瀝青路面建設(shè)期能耗及碳排放量化研究

1 引言

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃的通知》 著重強(qiáng)調(diào)全面推動(dòng)交通行業(yè)全生命周期綠色低碳轉(zhuǎn)型，協(xié)同推進(jìn)減污降碳，形成綠色低碳發(fā)展長(zhǎng)效機(jī)制，讓交通更加環(huán)保、出行更加低碳。

目前，瀝青路面具有路用性能好、行車舒適、抗滑性能好以及養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使其在我國(guó)公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量能耗及二氧化碳?xì)怏w排放。 據(jù)交通部門統(tǒng)計(jì)，每年因?yàn)r青路面建設(shè)產(chǎn)生的能耗及碳排放一路攀升[1]。 因此，對(duì)瀝青路面建設(shè)期能耗及碳排放進(jìn)行量化研究，為減少能源消耗和碳排放提供優(yōu)化措施就顯得十分重要。 本文通過(guò)生命周期分析法（Life Cycle Assessment，LCA）對(duì)建設(shè)期各階段進(jìn)行測(cè)算分析，為瀝青路面建設(shè)期節(jié)能減排工作提供一定的指導(dǎo)意義。

2 基于LCA分析理論的能耗模型

LCA 分析方法是通過(guò)對(duì)一條過(guò)程鏈上出現(xiàn)的環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、記錄、整理，并對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，納入過(guò)程中一些不確定性的可變因素，最終評(píng)估產(chǎn)品或服務(wù)對(duì)環(huán)境的影響，并做出相應(yīng)決策。 如圖1 所示，生命周期評(píng)價(jià)分4 個(gè)不同的階段進(jìn)行，包括目標(biāo)與范圍、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋。

圖1 LCA理論框架圖

2.1 目標(biāo)與范圍確定

LCA 的主要研究設(shè)計(jì)參數(shù)是目標(biāo)和范圍，范圍旨在描述研究的細(xì)節(jié)和深度，并證明可以在規(guī)定的限制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

2.2 清單分析

清單分析是指為產(chǎn)品系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)出自然(生態(tài)圈)的流量清單。 它是量化產(chǎn)品或過(guò)程全生命周期中的原材料的消耗使用、能源供需、大氣污染、土地排放、水排放、資源使用和其他排放的過(guò)程。

2.3 影響評(píng)價(jià)

LCA 的這一階段旨在評(píng)估清單分析中確定的基本要素對(duì)環(huán)境和人類健康的潛在影響。 當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)太多時(shí)，將各種參數(shù)轉(zhuǎn)化為綜合指標(biāo)通常更有利于直觀顯示評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.4 結(jié)果解釋

這一階段的關(guān)鍵目的是確定對(duì)最終結(jié)果的置信度。 結(jié)果解釋是在生命周期清單和生命周期影響評(píng)估結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)清單分析和影響評(píng)估的結(jié)果， 得出研究的一系列結(jié)論和建議。

2.5 系統(tǒng)分析

根據(jù)LAC 分析方法，本文建立的瀝青路面系統(tǒng)建設(shè)期的生命周期分析過(guò)程如圖2 所示。

圖2 瀝青路面建設(shè)期系統(tǒng)分析

系統(tǒng)模型的建立能直觀展示瀝青路面建設(shè)期所涉及的各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系。 通過(guò)圖2 可以看出，系統(tǒng)模型建立的基礎(chǔ)模擬不同環(huán)節(jié)中發(fā)生的投入和產(chǎn)出。 例如，瀝青混合料的生產(chǎn)消耗了哪些材料，消耗了多少能量，產(chǎn)生了多少碳排放。

3 瀝青路面建設(shè)期能耗及碳排放量化分析

3.1 材料物化階段能耗與碳排放計(jì)算

原材料能耗與排放計(jì)算式如下：

式中，EC原材料為原材料消耗能量，MJ；m原材料為原材料產(chǎn)生的碳排放量，t；FC原材料為單位原材料能量消耗系數(shù)；Q原材料為原材料消耗量；FE原材料為單位原材料碳排放系數(shù)[2]。

3.2 材料運(yùn)輸階段能耗與碳排放計(jì)算

原材料運(yùn)輸過(guò)程中車輛等設(shè)備的能耗EC運(yùn)輸設(shè)備與碳排放m運(yùn)輸設(shè)備計(jì)算式如下：

式中，F(xiàn)C運(yùn)輸設(shè)備為運(yùn)輸設(shè)備的能耗系數(shù)，MJ·t-1·km-1；FE運(yùn)輸設(shè)備為運(yùn)輸設(shè)備碳排放系數(shù)，g·t-1·km-1；D 為設(shè)備行駛距離；Q運(yùn)輸設(shè)備為設(shè)備工作量，km。

3.3 施工階段能耗與排放計(jì)算

瀝青路面施工建設(shè)過(guò)程中機(jī)械設(shè)備的能耗與碳排放計(jì)算式如下：

式中，EC機(jī)械設(shè)備為機(jī)械設(shè)備消耗能量，MJ；m機(jī)械設(shè)備為機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的碳排放量，t；FC機(jī)械設(shè)備為單位工作量施工作業(yè)下機(jī)械設(shè)備能量消耗系數(shù)；Q機(jī)械設(shè)備為施工設(shè)備工作量；FE機(jī)械設(shè)備為單位工作量作業(yè)時(shí)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的碳排放系數(shù)。

4 建設(shè)期能耗與排放結(jié)果分析

本文采用上述能耗與碳排放量公式， 根據(jù)JTG/T 3832—2018《公路工程預(yù)算定額》及工程量清單[3]，得出瀝青路面建設(shè)期能耗與排放量結(jié)果， 并繪制成各階段能耗與碳排放量結(jié)果對(duì)比圖[4]，如圖3~圖6 所示。

圖3 瀝青路面建設(shè)期能耗對(duì)比圖

4.1 能耗分析

從圖3 和圖4 可以直觀地看出， 基層材料能耗總體上小于瀝青路面材料能耗。 從能耗組成分析，因?yàn)r青類材料建設(shè)期存在加熱過(guò)程，加熱所耗能量可占比總能耗的21%，尤其是粗粒式瀝青混凝土材料的可達(dá)50%。 基層材料中能耗最小值為級(jí)配碎石，能耗達(dá)180 MJ；能耗最大值為二灰土的1 600 MJ。通常來(lái)說(shuō)，基層材料能耗較小值為200~700 MJ；較大值分布在700~100 MJ。 瀝青類材料能耗最小值為480 MJ，最大值為1 700 MJ。 總體來(lái)看，其能耗較小值分布在400~700 MJ；能耗較大值分布在900~1 000 MJ。

圖4 瀝青路面建設(shè)期能耗分布圖

基層材料相對(duì)于瀝青材料而言， 原材料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的能耗占絕大部分， 除了水泥穩(wěn)定碎石及級(jí)配碎石較大值中材料運(yùn)輸占比為主導(dǎo)因素[5]。 可以看出，當(dāng)基層材料車輛運(yùn)輸距離較短時(shí)，能耗主要由生產(chǎn)過(guò)程決定；而運(yùn)輸距離較大時(shí)，能耗主要由材料運(yùn)輸距離決定。 基層材料總能耗受運(yùn)距影響幅度很大，以石灰土為例，較小值中生產(chǎn)能耗占比為78%，運(yùn)輸能耗為10%；較大值中材料生產(chǎn)占比43%，而運(yùn)輸能耗占比47%。 由此可以看出減小運(yùn)距，選擇就地取材生產(chǎn)可以大幅減少能耗。

對(duì)于瀝青類材料而言，由于鋪設(shè)過(guò)程需要加熱，能耗占比為30%~50%。 其中改性瀝青混凝土相較于傳統(tǒng)瀝青材料而言，能耗增加明顯，普遍增加40%~50%，這主要是因?yàn)楦男曰炷林兴婕暗牟牧戏N類變多（如木纖維等），并且瀝青用量變大，導(dǎo)致生產(chǎn)階段能源消耗大，可以從圖4 直觀看出約為其他瀝青材料兩倍。

4.2 碳排放分析

從圖5 可以直觀看出， 基層材料建設(shè)期碳排放量規(guī)律與能耗規(guī)律相反，除級(jí)配碎石外，碳排放量均大于瀝青材料建設(shè)期。 原材料生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放量極大， 碳排放較小值中為50~160 kg；較大值中為60~175 kg。 而瀝青類材料碳排放量較小值取45 kg，最大值僅為60 kg，較基層降低60%；碳排放量較大值中為55~80 kg，同比基層材料減小55%，但仍以材料生產(chǎn)碳排放為主。 因此在滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，使用低碳排放基層材料是減少碳排放的最直接有效手段。

圖5 瀝青路面建設(shè)期碳排放量對(duì)比圖

對(duì)于瀝青材料，從圖6 可以看出，運(yùn)輸距離較短時(shí)，碳排放主要由加熱階段及材料生產(chǎn)階段組成，最高占比可達(dá)75%；運(yùn)輸距離較大時(shí)，材料運(yùn)輸排放量開(kāi)始參與總排放量構(gòu)成，最高可達(dá)30%。

圖6 瀝青路面材料建設(shè)期碳排放分布圖

5 結(jié)論