國內(nèi)外道路工程能耗及排放測算軟件發(fā)展綜述

陳輝方，朱浩然，蔡海泉（.江蘇省鎮(zhèn)江市公路管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 003；.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 ）

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國內(nèi)外道路工程能耗及排放測算軟件發(fā)展綜述

陳輝方1，朱浩然2，蔡海泉2
（1.江蘇省鎮(zhèn)江市公路管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

隨著全球性能源緊張和環(huán)境變化，交通運(yùn)輸業(yè)已成為節(jié)能減排工作的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。道路在建設(shè)、運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)過程中消耗了大量的能源和資源，國外研究機(jī)構(gòu)基于壽命周期評價理念，開發(fā)了定量測算能耗及排放的軟件。文章通過對國內(nèi)外相關(guān)測算軟件的調(diào)研分析，吸收借鑒先進(jìn)成果和經(jīng)驗(yàn)，為我國道路專業(yè)LCA發(fā)展提供思路和參考。

道路工程；能耗；排放；節(jié)能減排；壽命周期分析

全球性能源緊張和氣候變化是國際社會普遍關(guān)注的重大問題，節(jié)能減排已成為國際社會的共同責(zé)任。交通運(yùn)輸作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和服務(wù)性行業(yè)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要的推動作用，同時也是能源消耗和溫室氣體排放的主要行業(yè)之一，是節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。

針對瀝青路面施工、養(yǎng)護(hù)的能耗及排放測算，國外學(xué)者已經(jīng)開展了較多的研究，取得了一定的成果，探索了路面建設(shè)過程評價的能耗及排放指標(biāo)，建立了原始材料的壽命周期清單（Life Cycle Inventory，LCI）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為準(zhǔn)確測算分析評價不同技術(shù)的能耗排放奠定了基礎(chǔ)，同時也為推廣新型節(jié)能減排材料、工藝提供了數(shù)據(jù)支撐［1］。本文通過對國內(nèi)外道路專業(yè)壽命周期分析（LCA）軟件進(jìn)行調(diào)研，重點(diǎn)關(guān)注軟件測算指標(biāo)、數(shù)據(jù)庫來源、軟件框架等信息，并從中吸收借鑒先進(jìn)理念和經(jīng)驗(yàn)，為我國道路LCA發(fā)展提供思路和參考。

1　美國道路工程能耗及排放軟件

美國道路建設(shè)在二十世紀(jì)六、七十年代經(jīng)歷了一個快速發(fā)展時期，建成了世界上最龐大的高速公路網(wǎng)絡(luò)。近年來，越來越多的研究機(jī)構(gòu)和政府部門開始重視道路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)過程中的資源和能耗消耗問題，并開發(fā)了不同的能耗或排放測算軟件。

1.1工程項(xiàng)目排放評價軟件 PE-2

工程項(xiàng)目排放評價軟件（Project Emission Estimator，PE-2）是由美國密西根科技大學(xué)開發(fā)的一款基于網(wǎng)頁的溫室氣體排放測算軟件，主要用于測算工程溫室氣體排放和確定工程的碳足跡。軟件測算范圍包括路面建設(shè)及養(yǎng)護(hù)過程中的原材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工過程中設(shè)備使用、養(yǎng)護(hù)階段路面維修及養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的延誤、直至路面壽命周期結(jié)束全過程。

PE-2軟件數(shù)據(jù)收集自美國14個瀝青及水泥路面的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)工程，材料及機(jī)械設(shè)備的排放系數(shù)主要來源于3個方面：（1）材料排放系數(shù)，由專業(yè)LCA軟件提供，如SimaPro， 經(jīng)濟(jì)環(huán)境壽命周期評價系統(tǒng)（Economic Input Output-Life Cycle Assessment，EIOLCA）等；（2）機(jī)械設(shè)備排放系數(shù)，根據(jù)設(shè)備的功率和負(fù)載系數(shù)測算排放，其中設(shè)備功率來源于加州環(huán)境質(zhì)量法案（California Environmental Quality Act，CEQA）部分設(shè)備還采用了美國環(huán)境保護(hù)署出版的非道路機(jī)械排放系數(shù)手冊中的數(shù)據(jù)；（3）運(yùn)營階段排放，采用美國環(huán)境保護(hù)署的MOVES交通仿真軟件（2010a）進(jìn)行估算。

1.2溫室氣體計(jì)算器GHGC

溫室氣體計(jì)算器（Greenhouse Gas Calculator，GHGC）是由美國瀝青路面協(xié)會開發(fā)的針對瀝青混合料生產(chǎn)過程溫室氣體排放的網(wǎng)頁版計(jì)算軟件。其架構(gòu)較為簡單，根據(jù)用戶輸入的拌和樓、場內(nèi)機(jī)械設(shè)備以及電力的消耗數(shù)量，結(jié)合各種能源的溫室氣體排放系數(shù)，在線計(jì)算各種能源的排放數(shù)據(jù)，并利用圖表形式給出計(jì)算結(jié)果，同時根據(jù)溫拌、再生混合料的比例測算可減少的溫室氣體排放量［2］。

該軟件中的排放系數(shù)來源于氣候變化注冊組織（The Climate Registry，TCR）發(fā)布的針對北美地區(qū)的能源排放系數(shù)。需要注意的是，該機(jī)構(gòu)發(fā)布的CO2排放系數(shù)是根據(jù)燃料的C含量和質(zhì)量守恒定律計(jì)算得到的。

1.3污染物排放計(jì)算器E-CALC

污染物排放計(jì)算器（Emissions Calculator，E-CALC）是由亞利桑那州立大學(xué)和Vermeer公司聯(lián)合開發(fā)的基于Excel的排放指標(biāo)計(jì)算軟件。E-CALC軟件可測算的指標(biāo)覆蓋了常見的污染氣體，包括HC、CO2、 NOx、PM10、SO2、CO等，可計(jì)算瀝青路面施工過程中原材料生產(chǎn)、機(jī)械設(shè)備的使用產(chǎn)生的排放［3］。

排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于美國環(huán)境保護(hù)署發(fā)布的AP-42報告，其中，VolumeⅠ中主要涉及原材料的排放系數(shù)，VolumeⅡ中主要涉及各種機(jī)械設(shè)備的排放系數(shù)。1.4 路面環(huán)境及經(jīng)濟(jì)影響壽命周期分析軟件PaLATE

路面環(huán)境及經(jīng)濟(jì)影響壽命周期分析軟件（Pavement Life-cycle Assessment Tool for Environmental and Economic Effects，PaLATE）是由美國加州伯克利大學(xué)開發(fā)的基于Excel的壽命周期費(fèi)用和環(huán)境評價軟件。PaLATE軟件測算指標(biāo)主要包括壽命周期費(fèi)用、能耗、CO2、NOx、PM10、SO2、CO以及從路面瀝出的其他污染物，分析階段主要包括了道路項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)、初始施工、設(shè)備使用、養(yǎng)護(hù)階段等［4］。

材料、能源排放系數(shù)主要來源于美國環(huán)境保護(hù)署發(fā)布的專業(yè)報告。

1.5溫室氣體排放計(jì)算器GASCAP

溫室氣體排放計(jì)算器（GASCAP）是由美國羅格斯大學(xué)交通研究中心聯(lián)合新澤西交通部共同開發(fā)的基于Excel的溫室氣體排放測算軟件［5］。GASCAP可測算道路壽命周期內(nèi)溫室氣體排放，包括CO2、CH4、N2O以及炭黑等，同時還可測算可氧化為CO2的有機(jī)化合物和CO。

GASCAP軟件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源廣泛，主要包括美國環(huán)境保護(hù)署和能源部以及研究中心的研究成果。數(shù)據(jù)包括EPA發(fā)布AP-42排放系數(shù)，能源部開發(fā)的GREET Life-cycle Analysis模型，加州大學(xué)開發(fā)的PaLATE模型，NCHRP開發(fā)的用于照明排放的GreenDOT模型，MOVES和NONROAD中道路和非道路機(jī)械排放數(shù)據(jù)。

1.6美國道路工程能耗排放軟件對比

本節(jié)重點(diǎn)調(diào)研了美國的5種能耗及排放測算軟件，各軟件均有各自的特點(diǎn)，主要差異見表1。

表1　美國道路工程能耗排放軟件差異對比

2　歐洲道路工程能耗及排放軟件

歐洲國家針對道路LCA的研究始于2003年，法國Colas道路建設(shè)集團(tuán)在《道路環(huán)境的未來》報告中提出，對道路方案的評價不僅要考慮費(fèi)用，還要考慮對環(huán)境的影響，即能源消耗和溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)了從壽命周期費(fèi)用評估到壽命周期評估的轉(zhuǎn)變。

2.1éCOLOGICIEL

瀝青路面節(jié)能減排分析軟件（éCOLOGICIEL）是由法國Colas道路建設(shè)集團(tuán)基于Excel的節(jié)能減排計(jì)算軟件，主要測算道路壽命周期內(nèi)能耗及排放兩大指標(biāo)，考慮了壽命周期內(nèi)的原材料、路面建設(shè)方案（包括材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工）、路面養(yǎng)護(hù)方案（30年）、壽命期內(nèi)的交通排放以及道路附屬設(shè)施等部分［1］。

軟件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于歐洲瀝青材料報告（Eurobitume 2011），雅典娜可持續(xù)材料研究院（Athena Sustainable Materials Institute 2001）及瑞典環(huán)境研究所（IVL Swedish Environment Research Institute 2001）。

2.2asPECT

瀝青路面碳排放分析工具（asphalt Pavement Embodied Carbon Tool，asPECT）是由英國TRL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用于計(jì)算道路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)期CO2排放當(dāng)量的軟件。軟件包括了原材料、拌和場以及施工現(xiàn)場三大塊內(nèi)容，10個環(huán)節(jié)，涵蓋了原材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、混合料生產(chǎn)、攤鋪碾壓、養(yǎng)護(hù)以及壽命結(jié)束等階段。

軟件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中各種材料或設(shè)備使用產(chǎn)生的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，根據(jù)類型的不同，其排放系數(shù)來源也不同，瀝青類材料參考了Eurobitume 2011的數(shù)據(jù)，燃料類材料參考了歐洲壽命周期評價組織（European Commission platform on LCA）的數(shù)據(jù)。

2.3SEVE

路面技術(shù)方案評價系統(tǒng)（Assessment System for Ecological Technical Alternatives，SEVE）是由法國道路聯(lián)盟開發(fā)的用于比較不同的道路設(shè)計(jì)低碳程度的評價軟件［6］。SEVE軟件的測算指標(biāo)主要包括能耗、溫室氣體排放、自然資源節(jié)約和RAP料的使用情況，測算階段包括原材料、原材料運(yùn)輸至瀝青拌合場、拌合、運(yùn)輸至施工場地、施工等5個環(huán)節(jié)，而道路使用階段及壽命末期的回收利用不在軟件的考慮范圍內(nèi)。

SEVE軟件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于道路專業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于Ecoinvent數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)代表了法國及歐洲的路面施工技術(shù)水平。

2.4Gaia.BE

壽命周期分析軟件Gaia.BE是由法國Eurovia公司于2007年開發(fā)的用于比較不同養(yǎng)護(hù)方法對環(huán)境影響的計(jì)算軟件。Gaia.BE可以計(jì)算以下6個指標(biāo)：自然資源的消耗、集料的消耗、能耗、直接燃料的消耗、溫室氣體排放和道路運(yùn)輸影響。軟件通過輸入運(yùn)輸距離、運(yùn)輸方式、拌合方式和攤鋪設(shè)備等參數(shù)，即可調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，計(jì)算相應(yīng)的指標(biāo)值。軟件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于NF P 01-010和NF EN 14040LCA標(biāo)準(zhǔn)。

2.5WLCO2T

費(fèi)用及溫室氣體排放計(jì)算器（WLCO2T）是由英國 URS Scott Wilson 公司基于Excel平臺開發(fā)的計(jì)算軟件，用于計(jì)算壽命周期不同階段的費(fèi)用和溫室氣體排放兩大指標(biāo)。WLCO2T基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于CESSM3 Carbon & Price Book: 2011和ICE Publishing。軟件通過輸入路面方案、養(yǎng)護(hù)方案類型、運(yùn)輸距離等基本信息，即可根據(jù)設(shè)定的費(fèi)率和排放系數(shù)計(jì)算相應(yīng)的費(fèi)用和溫室氣體排放。

2.6DuboCalc

工程項(xiàng)目可持續(xù)性計(jì)算器DuboCalc是由荷蘭交通部開發(fā)的一款用于定量評價工程項(xiàng)目可持續(xù)性的工具軟件。DuboCalc通過輸入項(xiàng)目建設(shè)階段材料、機(jī)械設(shè)備的消耗量以及養(yǎng)護(hù)、壽命末期的能耗及拆除能耗，測算項(xiàng)目的可持續(xù)性指標(biāo)，并以環(huán)境成本指標(biāo)MKI值表示，MKI值越低，說明建設(shè)方案的可持續(xù)性越好。

軟件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于其自帶的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫DuboCalc Database，該軟件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是在不斷地完善和改進(jìn)的，用戶在使用軟件進(jìn)行項(xiàng)目的可持續(xù)性評價時，其數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)被傳遞到軟件的中心數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過后臺程序的分析處理以及管理人員的審核，該數(shù)據(jù)也會加入到數(shù)據(jù)庫中供其他用戶使用。

2.7歐洲道路工程能耗及排放軟件對比

本節(jié)重點(diǎn)調(diào)研了歐洲的6種能耗及排放測算軟件，各軟件之間主要差異見表2。

3　其他道路能耗及排放軟件

3.1CHANGER

道路溫室氣體排放評價計(jì)算器（Calculator for Harmonised Assessment and Normalisation of Greenhousegas Emissions for Road，CHANGER）是由國際道路聯(lián)盟開發(fā)的用于計(jì)算道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)產(chǎn)生的溫室氣體排放軟件。測算指標(biāo)包括CO2、甲烷、氮氧化物等為溫室氣體排放，并用CO2當(dāng)量表示。

軟件中材料、燃料的排放系數(shù)來源于國際氣候變化組織（International Panel on Climate Change，IPCC）中的推薦值，IPCC的數(shù)據(jù)來自于188個國家和地區(qū)，幾乎涵蓋了全球各地的情況。

3.2Athena Impact Estimator

雅典娜環(huán)境影響評價系統(tǒng)（Athena Impact Estimator）是由加拿大雅典娜可持續(xù)發(fā)展材料研究院（Athena Sustainable Materials Institute）開發(fā)的基于壽命周期的環(huán)境評估工具軟件，為道路設(shè)計(jì)人員提供公路設(shè)計(jì)方案對環(huán)境影響評價工具，并根據(jù)評價結(jié)果進(jìn)行決策。軟件綜合考慮了材料生產(chǎn)、材料的運(yùn)輸、資源的循環(huán)利用、機(jī)械設(shè)備的使用以及養(yǎng)護(hù)期道路養(yǎng)護(hù)維修活動對環(huán)境的影響。

表2　歐洲道路工程能耗排放軟件差異對比

軟件測算指標(biāo)包括化石燃料消耗、潛在酸雨可能性、潛在的全球變暖、居民健康、臭氧層破壞的潛在趨勢、霧霾可能性、水體富營養(yǎng)化潛在可能性等。

軟件所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一方面來源于軟件開發(fā)者的實(shí)際調(diào)查分析結(jié)果數(shù)據(jù)，另一方面采用了美國的壽命周期分析清單數(shù)據(jù)庫（US Life Cycle Inventory Database）中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4　國內(nèi)道路能耗及排放軟件發(fā)展

在中國，量化的LCA評價正得到日益廣泛的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色制造等政策目標(biāo)提供了支持，由億科環(huán)境科技有限公司（IKE）研發(fā)的、國內(nèi)首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的通用型生命周期評價軟件eBalance，提供了中國以及世界范圍的高質(zhì)量數(shù)據(jù)庫支持。

但是，道路能耗及排放測算軟件開發(fā)還處于起步階段，長安大學(xué)在2012年構(gòu)建了基于Excel的瀝青路面節(jié)能減排評價系統(tǒng)E3SAP，用于測算瀝青路面整個壽命周期內(nèi)的能耗及排放［7］，其中排放指標(biāo)包括CO2、CH4、SO2、NOx、CO、NMVOC、PM10及PM2.5，并將排放指標(biāo)歸類特征化成全球變暖、酸化效應(yīng)、健康危害和顆粒物質(zhì)4個影響指標(biāo)，測算過程中環(huán)境排放系數(shù)主要參考了歐美發(fā)達(dá)國家相關(guān)數(shù)據(jù)［8］。

蘇交科集團(tuán)股份有限公司在2013年開展了瀝青路面能耗及排放測算研究，建立了本地化的能耗及排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了路面工程能耗及排放測算軟件（P-LCA）以及路面養(yǎng)護(hù)節(jié)能減排評價系統(tǒng)（EEES），推動了道路工程壽命周期分析在中國的發(fā)展。

5　結(jié)論

通過對國內(nèi)外道路工程能耗及排放測算相關(guān)軟件的調(diào)研，可以得出以下結(jié)論：

（1）歐美發(fā)達(dá)國家針對瀝青路面建設(shè)、運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)階段的能源消耗和排放已經(jīng)開展了大量研究，積累了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了相關(guān)資源和能源的排放數(shù)據(jù)庫，為道路LCA的研究提供了數(shù)據(jù)支撐；

（2）不同的軟件測算的指標(biāo)存在差異，道路專業(yè)的分析軟件測算指標(biāo)集中在能耗、溫室氣體排放兩大指標(biāo)上；

（3）根據(jù)軟件的使用目的，其測算邊界不同，部分軟件僅測算道路建設(shè)階段能耗及排放，對于壽命周期內(nèi)的其他階段考慮較少；

（4）由于不同國家和地區(qū)資源分布的不平衡、建設(shè)水平的不同、能源結(jié)構(gòu)的不對稱，因此，這些軟件主要特征就是其所依賴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫大多來源于本國行業(yè)的平均數(shù)據(jù)，確保了軟件測算結(jié)果能夠符合本國的實(shí)際情況。

結(jié)合調(diào)研結(jié)果，可以為我國道路工程能耗及排放測算的發(fā)展和軟件開發(fā)提供以下借鑒和參考：

（1）必須建立符合我國施工工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，獲取原材料的生產(chǎn)能耗和排放系數(shù)，使測算結(jié)果更好地符合我國實(shí)際情況；

（2）結(jié)合我國節(jié)能減排宏觀政策和需求，確定測算評價指標(biāo)體系，以能耗和溫室氣體排放為主要指標(biāo)，綜合考慮污染氣體和資源循環(huán)利用指標(biāo)，合理選擇測算分析階段和范圍；

（3）軟件開發(fā)應(yīng)具有開放性，隨著道路建設(shè)水平和材料科學(xué)的發(fā)展，可及時更新軟件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容。

［1］Colas Group. The environmental road of the future-life cycle analysis［R］. 2003.

［2］Project Emission Estimator［EB/OL］.［2015-07-15］ http://www.construction.mtu.edu/cass_reports/webpage/index.html.

［3］Asphalt Pavement Embodied Carbon Tool［EB/OL］. ［2015-07-15］http://www.sustainabilityofhighways.org.uk/Index.aspx.

［4］Pavement Life-cycle Assessment Tool for Environmental and Economic Effects［EB/OL］. ［2015-07-15］ http://www.ce.berkeley.edu/～horvath/palate.html.

［5］International Road Federation［EB/OL］. ［2015-07-15］ http:// www.irfnews.org.

［6］Eco comparateur/SEVE［EB/OL］. ［2015-07-15］ http://www.usirf.com/les-actions-de-la-profession/developpement-durable/eco-comparateurseve/.

［7］楊博.瀝青路面節(jié)能減排量化分析方法及評價體系研究［D］.西安：長安大學(xué)，2012.

［8］潘美萍.基于LCA的高速公路能耗與碳排放計(jì)算方法研究及應(yīng)用［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2011.

Review of Energy Consumption and Emission Calculation Software Development for Road Engineering at Home and Abroad

Chen Huifang1， Zhu Haoran2， Cai Haiquan2
（1. Zhenjiang Highway Administrative Department， Zhenjiang 212003， China； 2. JSTI Group， Nanjing 211112， China）

With the global energy constraints and environmental changes， transportation had become a key domain of the energy conservation and emission reduction work. During the life cycle of road， including the construction， operation and maintenance periods， large amount of energy and resources were consumed. Some research institutions abroad had established the energy consumption and emission calculation software based on the concept of life cycle assessment. This paper investigated the domestic and foreign relevant calculation software， and absorbed some advanced achievements and experiences， which provided ideas and references for the development of road engineering life cycle assessment in China.

road engineering；energy consumption； emissions；enery conservation and emission reduction； life cycle assessment

U491.9+2

A

1672-9889（2016）02-0094-05

陳輝方（1966-），男，江蘇丹徒人，高級工程師，主要從事干線公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)管理工作。

（2015-07-15）