土木工程管理中可持續(xù)能源面臨的挑戰(zhàn)研究

劉 凱

(湖南 益陽 413000)

0 前 言

土木工程師為人類設(shè)計并建造了一個新的棲息地，幾乎在每個國家都改善了居住環(huán)境，而持續(xù)的全球氣候變暖勢頭為土木工程施工提出了新的挑戰(zhàn)。隨著世界人口持續(xù)增加，主要是在發(fā)展中國家，城市人口大幅增長，同時世界糧食產(chǎn)量增加，這也有助于增加城市化。城市可以被視為生產(chǎn)單位，并且制造城市就業(yè)的機會范圍更廣。世界城市的一個主要問題是交通設(shè)施不合理，城市形態(tài)與城市交通不相容，這對城市的經(jīng)濟效率產(chǎn)生了相應(yīng)的影響。世界對能源和電力的需求不斷增長，大氣中二氧化碳含量的增加正引起人們對氣候變化和平均海平面上升的擔(dān)憂。

土木工程的歷史以工作安排的快速變化為標(biāo)志。土木工程是在軍事工程之后發(fā)展起來的，最初包括所有非軍事基礎(chǔ)設(shè)施工作。土木工程管理在實際中會變得更加復(fù)雜。隨著新技術(shù)的發(fā)展，新的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用被納入土木工程，如鐵路、機場、供水和污水處理工程。新的社會問題也引發(fā)了土木工程工作的變化，例如減少空氣和水污染的新規(guī)定。工程學(xué)本身已發(fā)展成為眾多不同的學(xué)科，包括生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、電氣、機械、冶金和采礦工程的工程專業(yè)。土木工程師傾向于在比其他工程學(xué)科更大的空間和時間尺度上工作。土木工程師越來越多地與代表多個職業(yè)的團隊合作，如建筑師、施工人員和其他工程師。同時計算機輔助通信和工程輔助工具徹底改變了在這些團隊中工作的框架。土木工程與其他工程學(xué)科的區(qū)別在于公私互動對于監(jiān)管和所有權(quán)的重要性。

全球的發(fā)展正在向可持續(xù)、清潔和可再生能源的轉(zhuǎn)變，尤其對土木工程來說，是一項重大的新挑戰(zhàn)。在過去，土木工程包括水壩、水力渦輪機和用于提供能量的傳輸系統(tǒng)。但是這個角色正在擴大。新技術(shù)將有助于這種轉(zhuǎn)變，特別是對于發(fā)電，需要進行新的基礎(chǔ)設(shè)施投資和更好的管理決策。

在工程建設(shè)中有幾個因素促使人們轉(zhuǎn)向可持續(xù)能源。許多國家正在進口更多的能源，特別是用于液體燃料的石油，因此，能源安全是一個問題?？傮w能源需求正在增加，因此，正在尋找新的能源。長期提供足夠的化石燃料能源供應(yīng)是一個主要問題; 例如，美國的石油生產(chǎn)已經(jīng)在1970年左右達到頂峰，預(yù)計21世紀(jì)將達到世界峰值。對全球氣候變化和化石燃料發(fā)電的公共衛(wèi)生影響的關(guān)注使清潔能源和能源效率受到重視。許多州已頒布可再生能源或替代能源生產(chǎn)要求。盡管轉(zhuǎn)換無疑會相對緩慢和適合，但風(fēng)電投資領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了重大變化，其中全球裝機容量增長率高達每年30%。

土木工程的增長恰逢化石燃料的開發(fā)和使用迅速增加。諸如煤、天然氣和石油之類的化石燃料具有高能量密度并且開發(fā)相對便宜。船舶從清潔和可再生風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)向煤炭、石油和有限的核電。鐵路從可再生木材燃料轉(zhuǎn)向煤和柴油。電網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用，促進了供水和配水系統(tǒng)的廣泛發(fā)展。在過去幾個世紀(jì)中，能源成本以實際價格下降。實際上，廉價能源是過去兩個世紀(jì)整體經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。然而，之前提到的因素正在努力降低化石燃料的作用，并在未來增加實際的能源成本。此外，為這個廉價的，主要是化石燃料能源的時代而發(fā)展起來的基礎(chǔ)設(shè)施必須改變，以建立一個新的可持續(xù)能源制度。

可持續(xù)能源只是可持續(xù)工程的一個方面。許多其他應(yīng)用領(lǐng)域也很重要。例如，減少有毒物質(zhì)(包括對健康有影響的納米粒子)的傳播是一個持續(xù)關(guān)注的問題。更好地管理漁業(yè)、森林和水等可再生資源也很重要。然而，現(xiàn)代社會普遍使用能源使可持續(xù)能源成為優(yōu)先事項。

在接下來的部分中，將討論可持續(xù)能源未來的基礎(chǔ)設(shè)施特征; 強調(diào)了生命周期觀點對規(guī)劃、實施和管理這一新基礎(chǔ)設(shè)施的重要性; 在結(jié)論部分，總結(jié)了可持續(xù)能源的工程管理優(yōu)先事項。

1 可持續(xù)能源基建

與當(dāng)前的能源基礎(chǔ)設(shè)施相比，可再生或可持續(xù)能源基礎(chǔ)設(shè)施將具有一些非常不同的特征。與英國相比，我國擁有更多的土地總量，更多的陽光和更多的地?zé)崮茉矗蚩稍偕茉吹闹卮筠D(zhuǎn)變將需要一些重大的土地利用變化和相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。表1為英國每單位土地或水域產(chǎn)生的可再生能源估計數(shù)。

表1 英國每單位土地或水域產(chǎn)生的可再生能源估計數(shù)

許多可再生能源也是間歇性的。風(fēng)可能會停，夜間停止光伏發(fā)電生產(chǎn)，即使是水電也會遭受干旱的影響。隨著電網(wǎng)中這種間歇電源的比例增加，需要采取管理措施來克服由于這種間歇性引起的電力波動，以及對備用電源或存儲電源的投資。盡管對諸如電池的外來存儲設(shè)備存在相當(dāng)大的興趣，但通過使用儲存器的抽水存儲具有成本競爭力并且將是增加的基礎(chǔ)設(shè)施投資。

一些新的可再生能源將分配給當(dāng)?shù)厥褂茫⑿枰c住宅和其他建筑相結(jié)合的基礎(chǔ)設(shè)施。例如，太陽能可以從屋頂作為熱水或來自光伏板的電力來利用。地?zé)嵩O(shè)施也可以提供冷卻或加熱，但同樣需要基礎(chǔ)設(shè)施投資。核電與表1中列出的可再生能源不同，因為它不需要更多空間。但是，它在管理廢物和確保安全方面帶來了自己的工程管理挑戰(zhàn)。

一個多世紀(jì)以來，美國在化石燃料運輸設(shè)施方面投入了大量資金。已經(jīng)為天然氣和石油產(chǎn)品開發(fā)了廣泛的管道網(wǎng)絡(luò)。2002年運輸了10億t煤，主要通過內(nèi)陸水道或鐵路。在化石燃料發(fā)電廠和消費者之間已經(jīng)開發(fā)了輸電線網(wǎng)絡(luò)?？稍偕茉催€需要運輸基礎(chǔ)設(shè)施，用于從可再生能源發(fā)電站輸送電力，運輸生物質(zhì)能源作物以及運輸乙醇等生物燃料。這些可再生能源的位置不同于傳統(tǒng)的化石燃料來源，因此，需要新的交通設(shè)施。

2 生命周期視角

在考慮對可再生能源生產(chǎn)和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的新投資時，可持續(xù)的工程挑戰(zhàn)是考慮這些投資的整個生命周期的影響。產(chǎn)品和工藝在生命周期主要成本和環(huán)境影響發(fā)生的位置不同。此外，“可持續(xù)的”生命周期需要考慮多代人的影響，而不僅僅是一代人的一部分。

評估未來成本充滿了不確定性。資本成本通常高于預(yù)期?；剂夏茉慈缡偷膬r格已經(jīng)非常不確定。此外，環(huán)境影響通常不包括在材料的供應(yīng)鏈價格中，因此，對環(huán)境影響的全面評估需要從搖籃到墳?zāi)沟沫h(huán)境生命周期評估。

關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期觀點也表明適應(yīng)和彈性的重要性。對基礎(chǔ)設(shè)施生命周期中經(jīng)濟和技術(shù)變化的預(yù)測可能不太正確。基礎(chǔ)設(shè)施可能必須適應(yīng)氣候變化。例如，在沿?；A(chǔ)設(shè)施的整個生命周期中很可能發(fā)生顯著的海平面上升，這對該基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計和位置具有一些重要影響。氣候變化可能會使颶風(fēng)等嚴(yán)重事件更加頻繁，同樣會對設(shè)計決策產(chǎn)生重大影響。即使溫室氣體排放量迅速減少，可以預(yù)期現(xiàn)有溫室氣體會對氣候變化產(chǎn)生影響。

3 工程管理的優(yōu)先事項

前幾節(jié)中概述的變化和新的戰(zhàn)略重點對土木工程管理具有一些重要意義。

首先，轉(zhuǎn)向可再生能源將為各種工程師創(chuàng)造工作，但民用基礎(chǔ)設(shè)施將至關(guān)重要。例如，設(shè)計、建造和維護大型海上風(fēng)力渦輪機場的結(jié)構(gòu)工程挑戰(zhàn)將是巨大的。項目經(jīng)理將面臨為這種可再生能源建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施的問題。

其次，提高基礎(chǔ)設(shè)施的效率將是一項重要的管理挑戰(zhàn)。人們普遍認(rèn)為，效率是實現(xiàn)可持續(xù)能源的最具成本效益的手段。建筑必須具有更好的完整性 必須使用更節(jié)能的光源替換白熾燈泡，運輸必須更加省油。在使用其他資源(如水)時也需要提高效率。由于缺乏可負(fù)擔(dān)的水或?qū)λ|(zhì)的擔(dān)憂，許多地區(qū)正在經(jīng)歷壓力。我們需要追求更好的用水效率，而不是將能源和財政資源用于遠(yuǎn)距離運輸。盡管具有再生能源的電動汽車等新技術(shù)可能有助于提高效率，但許多變化需要在投資決策和流程變更方面采取管理措施。效率的提高可以帶來更大的需求，因此也需要管理需求。

第三，應(yīng)改變土地使用管理以適應(yīng)多種用途。隨著更多的土地用于發(fā)電，我們需要有效地使用這種固定資源。例如，風(fēng)力渦輪機農(nóng)場也可用于生長乙醇燃料的生物質(zhì)?？梢允褂玫?zé)?，儲存或運輸?shù)牡叵驴臻g，并將其作為土地使用管理的考慮因素。

這些只是轉(zhuǎn)向可持續(xù)工程的眾多管理挑戰(zhàn)中的三個。每個都對工程實踐有影響，對教育和研究議程也有影響。例如，教育工作者可能會考慮現(xiàn)有課程的哪一部分與生命周期觀點和這三個挑戰(zhàn)相關(guān)。

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