基于全生命周期的交通基礎設施低碳施工及數字化監測系統

□ 賈 鵬 任宗祥

雙碳政策背景下，我國交通領域碳排放約占碳排放總量的10 %，而公路運輸占全國交通運輸碳排放總量85 %以上，成為交通減排的絕對主體。其中，交通基礎設施建設對材料、能源消耗投入是交通運輸行業綠色低碳發展的重點領域。交通運輸部發布的《綠色交通標準體系（2022 年）》指出，以“十四五”新開工高速公路和普通國省干線公路為重點，鼓勵施工材料、工藝和技術創新等，降低公路全生命周期成本。《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達峰行動方案》提出，要建立統一規范的碳排放統計核算體系。然而，現有文件對交通基礎設施施工決策未形成統一的碳排放評價方法，缺少基礎數據積累，無法有效支撐工程建設生命周期方案決策。基于此，筆者提出一種基于全生命周期評價（LCA）的交通基礎設施低碳施工碳排放計算思路和方法，并構建數字化的監測平臺體系，以實現對交通基礎設施的全生命周期的碳排放實時監測。

一、交通基礎設施的生命周期評價技術框架

ISO14040 系列標準將全生命周期評價分為4 個階段：目標與范圍確定、生命周期清單分析（LCI）、生命周期影響評價（LCIA）和生命周期解釋，如圖1 所示。

圖1 交通基礎設施生命周期評價的技術框架

1.目標與范圍確定

目標與范圍確定階段可以確定評價的目的和意義。交通基礎設施在其整個生命周期中的碳排放情況包括材料生產、建造施工、使用與維護以及拆卸等4個階段，其目標是量化各個階段的碳排放情況，包括涉及的材料、設備、能源消耗和施工工藝等多方面的具體數據，并對施工各個階段進行動態化監測。

2.生命周期清單分析（LCI）

生命周期清單分析（LCI）階段主要涵蓋對交通基礎設施的整個生命周期內的能源消耗狀態，以及對環境產生物質的定量分析。此過程的核心任務為建立交通設施的輸入和輸出列表。基于過程構建清單，輸入，為各種能源的消耗；過程，為交通基礎設施全生命周期過程；輸出，為碳排放量。

3.生命周期影響評價（LCIA）

在生命周期影響評價（LCIA）階段，清單表是最重要的部分，包括分類、特征化和評估3 個步驟。評價結果主要用于對交通基礎設施施工過程中材料選擇的優化及對減少碳排放提出相關的建議。

4.生命周期解釋

生命周期解釋的主要目的是根據前幾個階段的結果，評價交通基礎設施在整個生命周期中的能源消耗、資源消耗情況，以及尋找不同環節在減少碳排放方面的可能途徑。

二、基于全生命周期理論的交通基礎設施施工過程碳排放測算方法

1.生命周期的劃分

將交通基礎設施的生命周期分為4 個階段，如圖2 所示。各階段的能源、資源消耗不同，各階段的劃分及相關信息如下。

（1）交通基礎設施建材生產。此階段需要獲取、加工和生產一系列原材料和成品材料，如水泥、混凝土、玻璃、砂石和鋼筋。此階段的碳排放主要來自建材工廠消耗的電力以及化石能源等。

（2）交通基礎設施建造施工。此階段包括建筑運輸、施工準備、路基施工、結構設計和設備安裝工程等一系列工序，直至道路基礎設施正式投入使用。施工過程中，碳排放主要來源于2 個部分：①施工照明及辦公耗電等可直接獲取數據；②施工過程中的攤鋪、碾壓等工序的耗能，需要通過計算轉化為能源消耗量。

（3）交通基礎設施使用和維護。此階段是交通基礎設施的主要功能階段，涉及采暖、空調、照明等設備的能源消耗，以及交通基礎設施改建、維修等過程中產生的碳排放，但不包括由交通工具內部電器設備使用引起的能源消耗和碳排放，如車內照明等。

（4）交通基礎設施拆卸。此階段的碳排放包括在交通基礎設施生命周期結束時進行的車輛和機械消耗的電力和燃油以及運輸廢棄建材至垃圾場時產生的碳排放。

2.基礎數據收集

將應用建材生產、建造施工2 個階段的計量單位資源、能源消耗折算成對應的碳排放，可以得到交通基礎設施施工過程中的碳排放清單。需要收集交通基礎設施相關數據如下。

（1）交通基礎設施基礎信息。交通基礎設施的名稱、地點、類型和用途；設計圖紙、規模和結構以及所使用的不同建筑材料的種類和數量；施工過程中使用的施工機械種類和數量，以及不同施工工藝和工程量等。

（2）交通運輸相關數據和信息。建筑材料的生產地或廠家、運輸方式以及運輸的貨物類型。另外，還需要提供交通基礎設施所在地到垃圾處理廠的距離的信息。

3.參數選取

（1）溫室氣體當量。對于碳排放量，通常以產生的CO2 當量來衡量。但由于在核算交通運輸設施的碳排放量時，主要目的是為了說明其對全球氣候變暖產生的影響。計算交通運輸設施碳排放量時，需要將其他對全球氣候變暖造成影響的氣體如SF6、N2O等不含碳的氣體都納入到碳排放的清單中。根據《京都議定書》，溫室氣體的主要分類及全球變暖潛能值，見表1 所列。

（2）化石能源的碳排放因子。交通基礎設施全生命周期的各階段都需要使用到化石能源，因此需要計算交通基礎設施施工過程中化石能源在燃燒過程中產生的碳排放量。各種基礎化石能源的碳排放因子見表2 所列。

表2 各種能源單位碳排放量計算

（3）電能的碳排放因子。參考國家氣候戰略中心計算得出的《2019 中國區域電網基準線排放因子結果》，具體數值見表3 所列。

表3 各區域電網碳排放因子結果

4.計算模型

交通基礎設施的生命周期每個階段都涉及能源消耗和相應的碳排放，其來源和排放量各異，需要進行分別計算。計算模型如圖3 所示。前兩個階段即交通基礎設施建材生產和交通基礎設施建造施工之和被定義為交通基礎設施生命周期的施工總排放量。使用Access 建立交通基礎設施生命周期碳排放清單數據庫工作表，對交通基礎設施建材生產和建設施工階段的碳排放進行測算和評估。交通基礎設施的生命周期碳排放清單包括5 個數據庫工作表，涵蓋基礎能源、建材、施工機械、施工工藝以及運輸等5 個方面數據。

圖3 計算模型示意圖

三、碳排放數字化監測的實施路徑

基于計算和測算思路，進一步構建低碳施工的數字化監測系統的基本框架以實現交通基礎設施碳排放的監測，如圖4 所示。在所展示的界面中，低碳施工數字化監測系統將為交通基礎設施碳排放提供數據獲取、數據計算和分析、數據可視化的多重功能。

圖4 低碳施工數字化監測系統界面

1.建設亮點

（1）模塊化。簡便式數據錄入功能，友好可視化交互界面，整合豐富的建材碳排放參數、排放因子等數據，分模塊展示不同功能界面，包括項目進度、環境狀況、建材生產運輸階段的碳排放等。

（2）可視化。交互式實時數據可視化大屏，實時監測工地數據，通過多方位、多角度、全景展現交通基礎設施施工做成的各項指標，助力智能高效低碳決策。

（3）系統化。碳排放監測系統的建設需要實現計算、展示和應用方面的多維協同，并形成交互的相互促進的系統化模式，推動基礎數據的收集、平臺技術的支撐、數據的測算與監視在統一的模式下進行。

2.功能實現

主要分為7 個部分進行分模塊、分功能展示。

（1）項目概況區用于簡要概述該工程項目的相關情況。

（2）任務進度區用于可視化展示工程項目的進度。

（3）環境監測區用于運用傳感技術展示施工環境的相關指標。

（4）四大指標區用于著重展示施工工地的碳排放重要數據。

（5）當日碳排放趨勢區用于可視化展示工地當日碳排放。

（6）建材生產運輸階段碳排放區和施工階段碳排放區分別用于按時間序列展示該階段碳排放量。

（7）分階段碳排放占比區用于用餅狀圖直觀展示不同階段碳排放比例。

四、結論及建議

構建針對交通基礎設施施工過程而設計的基于生命周期評價的碳排放數字化監測系統，為保障交通基礎設施全生命周期碳排放數字化監測系統的建設和應用，切實發揮低碳施工的效用，提出相關對策建議。

（1）強化行業碳排放數據的日常監管，加大對施工過程中相關責任部門和企業碳排放數據質量的監督執法力度，筑牢行業企業碳排放數據質量基石，推動溫室氣體清單常態化編制、標準化和定期更新。

（2）加快新能源等低碳運輸裝備推廣應用，降低施工過程中的機械排放量；規范施工作業廢氣、廢液、固廢和危險廢物管理。

（3）推動交通基礎設施施工材料循環利用。在交通基礎設施特別是交通基礎設施在擴建和修復養護工程中，積極使用路面材料循環再生技術，減低施工生產和施工耗能；推廣交通基礎設施廢舊材料、設施設備、施工材料等綜合利用。