节能减排课题报告

第一章绪论
1.1选题背景
近一百多年来人类一直疲于能源、资源、环境与经济发展的矛盾之中。

人类的生存家园——地球诞生于46亿年前，人类出现于200多万年前，以新石器时代为标志的传统农业社会开始于1万多年前，在这段漫长的人类历史进程中，大自然与人类彼此相处比较融洽；但250年前随着机器大工业的出现，城市化进程速度的加快，“资源环境问题的潘多拉魔盒”由此打开；以科技、机器为基础的社会化大生产使人类的生活得到了极大地改善，但同时人类也不得不面对日益恶化的大气环境和城市环境。

近年来，交通系统产生的污染已经成为城市污染的主要来源，而交通系统的污染又以城市公路交通产生的污染最多，有研究表明一些大城市中有80%左右的大气污染来源于交通废气；交通系统产生的污染包括一氧化碳、氮氧化物、非甲烷碳氢化物、可吸入颗粒物、交通噪声及振动和其他有害物质(如铅氟氯化烃排放物的二次衍生物光化学烟雾)等。

在环境优美的欧洲，交通污染也是相当严重。

全欧洲由道路交通产生的CO、NOx分别占CO、NOx总排放量的80%及60%左右。

其中在伦敦市路面机动车产生的NOx占总排放量的74%,烟尘(主要是CO)占94%；在美国，交通对大气环境的污染更加严重，自从20世纪四十年代洛杉矶发生美国也是全球的第一起光化学烟雾事件以来，接下的六十年美国其他地方多次发生光化学烟雾事件及酸雨事件等严重的环境污染事件，经过调查研究发现这些事件绝大部分是由于汽车排放尾气的NOx、SO2等污染物含量超标所致。

我国的交通污染问题也日益突出。

据公安部最新资料显示，截止到2010年1月份我国汽车保有量已经超过1.86亿，成为仅次于美国的全球第二大汽车保有国，由于目前我国对汽车尾气的排放处理技术不是很高，机动车数量又很庞大，致使汽车尾气污染物的排放总量大大超过美国等其他欧美发达国家，虽然目前我们国家已出台了汽车排放标准的相关文件，但交通污染问题并没有从根本上得到解决。

在城市许多路段和交叉口处，氮氧化物和一氧化碳等污染物浓度大大超过国家规定的大气环境质量标准；此外，机动车数量激增也导致城市交通噪声大大增加，并且交通噪声已经成为环境噪声的主要污染源，因此如何减少汽车交通带来的污染，降低交通噪声，改善人们居住城市的环境质量，已成为我国环保和节能减排领域的一个焦点问题。

1.2研究课题的提出
2009年12月7日至18日在丹麦首都哥本哈根召开了对人类发展历程具有重要意义全球气候大会——哥本哈根世界气候大会，来自192个国家的谈判代表参加了气候峰会，商讨《京都议定书》一期承诺到期后的后续方案，即2012年至2020年的全球减排协议。

中国作为一个负责任的大国，在国际上积极发挥最大发展中国家的作用，中国政府从中国人民和人类长远发展的根本利益出发，作出了“到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%”的庄严承诺；而在国内，政府一方面突出抓好工业、交通、建筑三大领域节能，继续推进十大重点节能工程建设，另一方面积极制定促进节能减排的一系列政策措施，号召和鼓励全民从身边做起，投入到节能减排的实际行动中！
改革开放以来中国的机动车辆高速增长。

机动车辆给人们带来出行便利的同时，机动车排放的尾气也对环境和人类的健康造成了不良影响。

汽车排放物来源主要有三个，即排气、蒸发、窜缸混合气。

这些排放污染物的主要成分有多种，对环境污染特别大的有害物质有CO、HC、NOx、颗粒及硫化物等。

人在呼吸时吸入CO后容易使人头疼、昏眩及反应迟钝，重者使人神经机能下降，直至死亡。

光化学烟雾对人的影响主要是对眼睛和呼吸道的刺激，使红眼病患者增加，促进哮喘病的发作并引起慢性呼吸系统疾病进一步恶化有诱发癌症的作用，因此如何有效控制和减少汽车尾气污染物的排放成为了国内交通领域和环境领域的研究重点。

本文着重从减少城市汽车污染物排放的角度来实现节能减排，减少城市交通噪声，改善城市生态环境和生活环境；即通过对城市交叉口信号系统的管理和优化设置，降低交叉口的机动车尾气排放水平，从而降低整个区域的交通污染排放水平，减少交通噪声，践行节能减排的政策。

为能够直观、准确地反映交通管理与控制对交通环境的影响。

由于此前已经对赣州市中心城区较为重要而且比较拥挤的交叉口进行了信号优化设计，因此本文以上述交叉口作为研究对象，通过对信号系统改造前后汽车整体污染物排放量的对比，定量分析信号系统改造对污染物排放的削减情况，从而研究交通信号系统优化对交通环境的影响，寻求解决交通环境污染问题更为有效的途径。

1.3国内外研究现状综述
自20世纪70年代以来，世界各国开始了大量的关于交通对环境影响的研究，而且研究的重点主要集中在交通尾气产生的环境问题和汽车尾气的治理办法，Don Pickell在《交通与大气污染》中论述了减少机动车行驶里程的战略措施。

他指出战后的美国空气质量有所改善，但是，公众仍然认为空气污染日趋严重。

既然引起污染的主要工业来源己经得到严格控制，那么引起空气质量恶化的其它主要来源必然是汽车尾气排放的增加。

这种增加必然归因于汽车保有量的增
长和大量的使用，因为日趋严格的排放标准己使得新生产的单个汽车污染排放量大大减少，因此他极力主张控制私家车的数量。

美国环境保护局(EPA)在《净化空气法案简明条例》中运用上述逻辑指出，“尽管单个汽车产生的污染比以前减少，但更多的汽车行驶了更多的里程，这就是引起空气污染的原因。

”由于尾气排放标准不能有效减少空气污染，那么，最直接的方法就是控制汽车的使用，减少车辆的行驶里程，而且美国环保局还开发出确定机动车单因子排放的MOBILE模型，该模型是全球使用最为广泛的机动车单因子排放模型，MOBILE汽车源排放因子模型作为基于试验数据的计算程序随着实验数据不断积累而不断地进行改进。

John G.. Schoon在《能源耗费、空气污染——交通规划面临的另一挑战》文中提及将能源耗费和空气污染纳入交通规划考虑的范围，交通规划时应当重视越来越严重的交通尾气污染，并在限制私人小汽车使用的同时，改善城市的机动性，减少车辆在道路上的时间和运行距离。

国内在该领域也进行了大量的研究。

1996年由北京市汽车研究所、清华大学环境工程系、广州市环境监测中心站和中国环境科学研究院承担的世界银行援助项目“中国机动车排放污染控制研究”进行了单车基本排放因子的测试，排放因子测试工作分轻型车重型发动机和摩托车测试，排放测试基本反映了我国在用机动车的排放状况和水平，为机动车综合排放因子模式的计算提供了重要的基本输入参数。

由于测试数据有限，所得到的机动车基本排放因子数据还应不断补充和完善，邓顺熙进行了我国城市道路机动车平均单车没有分车型CO、HC、NOx 排放因子的测定，得到了不分车型平均单车的污染物排放因子；周泽兴等进行了北京市汽车行驶工况和污染物排放系数调查研究，傅立新研究了如何将MOBILE 模式结合我国的交通特点来确定机动车综合排放因子。

张彬进行了城市道路声屏障研究与设计研究；王振中对道路交通噪声相关因素的进行了相关调查研究；上海同济大学的葛剑敏对轮胎振动噪声试验和理论进行了研究；常玉林和王炜曾对城市道路交通噪声分析和预测方法进行了研究。

1.4课题研究意义
道路交通控制是依靠交通警察或采用交通信号控制设施，随交通变化特性来指挥车辆和行人通行的一种过程。

初期的交通控制和管理的目的是最基本的交通要求—保障交通安全。

随着社会及汽车工业的发展，各种交通问题的出现，交通控制又衍生了疏导交通、保障交通畅通、控制机动车尾气排放等作用。

先进、高效的交通管理和控制系统通过采用区域内协调控制的方法，合理地配置交通信号的周期和绿信比，从而改善机动车运行的工况，达到减少机动车尾气排放的目的。

交通管理与控制主要作用区域是道路交叉口，因为道路交叉口作为人和车比较密集的区域，机动车在此会出现减速、怠速、加速等多种运行状况，
根据机动车污染物排放的机理可知，在这些复杂的运行状况时，机动车的排放水平明显高于匀速运行工况，造成更多的污染源排放。

因此本课题的研究意义主要有三点：第一，通过对城市交叉口的信号配时优化设计，提高交叉口各个相位绿灯利用率，改善交叉口交通拥堵现状；第二，本课题通过对城市交叉口信号的优化设计提高了机动车的行驶速度，减少车辆在交叉口等待的时间，即减少车辆出现减速，加速和怠速等多种运行状况的机会，从而达到减少汽车污染物的排放，改善城市交通环境和居住环境；第三，课题利用系统工程的相关原理，探讨了交通、环境及汽车尾气排放，汽车噪声等因素的相互作用，并使用VISSIM仿真软件、MOBILE模型及相关的数学原理进行计算和评价，努力探求使城市交通运行最为有序，交通污染排放最少的系统工程方法，为节能减排注入新鲜的血液。

1.5论文结构
第一章：绪论，介绍选题背景，国内外该课题研究现状，课题研究意义及论文结构等。

第二章
第三章
第四章
第五章
第二章城市交通环境及交通污染物排放分析
2.1 交通环境及环境交通相关概念概述
2.1.1城市环境容量概念
环境容量是指在人类生存和自然生态不受危害的前提下，某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量，即环境所能接受的污染物的限量或忍耐力的极限。

城市环境容量是指环境对于城市规模及人们活动提出的限度[20l，具体地说，就是城市所在地域的环境，在一定的时间、空间范围内，在一定的经济水平和安全卫生要求下，在满足城市生产、生活等各种活动正常进行的条件下，通过城市的自然条件、现状条件、经济条件、社会文化历史条件等的共同作用，对城市建设发展规模以及人们活动的强度提出的允许限度。

2.1.2城市环境交通容量概念确定
城市环境交通容量是指某城市一定区域范围内，在一定的道路、交通状况、环境质量标准下所能容纳的最大机动车数量。

不同城市与其所处的自然条件、人文经济、环境质量标准、社会活动、机动车所用燃料等方面的差异，机动车尾气排放的控制条件、方法及对城市环境污染的贡献率等不同，因而其城市环境交通容量的大小、因素指标的选取和计算方法的采用也就不同。

环境质量标准体系的选定，一方面要以国家标准体系为依据;另一方面还要具体分析城市的区域环境特征和城市自身环境特点，参照地区标准体系加以综合考虑和调整。

城市环境交通容量的提出，能有效地控制机动车对城市大气的污染、噪声的污染，为城市环境的可持续发展提供依据。

城市环境交通容量的计算对政府交通管理部门从环境角度发展、控制机动车数量提供了依据，为城市的长远规划与可持续发展提供了可靠的数据保证。

2.1.3城市交通环境容量概念确定
交通环境容量是指一定时期、一定区域、现实或拟定的交通环境结构不发生恶性质变的前提条件下，交通环境系统发挥正常功能时所能承受交通系统所占用的资金、容纳的污染物质和消耗的自然资源的最大值。

交通环境容量是一个总量特征值，它的制约因素是：(1)交通系统所在区域的社会、经济发展特征，如区域功能规划、产业结构等；(2)交通系统所在的自然环境特征，如气候、水文、地理状况、植被状况等；(3)交通系统所在区域的环境质量目标，如环境空气质量标准等。

2.1.4城市环境与机动车拥有量的关系
城市环境容量有多种体现方式，不同城市、不同阶段，城市允许的环境概念
也不尽相同。

就一般来说，城市环境容量是由若干个环境容量的子集组成，包括城市人口环境容量、自然环境容量、用地容量、工业容量以及交通容量。

就目前城市而言，人口、土地利用、城市大气污染和噪声污染等问题都相当突出。

据国内外统计资料显示，经济发达城市大气污染源60%以上是来自机动车辆。

机动车数量的增加，直接导致城市的大气环境遭到破坏。

城市声环境污染中，城市机动车在用数量是城市环境噪声的主要因素，其次是人口密度、社会噪声、工业噪声源和施工噪声源。

据研究表明，交通噪声的控制与治理是治理城市声环境的重点，所以在城市环境容量中，大气污染、交通噪声污染是其主要因素，即城市的机动车在用数量直接影响城市的环境。

城市环境容量的主要表现是城市大气排放和噪声严重超标，而导致其大气污染、噪声污染的直接污染源单体就是机动车。

因此控制机动车的数量或单个的排污量，是控制城市环境的主要手段。

在机动车单体排污一定的条件下，机动车的环境容量就取决于环境质量标准和其数量；在机动车数量一定的条件下，机动车的环境容量就取决于其单个的排污控制水平。

在环境要求质量(容量)一定的条件下，机动车单体排污能力控制的水平越高，机动车的容量就可提高，反之则降低。

2.2 污染物排放因子确定及分析
2.2.1污染物因子的选取原则
污染因子选取的原则：
①实用性
评价城市交通控制系统的目的在于分析目前交通控制系统工作的
现状，从而发现问题，有针对性地实施科学的管理，提高交通控制设施的利用率。

因此选取的污染物因子评价指标应能准确和全面的评价交通控制的实际水平，应简单明确、使用方便、便于统计和量化计算。

而且评价指标的测定须有良好的可操作性，才能保证评价指标的准确、快速的获取，以确保评价工作的正常进行。

②可比性
污染因子要能客观地评价同一城市在不同时期的交通控制状况，这就要有可比性。

因此，指标体系的建立应考虑到交通控制发展的过程，选取在一段时间内通用的指标，指标尽量选用相对值以方便比较。

③科学性和可靠性
评价必须建立在科学的基础之上，才能反映客观实际，对实践具有指导作用；评价指标必须可靠，实用，才能构成评价标准的基础，如果指标本身很不可靠，那么评价标准就失去了意义。

2.2.2 污染物排放因子的确定
目前，经济的发展导致了城市机动车数量越来越多，而机动车带来的环境问
题也越来越突出，这些环境问题主要包括大气污染、噪声、震动、妨碍日照和电磁波干扰等。

结合本课题的需要和赣州市实际交通环境情况，选取一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、总悬浮固体颗粒物和噪声五个环境污染因子。

2.2.3污染物因子分析
城市机动车排放污染物有一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、悬浮颗粒物和少量的二氧化硫、醛类等，其中，一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物和可吸入颗粒物（PM10）所占比例最大，所造成的危害也最大。

2.2.
3.1 一氧化碳的生成机理
A下，燃烧产物有所区对于汽油机，根据燃烧化学反应，在不同空燃比
F
别。

理论上当过量空气系数1=λ，燃料完全燃烧，其产物为co2和O
H2；当空气不足时，即1<λ时，则有部分燃料不能完全燃烧，生成CO。

图2-1 汽车CO排放与速度的关系
因此CO的排放浓度基本上受空燃比所支配，理论上当1=λ时，排气中不存在CO。

实际上由于混合、分配不均匀，在排气中还是会含有少量C0。

即使在混合气混合很均匀的情况下，由于燃烧后的温度很高，已经生成的co2也会有一小部分被分解成C0和O2，O
H2也会部分被分解成O2和H2，生成的H2也会使co2还原成C0，所以，排气中总会有少量的CO存在。

可见，凡是影响混合比的因素都是影响CO的因素，主要表现在以下工况中:
(1)急速转速的影响
发动机急速旋转时气缸内混合气较浓，提高急速转速，可有效地降低排放尾气中CO 浓度；从净化的观点出发可以提高发动机的急速转速。

(2)减速工况的影响
当汽车急速减速时，发动机进气管中的真空度迅速增大，停留在进气系统中 的燃料油膜在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混合气瞬时过浓，致使燃 料状况恶化，排气中CO 浓度将显著增加。

(3)负荷影响
通常CO 在小负荷和全负荷时排放量增加。

机动车在道路交叉口时，车辆速度下降，发动机转速降低，CO 排放量增加，尤其在交叉口常会出现怠速工况，此时C0排放量增长显著。

汽油轿车CO 排放与速度的关系如图2-1所示。

2.2.
3.2 氮氧化物的生成机理
机动车发动机在燃烧过程中主要生成NO ，另有少量的NO 2，通称NO x ，其中NO 占绝大部分。

在较低的温度下，N 2和O 2生成NO 的机理可以认为是
简单的双分子反应，即2NO O N 22→+，一般这个反应是很难发生的。

但是
图2-2 汽油轿车氮氧化物排放情况图
在高温时，有以下两个反应：
N NO O N 2
+→+ O NO O N 2++→
这些反应是连锁反应，分子状态的氮和原子状态的氧碰撞，或者氧分子和氮原子
碰撞而生成NO 。

NO 的生成量在很大程度上取决于缸内气体燃烧的温度，并与温度成指数关系。

发动机的转速和发动机的启动决定着燃烧室温度，因此良好的运行工况和适当的运行速度将制约的NO x
生成。

机动车通过道路交叉口时通常都会减速等待绿灯；汽车在低速运行时NO 的排放量随速度的降低而增加，在怠速时
NO x
的排放有显著增加。

汽油轿车NO x 排放与速度的关系如图2-2所示。

2.2.3.3 碳氢化物的生成机理
汽油是由多种成分的碳氢化合物组成，如果完全燃烧将生成二氧化碳和水。

但是汽油的燃烧过程很复杂，任何发动机都可能发生不完全燃烧，在排气中都会有少量HC 存在。

为了提高发动机的最大功率，常使发动机在空燃比1<λ的浓混合气情况下工作。

在低负荷时由于气缸内残余废气较多，为了不使燃烧速度过低，也在1<λ的情况下工作。

由于1<λ使空气量不足，所以必然发生不完全燃烧。

在 汽油中用电火花点火，由火焰传播把混合气体烧掉，但紧靠燃烧室壁面附近的混合气层，由于缸壁的冷却形成激冷层，使火焰传播终止而熄灭，因此激冷层的混合气不能完全氧化燃烧，因此有许多未燃的HC 也要排出来。

排气中的HC 是燃料不完全燃烧或部分被分解的产物，含有饱和烃、不饱和烃、芳烃及部分含氧化合物(如醛、酮、酸等)，成分复杂。

在燃烧室形状不变、燃料不变的情况下，排气中HC 的浓度及各种成分的生成受发动机工况的影响很大。

图2-3 汽车碳氢化物排放与速度关系
在负荷一定时，随转速升高HC 排放很快下降，这主要因为发动机温度的增加加快了燃烧反应；同时转速一定时，随负荷增高HC 排放降低，这是由于燃烧
温度升高，燃烧壁面激冷层逐渐减薄所致。

怠速状态是汽车排放HC浓度最高的工况。

机动车在道路交叉口时车辆速度下降，发动机转速降低，车辆加减速工况增加，HC的排放量增加，尤其是怠速时，排放量增加明显。

汽油轿车HC排放与速度关系如图2-3所示。

2.2.
3.4 总悬浮固体颗粒
汽车尾气排放的固体悬浮颗粒物主要来源于汽车内燃料燃烧时产生的烟尘，当这些烟尘排放到空气中成为交通扬尘以及气态污染物后，再经过物理化学反应在空气中生成的相应的盐类颗粒。

固体悬浮颗粒的成分很复杂，并具有较强的吸附能力，可以吸附各种金属粉尘、强致癌物苯并芘和病原微生物等。

固体悬浮颗粒随呼吸进入人体肺部，以碰撞、扩散、沉积等方式滞留在呼吸道的不同部位，引起呼吸系统疾病。

当悬浮颗粒积累到临界浓度时，便会激发形成恶性肿瘤。

此外，悬浮颗粒物还能直接接触皮肤和眼睛，阻塞皮肤的毛囊和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎，甚至造成角膜损伤。

总悬浮颗粒物中对人类和动物危害最大的是可吸入颗粒物（PM10），动力学研究表明颗粒直径 10微米的粒子可在大气中长期飘浮，因此该种颗粒物也被称为可吸入微粒、可吸入尘或飘尘。

由于粒径小能被人直接吸入呼吸道内造成危害，尤其是2.5微米的细粒子中，Pb、Mn、Cd、Sb、Sr、As、Ni、硫酸盐、多环芳烃等含量较高，在空气中持留时间长，易将污染物带到很远的地方使污染范围扩大。

对环境的有害影响还有散射阳光、降低大气的能见度等。

可吸入尘同时在大气中还可为化学反应提供反应床等。

2.2.
3.5 噪声
汽汽车噪声是汽车行驶在道路上时，内燃机、喇叭、轮胎等发出的大量人类不喜欢的声音。

汽车噪声严重影响人的身体健康。

近年来，城市机动车辆增长很快，伴随而来的交通噪声污染环境现象也日益突出。

汽车噪声的主要来源如下：
①由道路所激发的车体结构的振动；
②轮台触地所激起的空气振动；
③车体穿过大气所产生的湍流；
④发动机的振动和排气、进气；
⑤传动系统中的相互运动所激发的振动；
⑥制动器与轮圈的摩擦；
⑦空调风机等。