基于LCA 的城市道路碳排放測算與敏感性分析

牛 凱，左貴強(qiáng)，張興宇，朱曉東

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

在生態(tài)文明建設(shè)及綠色道路發(fā)展和交通強(qiáng)國建設(shè)要求下，國家陸續(xù)出臺了碳達(dá)峰、碳中和相關(guān)的政策。這些政策文件均提出了減碳、節(jié)能、增綠的碳達(dá)峰與碳中和路徑選擇與目標(biāo)，因此，開展雙碳相關(guān)研究對促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有十分重要的意義。

交通領(lǐng)域碳排放占我國碳排放總量的11%，其中73.3%～85%集中在道路運(yùn)輸與建養(yǎng)方面，是落實(shí)國家戰(zhàn)略的主戰(zhàn)場，許多學(xué)者圍繞該問題進(jìn)行了學(xué)術(shù)研究。劉圓圓[1]構(gòu)建了基于LCA（Life Cycle Assessment）的公路碳排放理論框架，從建設(shè)、養(yǎng)護(hù)兩個方面構(gòu)建了碳排放測算模型。毛睿昌[2]不僅考慮了道路，還圍繞地鐵、橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建了相應(yīng)模型，評價(jià)了不同交通基礎(chǔ)設(shè)施對碳排放的貢獻(xiàn)情況。彭波等[3]從能源燃燒和瀝青高溫分解等角度構(gòu)建了碳排放測算模型，并對結(jié)果進(jìn)行深入研究。張海濤等[4]研究了瀝青路面設(shè)計(jì)過程中不同參數(shù)選取對碳排放量的影響。徐金俊等[5]采用LCA 模型構(gòu)建了再生混凝土建筑的計(jì)算模型與邊界，并就再生混凝土建筑的關(guān)鍵影響參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析?？梢钥闯?，現(xiàn)有研究對公路碳排放測算方法與影響因素的研究偏多，而有關(guān)城市道路碳排放的研究偏少，同時對道路建設(shè)碳排放敏感性分析缺乏深入研究。

本研究依托“重慶市廣陽大道生態(tài)修復(fù)及品質(zhì)提升項(xiàng)目”工程，以LCA 的道路建設(shè)階段碳排放測算模型為基礎(chǔ)，結(jié)合生態(tài)文明建設(shè)和綠色道路發(fā)展目標(biāo)，對新建城市道路建設(shè)階段碳排放關(guān)鍵輸入?yún)?shù)進(jìn)行敏感性分析，對碳排放主要來源進(jìn)行分析，為提出碳減排思路提供理論技術(shù)支撐，促進(jìn)城市道路綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 測算模型

道路建設(shè)過程的碳排放來源主要來自于原材料生產(chǎn)、場外加工、運(yùn)輸及現(xiàn)場施工四個階段[6]，本文測算模型不考慮車輛和施工機(jī)械的生產(chǎn)及設(shè)備投入過程中的碳排放量，具體碳排放測算范圍和計(jì)算過程如圖1 所示。

圖1 碳排放測算范圍示意圖

式中：Q 為碳排放總量；Q1為原材料生產(chǎn)排碳量；Q2為場外加工排碳量；Q3為運(yùn)輸排碳量；Q4為施工排碳量。

其中，原材料生產(chǎn)階段碳排放量計(jì)算方法為[7]：

式中：Mi為第i 種材料的消耗量；為第i 種原材料碳排放因子。

場外加工階段碳排放量計(jì)算方法：

式中：Ti為第i 種機(jī)具的總臺班；Aij為第i 種機(jī)械設(shè)備單位臺班內(nèi)第j 種能源的消耗量；fjt為第j 種能源的碳排放因子。

運(yùn)輸碳排放量計(jì)算方法為：

式中：Mi為第i 種材料的消耗量；Sij為第i 種材料第j種運(yùn)輸方式運(yùn)距；為為第i 種材料第j 種運(yùn)輸方式單位周轉(zhuǎn)排碳量。

施工階段碳排放量計(jì)算方法：

式中：Ti為第i 種機(jī)具的總臺班；Aij為第i 種機(jī)械設(shè)備單位臺班內(nèi)第j 種能源的消耗量；為第j 種能源的碳排放因子。

2 案例分析

本研究依托于重慶市廣陽大道生態(tài)修復(fù)及品質(zhì)提升項(xiàng)目，廣陽大道項(xiàng)目全長13.08 km，改建約8.69 km，新建約4.39 km。全線含新建橋梁1 座，通道改橋1 座，新建生物綠橋1 座，加固改造舊橋2座，新建小凈距隧道1 條。新建人行地下通道4 座。

（1）項(xiàng)目排放總體特征

根據(jù)廣陽大道各單位工程材料數(shù)量和機(jī)械臺班實(shí)際使用情況，基于上述的碳排放測算模型，最終得到項(xiàng)目總體排放情況，具體見表1。

表1 項(xiàng)目總體排放情況

廣陽大道項(xiàng)目總碳排放量為138894.03 t，其中材料、機(jī)械總碳排放量放分別為118463.56 t 和20430.47 t。廣陽大道項(xiàng)目施工總長度為13.084 km，車道數(shù)為4，由此可得碳排放量為每公里10615.56 t，每車道每公里排放量為2653.89 t。

橋涵工程占總體排放值最大，為32%，隧道工程、道路工程、排水工程、土石方工程、電力工程排放占比較大，其余工程排碳量相對較低。

（2）材料部分總體特征

根據(jù)排放量和工程消耗量對工程內(nèi)所用材料分別進(jìn)行歸類、單位轉(zhuǎn)換及排序工作，最終得到累計(jì)占材料部分總排放量和總消耗量前90%的材料類別見表2。

表2 材料分類排放量

由圖2 知，碳排放量較大的材料主要為鋼類和水泥混凝土，分別占到材料總排放的39.638%和34.981%，總占比超70%；消耗量較大的材料主要為砂石料、水泥混凝土、水穩(wěn)層，總占比超85%。比較同種材料的排放量及消耗量可知，消耗量大的材料如砂石料、水穩(wěn)層等排放占比極小，總計(jì)不超過6%；而消耗量小的材料如鋼類、水泥等碳排量占比極大，消耗占比小于1%，排放占比卻接近50%。

圖2 材料消耗及碳排放

排放量大小除與消耗量數(shù)值密切相關(guān)外，也受到碳排放因子的影響。具體碳排放因子取值見表3。

表3 典型材料碳排放因子取值集合

綜合上述典型材料排放因子取值集合及材料消耗量可知，同等消耗下，在碳排放量級上：鋼類＞水泥＞水泥混凝土＞水穩(wěn)層＞砂石料。其余未提及材料排放特征與幾種典型材料均可對應(yīng)，此處不再贅述。

（3）機(jī)械部分總體特征

根據(jù)排放量和臺班消耗量，對工程內(nèi)所用機(jī)械和運(yùn)輸設(shè)備分別進(jìn)行歸類、臺班能耗查詢及排序工作，最終得到累計(jì)占機(jī)械部分總排放量和總消耗量前90%的機(jī)械類別見表4。

表4 機(jī)械分類排放

由圖3 可直觀看出，機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的排放與臺班量基本呈正比關(guān)系，其中履帶式液壓巖石破碎機(jī)是臺班使用量及排放最大的機(jī)械，分別占到了17.57%和36.21%；臺班消耗量略低于履帶式液壓巖石破碎機(jī)的電動夯實(shí)機(jī)和風(fēng)動鑿巖機(jī)，排放量不顯著，與整體的正比關(guān)系有較大出入。

圖3 機(jī)械碳排放量及臺班量占比

機(jī)械碳排放量大小不僅與臺班量有關(guān)，也與能源消耗量及排放因子有關(guān)，具體排放系數(shù)見表5。

表5 典型機(jī)械設(shè)備能源及臺班排放系數(shù)

綜合上述平均臺班排放系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，可觀察到此類機(jī)械多使用電能或無臺班耗能而不是柴油等化石能源，因此即使在消耗同等甚至更多臺班數(shù)量下排放量也遠(yuǎn)低于其他如履帶式推土機(jī)等類型機(jī)械。

3 敏感性分析

通過開展碳排放的測算研究可識別城市道路建設(shè)階段的關(guān)鍵碳排放源，并采取相應(yīng)的減排措施來減少總體碳排放量。城市道路建設(shè)活動涉及相對較多的建筑材料、工程機(jī)械以及施工過程，因此影響碳排放的因素也相對繁雜。通過敏感性分析識別道路建設(shè)碳排放源對建設(shè)綠色生態(tài)型道路具有十分重要的意義。

筑路材料的碳排因子、相關(guān)機(jī)具的施工效率及工程量是影響道路建設(shè)階段碳排放量的關(guān)鍵參數(shù)。本研究從上述角度開展城市道路碳排放的敏感性分析，具體規(guī)律如圖4 所示。

圖4 材料敏感性分析

從圖4 可以看出，城市道路建設(shè)階段碳排放的三大主要影響因素分別為鋼材、水泥混凝土及水泥。其中，水泥混凝土二氧化碳排放因子每增加15%，約增長5.18%左右的碳排放量；鋼材的碳排放因子每增加15%，約增長6.22%的碳排放量。與水泥混凝土和鋼材相比，水泥的二氧化碳排放因子每增長15%所帶來的道路建設(shè)階段碳排放量變化幅度在1.09%左右。相對于這三種建設(shè)材料，其他建設(shè)材料碳排放因子每變化15%變化所引起的碳排放量的變化約維持在0.07%至0.19%之間，影響相對較低。

從圖5 可以看出，相比于其他燃料，柴油碳排放因子的變化對碳排放量的影響最為顯著，柴油碳排放因子每增加15%，約增長12.47%的碳排放量，電力二氧化碳排放因子每增長15%，增加1.81%的碳排放量。相比柴油和電力，汽油的二氧化碳排放因子每增加15%，所帶來的道路建設(shè)階段碳排放量的變化最小，不超過0.8%。因此，柴油的碳排放因子最為敏感。

圖5 燃料與電力敏感性分析

4 結(jié)語

作為交通基礎(chǔ)設(shè)施工程投資和建設(shè)主體，道路低碳發(fā)展是落實(shí)交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的排頭兵，開展碳排放量測算與敏感性分析，對交通運(yùn)輸行業(yè)碳減排具有重要意義。

本研究以廣陽大道項(xiàng)目為依托，基于全壽命周期評價(jià)法，對廣陽大道碳排放測算結(jié)果進(jìn)行量化分析，識別影響碳排放的關(guān)鍵要素。分析結(jié)果表明城市道路建設(shè)階段的碳排放量對鋼材、水泥和柴油的碳排放因子最為敏感。這意味著低碳化的鋼鐵、水泥及柴油生產(chǎn)與使用對于控制城市道路建設(shè)階段的碳排放量具有十分重要的意義。一方面鋼材、水泥和柴油為道路建設(shè)過程中的主要碳排放源，尋找合適且有效的相替代的新材料及新工藝對城市道路建設(shè)過程中的降碳減排具有十分重要的作用。另一方面鋼材、水泥和柴油作為碳排放測算過程中最為敏感的要素，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對道路建設(shè)項(xiàng)目碳排放的核算結(jié)果尤為重要，而敏感性相對較低的塑料、汽油等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對實(shí)際的測算結(jié)果不會產(chǎn)生較大偏差。