基于高速公路建設能耗分析的公路節能減排研究

摘要 為實現我國提出的“雙碳”目標，公路作為交通運輸行業高能耗的部分，其節能減排勢在必行，該文針對高速公路建設能耗進行分析，考慮工程量修正、材料能耗、機械能耗等能耗組成部分，并建立能耗模型，并根據調研公路的相關具體情況，提出有針對性的節能減排措施和節能評估分析，研究成果可為未來的高速公路節能建設提供相關依據和參考。

關鍵詞 高速公路；“雙碳”；能耗；節能減排

中圖分類號U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0182-03

0 引言

當前，節約資源和保護環境已成為全球共識。2020年，中國提出的“雙碳”目標，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。而據《人民日報》報道，交通運輸領域排放約占我國碳排放總量的10%[1]。

在交通運輸領域，公路運輸是碳排放和污染的主要來源，其影響超過了86%。而調研發現，近些年新修的公路建設中高速公路占有絕對大的比重，故加強高速公路能耗研究和管理已經成為未來實現碳達峰碳中和的重中之重[2]。

對于公路運輸系統而言，一方面是公路運營期車輛的能耗，另一方面是公路建設期建設公路本身產生的能耗。而如今大多數研究為“自下而上”的方式，但僅對公路運營中汽車行駛中的能耗進行分析，而“自上而下”的對公路建設本身的能耗分析，則相對較少，且由于工程項目紛繁復雜，研究手段不足，現有研究多集中在某一方面，無法進行系統全面的分析[3]。故該文通過對高速公路建設能耗來源進行梳理和分析，建立高速公路能耗模型，并在此基礎上結合該文調研的公路狀況，進行節能減排分析。

1 公路建設能耗分析

1.1 高速公路建設的主要能耗來源

在高速公路的建設過程中，能耗主要包括兩個方面：

（1）公路建設中使用的材料物資，其生產消耗的能源。

（2）公路建設中使用的機械設備，其運輸和施工中消耗的能源。

公路建設中所使用的材料，其在生產階段如混凝土、瀝青等的生產，需要大量的能源投入，而在公路建設中的機械設備，則要承擔材料運輸和工程建設兩項職能。甚至在公路改擴建項目中，還需要對原公路進行再處理等工作。公路建設能耗內容如表1所示。

這些過程都會產生大量的能耗，并對環境造成損害。因此，對高速公路建設能耗狀況進行深入的研究，對制訂節能減排戰略進行深入的探索，是實現高速公路建設可持續發展的關鍵。

1.2 高速公路建設能耗模型

根據高速公路能耗來源的分析，可將高速公路建設能耗分為材料能耗和機械能耗，又由于實際工程與理論工程之間存在差異，考慮工程變更、施工環境、施工機械配置、施工隊伍人員素質等多方面因素影響，還需將理論工程量進行修正，從而建立更為合理的工程量計算模型[4]。其模型如公式（1）。

E公路建設能耗=E公路理論能耗×（1+修正系數）=E材料能耗

+E機械能耗 （1）

式中，材料能耗指的是公路建設中所使用的所有材料，如鋼材、水泥、砂石等。由于筑路材料從原材料開采、工廠加工到售賣到施工企業進行使用，整個鏈路較長，故可直接計算企業在公路建設過程中使用了的建筑材料，其計算公式為：

E材料能耗=∑（材料使用量×E材料能耗因子） （2）

材料能耗及碳排放因子如表2所示。

機械能耗是指施工和運輸的車輛機械在施工過程中所消耗的能量，分為施工能耗和運輸能耗兩個部分。施工機械能耗包括挖掘機、推土機、攪拌機、攤鋪機等用于施工的機械，在工程建設過程中產生能源消耗。運輸能耗包括將各種成品、半成品材料進行運輸產生的能耗。

因此計算公式如下：

E機械能耗=∑（施工機械耗油或電+運輸車輛耗油或電）×E機械能耗換算因子 （3）

其中不同分部分項工程的機械使用情況，可根據《機械臺班定額》進行查詢[6]。

施工機械在運輸及施工階段的能耗因子及碳排放因子如表3所示。

故可得高速公路建設能耗模型如圖1所示。

2 高速公路的節能減排

對廣東、安徽等地的13條高速公路進行調研，結果顯示：建筑材料的生產和運輸是能耗的主要部分，占比達到60%，施工階段的能耗占比為30%，運營階段的能耗占比為10%。其次，該文對該項目的碳排放情況進行了深入研究，發現建筑材料的生產和運輸以及施工階段的碳排放量較大。最后，對項目的整體能效進行了評估，參考該調研的結果，提出了相應的節能減排措施。

2.1 前期設計規劃

高速公路設計規劃對工程所需材料和施工流程具有決定性影響，因而在設計階段就應考慮減少整個工程的能耗和碳排放。在規劃高速公路建設時，應將減少C02排放作為核心目標，并進行全面的地形勘察。根據工程需求和地形地貌，優化設計方案，確保工程的可持續性，盡可能減少對周邊環境的不利影響。在設計階段，應優先考慮資源的高效利用和環保原則，要提高線路選擇的合理性，并融入低碳技術和環保材料。積極采用現代技術，提升工程的耐用性，從而最大限度地減少施工設備和原材料的使用。

對于節能評估，應調研更多公路相關的基礎數據，引入能源消耗和碳排放的測量和計算方法，考慮應用機器學習算法從大量數據中自動挖掘參數間內在關聯，建立各影響因素與能耗之間的映射關系，從而建立更加完善的公路建設綜合能耗模型，對立項公路進行能耗預測和節能評估，真正做到可量化、可計量，使未來的節能評估工作分析決策工作有據可依，比較不同方案的能源消耗、成本和環境影響[9]。輔助相關建設方案進行節能方面的路線比選和路線調整等工作，根據評估結果，選擇綜合效益最高的方案。

2.2 能源管理策略

高速公路建設中的能源管理策略是實現節能減排的重要手段。首先，需建立和完善能源管理體系，通過科學的能源規劃和有效的能源使用，減少能源浪費。其次，可以采用先進的節能技術和設備，例如使用高效能的建筑材料和施工設備來降低能源消耗。此外，還可以通過優化施工過程，例如合理安排施工時間，減少無效作業，以及提高施工效率，來進一步節約能源。同時，還應該加強能源監測和管理，利用大數據、物聯網和碳排放計算模型等先進技術，結合具體工程項目的特性，建立一個智能化的監測和管理平臺，該平臺能夠全面覆蓋能源生產、關鍵環節的碳排放量以及碳匯狀況等多個方面[10]。通過數據驅動的方式，實現對能源使用和碳排放數據的集成化管理，包括數據的收集、存儲、分析和整體管理。最后，還需要加強能源教育和培訓，增強所有參與者的能源意識，鼓勵其積極參與節能行動，共同推動高速公路建設的節能減排。同時，應避免或減輕建設過程中的土地破壞、水污染等問題，以及對周邊生態環境的影響[11]。利用綠化屋頂、雨水收集系統等措施改善建筑物的生態環境效益，從而實現高速公路建設的可持續發展。

2.3 新能源和清潔能源

在高速公路建設的節能減排措施中，新能源和清潔能源的應用具有顯著的可行性。新能源如太陽能、風能等，其清潔、可再生的特性使其在能源供應中占據重要地位。通過在高速公路沿線建設太陽能發電站或者風力發電站，可以有效地減少對傳統化石能源的依賴，從而降低碳排放。此外，因為新能源發電的成本正在逐年降低，因此，采用新能源不僅可以實現節能減排，還可以為高速公路的運營帶來額外的經濟收益。雖然清潔能源的開發和使用需要一定的初期投入，但是長期來看，其環保和經濟的優勢將會得到體現。

同時，考慮施工過程中廢棄物的回收再利用，如針對項目地區可能存在的石料供應不足問題，應當積極利用可再生和可循環的廢舊材料，以實現從源頭上的節能減排。例如，將廢棄混凝土經過加工處理，轉化為再生骨料，這些骨料可以替代傳統的天然砂石，在制作再生混凝土非承重預制構件、再生磚等材料時使用，這些再生材料完全可以應用于高速公路的建設中。

2.4 提高能源利用效率

在高速公路建設的節能減排措施當中，提高能源利用效率的技術方案是一個重要的方向。首先，可以采用高效能的機械設備和建筑材料。例如，使用高效能的挖掘機、推土機等設備，能夠減少能源消耗，同時提高工作效率。另外，選擇具有良好隔熱性能的建筑材料，可以減少建筑物的熱量損失，從而降低空調和供暖的能耗。

其次，可以通過優化設計和施工工藝，提高能源利用效率。例如，合理規劃施工進度，避免無效作業；采用預制構件，減少現場施工的能源消耗；使用節能型的照明設備等。比如在土石方開挖過程中，可以采用先進的爆破技術和設備，減少不必要的能源消耗；在混凝土澆筑過程中，可以采用高性能混凝土和預制構件技術，降低混凝土澆筑的能耗；在機械設備運行過程中，可以采用節能型機械設備z0biADM+I4NwvFOODjfsTw==和智能控制技術，提高設備運行效率。

最后，可以通過引入智能管理系統，實現能源的精細化管理。例如，通過實時監測和數據分析，預測和控制能源消耗；通過遠程控制，實現設備的自動啟停和調節。這些技術方案不僅可以提高能源利用效率，還可以降低碳排放，有利于實現高速公路建設的綠色發展。

3 結語

該研究通過對廣州、安徽等地的高速公路進行調研，并對建設過程中的能耗進行分析，提出了一系列具有可操作性的節能減排策略和技術方案，以期為未來的高速公路建設提供科學的能源管理和環保指導。然而，由于時間和資源的限制，該研究仍存在一些局限性。首先，由于實地調查的范圍有限，某些地區的情況可能沒有得到充分的反映。其次，該研究還需進行更深入的數據挖掘對能耗模型進行分析，最后雖然該文提出了一些可行的節能減排措施，但它們的實施效果還需要進一步的實證研究。最后，隨著科技的進步和政策的調整，未來可能會出現更有效的節能減排技術和方法。因此，期待未來的研究者能夠在此基礎上進行更深入、更廣泛的研究，以推動我國高速公路建設的可持續發展。

參考文獻

[1]陳婕，王麗娟.“雙碳”戰略目標下先進制造業綠色技術創新助推高質量發展的實證研究[J/OL].重慶郵電大學學報（社會科學版），2024：1-13.

[2]李曉易，譚曉雨，吳睿，等.交通運輸領域碳達峰、碳中和路徑研究[J].中國工程科學，2021（6）：15-21.

[3]劉建國，朱躍中，田智宇.“碳中和”目標下我國交通脫碳路徑研究[J].中國能源，2021（5）：6-12.

[4]鄒冰潔，符鋅砂.高速公路建設期能耗模型研究[J].低溫建筑技術，2018（8）：113-115.

[5]龔志起，張智慧.建筑材料物化環境狀況的定量評價[J].清華大學學報（自然科學版），2004（9）：1209-1213.

[6]鄒冰潔.高速公路建設期能耗計算模型研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

[7]國家統計局能源統計司.中國能源統計年鑒2020[M].北京：中國統計出版社，2021：355-356.

[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑碳排放計算標準：GB/T 51366—2019[S].北京：中國建筑工業出版社，2019.

[9]張金喜，蘇詞，王超，等.道路基礎設施建設中的節能減排問題及技術綜述[J].北京工業大學學報，2022（3）：243-260.

[10]劉曉東.淺談土木工程管理與低碳信息集成管理技術[J].中國住宅設施，2022（9）：64-66.

[11]龍圣勇，申家成，趙紅，等.高速公路路域植被固碳量分析研究[J].黑龍江交通科技，2022（3）：149-152+157.