基于生命周期分析法的公路養(yǎng)護能耗模型

唐　皓　 蒯海東　 黃曉明

(1東南大學交通學院,南京210096)(2新疆交通建設(shè)(集團)有限責任公司,烏魯木齊830001)

基于生命周期分析法的公路養(yǎng)護能耗模型

唐皓1蒯海東2黃曉明1

(1東南大學交通學院,南京210096)(2新疆交通建設(shè)(集團)有限責任公司,烏魯木齊830001)

摘要:為了優(yōu)化公路養(yǎng)護節(jié)能方案的評選,應用基于過程的生命周期分析法,從原材料的生產(chǎn)、混合料的生產(chǎn)、現(xiàn)場施工和材料運輸4個過程研究了公路養(yǎng)護技術(shù)的能耗，并構(gòu)建了相應的計算模型.分析了我國公路養(yǎng)護原材料的全生命周期能耗,將其生命周期邊界定義為對自然界礦物的開采,并計算得到了我國原材料的綜合能耗數(shù)據(jù).提出了養(yǎng)護技術(shù)能耗指數(shù)(ECIM),建立了我國公路養(yǎng)護技術(shù)的能耗數(shù)據(jù)庫,并與歐洲學者研究成果進行了對比.結(jié)果表明:該能耗模型與歐洲能耗模型得出的ECIM值相接近,能耗分布相似;常規(guī)瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)中,瀝青和混合料的生產(chǎn)能耗對總能耗貢獻率最高,均達到40%左右;就地冷再生技術(shù)的節(jié)能效益最高,其ECIM值約為常規(guī)養(yǎng)護技術(shù)的1/3.

關(guān)鍵詞:公路養(yǎng)護;能耗模型;生命周期分析法;原材料

隨著我國公路行業(yè)主要任務(wù)轉(zhuǎn)向“建養(yǎng)并重”,公路大中修養(yǎng)護工程勢必會消耗大量的能源.在中國低碳轉(zhuǎn)型的時代背景下,有必要針對我國公路養(yǎng)護技術(shù),研究原材料能耗清單和養(yǎng)護工程能耗計算模型,并建立評價指標和數(shù)據(jù)庫.這樣,可從能耗角度對養(yǎng)護工程技術(shù)的節(jié)能效果進行評估,優(yōu)化方案評選,從而降低養(yǎng)護工程全壽命周期能源消耗強度.

目前,歐洲發(fā)達國家已經(jīng)從公路養(yǎng)護工程全壽命周期的角度出發(fā),對養(yǎng)護能耗開展了大量研究[1].Stripple[2]對公路建養(yǎng)常用材料在生產(chǎn)階段的能耗進行了詳細分析,形成了清晰的數(shù)據(jù)清單,并在此基礎(chǔ)上探討了采用冷熱生產(chǎn)技術(shù)的2種瀝青路面和普通水泥混凝土路面的能耗.Dorchies等[3]采用歐洲5家研究機構(gòu)的權(quán)威數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)參數(shù),并根據(jù)歐洲已有研究成果整理出公路建養(yǎng)全壽命周期能耗計算模型.該研究成果得到西方發(fā)達國家道路工程界廣泛認可,其數(shù)據(jù)庫和能耗模型也得到了廣泛的應用.

在我國公路大中修養(yǎng)護工程中已逐步推廣應用了一批低能耗技術(shù).但大部分研究僅對2～3項養(yǎng)護技術(shù)能耗進行了定性或定量分析.秦永春等[4]對溫拌瀝青技術(shù)能耗進行了定量分析,并與常規(guī)熱拌瀝青技術(shù)進行了對比.近年來,部分研究人員首次從全生命周期的角度,對我國公路建養(yǎng)期間的能耗進行研究.潘美萍[5]對高速公路全壽命周期內(nèi)的能源消耗進行了定量分析,并對3種不同的路面結(jié)構(gòu)進行了分析，其提出的計算模型注重于建設(shè)階段能耗.楊博[6]以定額法為基礎(chǔ),提出瀝青路面新建和養(yǎng)護工程的能耗計算模型,但該模型不適宜用于預評估.這些學者在全生命周期清單分析中均是依據(jù)歐洲發(fā)達國家的行業(yè)平均水平建立的數(shù)據(jù),并不適合我國國情.

本文通過對原材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的研究,計算了我國公路養(yǎng)護原材料全生命周期能耗數(shù)據(jù).并應用基于過程的生命周期分析法(LCA),建立了我國公路養(yǎng)護技術(shù)能耗計算模型和評價指標.通過與西方發(fā)達國家的研究成果對比,驗證了該計算模型的正確性.

1研究方法

1.1生命周期分析法

對于產(chǎn)品的能耗研究,最全面、準確的方式是生命周期分析法[7].對1996—2010年關(guān)于道路建養(yǎng)的生命周期分析法進行總結(jié)后發(fā)現(xiàn),大部分采用了基于過程的生命周期分析法[8].相較于基于投入-產(chǎn)出的生命周期分析和復合生命周期分析方法,基于過程的生命周期分析法建立的能耗模型較為復雜,但其結(jié)果較為準確.因此，本文利用基于過程的生命周期分析法研究公路養(yǎng)護能耗.

由于養(yǎng)護工程的實際使用壽命不僅與路面結(jié)構(gòu)和材料自身性能密切相關(guān),還受限于施工質(zhì)量、交通量、重載車型比例等不可控的外界因素,很難準確估算其實際使用壽命.因此,為使成果具有可操作性,將養(yǎng)護工程生命周期邊界的結(jié)束定義為養(yǎng)護工程施工結(jié)束,即重新開放交通為止.

1.2能源生命周期清單分析

能源的清單分析是公路養(yǎng)護工程各環(huán)節(jié)能耗清單分析的基礎(chǔ).為了保證計算模型的實用性和準確性,將能源的生命周期起始邊界定義為化石燃料的使用.

在能源折算方式上,電力能耗按照國際通用的等價熱值法,熱力和其他種類能源按照我國常用的當量熱值法進行折算,并以標準煤當量作為能源的統(tǒng)一計量單位.我國大部分能源統(tǒng)計資料也是采用該方法對能源進行折算[9].

根據(jù)能源生命周期的界定方法,兼顧能源折算方式,引用《綜合能耗計算通則》[10]中數(shù)據(jù),分析能源的平均低位發(fā)熱量,并統(tǒng)一折算成標準煤當量(standardcoalequivalent,CE).結(jié)果如表1所示.

表1　能源清單分析結(jié)果

2能耗計算模型

公路養(yǎng)護工程生命周期主要碳足跡如下:① 原材料生產(chǎn);② 混合料生產(chǎn);③ 現(xiàn)場施工;④ 材料運輸.為了確保模型的模塊化,規(guī)定就地再生類養(yǎng)護技術(shù)的混合料生產(chǎn)屬于現(xiàn)場施工環(huán)節(jié).

2.1原材料生產(chǎn)

公路養(yǎng)護技術(shù)主要涉及瀝青面層和水穩(wěn)基層的維修養(yǎng)護,所用的原材料包括:瀝青類材料、水泥、集料等.為了保證原材料生命周期清單分析的全面性,原材料的生命周期邊界定義為:自然界天然礦物的開采.

2.1.1瀝青類材料

普通瀝青的生命周期清單包括石油的開采階段和瀝青提煉階段.目前,瀝青提煉有蒸餾法、溶劑法、氧化法等3種瀝青生產(chǎn)工藝.對我國7個道路瀝青生產(chǎn)廠家進行調(diào)研發(fā)現(xiàn),均是采用溶劑法或氧化法.相關(guān)研究也表明,用溶劑法和氧化法生產(chǎn)瀝青產(chǎn)品占有較大比重[11].瀝青生產(chǎn)的工藝流程如圖1所示.

圖1　瀝青生產(chǎn)流程

常減壓渣油本質(zhì)上是從石油中提煉汽油等燃料油過程中的廢料,其生產(chǎn)過程并不消耗特定的能源,因此瀝青提煉能耗僅考慮化學反應過程.由于油氣田會同時產(chǎn)出石油和天然氣,因此先通過等量熱值法計算出石油生產(chǎn)能耗,再進行子產(chǎn)物能耗分配并考慮瀝青提煉能耗,由此可推導出

(1)

式中,Ea為我國普通瀝青綜合能耗;Ef為統(tǒng)計期(年)內(nèi)我國油氣田綜合能源消費量;PO為統(tǒng)計期(年)內(nèi)我國石油產(chǎn)量;Pg為統(tǒng)計期(年)內(nèi)我國天然氣產(chǎn)量;dg為天然氣密度;ξg為天然氣折標準煤系數(shù);Aa為子產(chǎn)物分配系數(shù),經(jīng)過約分運算和考慮原油加工損失率后一般可取1.0～1.25;Er為采用溶劑法或其他提煉法的單位質(zhì)量瀝青提煉能耗,一般以單位質(zhì)量標油為計量單位；ξp為標油折標準煤系數(shù).

相比于普通瀝青,改性瀝青和乳化瀝青的全生命周期增加了2個階段:① 添加劑生產(chǎn);② 剪切等加工過程.限于篇幅,僅將其結(jié)果列于表2中.

表2　原材料綜合能耗

注:此處僅列出了具有代表性的原材料,如集料選取我國道路工程常用的玄武巖.

2.1.2水泥

在公路面層和基層養(yǎng)護中,水泥被廣泛用作水硬性材料以膠結(jié)混合料并增加其強度.水泥生產(chǎn)主要可分為生料生產(chǎn)、熟料生產(chǎn)和水泥生產(chǎn)3個階段.

目前,我國對公路工程中常用的硅酸鹽水泥生命周期的能耗分析相當成熟,并編制了國家標準.該標準制定了各階段能耗限額表[12].結(jié)合該標準,并應用發(fā)電煤耗法得到如下簡化計算公式:

Ecem=Eclg+Edr+ξeeQs

(2)

式中,Ecem為我國水泥綜合能耗;Ecl為熟料綜合煤耗;g為統(tǒng)計期內(nèi)水泥企業(yè)水泥中熟料平均配比;Edr為統(tǒng)計期內(nèi)烘干水泥混合材所耗燃料折標準煤;ξee為電能折算標準煤系數(shù);Qs為水泥生產(chǎn)綜合電耗.

2.1.3集料

我國道路所用集料種類較多,生產(chǎn)方式各異，但總體而言,生產(chǎn)過程主要包括石料開采階段和破碎篩分階段.這2個階段分別用到了化學能和電能,在調(diào)研了我國多處石料開采加工廠的基礎(chǔ)上,進行綜合測算,得到我國集料單位產(chǎn)量綜合能耗.

2.1.4原材料綜合生產(chǎn)能耗

由文獻[13]和調(diào)研統(tǒng)計資料得到相應參數(shù),代入式(1)、(2)中,即可得到各類原材料綜合能耗數(shù)值(以標準煤作為當量),結(jié)果見表2.

原材料生產(chǎn)全過程能耗計算公式如下:

(3)

式中,Erp為原材料生產(chǎn)過程單位質(zhì)量混合料綜合能耗;N為輸入系統(tǒng)的所有原材料的類型數(shù);Fi為第i類原材料單位質(zhì)量綜合能耗;Pi為第i類原材料占混合料總質(zhì)量的百分數(shù).

2.2混合料生產(chǎn)

結(jié)合實地調(diào)研,混合料生產(chǎn)主要分為以下3個過程:① 舊料預處理;② 舊料和原材料加熱;③ 混合料拌合.這3個過程通常在拌合站系統(tǒng)內(nèi)進行,其中的舊料預處理包括對原路面的銑刨過程.

為了使數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計學上的意義,實地調(diào)研數(shù)據(jù)采用在標準加熱溫度下各拌合站的年平均千噸材料綜合加熱油耗.由于不同工藝(溫拌、熱拌等)的實際加熱溫度差異較大,提出了綜合加熱油耗的加熱溫度修正系數(shù)K的概念,用以考慮不同加熱溫度對油耗的影響.通過假定原材料在溫度變化過程中的比熱容為定值,再應用比熱容的定義公式推導出該系數(shù)的表達式:

(4)

式中,Ki為第i類原材料的加熱溫度修正系數(shù);Tn為各類原材料輸入拌合站前的溫度,一般統(tǒng)一設(shè)為25或20 ℃;Ti為第i類原材料實際加熱溫度;Tsi為第i類原材料標準加熱溫度.

混合料拌合過程中,拌合站系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換形式是燃料化學能和電廠電能轉(zhuǎn)換為熱能和機械能.因而可推導出混合料生產(chǎn)過程的能耗公式如下:

(5)

式中,Emp為混合料生產(chǎn)過程單位質(zhì)量混合料綜合能耗;Fsi為在標準加熱溫度下,第i類原材料的單位質(zhì)量綜合加熱油耗;ξi為第i類原材料加熱環(huán)節(jié)所用燃料油折算標準煤系數(shù);Ems為拌合樓單位產(chǎn)量混合料綜合電耗;Ept為單位質(zhì)量舊料進行預處理的綜合能耗;R3為混合料中舊料摻加比例.

2.3現(xiàn)場施工

公路養(yǎng)護工程的現(xiàn)場施工主要包括攤鋪和碾壓.不同養(yǎng)護技術(shù)的攤鋪過程所用機組不同,對于非就地再生類技術(shù),統(tǒng)計攤鋪機組的能耗；而對于就地再生類技術(shù),統(tǒng)計就地再生機組的能耗.現(xiàn)場調(diào)研表明,這2類養(yǎng)護技術(shù)的能源消耗都體現(xiàn)為機組發(fā)動機工作的燃油消耗和加熱墻加熱路面的燃氣消耗.攤鋪過程的能耗計算公式如下:

(6)

式中,Epr為攤鋪過程綜合能耗;Fpr為攤鋪機或就地再生機組綜合能耗,由于機組在不同運行狀態(tài)下(滿負荷和非滿負荷)的能耗有差異,因此應采用實際運行狀態(tài)的綜合能耗;vpr為攤鋪機或就地再生機的實際運行速度;wpr為攤鋪機或就地再生機的實際攤鋪寬度;hpr為攤鋪機或就地再生機的實際攤鋪厚度;dm為混合料密度.

為了規(guī)避對各類碾壓設(shè)備碾壓遍數(shù)繁瑣的統(tǒng)計,提高模型計算效率和精確性,從我國施工規(guī)范要求[14]和工程實際出發(fā),構(gòu)建了依據(jù)攤鋪狀態(tài)計算碾壓能耗的模型.該方法假定攤鋪和碾壓同步開始和完成,具體算法是根據(jù)攤鋪時間、碾壓設(shè)備的數(shù)量和碾壓設(shè)備單位時間綜合油耗計算該過程能耗,具體公式如下:

(7)

式中,Ero為碾壓過程綜合能耗;M為碾壓設(shè)備的臺數(shù);Fri為第i臺碾壓設(shè)備單位時間綜合油耗;ξri為第i臺碾壓設(shè)備所用柴油或汽油的折算標準煤系數(shù).

2.4材料運輸

運輸環(huán)節(jié)的能耗是指各類材料在空間上轉(zhuǎn)移所要耗費的能量.但對于同一種養(yǎng)護技術(shù),不同實地工程的差異對該環(huán)節(jié)的能耗影響較大[15].能耗模型應盡可能體現(xiàn)技術(shù)本身的能耗特征,最大程度地消除運距等外界因素產(chǎn)生的能耗差異,使不同養(yǎng)護技術(shù)的能耗具有可比性.因此,對運距等參數(shù)進行統(tǒng)一,并使其取值接近實際值,這樣既能方便比較各養(yǎng)護技術(shù),又能體現(xiàn)運輸能耗對總能耗的貢獻率.

運輸過程能耗最主要的影響因素是運距,不同的養(yǎng)護工程運距差異明顯.選取2013—2015年江蘇等地國省干線14個養(yǎng)護工程作為樣本,對4項主要運距值進行統(tǒng)計,以眾數(shù)或平均數(shù)作為計算運距,見表3.

表3　計算運距

注:為施工方便,料場和拌合站一般設(shè)立在一起.

運輸過程能耗的另一個重要影響因素是運輸車輛綜合能耗.對多項養(yǎng)護工程運輸車輛載重量和綜合油耗數(shù)據(jù)進行調(diào)研和統(tǒng)計分析,結(jié)果表明:① 運輸車輛一般以柴油作為動力,其綜合油耗主要受載重量、行駛速度影響,因而差異性較大.以車速60km/h計,每增加10t載重,油耗增加0.064L/km.② 運輸石料、舊料的車輛一般都超載,因而其綜合油耗高于車輛標稱油耗,但單位載重的綜合油耗反而會下降.綜上,對運輸車輛綜合能耗進行歸一化:取運輸車輛載重量為50t,此時綜合油耗約為0.5L/km,可得運輸車輛綜合能耗為0.013kg/(t·km) 標準煤當量.通過對各類公路養(yǎng)護工程運輸過程的實地監(jiān)測,可推導出各類養(yǎng)護技術(shù)通用運輸能耗公式如下:

(8)

式中,Etr為運輸環(huán)節(jié)單位質(zhì)量混合料綜合能耗;Ftr為運輸車輛基本綜合能耗;D1為舊料至料場運距;D2為料場至拌合站運距;D3為新料至拌合站運距;D4為混合料至施工現(xiàn)場運距;R1,R2,R3分別為油石比、水泥摻量和舊料摻量.實際測算時發(fā)現(xiàn),附屬運輸環(huán)節(jié)的能耗與總能耗相差4個數(shù)量級.因此,為了提高計算模型運算效率,忽略附屬運輸過程,如灑水車運行、改性劑運輸?shù)冗^程的能耗.

3養(yǎng)護技術(shù)能耗指數(shù)

為了表示養(yǎng)護工程技術(shù)的能源消耗強度,提出了公路養(yǎng)護技術(shù)能耗指數(shù)(energyconsumptionindexofmaintenance,ECIM)的概念.根據(jù)國家標準《綜合能耗計算通則》[10]的規(guī)定,ECIM應以商的形式表示,分子代表能源消耗量,分母代表單位產(chǎn)出.

根據(jù)《綜合能耗計算通則》[10]規(guī)定和國內(nèi)外相關(guān)研究的成果,本文把分子設(shè)定為養(yǎng)護技術(shù)全生命周期的綜合能耗.分母在國家標準中有2種設(shè)定方法：一種是設(shè)定為單位產(chǎn)值,另一種是設(shè)定為單位產(chǎn)量.由于產(chǎn)值不僅取決于養(yǎng)護技術(shù)等客觀因素,還受施工單位管理水平等主觀因素的影響,因此不宜將分母設(shè)定為單位產(chǎn)值,將其設(shè)為單位產(chǎn)量更為合理.為了排除層位厚度的影響,將其具體設(shè)定為混合料單位質(zhì)量而非養(yǎng)護路段單位長度.因此本文將ECIM定義為:某類公路養(yǎng)護技術(shù)中,單位質(zhì)量路面或基層材料全生命周期的綜合能耗.通過ECIM可以對比不同養(yǎng)護技術(shù)的能耗并分析節(jié)能效益.

4結(jié)果與討論

為了驗證本文能耗模型的正確性,應用其對2013—2015年我國高等級公路大中修養(yǎng)護工程進行了能耗量化,得到了我國養(yǎng)護技術(shù)能耗數(shù)據(jù)庫.將該數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和Dorchies等[3]的研究成果列于表4中(均折算為標準煤當量).

表4　國內(nèi)外公路養(yǎng)護技術(shù)能耗量化結(jié)果　 kg/t

注:為書寫方便,G表示國道,S表示省道；膠結(jié)料指瀝青或水泥.

Dorchies等[3]的能耗數(shù)據(jù)庫主要是基于投入產(chǎn)出的生命周期分析法和公路養(yǎng)護工程的工程量清單建立的.由于能源折算方式、材料組成比、施工工藝等細節(jié)差異,導致在相同的養(yǎng)護技術(shù)下我國與歐洲的ECIM指數(shù)存在一定差異.經(jīng)過測算表明,如果去除這些主觀因素,我國與歐洲的養(yǎng)護技術(shù)ECIM指數(shù)差別在4%以內(nèi).

此外,通過比較我國與歐洲國家的養(yǎng)護技術(shù)能耗數(shù)據(jù)庫,可得到一些共性的結(jié)論:

1) 常規(guī)瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)中,瀝青的生產(chǎn)能耗和混合料生產(chǎn)能耗對總能耗貢獻率最高.這2個過程各自的能耗貢獻率隨著瀝青混合料種類和油石比變化而有所波動,但都在40%左右.

2) 節(jié)能型瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)(再生、溫拌、冷拌等)的ECIM值明顯比常規(guī)瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)低,這主要歸功于瀝青生產(chǎn)和混合料生產(chǎn)過程能耗的降低.就地冷再生養(yǎng)護技術(shù)的節(jié)能效益最高.在我國,其ECIM值約為常規(guī)養(yǎng)護技術(shù)的1/3.

3) 半剛性基層常規(guī)的養(yǎng)護技術(shù)比瀝青面層常規(guī)養(yǎng)護技術(shù)的ECIM值低.無論是在我國還是在歐洲,其ECIM值均約為面層的50%.

5結(jié)語

利用基于過程的生命周期分析法,建立了我國公路養(yǎng)護工程的能耗模型.該模型比較全面地考慮了我國公路養(yǎng)護原材料的綜合能耗,并可準確地對公路養(yǎng)護工程能耗進行預評估,從而為公路養(yǎng)護工程的節(jié)能方案選擇提供參考.此外,在我國《綜合能耗計算通則》的框架下,提出的公路養(yǎng)護技術(shù)能耗指數(shù)ECIM可以評判公路養(yǎng)護技術(shù)的能源消耗強度.

在去除能源折算方式等主觀因素的情況下,用該能耗模型得到的指標結(jié)果與歐洲發(fā)達國家接近.這一方面從側(cè)面驗證了該能耗模型的正確性和實用性;另一方面表明各國公路養(yǎng)護技術(shù)的生命周期能耗分布相似,各國研究機構(gòu)可以通過相互借鑒和交流以采取更先進的養(yǎng)護技術(shù)來降低能耗.本文的研究方法和成果能為國內(nèi)外相關(guān)研究提供參考.

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Energyconsumptionmodelforhighwaymaintenancebasedonlifecycleassessment

TangHao1KuaiHaidong2HuangXiaoming1

(1SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) (2XinjiangCommunicationConstruction(Group)Co.,Ltd.,Urumqi830001,China)

Abstract:In order to optimize the selection of energy-saving schemes for highway maintenance, the energy consumption of highway maintenance technology is studied by the process-oriented life cycle assessment (LCA). The life cycle is divided into four processes: the production of raw materials, the production of mixture, field construction and transport of materials. The corresponding calculation model is established. The whole life cycle energy consumption of raw materials is analyzed and its life cycle boundary is defined as the extraction of minerals that exists in nature. Then, the comprehensive energy consumption of raw materials is calculated. The energy consumption index of maintenance (ECIM) is put forward. The energy consumption database for Chinese highway maintenance technologies is established and compared with that of European. The results show that both of the ECIM values are close to each other and the energy consumption distributions are similar. For conventional pavement maintenance technologies, asphalt production and mixture production provide a huge contribution to total energy consumption, and each contribution rate reaches approximately 40%; the in-place cold recycling maintenance technology has the highest energy-saving benefit, and its ECIM value is about one third of that of conventional maintenance technologies.

Key words:highway maintenance; energy consumption model; life cycle assessment (LCA); raw materials

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.029

收稿日期:2015-08-13.

作者簡介:唐皓(1992—),男,碩士生;黃曉明(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導師,huangxm@seu.edu.cn.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51378121).

中圖分類號:U418.4

文獻標志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)03-0629-06

引用本文: 唐皓，蒯海東,黃曉明.基于生命周期分析法的公路養(yǎng)護能耗模型[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(3):629-634.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.029.