基于全生命周期理論的公路建設期碳排放核算方法及實證研究

方 海,曹子龍,鳳振華,陳書雪

(交通運輸部科學研究院， 北京 100029)

0 引言

全球氣候變化是當今全球關注的焦點和研究熱點[1]，溫室氣體的排放是引起全球氣候變暖的主要原因[2]。交通運輸業作為全球碳排放的重要來源，碳排放量已占到全球總量的約四分之一，并且是全球碳排放增長最快的領域之一[3]，也是影響全球氣候變暖的主要因素之一。隨著我國經濟的快速發展，公路通車總里程持續上升，公路建設所存在的高碳排放、高能耗、以及環境破壞等問題越來越嚴重。但目前我國尚未形成一套與國際碳排放核算有關標準相接軌的公路碳排放核算方法。如何針對公路全壽命周期碳排放進行定量測算和分析，把握公路建設過程中碳排放的特征過程與排放量情況還缺乏適當的方法，在一定程度上，阻礙了公路行業節能減排的發展與進步。因此，系統研究公路全壽命周期碳排放核算方法在當前中國國民經濟節能減排的重要時代背景下顯得尤為重要和迫切。本文通過探索構建公路建設期碳排放計算模型，并依托配套工程研發的能耗統計監測信息系統開展實證研究，進行了理論測算與實證對比分析，旨在為進一步完善我國公路建設領域碳排放核算方法體系提供借鑒。

1 研究方法

本項研究以全壽命周期理論為指導，充分繼承借鑒國內外研究成果[4-9]，采用基于過程的清單分析法和排放系數法，探索構建公路建設期碳排放計算模型。依托配套工程貴州盤興高速公路，首先利用所構建的碳排放計算模型對該公路建設期路面碳排放量進行核算，得出其核算理論值；然后依托貴州盤興高速公路研發的能耗統計監測信息系統，通過所采集的實際能耗統計監測數據，得出貴州盤興高速公路建設期路面工程能耗實測值，并進而計算得出其碳排放量核算值。通過兩項數據進行對比分析，一方面檢驗本研究提出的公路建設期碳排放核算方法及計算模型的科學合理性，另一方面也為探索一種新的公路建設期碳排放核算實測方法進行有益嘗試。

2 基于全壽命周期理論的公路建設期碳排放核算方法

2.1 全壽命周期評價理論

在碳排放量的測算研究中，使用的主要方法有壽命周期方法、系統動力學方法和投入產出法。其中，壽命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)是以過程分析為基本出發點，通過研究對象的壽命周期輸入和輸出數據清單，計算研究對象的全壽命周期的碳排放，是目前較為常用的碳排放核算方法。

2.2 全壽命周期階段劃分及系統邊界確定

2.2.1研究范圍

公路工程一般分為路基工程、路面工程、隧道工程、橋涵工程、交叉工程、沿線附屬設施與臨時工程等單位工程[10]。由于路基、隧道、橋涵和交通附屬設施不同公路差別很大，難以用統一的功能單位表示。因此，本項研究的范圍僅限于路面工程，即主要考慮路面工程全壽命周期的碳排放核算。

2.2.2功能單位的確定

為了能更好的反映路面全壽命周期能耗情況，也為了有利于核算碳排放量，本研究取 1 km雙向四車道高速公路的半幅路面作為1個基本單元，所需能耗量形式采用高速公路全壽命周期內1基本單元路面所消耗的能量，具體能耗表示為MJ/基本單元。產生的碳排放量形式為高速公路全壽命周期內1基本單元路面Co2排放量，具體排放表示為t /基本單元。

2.2.3公路全壽命周期階段劃分

根據國內外研究成果，公路全壽命周期一般劃分為4個階段，即材料物化階段、建設施工階段、運營維護階段和拆除回收階段。本研究將公路建設期劃分為材料物化階段、建設施工階段2個階段。

2.2.4公路全壽命周期系統邊界確定

本研究將公路的全壽命周期作為一個產品系統，定義系統邊界內部的單元過程。公路建設期不同階段碳排放系統邊界為：材料物化階段，只考慮公路建設過程中主要材料和高耗能材料，如水泥、瀝青、砂、碎石等；建設施工階段，主要考慮施工機械、設備使用消耗動力燃料和能源產生碳排放。

2.3 公路建設期碳排放計算模型

我國公路路面結構形式主要包括瀝青路面和水泥混凝土路面。在公路建設和運營過程中采用大量高耗能和高碳密度的原材料和產品，如瀝青、水泥、石料等，并在材料生產運輸、道路施工和養護維修過程中消耗了眾多的能源，產生了大量的碳排放。

公路全壽命周期碳排放，是指該產品系統在與周圍環境交互作用過程中，由于消耗各種資源和能量向外界環境產生的碳排放量[4]。結合國內外研究成果，公路建設期各階段碳排放主要來源見表1。

表1 公路建設期各階段碳排放來源情況表Table 1 Sources of carbon emissions during various stages of highway construction建設期階段碳排放來源材料物化階段公路原材料的采掘、加工到路面材料生產、運輸整個過程中消耗材料、資源,以及設備投入、電力消耗共同產生的碳排放建設施工階段公路建設施工期,施工機械、設備運營時產生的碳排放;施工輔助材料現場加工的碳排放

在系統分析公路全壽命周期內各階段能耗清單的基礎上，通過排放系數法可將能耗量轉化為碳排放量，得到公路建設期內各階段產生的碳排放量的總和，公路建設期碳排放計算模型構建如下：

C=C材料物化+C建設施工

其中,C材料物化為公路在材料物化階段各環節產生的碳排放總量;C建設施工為公路在建設施工階段各環節產生的碳排放總量。

3 基于碳排放計算模型的公路建設期碳排放核算

3.1 材料物化階段清單分析

貴州盤興高速公路全線采用瀝青砼路面，標準路面總厚度76 cm。根據本工程施工圖設計提供的路面工程量清單和《公路工程預算定額》，可計算出1功能單位公路路面鋪筑過程所需要材料的清單數量如下：石油瀝青203.35 t,碎石12 961.75 t,砂1 786.48 t,水泥694.56 t。本研究材料物化階段只考慮路面鋪筑過程中主要材料和高耗能材料，包括水泥、瀝青、砂、石料等。

物化階段的能耗和碳排放主要是指材料在使用和處理之前的所有上游過程和活動產生的總能耗和碳排放總量，本階段主要材料單位體積(質量)的能耗和碳排放清單，見表2。

表2 路面主要材料物化過程能耗和碳排放清單Table 2 List of energy consumption and carbon emissions in the materialization process of main materials單位材料熱值/kJCO2排放系數/kg-CO2數據來源1 t石油瀝青4 9009 692歐洲瀝青協會Eurobitume1 t砂60050.88宋會研究成果[5]1 t碎石20016.96宋會研究成果[5]1 t水泥3 227.47870.31潘美萍研究成果[4]

通過路面主要材料單位體積(質量)的能耗和碳排放清單，可得到物化階段 1 功能單位路面的主要材料產生的能耗值和碳排放量，見表3。

表3 路面物化階段1功能單位能耗及碳排放量清單Table 3 A functional unit energy consumption and carbon emission inventory at the pavement physicalization stage材料用量能耗值/mJCO2排放量/kg203.35 t石油瀝青996 4151 970 8681 786.48 t砂1 071 88890 89612 961.75 t碎石2 592 350219 831694.56 t水泥2 241 672604 483合計6 902 3252 886 078注: 單位材料的熱值及CO2排放系數與表2一致。

本研究取1 km雙向四車道高速公路的半幅路面作為 1 個基本單元，即貴州盤興高速公路材料物化階段 1 基本單元路面CO2排放量為2 886 078 kg。依托工程盤興高速公路全長為88.943 km，因此，盤興高速公路路面材料物化階段碳排放總量為513 393 t，計算過程如下：

C材料物化=2 886 078×2×88.943÷1 000=513 393

3.2 建設施工階段清單分析

根據盤興高速公路具體情況，瀝青混合料拌和樓及料場距離施工現場的平均運距約為10 km，基層水穩拌和樓距離施工現場的平均運距約為8 km。根據本工程施工圖設計工程量清單和《公路工程機械臺班費用定額》，計算 1 功能單位高速公路各施工工序使用的施工機械以及臺班數，得到不同施工機械、設備的能源消耗量，如表4所示。

公路全壽命周期常用能源熱值及CO2排放系數，見表5。

通過路面施工階段1 功能單位不同施工機械、設備能源消耗清單，可得到施工階段 1 功能單位路面主要施工設備產生的能耗值，進而通過排放系數法將能耗清單轉化為碳排放清單。具體見表6。

本研究取 1 km雙向四車道高速公路的半幅路面作為 1 個基本單元，即盤興高速公路建設施工階段 1 基本單元路面CO2排放量為376 149.57 kg。依托工程盤興高速公路全長為88.943 km，因此，盤興高速公路路面建設施工階段碳排放總量為

表4 1功能單位不同施工機械、設備能源消耗清單Table 4 Energy consumption list of different construction machinery and equipment機械類型燃料類型柴油/kg汽油/kg液化天然氣(LNG)/m3電力/(kW·h)自行式平地機267.85輪胎式裝載機2 026.72穩定土廠拌設備9 672.28穩定土攤鋪機379.51瀝青拌和設備30 918.6828 764.35瀝青混合料攤鋪機440.71瀝青灑布車1 158.32灑水汽車419.31自卸汽車95 672.6819 680.53光輪壓路機2 989.61振動壓路機163.82輪胎壓路機220.46合計102 580.7020 838.8530 918.6838 436.63

表5 常用能源熱值及CO2排放系數Table 5 Common energy calorific value and CO2 emission coefficient單位能源熱值/MJCO2排放系數/(kg-CO2)數據來源1 kg柴油30.642.271 kg汽油23.471.632006年IPCC國家溫室氣體清單指南[11]1 m3液化天然氣41.382.331 kW·h電力3.600.97國家發改委

表6 路面施工階段1功能單位主要施工設備能耗及碳排放清單Table 6 Energy consumption and carbon emissions list of the main construction equipment能源用量能耗值/MJCO2排放量/kg102 580.70 kg柴油3143 072.65232 858.1920 838.85 kg汽油489 087.8133 967.3330 918.68 m3液化天然氣1 279 414.9872040.5238 436.63 kW·h電力138 371.8737 283.53合計5 049 947.30376 149.57注: 單位能源的熱值及CO2排放系數與表5一致。

66 912 t,計算過程如下：

C建設施工=376 149.57×2×88.943÷1 000=66 912

3.3 建設期碳排放量核算

根據本研究給出的公路全壽命周期碳排放計算模型，經計算，依托工程盤興高速公路建設期排放總量為601 378 t。計算公式及過程如下：

C建設期=C材料物化+C建設施工=534 466+66 912=601 378

4 基于能耗統計監測信息系統的公路建設期碳排放核算

4.1 施工期能耗統計監測方法

本研究依托盤興綠色公路建設工程，施工期能耗統計監測采用現場人工統計監測與監測設備自動遠程監測相結合的方法開展[12]。其中，現場人工統計監測能耗數據為盤興路全線施工期不同時段總能耗消耗量；監測設備自動遠程監測數據為盤興路個別標段選取的監測試點時時能耗消耗量，重點解決能耗統計的遠程監測、數據上傳與信息管理的實現途徑，同時為現場人工統計監測能耗數據的準確性提供科學依據。

4.1.1現場人工統計監測

高速公路建設工程量大，能耗數據量也大，根據公路的劃分標段，設計公路月度總能耗統計表和重點用能設備月度統計表，由各標段專門負責綠色公路建設的專職人員每月填報標段實際耗能量。其中公路月度總能耗統計表主要填報的內容包括：標段本月度內消耗的能源品種、實際耗能量等數據；重點用能設備月度統計表主要填報內容包括：主要機械用能工程項目中各種用能機械的消耗能源品種、實際耗能量等數據。主要填報要求為：每月上報一次，表中數據為本月度內各項能源消耗匯總值；能源總消耗量是指本月度內施工標段總消耗的柴油、汽油、天然氣、電力等各種能源的總量，包括標段各項施工工程耗能、項目部和施工營地生活用能、分包工程耗能等一切與本標段工程有關總耗能量。

4.1.2監測設備自動遠程統計監測

為進一步增加施工期能耗統計數據的準確性，本研究采用了基于能耗統計管理信息系統的遠程能耗統計監測技術。依托盤興綠色公路建設工程，利用現場安裝的能耗統計監測設備，開發了“盤興綠色公路能耗統計管理信息系統”，結合能耗監測硬件設備(現場數據采集設備、網絡硬件設備、數據終端平臺設備等)，對盤興高速公路施工期施工用電、施工用油和施工用氣等主要能源進行了遠程在線監測，實現了能耗統計的遠程監測、數據上傳與信息統計管理(見圖1)。

圖1 能耗統計信息系統截圖

4.2 建設期能耗統計結果

盤興高速公路施工期共分為6個標段，其中第5標和第6標為路面標段。根據盤興高速公路施工期能耗統計管理信息統計結果，盤興高速公路路面標段能源消耗量見表7。

4.3 建設期碳排放量核算

利用盤興高速公路建設施工期能耗統計信息系統統計的公路路面能源消耗量，根據公路全壽命周期常用能源熱值及CO2排放系數，計算得到盤興高速公路建設施工期各個環節產生的能耗值，進而通過排放系數法將能耗清單轉化為碳排放清單，具體見表8。

表7 盤興高速公路施工期5標段和6標段能源消耗量Table 7 Energy consumption of 5-6 bid sections during the construction period of Panxing Expressway標段燃料類型柴油/kg汽油/kg液化天然氣(LNG)/m3電力/(kW·h)路面標段5標20 765 5001 510 98010 855 5896標11 059 27035 143 5902 442 314.62 783 163.77合計31 824 77035 143 5903 953 29513 638 753

表8 盤興高速公路建設施工階段路面能耗及碳排放量Table 8 Pavement energy consumption and carbon emis-sions during the construction phase of panxing expressway能源用量能耗值/MJCO2排放量/kg31 824 770 kg柴油975 110 95372 242 22835 143 590 kg汽油824 820 05757 284 0523 953 295 m3液化天然氣163 587 3479 211 17713 638 753 kW·h電力49 099 51113 229 590合計2 012 617 868151 967 047注:單位能源熱值及CO2排放系數與表5一致。

經計算，依托工程盤興高速公路路面建設期碳排放總量為151 967 t,計算過程如下：

C建設期=151 967 047÷1 000=151 967

5 結果與分析

5.1 建設期碳排放量核算

本研究分別基于碳排放計算模型和能耗統計監測信息系統對依托工程盤興高速公路建設期路面碳排放量進行了核算。其中，基于碳排放計算模型的盤興高速公路建設期路面碳排放量核算值可視為理論計算值，而基于能耗統計監測信息系統的盤興高速公路建設期路面碳排放核算值可看作是實測計算值。為驗證本研究提出的碳排放計算模型的科學性，本研究將依托工程盤興高速公路基于兩種方法核算出的建設期路面碳排放量進行對比分析。

在進行兩種方法核算出的盤興高速公路建設期路面碳排放量對比之前，首先需要確定兩種碳排放核算方法系統邊界。結合盤興高速公路建設期實際情況，基于兩種碳排放核算方法系統邊界分析情況見表9。由表9中可看出，從壽命周期階段來講，兩種核算方法建設期均包括材料物化階段和建設施工階段。從建設期碳排放來源來講，兩種核算方法在建設施工階段完全相同，均包括施工機械、設備運營時產生的碳排放和施工輔助材料現場加工產生的碳排放。但在材料物化階段有所不同，采用碳排放計算模型進行的建設期路面碳排放核算包括主要原材料瀝青、砂、碎石、水泥的采掘、加工到路面材料生產、運輸整個過程中消耗材料、資源，以及設備投入、電力消耗共同產生的碳排放；而采用能耗統計監測信息系統進行的建設期路面碳排放核算，原材料僅包括砂、碎石兩種，原材料瀝青和水泥為外購，未包括在核算范圍內。

5.2 對比分析

為增強兩種碳排放核算方法的可比性，本研究將基于能耗統計監測信息系統的盤興高速公路建設期路面碳排放核算值與同系統邊界的基于碳排放計算模型的盤興高速公路建設期路面碳排放核算值進行對比。即，基于碳排放計算模型的核算范圍在材料物化階段僅計算砂和碎石兩種原材料。具體對比情況如下：

表9 基于兩種碳排放核算方法系統邊界分析表Table 9 System boundary analysis table based on two carbon emission accounting methods壽命周期階段不同核算方法的碳排放來源基于碳排放計算模型的盤興高速公路路面建設期碳排放核算基于能耗統計監測信息系統的公路路面建設期碳排放核算材料物化階段主要原材料瀝青、砂、碎石、水泥的采掘、加工到路面材料生產、運輸整個過程中消耗材料、資源,以及設備投入、電力消耗共同產生的碳排放砂、碎石兩種原材料的采掘、加工到路面材料生產、運輸整個過程中消耗材料、資源,以及設備投入、電力消耗共同產生的碳排放建設施工階段公路建設施工期,施工機械、設備運營時產生的碳排放;施工輔助材料現場加工的碳排放公路建設施工期,施工機械、設備運營時產生的碳排放;施工輔助材料現場加工的碳排放

a.基于碳排放計算模型的盤興高速公路建設期碳排放核算值

根據上述“基于碳排放計算模型的公路建設期碳排放核算”中表3中數據，得出路面物化階段1功能單位碳排放量值為310 727 kg，見表10；建設施工階段1功能單位碳排放量值為376 149.57 kg，見表6。

表10 路面物化階段1功能單位碳排放量清單Table 10 Carbon emission inventory of one functional unit at the pavement materialization stage 1材料類型用量/tCO2排放量/kg砂1 786.4890 896碎石12 961.75219 831合計310 727注: 砂和碎石的CO2排效系數與表2一致。

依托工程盤興高速公路全長為88.943 km，因此，盤興高速公路路面建設期碳排放總量為122 186 t 。具體計算如下：

C建設期=(310 727+376 149.57)×2×88.943÷1 000=122 186

b.基于能耗統計監測信息系統的盤興高速公路建設期碳排放核算值。

根據上述“基于能耗統計監測信息系統的公路建設期碳排放核算”中表8中數據，得出依托工程盤興高速公路建設期路面碳排放總量為151 967 t。

根據上述對比結果，基于碳排放計算模型的盤興高速公路建設期路面碳排放核算值為12.22萬 t，基于能耗統計監測信息系統的盤興高速公路建設期路面碳排放核算值為15.20萬t。采用兩種方法核算結果較為相近，表明本研究提出的公路全壽命周期碳排放核算方法及計算模型比較科學合理。

6 結論

本文構建了公路建設期碳排放計算模型，開發了公路建設期能耗統計監測信息系統，并進行了對比核算檢驗，研究結論如下。

a.基于全壽命周期理論，公路建設期碳排放計算模型構建：C=C材料物化+C建設施工，其中，C材料物化為公路在材料物化階段各環節產生的碳排放總量，C建設施工為公路在建設施工階段各環節產生的碳排放總量。

b.依托貴州盤興高速公路研發的能耗統計監測信息系統，通過所采集的實際能耗統計監測數據，得出貴州盤興高速公路建設期路面工程能耗實測值，并進而計算得出其碳排放量核算值。

c.基于碳排放計算模型的盤興高速公路建設期路面碳排放核算值為12.22萬 t，基于能耗統計監測信息系統的盤興高速公路建設期路面碳排放核算值為15.20萬t。采用兩種方法核算結果較為相近，表明本研究提出的公路全壽命周期碳排放核算方法及計算模型比較科學合理。