基于LCA的高速公路建設(shè)全過(guò)程碳排放核算

黃山倩，黃學(xué)文，高碩晗，盧春穎，車承志，孔亞平

（1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

人類活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體排放造成全球氣候變暖，導(dǎo)致熱浪、山火、洪澇等與極端天氣有關(guān)的災(zāi)害頻發(fā)，引起國(guó)內(nèi)外對(duì)碳排放問(wèn)題的高度關(guān)注[1]。目前，已有超過(guò)127個(gè)國(guó)家做出了碳中和承諾[2]，我國(guó)也提出了“2030年碳達(dá)峰”與“2060 年碳中和”的目標(biāo)，并發(fā)布了行動(dòng)方案。碳排放的統(tǒng)計(jì)核算是推動(dòng)相關(guān)工作的重要依據(jù)，電力、鋼鐵、石化、建筑等重點(diǎn)行業(yè)均在加速編制或修訂相關(guān)核算方法。我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模已達(dá)全球第一，公路建設(shè)過(guò)程會(huì)大量消耗能源、原材料以及相關(guān)成品或半成品，有研究顯示公路建設(shè)已成為交通行業(yè)溫室氣體排放的重要來(lái)源[3]，其碳排放量不容小覷。但目前，整個(gè)公路建設(shè)行業(yè)尚未形成統(tǒng)一的碳核算方法，不能有效支撐行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，因此亟需加強(qiáng)公路建設(shè)碳核算的相關(guān)研究。

目前，國(guó)際上已建立基于生命周期評(píng)價(jià)理論（Life Cycle Assessment,LCA）的碳足跡核算標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證體系、管理制度體系，公路領(lǐng)域在此基礎(chǔ)上研究形成了完整的公路生命周期評(píng)價(jià)理論框架和豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，可用于量化公路建設(shè)的二氧化碳排放[4-6]。公路LCA 的研究范圍涵蓋產(chǎn)品原材料獲取、材料或能源生產(chǎn)、產(chǎn)品制造和使用維護(hù)以及最終處置等環(huán)節(jié)[7]，通過(guò)對(duì)公路項(xiàng)目全生命周期的輸入、輸出進(jìn)行清單分析，可從不同階段對(duì)路基、路面、橋涵、隧道及附屬工程等不同專業(yè)二氧化碳排放開展定量研究，識(shí)別二氧化碳排放的主要環(huán)節(jié)和來(lái)源，綜合量化相關(guān)技術(shù)措施的節(jié)能減排效益和成本損益，服務(wù)于公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的決策支持[8-9]。值得注意的是，核算邊界的劃分、排放因子的選取等差異會(huì)顯著影響碳核算結(jié)果和結(jié)論[4]，而應(yīng)用主流軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)可減少相關(guān)誤差[10]?，F(xiàn)階段國(guó)際上已研發(fā)了數(shù)款公路碳排放評(píng)價(jià)軟件，其中，國(guó)際道路聯(lián)盟研發(fā)的公路溫室氣體排放評(píng)價(jià)計(jì)算器CHANGER，主要測(cè)算公路建設(shè)產(chǎn)生的溫室氣體排放；美國(guó)研發(fā)的公路工程項(xiàng)目排放評(píng)價(jià)軟件PE-2，主要測(cè)算原材料生產(chǎn)、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)施工階段的溫室氣體排放；加拿大研發(fā)的ATHENA，主要測(cè)算材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、資源循環(huán)利用、機(jī)械設(shè)備使用等活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響[11]。此外，挪威公路管理局研發(fā)了公路碳核算軟件VegLCA，應(yīng)用于公路項(xiàng)目的前期規(guī)劃、項(xiàng)目決策、方案比選、設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等過(guò)程[9]。

國(guó)內(nèi)公路LCA 碳排放研究仍處于起步階段，研究對(duì)象主要集中在路面、隧道、橋梁等單項(xiàng)工程的低碳工藝或材料比選，研究范圍主要包括原材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工等，主要分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)碳排放特征化結(jié)果的影響程度[12]，而針對(duì)整條高速公路基于LCA 進(jìn)行實(shí)例研究的相對(duì)較少。例如，針對(duì)國(guó)內(nèi)不同等級(jí)公路混凝土路面、瀝青混凝土路面碳排放的研究顯示，兩種路面結(jié)構(gòu)的單位里程單車道公路建設(shè)二氧化碳排放量分別為500t 和1 250t[13]；對(duì)瀝青路面施工過(guò)程碳排放的定量分析顯示，集料加熱和瀝青加熱占路面施工總能源消耗的92%，瀝青碾壓和鋪裝是二氧化碳直接排放的主要施工環(huán)節(jié)[6]。雖然我國(guó)已形成了中國(guó)生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)CLCD（Chinese Life Cycle Database）和通用型生命周期評(píng)價(jià)軟件eBalance[14]，但其缺乏符合公路建設(shè)特征的相關(guān)模塊和流程，無(wú)法直接用于公路建設(shè)項(xiàng)目中，已發(fā)布的公路碳核算相關(guān)軟件以路面的建管養(yǎng)為主[11]。

總體而言，我國(guó)公路建設(shè)行業(yè)需加速構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的碳核算體系框架，形成統(tǒng)一的核算方法和流程，以支撐碳減排技術(shù)研發(fā)與管理措施制定。鑒于此，本研究將從數(shù)據(jù)清單構(gòu)建、排放因子選取、核算范圍界定、核算邊界劃分、核算模型建立等方面提出標(biāo)準(zhǔn)化的核算流程，對(duì)典型公路項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程開展碳排放量核算，獲得具有可比性的、更接近實(shí)際排放的高速公路碳排放指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行來(lái)源解析，以期有效識(shí)別復(fù)雜公路建設(shè)系統(tǒng)中重點(diǎn)碳排放環(huán)節(jié)及其影響，為形成統(tǒng)一的公路建設(shè)碳排放核算體系框架、制定節(jié)能降碳措施提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 工程數(shù)據(jù)清單

本研究所選路段為安徽省平原微丘區(qū)某瀝青混凝土路面雙向四車道高速公路新建工程，路線總長(zhǎng)89.96km，其中路基長(zhǎng)83.58km，路基寬26m，橋梁長(zhǎng)6.38km，共有8 座互通立交，無(wú)隧道。

筑路材料、運(yùn)輸車輛和施工機(jī)械等各工程量數(shù)據(jù)主要來(lái)源于施工圖設(shè)計(jì)文件、預(yù)算文件以及相關(guān)定額標(biāo)準(zhǔn)等，采用月度能耗調(diào)查表統(tǒng)計(jì)實(shí)際工程量進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定。根據(jù)各單位工程施工工序的相關(guān)性進(jìn)行歸類，將各單位工程的核算范圍及工程量歸納至表1。

表1 各單位工程的碳排放核算范圍及工程量

1.2 排放因子清單

本研究中碳排放量采用國(guó)際通用單位二氧化碳當(dāng)量（Carbon Dioxide Equivalent,CO2e），包含甲烷、氧化亞氮等非二氧化碳溫室氣體排放量，以表征溫室氣體總排放量。通過(guò)調(diào)研Ecoinvent、SimaPro、VegLCA、CLCD 數(shù)據(jù)庫(kù)，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)術(shù)論文等，比選符合我國(guó)公路工程特點(diǎn)的主要碳排放因子，詳見(jiàn)表2。

表2 主要碳排放因子及應(yīng)用范圍

表2 （續(xù)）

表2 （續(xù)）

2 碳排放核算方法

2.1 理論框架與核算邊界

基于生命周期評(píng)價(jià)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合高速公路實(shí)際建設(shè)特征，將高速公路建設(shè)期確定為從工程施工開始直至通車運(yùn)營(yíng)這一時(shí)間區(qū)間，將建設(shè)全過(guò)程劃分為材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸以及道路施工三個(gè)階段。根據(jù)公路建設(shè)的工程構(gòu)成、工程計(jì)價(jià)、施工特點(diǎn)確定各階段的核算邊界，詳見(jiàn)圖1。

圖1 高速公路建設(shè)過(guò)程碳排放核算范圍

2.2 核算模型

由于公路建設(shè)過(guò)程中溫室氣體直接排放源為施工機(jī)械和運(yùn)輸車輛，間接排放源為筑路材料，本研究采用基于排放清單的過(guò)程生命周期評(píng)價(jià)分析方法[22]，通過(guò)工程數(shù)據(jù)清單和主要碳排放因子計(jì)算各階段各單位工程筑路材料和施工機(jī)械產(chǎn)生的碳排放總量，建立基于生命周期評(píng)價(jià)的高速公路建設(shè)全過(guò)程碳排放核算模型。

高速公路建設(shè)全過(guò)程碳排放量E為材料生產(chǎn)階段、材料運(yùn)輸階段和道路施工階段的筑路材料和施工機(jī)械的碳排放量總和，其計(jì)算公式[23-24]可表示為：

式（1）中：E為公路建設(shè)全過(guò)程的碳排放量（tCO2e）；i為筑路材料類型，i=1,2,3,…,n；Qi為第i種筑路材料的總消耗量（t）；Fi為第i種筑路材料生產(chǎn)過(guò)程的碳排放因子（tCO2e/t）；Di為i種筑路材料平均運(yùn)輸距離（km）；fi為單位重量的第i種筑路材料單位運(yùn)輸距離產(chǎn)生的碳排放因子（tCO2e/（t·km））；j為施工機(jī)械類型，j=1,2,3,…,m；k為能源類型，k=1,2,3,…,l；Tj為使用第j種施工機(jī)具耗費(fèi)的工作時(shí)間總和（h）；為單位工作時(shí)間內(nèi)第j種施工機(jī)具使用第k種能源的消耗量（t）；fk為第k種能源產(chǎn)生的碳排放因子（tCO2e/（t·h）)。

2.3 公路建設(shè)碳排放強(qiáng)度

由于公路項(xiàng)目里程長(zhǎng)、施工工序復(fù)雜、影響因素眾多，碳排放總量無(wú)法反映重點(diǎn)耗能單元的排放特征，且工程管理中通常采用里程作為進(jìn)度指標(biāo)，因此為評(píng)估各耗能單元的碳排放水平，提出公路建設(shè)碳排放強(qiáng)度ED，其計(jì)算公式為：

式（2）中：E的含義同前；D為與核算范圍對(duì)應(yīng)的公路里程（km）；ED 為單位里程高速公路建設(shè)全過(guò)程產(chǎn)生的碳排放量，即每公里碳排放量（tCO2e/km），除以車道數(shù)或路基寬度可以直接轉(zhuǎn)化為單位車道里程或單位面積里程碳排放量等指標(biāo)，可與其他項(xiàng)目進(jìn)行比較。

3 高速公路各建設(shè)階段碳排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.1 材料生產(chǎn)階段

材料生產(chǎn)階段碳排放主要包含公路建設(shè)所使用的筑路材料從原材料提取、生產(chǎn)、加工到運(yùn)離生產(chǎn)廠等整個(gè)物化過(guò)程的全部碳排放。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，本研究所選取的典型路段建設(shè)過(guò)程的主要材料及其消耗量分別為砂石505萬(wàn)m3、水泥47.8萬(wàn)t、生石灰34.7萬(wàn)t、鋼材22.9萬(wàn)t、瀝青4.7 萬(wàn)t、礦粉4.8 萬(wàn)t。其中，建設(shè)過(guò)程使用鋼材而產(chǎn)生的碳排放量為37.8萬(wàn)tCO2e，水泥為33.6萬(wàn)tCO2e，生石灰為27.8 萬(wàn)tCO2e，砂石為1.51 萬(wàn)tCO2e，如圖2所示。

圖2 典型路段材料生產(chǎn)階段主要材料消耗量和碳排放量

3.2 材料運(yùn)輸階段

材料運(yùn)輸階段碳排放主要包含筑路材料運(yùn)輸?shù)綀?chǎng)外場(chǎng)站進(jìn)行二次加工，加工后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，以及場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸車輛的全部碳排放。

本研究路段材料運(yùn)輸車輛主要包括各種載重的載貨汽車和自卸汽車，共使用23.2 萬(wàn)臺(tái)班，產(chǎn)生的碳排放總量為5.12萬(wàn)tCO2e，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。其中，自卸汽車碳排放量占比為96.3%，15t 以內(nèi)自卸汽車占比為95.3%。

表3 典型路段材料運(yùn)輸車輛臺(tái)班數(shù)和碳排放量

3.3 道路施工階段

道路施工階段碳排放主要包含場(chǎng)外場(chǎng)站和施工現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的碳排放，其中場(chǎng)外場(chǎng)站的碳排放主要指場(chǎng)外拌和站、加工廠、預(yù)制廠等機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。

本研究路段道路施工階段產(chǎn)生碳排放的主要施工機(jī)械類型、數(shù)量及碳排放量為：

（1）土、石方工程機(jī)械，主要包括推土機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、平地機(jī)、光輪壓路機(jī)、強(qiáng)夯機(jī)械等，共使用20.2萬(wàn)臺(tái)班，共產(chǎn)生3.98萬(wàn)tCO2e；

（2）路面工程機(jī)械，主要包括拌和機(jī)、拌和設(shè)備、攤鋪機(jī)、瀝青灑布車、鋪筑機(jī)、壓路機(jī)等，共使用2.25萬(wàn)臺(tái)班，共產(chǎn)生2.82萬(wàn)tCO2e；

（3）打樁、鉆孔機(jī)械，主要包括沖擊鉆機(jī)、泥漿攪拌機(jī)、回旋鉆機(jī)、振動(dòng)打拔樁錘等，共使用5.4萬(wàn)臺(tái)班，共產(chǎn)生1.9萬(wàn)tCO2e。

所有施工機(jī)械分項(xiàng)碳排放量統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)圖3。

圖3 典型路段道路施工階段施工機(jī)械臺(tái)班數(shù)和碳排放量

4 高速公路建設(shè)全過(guò)程碳排放統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析

4.1 碳排放統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)本研究典型高速公路各建設(shè)階段各單位工程的碳排放量和碳排放強(qiáng)度進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4 所示。經(jīng)計(jì)算，本研究路段建設(shè)全過(guò)程的碳排放總量和碳排放強(qiáng)度分別是146.8 萬(wàn)tCO2e,1.63 萬(wàn)tCO2e/km。其中材料生產(chǎn)階段碳排放量和強(qiáng)度最高，分別是130.2 萬(wàn)tCO2e（約占總量的88.6%），1.45 萬(wàn)tCO2e/km；道路施工階段次之，分別是11.6 萬(wàn)tCO2e（約占總量的7.9%），1 285.78tCO2e/km；材料運(yùn)輸階段最低，分別是5.1萬(wàn)tCO2e（約占總量的3.5%），568.89tCO2e/km。

表4 典型路段各單位工程各階段碳排放量和碳排放強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

在整個(gè)建設(shè)過(guò)程中，各單位工程碳排放強(qiáng)度由高至低依次是橋涵工程>交叉工程>路基工程>管線工程>路面工程>臨時(shí)工程>綠化工程。交叉工程產(chǎn)生的碳排放總量最高，為51.9萬(wàn)tCO2e（約占研究路段碳排放總量的35.4%），其次為路基工程，共產(chǎn)生46.1萬(wàn)tCO2e（約占研究路段碳排放總量的31.4%），橋涵工程產(chǎn)生34.3萬(wàn)tCO2e（約占研究路段碳排放總量的23.3%）且碳排放強(qiáng)度最高。各階段各單位工程碳排放量占比和碳排放強(qiáng)度占比如圖4所示（僅標(biāo)示了部分比值較大者的具體數(shù)據(jù)）。

圖4 各階段各單位工程碳排放量占比和碳排放強(qiáng)度占比

4.2 重點(diǎn)環(huán)節(jié)分析與建議

從不同階段來(lái)看，材料生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放量最大[25-26]，并且減排潛力也最大[3]，本階段碳排放主要來(lái)源為鋼材、水泥和生石灰。而其他階段產(chǎn)生的碳排放僅占總量的11.4%，其中，施工機(jī)械碳排放主要來(lái)源為土石方工程機(jī)械及路面工程機(jī)械，運(yùn)輸車輛碳排放主要來(lái)源為15t 以下的自卸汽車。因此，在平原微丘區(qū)公路建設(shè)的節(jié)能降耗管理中，需重點(diǎn)關(guān)注上述筑路材料和施工機(jī)械的節(jié)能減排技術(shù)措施，在確保工程質(zhì)量與安全的基礎(chǔ)上，通過(guò)招標(biāo)選擇碳排放量更低的筑路材料或替代材料，采用清潔能源裝備和車輛，實(shí)施低碳施工組織管理，以獲得最大的節(jié)能降碳效益。

從建設(shè)全過(guò)程來(lái)看，平原微丘區(qū)典型路段的碳排放有超過(guò)90%來(lái)源于交叉工程、路基工程和橋涵工程，其中，橋涵工程的碳排放強(qiáng)度最高。本研究針對(duì)以上重點(diǎn)單位工程進(jìn)行碳排放組成特征分析，并提出相關(guān)節(jié)能減排技術(shù)措施建議，具體如下。

（1）橋涵工程

研究路段共有特大橋2 座、大橋8 座、中小橋11 座，其中主橋、引橋主要采用鋼箱組合梁，鋼材、水泥等高耗能材料消耗量大。特大橋梁建設(shè)是影響道路建設(shè)活動(dòng)碳排放的主要因素[27]，但橋梁僅占本研究工程總里程的8.4%，綜合導(dǎo)致了橋涵工程碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他單位工程。因此，橋涵工程是重點(diǎn)控制單元，需重點(diǎn)關(guān)注橋梁構(gòu)件、鋼材、水泥等生產(chǎn)或加工工序，節(jié)能減排建議為：采用熱軋型材等高性能與高效能結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)先選用具備低碳環(huán)保工藝的原材料供應(yīng)商；采用BIM+LCA 技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)[28]，指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造、安裝等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)低碳建造；對(duì)高耗能預(yù)制構(gòu)件（如鋼箱梁、鋼板組合梁等）進(jìn)行集中綠色采購(gòu)，優(yōu)先選用運(yùn)輸距離短、低碳技術(shù)等級(jí)高的工廠進(jìn)行生產(chǎn)。

（2）交叉工程

研究路段位于平原微丘區(qū)，沿線主要城鎮(zhèn)交叉道路較多，且大多數(shù)是高等級(jí)公路，需采用樞紐互通、主線上跨等方式進(jìn)行交叉，凈高較高，需要大量填方；路段共涉及8 處互通立交、21 座分離立交橋等193 處交叉工程，施工內(nèi)容包含橋梁、路基、路面等工程，在土建標(biāo)工程量中占比最大，使用的高耗能材料和大功率機(jī)械高于其他單位工程，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的碳排放總量最高。因此，交叉工程在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中都應(yīng)加強(qiáng)低碳管控措施的應(yīng)用[23]，采用BIM+LCA 技術(shù)從源頭進(jìn)行低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)[29]，在施工組織、機(jī)械設(shè)備和材料供應(yīng)等方案比選過(guò)程中應(yīng)采取節(jié)能降碳組合技術(shù)和措施進(jìn)行綜合控制。

（3）路基工程

路基工程中水泥、鋼筋等材料消耗相對(duì)較少，但由于研究路段全線總體缺方，需采用挖方、借方等方式取土填筑路基，主要使用自卸汽車進(jìn)行土石方調(diào)配，運(yùn)輸約11.09 萬(wàn)m3砂石，而土石方的開挖和運(yùn)輸采用的設(shè)備主要消耗柴油、較少使用電力驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致相關(guān)工程機(jī)械產(chǎn)生較高的能耗[30]，從而導(dǎo)致路基工程在材料運(yùn)輸和施工階段碳排放量較大。因此，針對(duì)路基工程的節(jié)能減排建議為：優(yōu)先選用新能源車輛或裝備進(jìn)行作業(yè)；減少運(yùn)輸距離，采用低碳施工組織方案進(jìn)行靈活調(diào)配以提高運(yùn)輸效率；在水土保持方案論證的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃取土場(chǎng)和棄土場(chǎng)的位置，充分利用廢棄舊路、便道和臨建場(chǎng)地，縮短與主要填方路段的平均運(yùn)輸距離。

5 結(jié)語(yǔ)

生命周期評(píng)價(jià)理論可為公路建設(shè)碳排放核算提供科學(xué)的分析框架，本研究在此基礎(chǔ)上明確了公路建設(shè)項(xiàng)目碳排放數(shù)據(jù)來(lái)源，細(xì)化了核算系統(tǒng)邊界和工程內(nèi)容，建立了符合我國(guó)公路建設(shè)特征的碳排放核算模型，通過(guò)實(shí)例應(yīng)用開展了典型路段各階段各單位工程的碳排放量和碳排放強(qiáng)度測(cè)算，并對(duì)重點(diǎn)排放環(huán)節(jié)進(jìn)行來(lái)源解析，辨識(shí)了平原微丘區(qū)典型公路建設(shè)的碳排放特征，提出了有針對(duì)性的節(jié)能減排技術(shù)措施建議，形成的標(biāo)準(zhǔn)化流程可為其他公路工程項(xiàng)目碳排放核算分析提供參考依據(jù)。隨著上下游行業(yè)節(jié)能減排工作的深入開展，公路建設(shè)行業(yè)迫切需要完善公路基礎(chǔ)設(shè)施碳核算體系，建議未來(lái)研發(fā)可推廣的公路工程碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件，進(jìn)一步掌握碳排放底數(shù)和特征規(guī)律，指導(dǎo)在建或新建公路項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工等階段進(jìn)行碳排放量控制。