土木工程管理中可持續能源面臨的挑戰研究

劉 凱

(湖南 益陽 413000)

0 前 言

土木工程師為人類設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境，而持續的全球氣候變暖勢頭為土木工程施工提出了新的挑戰。隨著世界人口持續增加，主要是在發展中國家，城市人口大幅增長，同時世界糧食產量增加，這也有助于增加城市化。城市可以被視為生產單位，并且制造城市就業的機會范圍更廣。世界城市的一個主要問題是交通設施不合理，城市形態與城市交通不相容，這對城市的經濟效率產生了相應的影響。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憂。

土木工程的歷史以工作安排的快速變化為標志。土木工程是在軍事工程之后發展起來的，最初包括所有非軍事基礎設施工作。土木工程管理在實際中會變得更加復雜。隨著新技術的發展，新的基礎設施應用被納入土木工程，如鐵路、機場、供水和污水處理工程。新的社會問題也引發了土木工程工作的變化，例如減少空氣和水污染的新規定。工程學本身已發展成為眾多不同的學科，包括生物醫學、化學、電氣、機械、冶金和采礦工程的工程專業。土木工程師傾向于在比其他工程學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科的區別在于公私互動對于監管和所有權的重要性。

全球的發展正在向可持續、清潔和可再生能源的轉變，尤其對土木工程來說，是一項重大的新挑戰。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。但是這個角色正在擴大。新技術將有助于這種轉變，特別是對于發電，需要進行新的基礎設施投資和更好的管理決策。

在工程建設中有幾個因素促使人們轉向可持續能源。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。總體能源需求正在增加，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是一個主要問題; 例如，美國的石油生產已經在1970年左右達到頂峰，預計21世紀將達到世界峰值。對全球氣候變化和化石燃料發電的公共衛生影響的關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要求。盡管轉換無疑會相對緩慢和適合，但風電投資領域已經發生了重大變化，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相對便宜。船舶從清潔和可再生風力發電轉向煤炭、石油和有限的核電。鐵路從可再生木材燃料轉向煤和柴油。電網得到廣泛應用，促進了供水和配水系統的廣泛發展。在過去幾個世紀中，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整體經濟發展的主要因素。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展起來的基礎設施必須改變，以建立一個新的可持續能源制度。

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

在接下來的部分中，將討論可持續能源未來的基礎設施特征; 強調了生命周期觀點對規劃、實施和管理這一新基礎設施的重要性; 在結論部分，總結了可持續能源的工程管理優先事項。

1 可持續能源基建

與當前的能源基礎設施相比，可再生或可持續能源基礎設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熱能源，但向可再生能源的重大轉變將需要一些重大的土地利用變化和相應的基礎設施。表1為英國每單位土地或水域產生的可再生能源估計數。

表1 英國每單位土地或水域產生的可再生能源估計數

許多可再生能源也是間歇性的。風可能會停，夜間停止光伏發電生產，即使是水電也會遭受干旱的影響。隨著電網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備存在相當大的興趣，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設施投資。

一些新的可再生能源將分配給當地使用，并將需要與住宅和其他建筑相結合的基礎設施。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。地熱設施也可以提供冷卻或加熱，但同樣需要基礎設施投資。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。

一個多世紀以來，美國在化石燃料運輸設施方面投入了大量資金。已經為天然氣和石油產品開發了廣泛的管道網絡。2002年運輸了10億t煤，主要通過內陸水道或鐵路。在化石燃料發電廠和消費者之間已經開發了輸電線網絡。可再生能源還需要運輸基礎設施，用于從可再生能源發電站輸送電力，運輸生物質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的化石燃料來源，因此，需要新的交通設施。

2 生命周期視角

在考慮對可再生能源生產和相關基礎設施的新投資時，可持續的工程挑戰是考慮這些投資的整個生命周期的影響。產品和工藝在生命周期主要成本和環境影響發生的位置不同。此外，“可持續的”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期。化石燃料能源如石油的價格已經非常不確定。此外，環境影響通常不包括在材料的供應鏈價格中，因此，對環境影響的全面評估需要從搖籃到墳墓的環境生命周期評估。

關于基礎設施的生命周期觀點也表明適應和彈性的重要性。對基礎設施生命周期中經濟和技術變化的預測可能不太正確。基礎設施可能必須適應氣候變化。例如，在沿海基礎設施的整個生命周期中很可能發生顯著的海平面上升，這對該基礎設施的設計和位置具有一些重要影響。氣候變化可能會使颶風等嚴重事件更加頻繁，同樣會對設計決策產生重大影響。即使溫室氣體排放量迅速減少，可以預期現有溫室氣體會對氣候變化產生影響。

3 工程管理的優先事項

前幾節中概述的變化和新的戰略重點對土木工程管理具有一些重要意義。

首先，轉向可再生能源將為各種工程師創造工作，但民用基礎設施將至關重要。例如，設計、建造和維護大型海上風力渦輪機場的結構工程挑戰將是巨大的。項目經理將面臨為這種可再生能源建設新型基礎設施的問題。

其次，提高基礎設施的效率將是一項重要的管理挑戰。人們普遍認為，效率是實現可持續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。由于缺乏可負擔的水或對水質的擔憂，許多地區正在經歷壓力。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距離運輸。盡管具有再生能源的電動汽車等新技術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，應改變土地使用管理以適應多種用途。隨著更多的土地用于發電，我們需要有效地使用這種固定資源。例如，風力渦輪機農場也可用于生長乙醇燃料的生物質。可以使用地熱，儲存或運輸的地下空間，并將其作為土地使用管理的考慮因素。

這些只是轉向可持續工程的眾多管理挑戰中的三個。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有課程的哪一部分與生命周期觀點和這三個挑戰相關。

[ID:009719]