基于全生命周期理论的公路建设期碳排放核算方法及实证研究

第46卷,第1期2021年2月
公路工程HighwayEngineering
Vol.46,No.1
Feb.,2021
Doi:10.19782/j.cnki.1674-0610.2021.01.016
[收稿日期]2020-04-14
[基金项目]中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(20150108);贵州省交通运输厅科技项目(2016-123-014);交通运输战略规
划政策项目(2018-20-1,2019-21-1);河南省交通运输厅科技项目(2018G)
[作者简介]方 海(1968—),男,安徽广德人,硕士,高级工程师,研究方向:交通环保、节能减排。
[引文格式]方 海,曹子龙,凤振华,等.基于全生命周期理论的公路建设期排放核算方法及实证研究[J].公路工程,2021,46(1):
92-97,124.
FANGH,CAOZL,FENGZH,etal.Carbonemissionaccountingmethodandempiricalresearchofhighwayconstructionperiodbasedonfulllifecycletheory[J].HighwayEngineering,2021,46(1):92-97,124.
基于全生命周期理论的公路建设期碳排放核算方法
及实证研究
方 海,曹子龙,凤振华,陈书雪
(交通运输部科学研究院,北京 100029)
[摘 要]以全寿命周期理论为指导,采用清单分析法和排放系数法,构建公路建设期碳排放计算模型。依托贵州盘兴高速公路建设工程,利用所构建的碳排放计算模型对该公路建设期路面碳排放量进
行核算,并依托该工程研发的能耗统计监测信息系统,对该工程路面碳排放量进行对比核算检验。结果表明,基于碳排放计算模型的盘兴高速公路建设期路面碳排放量核算值为12 22万t,基于能耗统计监测信息系统的盘兴高速公路路面建设期路面碳排放核算值为15 20万t。采用两种方法核算结果较为相近,表明本研究提出的公路建设期碳排放核算方法及计算模型比较科学合理,同时也为公路建设期碳排放核算提供了一种新的实测核算方法。
[关键词]全寿命周期理论;公路;建设期;碳排放;核算方法
[中图分类号]X82  [文献标志码]A    [文章编号]1674—0610(2021)01—0092—0
6CarbonEmissionAccountingMethodandEmpiricalResearchof
HighwayConstructionPeriodBasedonFullLifeCycleTheory
FANGHai,CAOZilong,FENGZhenhua,CHENShuxue
(ChinaAcademyofTransportationSciences,Beijin
g100029,China)
  [Abstract]Basedonthelife cycletheory,aninventoryanalysismethodandanemissionfactormethodareusedtobuildamodelforcalculatingcarbonemissionsofhighwayconstructionperiod RelyingontheconstructionprojectofPanxingExpresswayinGuizhou,usethecarbonemissioncalculationmodelconstructedtocalculatethecarbonemissionsofthepavementduringthehighwayconstructionperiod,andcomparethecarbonemissionsmonitoredbytheenergyconsumptionstatisticalmonitoringinformationsystemdevelopedbythisproject Theresultsshowthattheaccountingvalueofroadcarbonemissionsbasedonthecarbonemissioncalculationmodelis122,200tons,andtheaccountingvalueofroadcarbonemissionsbasedontheenergyconsumptionstatisticalmon
itoringinformationsystemis152,200tons Thecalculationresultsofthetwomethodsarerelativelysimilar,indicatingthatthecarbonemissionaccountingmethodandcalculationmodelofroadconstructionperiodproposedinthisstudyarerelativelyscientificandreasonable,andprovideanewmeasurementmethodforcarbonemissionaccountingduringtheroadconstruction
[Keywords]lifecycletheory;highway;constructionperiod;carbonemissions;accountingmethod
第1期方 海,等:基于全生命周期理论的公路建设期碳排放核算方法及实证研究 
0 引言
全球气候变化是当今全球关注的焦点和研究热点[1],温室气体的排放是引起全球气候变暖的主要原因[2]。交通运输业作为全球碳排放的重要来源,碳排放量已占到全球总量的约四分之一,并且是全球碳排放增长最快的领域之一[3],也是影响全球气候变暖的主要因素之一。随着我国经济的
快速发展,公路通车总里程持续上升,公路建设所存在的高碳排放、高能耗、以及环境破坏等问题越来越严重。但目前我国尚未形成一套与国际碳排放核算有关标准相接轨的公路碳排放核算方法。如何针对公路全寿命周期碳排放进行定量测算和分析,把握公路建设过程中碳排放的特征过程与排放量情况还缺乏适当的方法,在一定程度上,阻碍了公路行业节能减排的发展与进步。因此,系统研究公路全寿命周期碳排放核算方法在当前中国国民经济节能减排的重要时代背景下显得尤为重要和迫切。本文通过探索构建公路建设期碳排放计算模型,并依托配套工程研发的能耗统计监测信息系统开展实证研究,进行了理论测算与实证对比分析,旨在为进一步完善我国公路建设领域碳排放核算方法体系提供借鉴。
1 研究方法
本项研究以全寿命周期理论为指导,充分继承借鉴国内外研究成果[4-9],采用基于过程的清单分析法和排放系数法,探索构建公路建设期碳排放计算模型。依托配套工程贵州盘兴高速公路,首先利用所构建的碳排放计算模型对该公路建设期路面碳排放量进行核算,得出其核算理论值;然后依托贵州盘兴高速公路研发的能耗统计监测信息系统,通过所采集的实际能耗统计监测数据,得出贵州盘兴高速公路建设期路面工程能耗实测值,并进而计算得出其碳排放量核算值。通过两项数据进行对比分析,一方面检验本研究提出的公路建设期碳排放核算方法及计算模型的科学合理性,另一方面也为探索一种新的公路建设期碳排放核算实测方法进行有益尝试。
2 基于全寿命周期理论的公路建设期碳排放核算方法
2 1 全寿命周期评价理论
在碳排放量的测算研究中,使用的主要方法有寿命周期方法、系统动力学方法和投入产出法。其中,寿命周期评价(LifeCycleAssessment,LCA)是以过程分析为基本出发点,通过研究对象的寿命周期输入和输出数据清单,计算研究对象的全寿命周期的碳排放,是目前较为常用的碳排放核算方法。
2 2 全寿命周期阶段划分及系统边界确定
2 2 1 研究范围
公路工程一般分为路基工程、路面工程、隧道工程、桥涵工程、交叉工程、沿线附属设施与临时工程等单位工程[10]。由于路基、隧道、桥涵和交通附属设施不同公路差别很大,难以用统一的功能单位表示。因此,本项研究的范围仅限于路面工程,即主要考虑路面工程全寿命周期的碳排放核算。
2 2 2 功能单位的确定
为了能更好的反映路面全寿命周期能耗情况,也为了有利于核算碳排放量,本研究取1km双向四车
道高速公路的半幅路面作为1个基本单元,所需能耗量形式采用高速公路全寿命周期内1基本单元路面所消耗的能量,具体能耗表示为MJ/基本单元。产生的碳排放量形式为高速公路全寿命周期内1基本单元路面Co
排放量,具体排放表示为t/基本单元。
科尔曼
2 2 3 公路全寿命周期阶段划分
根据国内外研究成果,公路全寿命周期一般划分为4个阶段,即材料物化阶段、建设施工阶段、运营维护阶段和拆除回收阶段。本研究将公路建设期划分为材料物化阶段、建设施工阶段2个阶段。2 2 4 公路全寿命周期系统边界确定
本研究将公路的全寿命周期作为一个产品系统,定义系统边界内部的单元过程。公路建设期不同阶段碳排放系统边界为:材料物化阶段,只考虑公路建设过程中主要材料和高耗能材料,如水泥、沥青、砂、碎石等;建设施工阶段,主要考虑施工机械、设备使用消耗动力燃料和能源产生碳排放。2 3 公路建设期碳排放计算模型
我国公路路面结构形式主要包括沥青路面和水泥混凝土路面。在公路建设和运营过程中采用大量高耗
能和高碳密度的原材料和产品,如沥青、水泥、石料等,并在材料生产运输、道路施工和养护维修过程中消耗了众多的能源,产生了大量的碳排放。
公路全寿命周期碳排放,是指该产品系统在与
 公路工程46卷
周围环境交互作用过程中,由于消耗各种资源和能量向外界环境产生的碳排放量[4]。结合国内外研究成果,公路建设期各阶段碳排放主要来源见表1。
表1 公路建设期各阶段碳排放来源情况表
Table1 Sourcesofcarbonemissionsduringvariousstagesofhighwayconstruction建设期阶段碳排放来源
材料物化阶段公路原材料的采掘、加工到路面材料生产、运输整个过程中消耗材料、资源,以及设备投入、电力消耗共同产生的碳排放
vp5
建设施工阶段公路建设施工期,施工机械、设备运营时产生的碳排放;施工辅助材料现场加工的碳排放  在系统分析公路全寿命周期内各阶段能耗清
单的基础上,通过排放系数法可将能耗量转化为
碳排放量,得到公路建设期内各阶段产生的碳排
放量的总和,公路建设期碳排放计算模型构建如
下:
C=C
材料物化+C
建设施工
其中,C
材料物化
为公路在材料物化阶段各环节产生的
碳排放总量;C
建设施工
为公路在建设施工阶段各环节产生的碳排放总量。
3 基于碳排放计算模型的公路建设期碳排放核算
3 1 材料物化阶段清单分析
贵州盘兴高速公路全线采用沥青砼路面,标准路面总厚度76cm。根据本工程施工图设计提供的路面工程量清单和《公路工程预算定额》,可计算出1功能单位公路路面铺筑过程所需要材料的清单数量如下:石油沥青203 35t,碎石12961 75t,砂1786 48t,水泥694 56t。本研究材料物化阶段只考虑路面铺筑过程中主要材料和高耗能材料,包括水泥、沥青、砂、石料等。
物化阶段的能耗和碳排放主要是指材料在使用和处理之前的所有上游过程和活动产生的总能耗和碳排放总量,本阶段主要材料单位体积(质量)的能耗和碳排放清单,见表2。
表2 路面主要材料物化过程能耗和碳排放清单
杨澜体
Table2 Listofenergyconsumptionandcarbonemissionsinthematerializationprocessofmainmaterials
单位材料热值/
王子文华尔兹
kJ河南省高等教育自学考试
CO
排放系数/
kg-CO
数据来源
1t石油沥青49009692欧洲沥青协会Eurobitume1t砂60050 88宋会研究
成果[5]
1t碎石20016 96宋会研究成果[5]
1t水泥3227 47870 31潘美萍研究成果[4]
  通过路面主要材料单位体积(质量)的能耗和碳排放清单,可得到物化阶段1功能单位路面的主要材料产生的能耗值和碳排放量,见表3。
表3 路面物化阶段1功能单位能耗及碳排放量清单
Table3 Afunctionalunitenergyconsumptionandcarbonemissioninventoryatthepavementphysicalization
stage
材料用量能耗值/mJCO2排放量/kg203 35t石油沥青99641519708681786 48t砂107188890896
12961 75t碎石2592350219831
694 56t水泥2241672604483合计69023252886078注:单位材料的热值及CO
排放系数与表2一致。
  本研究取1km双向四车道高速公路的半幅路
面作为1个基本单元,即贵州盘兴高速公路材料
物化阶段1基本单元路面CO
排放量为2886078kg。依托工程盘兴高速公路全长为88 943km,因此,盘兴高速公路路面材料物化阶段碳排放总量为513393t,计算过程如下:
材料物化
=2886078×2×88 943÷1000=
513393
3 2 建设施工阶段清单分析
根据盘兴高速公路具体情况,沥青混合料拌和楼及料场距离施工现场的平均运距约为10km,基层水稳拌和楼距离施工现场的平均运距约为8km。根据本工程施工图设计工程量清单和《公路工程机械台班费用定额》,计算1功能单位高速公路各施工工序使用的施工机械以及台班数,得到不同施工机械、设备的能源消耗量,如表4所示。
公路全寿命周期常用能源热值及CO
排放系数,见表5。
通过路面施工阶段1功能单位不同施工机械、设备能源消耗清单,可得到施工阶段1功能单位路面主要施工设备产生的能耗值,进而通过排放系数法将能耗清单转化为碳排放清单。具体见表6。
本研究取1km双向四车道高速公路的半幅路面作为1个基本单元,即盘兴高速公路建设施工
阶段1基本单元路面CO
排放量为376149 57kg。依托工程盘兴高速公路全长为88 943km,因此,盘兴高速公路路面建设施工阶段碳排放总量为
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第1期方 海,等:基于全生命周期理论的公路建设期碳排放核算方法及实证研究 
    表4 1功能单位不同施工机械、设备能源消耗清单
Table4 Energyconsumptionlistofdifferentconstructionmachineryandequipment
机械类型
燃料类型
柴油/kg汽油/kg液化天然气(LNG)/m3电力/(kW·h)
自行式平地机267 85
轮胎式装载机2026 72
稳定土厂拌设备9672 28
稳定土摊铺机379 51
沥青拌和设备30918 6828764 35沥青混合料摊铺机440 71
沥青洒布车1158 32
洒水汽车419 31
自卸汽车95672 6819680 53
光轮压路机2989 61
振动压路机163 82
轮胎压路机220 46
合计102580 7020838 8530918 6838436 63表5 常用能源热值及CO
排放系数
Table5 CommonenergycalorificvalueandCO
emissionco
efficient
单位能源热值/
MJ
CO
排放系
数/(kg-CO
数据来源
1kg柴油30 642 271kg汽油23 471 632006年IPCC国家温室气体清单指南[11]
1m3液化天然气41 382 33
1kW·h电力3 600 97国家发改委
表6 路面施工阶段1功能单位主要施工设备能耗及碳排放清单
Table6 Energyconsumptionandcarbonemissionslistofthemainconstructionequipment
能源用量能耗值/MJCO2排放量/kg102580 70kg柴油3143072 65232858 19
20838 85kg汽油489087 8133967 33
30918 68m3液化天然气1279414 9872040 52
38436 63kW·h电力138371 8737283 53合计5049947 30376149 57注:单位能源的热值及CO
排放系数与表5一致。
66912t,计算过程如下:
建设施工
=376149 57×2×88 943÷1000=
66912
3 3 建设期碳排放量核算
根据本研究给出的公路全寿命周期碳排放计算模型,经计算,依托工程盘兴高速公路建设期排放总量为601378t。计算公式及过程如下:
建设期=C
材料物化
+C
建设施工
=534466+66912=601378
4 基于能耗统计监测信息系统的公路建设期碳排放核算
4 1 施工期能耗统计监测方法
本研究依托盘兴绿公路建设工程,施工期能耗统计监测采用现场人工统计监测与监测设备自动远程监测相结合的方法开展[12]。其中,现场人工统计监测能耗数据为盘兴路全线施工期不同时段总能耗消耗量;监测设备自动远程监测数据为盘兴路个别标段选取的监测试点时时能耗消耗量,重点解决能耗统计的远程监测、数据上传与信息管理的实现途径,同时为现场人工统计监测能耗数据的准确性提供科学依据。
4 1 1 现场人工统计监测
高速公路建设工程量大,能耗数据量也大,根据公路的划分标段,设计公路月度总能耗统计表和重点用能设备月度统计表,由各标段专门负责绿公路建设的专职人员每月填报标段实际耗能量。其中公路月度总能耗统计表主要填报的内容包括:标段本月度内消耗的能源品种、实际耗能量等数据;重点用能设备月度统计表主要填报内容包括:主要机械用能工程项目中各种用能机械的消耗能源品种、实际耗能量等数据。主要填报要求为:每月上报一次,表中数据为本月度内各项能源消耗汇总值;能源总消耗量是指本月度内施工标段总消耗的柴油、汽油、天然气、电力等各种能源的总量,包括标段各项施工工程耗能、项目部和施工营地生活用能、分包工程耗能等一切与本标段工程有关总耗能量。4 1 2 监测设备自动远程统计监测
为进一步增加施工期能耗统计数据的准确性,本研究采用了基于能耗统计管理信息系统的远程能耗统
计监测技术。依托盘兴绿公路建设工程,利用现场安装的能耗统计监测设备,开发了“盘兴绿公路能耗统计管理信息系统”,结合能耗监测硬件设备(现场数据采集设备、网络硬件设备、数据终端平台设备等),对盘兴高速公路施工期施工用电、施工用油和施工用气等主要能源进行了远
 公路工程46卷
程在线监测,实现了能耗统计的远程监测、数据上传与信息统计管理(见图1)
图1 能耗统计信息系统截图
数字音响
Figure1 Screenshotofenergyconsumptionstatisticsinformationsystem
4 2 建设期能耗统计结果
盘兴高速公路施工期共分为6个标段,其中第5标和第6标为路面标段。根据盘兴高速公路施工期能耗统计管理信息统计结果,盘兴高速公路路面
标段能源消耗量见表7。
4 3 建设期碳排放量核算
利用盘兴高速公路建设施工期能耗统计信息系统统计的公路路面能源消耗量,根据公路全寿命周
表7 盘兴高速公路施工期5标段和6标段能源消耗量
Table7 Energyconsumptionof5-6bidsectionsduringtheconstructionperiodofPanxingExpressway
标段
燃料类型
柴油/kg汽油/kg
液化天然气(LNG)/m
电力/(kW·h)路面标段
5标207655001510980
108555896标
11059270351435902442314 62783163 77合计
31824770
351435903953295
13638753
期常用能源热值及CO2排放系数,计算得到盘兴高速公路建设施工期各个环节产生的能耗值,进而通过排放系数法将能耗清单转化为碳排放清单,具体见表8。
表8 盘兴高速公路建设施工阶段路面能耗及碳排放量
Table8 Pavementenergyconsumptionandcarbonemissions
duringtheconstructionphaseofpanxingexpressway
能源用量能耗值/MJCO2排放量/kg31824770kg柴油9751109537224222835143590kg汽油
824820057572840523953295m3
液化天然气163587347921117713638753kW·h电力
49099511
13229590
合计2012617868151967047注:单位能源热值及CO2排放系数与表5
一致。  经计算,依托工程盘兴高速公路路面建设期碳
排放总量为151967t,计算过程如下:
C建设期=
151967047÷1000=1519675 结果与分析
5 1 建设期碳排放量核算
本研究分别基于碳排放计算模型和能耗统计监测信息系统对依托工程盘兴高速公路建设期路面碳排放量进行了核算。其中,基于碳排放计算模型的盘兴高速公路建设期路面碳排放量核算值可视为理论计算值,而基于能耗统计监测信息系统的盘兴高速公路建设期路面碳排放核算值可看作是实测计算值。为验证本研究提出的碳排放计算模型的科学性,本研究将依托工程盘兴高速公路基于两种方法
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