基于高速公路建設(shè)能耗分析的公路節(jié)能減排研究

摘要 為實(shí)現(xiàn)我國(guó)提出的“雙碳”目標(biāo)，公路作為交通運(yùn)輸行業(yè)高能耗的部分，其節(jié)能減排勢(shì)在必行，該文針對(duì)高速公路建設(shè)能耗進(jìn)行分析，考慮工程量修正、材料能耗、機(jī)械能耗等能耗組成部分，并建立能耗模型，并根據(jù)調(diào)研公路的相關(guān)具體情況，提出有針對(duì)性的節(jié)能減排措施和節(jié)能評(píng)估分析，研究成果可為未來(lái)的高速公路節(jié)能建設(shè)提供相關(guān)依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞 高速公路；“雙碳”；能耗；節(jié)能減排

中圖分類(lèi)號(hào)U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）21-0182-03

0 引言

當(dāng)前，節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境已成為全球共識(shí)。2020年，中國(guó)提出的“雙碳”目標(biāo)，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。而據(jù)《人民日?qǐng)?bào)》報(bào)道，交通運(yùn)輸領(lǐng)域排放約占我國(guó)碳排放總量的10%[1]。

在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，公路運(yùn)輸是碳排放和污染的主要來(lái)源，其影響超過(guò)了86%。而調(diào)研發(fā)現(xiàn)，近些年新修的公路建設(shè)中高速公路占有絕對(duì)大的比重，故加強(qiáng)高速公路能耗研究和管理已經(jīng)成為未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重中之重[2]。

對(duì)于公路運(yùn)輸系統(tǒng)而言，一方面是公路運(yùn)營(yíng)期車(chē)輛的能耗，另一方面是公路建設(shè)期建設(shè)公路本身產(chǎn)生的能耗。而如今大多數(shù)研究為“自下而上”的方式，但僅對(duì)公路運(yùn)營(yíng)中汽車(chē)行駛中的能耗進(jìn)行分析，而“自上而下”的對(duì)公路建設(shè)本身的能耗分析，則相對(duì)較少，且由于工程項(xiàng)目紛繁復(fù)雜，研究手段不足，現(xiàn)有研究多集中在某一方面，無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析[3]。故該文通過(guò)對(duì)高速公路建設(shè)能耗來(lái)源進(jìn)行梳理和分析，建立高速公路能耗模型，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合該文調(diào)研的公路狀況，進(jìn)行節(jié)能減排分析。

1 公路建設(shè)能耗分析

1.1 高速公路建設(shè)的主要能耗來(lái)源

在高速公路的建設(shè)過(guò)程中，能耗主要包括兩個(gè)方面：

（1）公路建設(shè)中使用的材料物資，其生產(chǎn)消耗的能源。

（2）公路建設(shè)中使用的機(jī)械設(shè)備，其運(yùn)輸和施工中消耗的能源。

公路建設(shè)中所使用的材料，其在生產(chǎn)階段如混凝土、瀝青等的生產(chǎn)，需要大量的能源投入，而在公路建設(shè)中的機(jī)械設(shè)備，則要承擔(dān)材料運(yùn)輸和工程建設(shè)兩項(xiàng)職能。甚至在公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中，還需要對(duì)原公路進(jìn)行再處理等工作。公路建設(shè)能耗內(nèi)容如表1所示。

這些過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量的能耗，并對(duì)環(huán)境造成損害。因此，對(duì)高速公路建設(shè)能耗狀況進(jìn)行深入的研究，對(duì)制訂節(jié)能減排戰(zhàn)略進(jìn)行深入的探索，是實(shí)現(xiàn)高速公路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1.2 高速公路建設(shè)能耗模型

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

E公路建設(shè)能耗=E公路理論能耗×（1+修正系數(shù)）=E材料能耗

+E機(jī)械能耗 （1）

式中，材料能耗指的是公路建設(shè)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(kāi)采、工廠加工到售賣(mài)到施工企業(yè)進(jìn)行使用，整個(gè)鏈路較長(zhǎng)，故可直接計(jì)算企業(yè)在公路建設(shè)過(guò)程中使用了的建筑材料，其計(jì)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(jī)械能耗是指施工和運(yùn)輸?shù)能?chē)輛機(jī)械在施工過(guò)程中所消耗的能量，分為施工能耗和運(yùn)輸能耗兩個(gè)部分。施工機(jī)械能耗包括挖掘機(jī)、推土機(jī)、攪拌機(jī)、攤鋪機(jī)等用于施工的機(jī)械，在工程建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生能源消耗。運(yùn)輸能耗包括將各種成品、半成品材料進(jìn)行運(yùn)輸產(chǎn)生的能耗。

因此計(jì)算公式如下：

E機(jī)械能耗=∑（施工機(jī)械耗油或電+運(yùn)輸車(chē)輛耗油或電）×E機(jī)械能耗換算因子 （3）

其中不同分部分項(xiàng)工程的機(jī)械使用情況，可根據(jù)《機(jī)械臺(tái)班定額》進(jìn)行查詢(xún)[6]。

施工機(jī)械在運(yùn)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(shè)能耗模型如圖1所示。

2 高速公路的節(jié)能減排

對(duì)廣東、安徽等地的13條高速公路進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果顯示：建筑材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸是能耗的主要部分，占比達(dá)到60%，施工階段的能耗占比為30%，運(yùn)營(yíng)階段的能耗占比為10%。其次，該文對(duì)該項(xiàng)目的碳排放情況進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)建筑材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸以及施工階段的碳排放量較大。最后，對(duì)項(xiàng)目的整體能效進(jìn)行了評(píng)估，參考該調(diào)研的結(jié)果，提出了相應(yīng)的節(jié)能減排措施。

2.1 前期設(shè)計(jì)規(guī)劃

高速公路設(shè)計(jì)規(guī)劃對(duì)工程所需材料和施工流程具有決定性影響，因而在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮減少整個(gè)工程的能耗和碳排放。在規(guī)劃高速公路建設(shè)時(shí)，應(yīng)將減少C02排放作為核心目標(biāo)，并進(jìn)行全面的地形勘察。根據(jù)工程需求和地形地貌，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，確保工程的可持續(xù)性，盡可能減少對(duì)周邊環(huán)境的不利影響。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)優(yōu)先考慮資源的高效利用和環(huán)保原則，要提高線(xiàn)路選擇的合理性，并融入低碳技術(shù)和環(huán)保材料。積極采用現(xiàn)代技術(shù)，提升工程的耐用性，從而最大限度地減少施工設(shè)備和原材料的使用。

對(duì)于節(jié)能評(píng)估，應(yīng)調(diào)研更多公路相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，引入能源消耗和碳排放的測(cè)量和計(jì)算方法，考慮應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法從大量數(shù)據(jù)中自動(dòng)挖掘參數(shù)間內(nèi)在關(guān)聯(lián)，建立各影響因素與能耗之間的映射關(guān)系，從而建立更加完善的公路建設(shè)綜合能耗模型，對(duì)立項(xiàng)公路進(jìn)行能耗預(yù)測(cè)和節(jié)能評(píng)估，真正做到可量化、可計(jì)量，使未來(lái)的節(jié)能評(píng)估工作分析決策工作有據(jù)可依，比較不同方案的能源消耗、成本和環(huán)境影響[9]。輔助相關(guān)建設(shè)方案進(jìn)行節(jié)能方面的路線(xiàn)比選和路線(xiàn)調(diào)整等工作，根據(jù)評(píng)估結(jié)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(shè)中的能源管理策略是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。首先，需建立和完善能源管理體系，通過(guò)科學(xué)的能源規(guī)劃和有效的能源使用，減少能源浪費(fèi)。其次，可以采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和設(shè)備，例如使用高效能的建筑材料和施工設(shè)備來(lái)降低能源消耗。此外，還可以通過(guò)優(yōu)化施工過(guò)程，例如合理安排施工時(shí)間，減少無(wú)效作業(yè)，以及提高施工效率，來(lái)進(jìn)一步節(jié)約能源。同時(shí)，還應(yīng)該加強(qiáng)能源監(jiān)測(cè)和管理，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和碳排放計(jì)算模型等先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合具體工程項(xiàng)目的特性，建立一個(gè)智能化的監(jiān)測(cè)和管理平臺(tái)，該平臺(tái)能夠全面覆蓋能源生產(chǎn)、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的碳排放量以及碳匯狀況等多個(gè)方面[10]。通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源使用和碳排放數(shù)據(jù)的集成化管理，包括數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、分析和整體管理。最后，還需要加強(qiáng)能源教育和培訓(xùn)，增強(qiáng)所有參與者的能源意識(shí)，鼓勵(lì)其積極參與節(jié)能行動(dòng)，共同推動(dòng)高速公路建設(shè)的節(jié)能減排。同時(shí)，應(yīng)避免或減輕建設(shè)過(guò)程中的土地破壞、水污染等問(wèn)題，以及對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響[11]。利用綠化屋頂、雨水收集系統(tǒng)等措施改善建筑物的生態(tài)環(huán)境效益，從而實(shí)現(xiàn)高速公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.3 新能源和清潔能源

在高速公路建設(shè)的節(jié)能減排措施中，新能源和清潔能源的應(yīng)用具有顯著的可行性。新能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能等，其清潔、可再生的特性使其在能源供應(yīng)中占據(jù)重要地位。通過(guò)在高速公路沿線(xiàn)建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電站或者風(fēng)力發(fā)電站，可以有效地減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴(lài)，從而降低碳排放。此外，因?yàn)樾履茉窗l(fā)電的成本正在逐年降低，因此，采用新能源不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，還可以為高速公路的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)收益。雖然清潔能源的開(kāi)發(fā)和使用需要一定的初期投入，但是長(zhǎng)期來(lái)看，其環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)將會(huì)得到體現(xiàn)。

同時(shí)，考慮施工過(guò)程中廢棄物的回收再利用，如針對(duì)項(xiàng)目地區(qū)可能存在的石料供應(yīng)不足問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)積極利用可再生和可循環(huán)的廢舊材料，以實(shí)現(xiàn)從源頭上的節(jié)能減排。例如，將廢棄混凝土經(jīng)過(guò)加工處理，轉(zhuǎn)化為再生骨料，這些骨料可以替代傳統(tǒng)的天然砂石，在制作再生混凝土非承重預(yù)制構(gòu)件、再生磚等材料時(shí)使用，這些再生材料完全可以應(yīng)用于高速公路的建設(shè)中。

2.4 提高能源利用效率

在高速公路建設(shè)的節(jié)能減排措施當(dāng)中，提高能源利用效率的技術(shù)方案是一個(gè)重要的方向。首先，可以采用高效能的機(jī)械設(shè)備和建筑材料。例如，使用高效能的挖掘機(jī)、推土機(jī)等設(shè)備，能夠減少能源消耗，同時(shí)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(diào)和供暖的能耗。

其次，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工工藝，提高能源利用效率。例如，合理規(guī)劃施工進(jìn)度，避免無(wú)效作業(yè)；采用預(yù)制構(gòu)件，減少現(xiàn)場(chǎng)施工的能源消耗；使用節(jié)能型的照明設(shè)備等。比如在土石方開(kāi)挖過(guò)程中，可以采用先進(jìn)的爆破技術(shù)和設(shè)備，減少不必要的能源消耗；在混凝土澆筑過(guò)程中，可以采用高性能混凝土和預(yù)制構(gòu)件技術(shù)，降低混凝土澆筑的能耗；在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，可以采用節(jié)能型機(jī)械設(shè)備z0biADM+I4NwvFOODjfsTw==和智能控制技術(shù)，提高設(shè)備運(yùn)行效率。

最后，可以通過(guò)引入智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源的精細(xì)化管理。例如，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)和控制能源消耗；通過(guò)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)啟停和調(diào)節(jié)。這些技術(shù)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(shí)現(xiàn)高速公路建設(shè)的綠色發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

該研究通過(guò)對(duì)廣州、安徽等地的高速公路進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)建設(shè)過(guò)程中的能耗進(jìn)行分析，提出了一系列具有可操作性的節(jié)能減排策略和技術(shù)方案，以期為未來(lái)的高速公路建設(shè)提供科學(xué)的能源管理和環(huán)保指導(dǎo)。然而，由于時(shí)間和資源的限制，該研究仍存在一些局限性。首先，由于實(shí)地調(diào)查的范圍有限，某些地區(qū)的情況可能沒(méi)有得到充分的反映。其次，該研究還需進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)挖掘?qū)δ芎哪Ｐ瓦M(jìn)行分析，最后雖然該文提出了一些可行的節(jié)能減排措施，但它們的實(shí)施效果還需要進(jìn)一步的實(shí)證研究。最后，隨著科技的進(jìn)步和政策的調(diào)整，未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)更有效的節(jié)能減排技術(shù)和方法。因此，期待未來(lái)的研究者能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入、更廣泛的研究，以推動(dòng)我國(guó)高速公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]陳婕，王麗娟.“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下先進(jìn)制造業(yè)綠色技術(shù)創(chuàng)新助推高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)證研究[J/OL].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2024：1-13.

[2]李曉易，譚曉雨，吳睿，等.交通運(yùn)輸領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和路徑研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2021（6）：15-21.

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

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

[5]龔志起，張智慧.建筑材料物化環(huán)境狀況的定量評(píng)價(jià)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（9）：1209-1213.

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

[7]國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2021：355-356.

[8]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 51366—2019[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

[9]張金喜，蘇詞，王超，等.道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的節(jié)能減排問(wèn)題及技術(shù)綜述[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(shù)[J].中國(guó)住宅設(shè)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.