行驶速度和加速度是影响排放因子的关键因素,各种道路交通状况下不同的速度加速度分布,将会导致排放因子的极大差异。图1将快速路(highway,Hwy)、主干路(arterial,Art)和居民路(residential,Res)上的速度加速度分布进行比较,结果表明:1)3种道路类型速度、加速度分布差异很大,因此需要针对各类型分别进行排放研究。2)高速高加速将会瞬间增大机动车排放。随着速度的增大,加速度区间变小呈锥形分布,说明天津市机动车受动力性能和交通限制,瞬时超高排放罕见。3)加速度呈非对称分布,负加速度的分布更离散,低速阶段出现了负加速度的空白三角区,这些特征对进一步排放模拟具有参考价值。

机动车启动时间、停止227d󰀁辆时间

单向道路车辆、车牌、共840min,分布负载

于9条路线,工作

日06:00—20:00

牌照、车型、燃料、发动轿车:1201辆机规格、制造商、型号、公交车:781辆出厂年份、行驶里程、卡车:44辆空调、传动系统、催化出租车:48辆器、空燃系统、养护状况

1.3　VKT确定方法的探索

作为排放清单建立的关键,VKT的确定一直是难点之一,以往VKT通过经验估计来确定,缺乏理论依据,具有较大的不确定性。针对这一薄弱环节,本研究利用轿车技术水平调研中获得的大量的轿车里程表和车龄数据进行回归分析,结合道路交通流拍摄获得的机动车类型分布,计算VKT,公式为

NP󰀁SP

VKT=.(1)

fP

式中:VKT,km/d;NP为轿车保有量;SP为轿车单车日均行驶里程,km/d;fP表示通过道路交通流拍摄获得的轿车的出现比例,%。

SP=(OP,a+0.5-OP,a-0.5)/365.(2)

式中:OP为轿车单车累积行驶里程,km,通过轿车

累积行驶里程对车龄进行曲线拟合获得;a为轿车现状平均车龄。1.4　模型应用

本研究以美国加州大学河畔分校开发的IVE模型作为排放计算工具,进行城市尺度的排放清单研究。IVE模型的方法学介绍可参照前期研究结果,模型主要优势在于:以机动车比功率和发动机负荷为基础,是基于逐秒行驶工况的模型,可反映[5]

图1　天津市不同道路速度(v)加速度(a)分布

2)启动特征。

天津市机动车平均每日启动5.7次。由图2可以看出,早上6点至下午17点是启动发生频繁时段,在早晨的启动中,冷启动(>6h)的比例超过了80%;全天启动中,冷启动占26%,对排放的影响不容忽视。刘　欢,等:　天津市机动车排放清单及影响要素研究

373

础上,针对氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和颗粒物(particulatematters,PM)建立天津市机动车排放清单。各污染物排放量、排放因子等见表2。

表2　天津机动车排放因子及排放量

污染物NOx

HCCOPM

排放因子/(g󰀁km-1)

4.41.816.00.2

排放总量/高峰时段

启动排放/%

排放/%(t󰀁d-1)

164.253.85.569.2603.5　6.4

54.652.455.0

9.328.79.6

图2　天津市机动车启动时间及类型分布

　　*本研究启动排放定义为车辆启动后200s内的排放[6]。

3)VKT确定。

图3是通过技术类型调研获得的1201辆轿车的行驶里程和车龄分布情况,样本涵盖了车龄0～15a的车辆,大量样本集中在车龄小于11a的范围内,5a以下车辆数量最多。相同车龄下车辆的累积里程差异较大,需通过考察平均累积里程进行回归分析。　　　　　　　　

　　排放的时变化表明,1d中会出现3次总排放高

峰:06:00—08:00为排放的第1个高峰,该峰特点为启动排放比例较大;中午11:00—12:00为排放的第2个高峰,该峰持续时间短;晚16:00—19:00为第3个高峰,该峰持续时间最长。启动排放的高峰期出现在06:00—07:00(图4)。2.3　影响排放的要素分析

1)技术类型对排放的影响。

为比较各类型车辆的排放贡献率,将天津市机动车按技术类型分为4类:汽油轻中型带三元催化器车辆(petrollight-dutywith3-waycatalyzer,P-LD-3Wy)、汽油轻中型无催化器车辆(petrollight-dutywithoutcatalyzer,P-LD-None)、汽油重型无催化器车辆(petrolheavy-dutywithoutcatalyzer,P-HD-None)、柴油重型无催化器车辆(diesel

图3　天津市机动车累积行驶里程与车龄

heavy-dutywithoutcatalyzer,D-HD-None)。图5对这些车辆的保有量和排放分担率进行了比较,占总量15%的汽油轻中型无催化器车辆导致了60%的CO和VOC排放,而占总量10%的柴油重型无催化器车辆则带来近80%的NOx和近100%的PM排放。因此,要控制CO和VOC排放,应该着重改善无催化器的轻中型汽油车,而柴油车是控制NOx和PM的关键。

2)道路类型对排放的影响。

通过考察轿车在快速路、主干路和居民路上的行驶排放和VKT,可以衡量不同类型道路对于排放的贡献率。研究发现,天津市居民路承担了15%的轿车VKT,但对于行驶排放的贡献则达到了25%,其余类型道路的排放分担率则小于VKT分担率。如果考虑启动排放,居民路的总排放量超过30%。可见居民路的交通状况对于排放有较为恶劣的影响。利用轿车平均累积行驶里程对车龄进行曲线拟合,得到车龄小于等于11a时,累积行驶里程计算公式为(R=0.9777)

OP=608.37A+11700A,　A≤11a,(3)式中A为轿车车龄。

利用1201辆轿车的车龄数据,计算出天津市轿车平均车龄为3.8a,代入式(3)和(2),则轿车日均行驶里程为45km/d。利用道路交通流拍摄结果计算得到天津市轿车在道路机动车中出现比例为60%,代入式(1),得到天津市VKT为37640385km/d。　　　　　　　　　2.2　机动车排放清单

在天津市机动车车队构成和车辆使用的研究基2

2

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清华大学学报(自然科学版)2008,48(3)

图4　天津市机动车污染物排放时变化

参考文献　(References)

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图5　天津市各类型机动车对排放的贡献率

3　结　论

1)天津市机动车CO、HC、NOx和PM日排放量分别为603.5t/d、69.2t/d、164.2t/d和6.4t/d;启动排放占总排放量的5.5%～28.7%。

2)天津市每日机动车排放出现3次高峰,高峰期排放量占52%～55%,在排放控制时,应首先针对高峰时段进行改善。

3)从技术类型分析,汽油轻中型无催化器车辆和柴油重型无催化器车辆是污染控制的重点,不同污染物排放分担率达到60%～95%。

4)就不同道路对排放的贡献率来说,承担15%的轿车总行驶里程的居民路,对于行驶排放的贡献达到了25%,应该成为排放控制的重点道路。

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