基于全生命周期理论的公路建设期碳排放核算方法及实证研究

方 海,曹子龙,凤振华,陈书雪

(交通运输部科学研究院， 北京 100029)

0 引言

全球气候变化是当今全球关注的焦点和研究热点[1]，温室气体的排放是引起全球气候变暖的主要原因[2]。交通运输业作为全球碳排放的重要来源，碳排放量已占到全球总量的约四分之一，并且是全球碳排放增长最快的领域之一[3]，也是影响全球气候变暖的主要因素之一。随着我国经济的快速发展，公路通车总里程持续上升，公路建设所存在的高碳排放、高能耗、以及环境破坏等问题越来越严重。但目前我国尚未形成一套与国际碳排放核算有关标准相接轨的公路碳排放核算方法。如何针对公路全寿命周期碳排放进行定量测算和分析，把握公路建设过程中碳排放的特征过程与排放量情况还缺乏适当的方法，在一定程度上，阻碍了公路行业节能减排的发展与进步。因此，系统研究公路全寿命周期碳排放核算方法在当前中国国民经济节能减排的重要时代背景下显得尤为重要和迫切。本文通过探索构建公路建设期碳排放计算模型，并依托配套工程研发的能耗统计监测信息系统开展实证研究，进行了理论测算与实证对比分析，旨在为进一步完善我国公路建设领域碳排放核算方法体系提供借鉴。

1 研究方法

本项研究以全寿命周期理论为指导，充分继承借鉴国内外研究成果[4-9]，采用基于过程的清单分析法和排放系数法，探索构建公路建设期碳排放计算模型。依托配套工程贵州盘兴高速公路，首先利用所构建的碳排放计算模型对该公路建设期路面碳排放量进行核算，得出其核算理论值；然后依托贵州盘兴高速公路研发的能耗统计监测信息系统，通过所采集的实际能耗统计监测数据，得出贵州盘兴高速公路建设期路面工程能耗实测值，并进而计算得出其碳排放量核算值。通过两项数据进行对比分析，一方面检验本研究提出的公路建设期碳排放核算方法及计算模型的科学合理性，另一方面也为探索一种新的公路建设期碳排放核算实测方法进行有益尝试。

2 基于全寿命周期理论的公路建设期碳排放核算方法

2.1 全寿命周期评价理论

在碳排放量的测算研究中，使用的主要方法有寿命周期方法、系统动力学方法和投入产出法。其中，寿命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)是以过程分析为基本出发点，通过研究对象的寿命周期输入和输出数据清单，计算研究对象的全寿命周期的碳排放，是目前较为常用的碳排放核算方法。

2.2 全寿命周期阶段划分及系统边界确定

2.2.1研究范围

公路工程一般分为路基工程、路面工程、隧道工程、桥涵工程、交叉工程、沿线附属设施与临时工程等单位工程[10]。由于路基、隧道、桥涵和交通附属设施不同公路差别很大，难以用统一的功能单位表示。因此，本项研究的范围仅限于路面工程，即主要考虑路面工程全寿命周期的碳排放核算。

2.2.2功能单位的确定

为了能更好的反映路面全寿命周期能耗情况，也为了有利于核算碳排放量，本研究取 1 km双向四车道高速公路的半幅路面作为1个基本单元，所需能耗量形式采用高速公路全寿命周期内1基本单元路面所消耗的能量，具体能耗表示为MJ/基本单元。产生的碳排放量形式为高速公路全寿命周期内1基本单元路面Co2排放量，具体排放表示为t /基本单元。

2.2.3公路全寿命周期阶段划分

根据国内外研究成果，公路全寿命周期一般划分为4个阶段，即材料物化阶段、建设施工阶段、运营维护阶段和拆除回收阶段。本研究将公路建设期划分为材料物化阶段、建设施工阶段2个阶段。

2.2.4公路全寿命周期系统边界确定

本研究将公路的全寿命周期作为一个产品系统，定义系统边界内部的单元过程。公路建设期不同阶段碳排放系统边界为：材料物化阶段，只考虑公路建设过程中主要材料和高耗能材料，如水泥、沥青、砂、碎石等；建设施工阶段，主要考虑施工机械、设备使用消耗动力燃料和能源产生碳排放。

2.3 公路建设期碳排放计算模型

我国公路路面结构形式主要包括沥青路面和水泥混凝土路面。在公路建设和运营过程中采用大量高耗能和高碳密度的原材料和产品，如沥青、水泥、石料等，并在材料生产运输、道路施工和养护维修过程中消耗了众多的能源，产生了大量的碳排放。

公路全寿命周期碳排放，是指该产品系统在与周围环境交互作用过程中，由于消耗各种资源和能量向外界环境产生的碳排放量[4]。结合国内外研究成果，公路建设期各阶段碳排放主要来源见表1。

表1 公路建设期各阶段碳排放来源情况表Table 1 Sources of carbon emissions during various stages of highway construction建设期阶段碳排放来源材料物化阶段公路原材料的采掘、加工到路面材料生产、运输整个过程中消耗材料、资源,以及设备投入、电力消耗共同产生的碳排放建设施工阶段公路建设施工期,施工机械、设备运营时产生的碳排放;施工辅助材料现场加工的碳排放

在系统分析公路全寿命周期内各阶段能耗清单的基础上，通过排放系数法可将能耗量转化为碳排放量，得到公路建设期内各阶段产生的碳排放量的总和，公路建设期碳排放计算模型构建如下：

C=C材料物化+C建设施工

其中,C材料物化为公路在材料物化阶段各环节产生的碳排放总量;C建设施工为公路在建设施工阶段各环节产生的碳排放总量。

3 基于碳排放计算模型的公路建设期碳排放核算

3.1 材料物化阶段清单分析

贵州盘兴高速公路全线采用沥青砼路面，标准路面总厚度76 cm。根据本工程施工图设计提供的路面工程量清单和《公路工程预算定额》，可计算出1功能单位公路路面铺筑过程所需要材料的清单数量如下：石油沥青203.35 t,碎石12 961.75 t,砂1 786.48 t,水泥694.56 t。本研究材料物化阶段只考虑路面铺筑过程中主要材料和高耗能材料，包括水泥、沥青、砂、石料等。

物化阶段的能耗和碳排放主要是指材料在使用和处理之前的所有上游过程和活动产生的总能耗和碳排放总量，本阶段主要材料单位体积(质量)的能耗和碳排放清单，见表2。

表2 路面主要材料物化过程能耗和碳排放清单Table 2 List of energy consumption and carbon emissions in the materialization process of main materials单位材料热值/kJCO2排放系数/kg-CO2数据来源1 t石油沥青4 9009 692欧洲沥青协会Eurobitume1 t砂60050.88宋会研究成果[5]1 t碎石20016.96宋会研究成果[5]1 t水泥3 227.47870.31潘美萍研究成果[4]

通过路面主要材料单位体积(质量)的能耗和碳排放清单，可得到物化阶段 1 功能单位路面的主要材料产生的能耗值和碳排放量，见表3。

表3 路面物化阶段1功能单位能耗及碳排放量清单Table 3 A functional unit energy consumption and carbon emission inventory at the pavement physicalization stage材料用量能耗值/mJCO2排放量/kg203.35 t石油沥青996 4151 970 8681 786.48 t砂1 071 88890 89612 961.75 t碎石2 592 350219 831694.56 t水泥2 241 672604 483合计6 902 3252 886 078注: 单位材料的热值及CO2排放系数与表2一致。

本研究取1 km双向四车道高速公路的半幅路面作为 1 个基本单元，即贵州盘兴高速公路材料物化阶段 1 基本单元路面CO2排放量为2 886 078 kg。依托工程盘兴高速公路全长为88.943 km，因此，盘兴高速公路路面材料物化阶段碳排放总量为513 393 t，计算过程如下：

C材料物化=2 886 078×2×88.943÷1 000=513 393

3.2 建设施工阶段清单分析

根据盘兴高速公路具体情况，沥青混合料拌和楼及料场距离施工现场的平均运距约为10 km，基层水稳拌和楼距离施工现场的平均运距约为8 km。根据本工程施工图设计工程量清单和《公路工程机械台班费用定额》，计算 1 功能单位高速公路各施工工序使用的施工机械以及台班数，得到不同施工机械、设备的能源消耗量，如表4所示。

公路全寿命周期常用能源热值及CO2排放系数，见表5。

通过路面施工阶段1 功能单位不同施工机械、设备能源消耗清单，可得到施工阶段 1 功能单位路面主要施工设备产生的能耗值，进而通过排放系数法将能耗清单转化为碳排放清单。具体见表6。

本研究取 1 km双向四车道高速公路的半幅路面作为 1 个基本单元，即盘兴高速公路建设施工阶段 1 基本单元路面CO2排放量为376 149.57 kg。依托工程盘兴高速公路全长为88.943 km，因此，盘兴高速公路路面建设施工阶段碳排放总量为

表4 1功能单位不同施工机械、设备能源消耗清单Table 4 Energy consumption list of different construction machinery and equipment机械类型燃料类型柴油/kg汽油/kg液化天然气(LNG)/m3电力/(kW·h)自行式平地机267.85轮胎式装载机2 026.72稳定土厂拌设备9 672.28稳定土摊铺机379.51沥青拌和设备30 918.6828 764.35沥青混合料摊铺机440.71沥青洒布车1 158.32洒水汽车419.31自卸汽车95 672.6819 680.53光轮压路机2 989.61振动压路机163.82轮胎压路机220.46合计102 580.7020 838.8530 918.6838 436.63

表5 常用能源热值及CO2排放系数Table 5 Common energy calorific value and CO2 emission coefficient单位能源热值/MJCO2排放系数/(kg-CO2)数据来源1 kg柴油30.642.271 kg汽油23.471.632006年IPCC国家温室气体清单指南[11]1 m3液化天然气41.382.331 kW·h电力3.600.97国家发改委

表6 路面施工阶段1功能单位主要施工设备能耗及碳排放清单Table 6 Energy consumption and carbon emissions list of the main construction equipment能源用量能耗值/MJCO2排放量/kg102 580.70 kg柴油3143 072.65232 858.1920 838.85 kg汽油489 087.8133 967.3330 918.68 m3液化天然气1 279 414.9872040.5238 436.63 kW·h电力138 371.8737 283.53合计5 049 947.30376 149.57注: 单位能源的热值及CO2排放系数与表5一致。

66 912 t,计算过程如下：

C建设施工=376 149.57×2×88.943÷1 000=66 912

3.3 建设期碳排放量核算

根据本研究给出的公路全寿命周期碳排放计算模型，经计算，依托工程盘兴高速公路建设期排放总量为601 378 t。计算公式及过程如下：

C建设期=C材料物化+C建设施工=534 466+66 912=601 378

4 基于能耗统计监测信息系统的公路建设期碳排放核算

4.1 施工期能耗统计监测方法

本研究依托盘兴绿色公路建设工程，施工期能耗统计监测采用现场人工统计监测与监测设备自动远程监测相结合的方法开展[12]。其中，现场人工统计监测能耗数据为盘兴路全线施工期不同时段总能耗消耗量；监测设备自动远程监测数据为盘兴路个别标段选取的监测试点时时能耗消耗量，重点解决能耗统计的远程监测、数据上传与信息管理的实现途径，同时为现场人工统计监测能耗数据的准确性提供科学依据。

4.1.1现场人工统计监测

高速公路建设工程量大，能耗数据量也大，根据公路的划分标段，设计公路月度总能耗统计表和重点用能设备月度统计表，由各标段专门负责绿色公路建设的专职人员每月填报标段实际耗能量。其中公路月度总能耗统计表主要填报的内容包括：标段本月度内消耗的能源品种、实际耗能量等数据；重点用能设备月度统计表主要填报内容包括：主要机械用能工程项目中各种用能机械的消耗能源品种、实际耗能量等数据。主要填报要求为：每月上报一次，表中数据为本月度内各项能源消耗汇总值；能源总消耗量是指本月度内施工标段总消耗的柴油、汽油、天然气、电力等各种能源的总量，包括标段各项施工工程耗能、项目部和施工营地生活用能、分包工程耗能等一切与本标段工程有关总耗能量。

4.1.2监测设备自动远程统计监测

为进一步增加施工期能耗统计数据的准确性，本研究采用了基于能耗统计管理信息系统的远程能耗统计监测技术。依托盘兴绿色公路建设工程，利用现场安装的能耗统计监测设备，开发了“盘兴绿色公路能耗统计管理信息系统”，结合能耗监测硬件设备(现场数据采集设备、网络硬件设备、数据终端平台设备等)，对盘兴高速公路施工期施工用电、施工用油和施工用气等主要能源进行了远程在线监测，实现了能耗统计的远程监测、数据上传与信息统计管理(见图1)。

图1 能耗统计信息系统截图

4.2 建设期能耗统计结果

盘兴高速公路施工期共分为6个标段，其中第5标和第6标为路面标段。根据盘兴高速公路施工期能耗统计管理信息统计结果，盘兴高速公路路面标段能源消耗量见表7。

4.3 建设期碳排放量核算

利用盘兴高速公路建设施工期能耗统计信息系统统计的公路路面能源消耗量，根据公路全寿命周期常用能源热值及CO2排放系数，计算得到盘兴高速公路建设施工期各个环节产生的能耗值，进而通过排放系数法将能耗清单转化为碳排放清单，具体见表8。

表7 盘兴高速公路施工期5标段和6标段能源消耗量Table 7 Energy consumption of 5-6 bid sections during the construction period of Panxing Expressway标段燃料类型柴油/kg汽油/kg液化天然气(LNG)/m3电力/(kW·h)路面标段5标20 765 5001 510 98010 855 5896标11 059 27035 143 5902 442 314.62 783 163.77合计31 824 77035 143 5903 953 29513 638 753

表8 盘兴高速公路建设施工阶段路面能耗及碳排放量Table 8 Pavement energy consumption and carbon emis-sions during the construction phase of panxing expressway能源用量能耗值/MJCO2排放量/kg31 824 770 kg柴油975 110 95372 242 22835 143 590 kg汽油824 820 05757 284 0523 953 295 m3液化天然气163 587 3479 211 17713 638 753 kW·h电力49 099 51113 229 590合计2 012 617 868151 967 047注:单位能源热值及CO2排放系数与表5一致。

经计算，依托工程盘兴高速公路路面建设期碳排放总量为151 967 t,计算过程如下：

C建设期=151 967 047÷1 000=151 967

5 结果与分析

5.1 建设期碳排放量核算

本研究分别基于碳排放计算模型和能耗统计监测信息系统对依托工程盘兴高速公路建设期路面碳排放量进行了核算。其中，基于碳排放计算模型的盘兴高速公路建设期路面碳排放量核算值可视为理论计算值，而基于能耗统计监测信息系统的盘兴高速公路建设期路面碳排放核算值可看作是实测计算值。为验证本研究提出的碳排放计算模型的科学性，本研究将依托工程盘兴高速公路基于两种方法核算出的建设期路面碳排放量进行对比分析。

在进行两种方法核算出的盘兴高速公路建设期路面碳排放量对比之前，首先需要确定两种碳排放核算方法系统边界。结合盘兴高速公路建设期实际情况，基于两种碳排放核算方法系统边界分析情况见表9。由表9中可看出，从寿命周期阶段来讲，两种核算方法建设期均包括材料物化阶段和建设施工阶段。从建设期碳排放来源来讲，两种核算方法在建设施工阶段完全相同，均包括施工机械、设备运营时产生的碳排放和施工辅助材料现场加工产生的碳排放。但在材料物化阶段有所不同，采用碳排放计算模型进行的建设期路面碳排放核算包括主要原材料沥青、砂、碎石、水泥的采掘、加工到路面材料生产、运输整个过程中消耗材料、资源，以及设备投入、电力消耗共同产生的碳排放；而采用能耗统计监测信息系统进行的建设期路面碳排放核算，原材料仅包括砂、碎石两种，原材料沥青和水泥为外购，未包括在核算范围内。

5.2 对比分析

为增强两种碳排放核算方法的可比性，本研究将基于能耗统计监测信息系统的盘兴高速公路建设期路面碳排放核算值与同系统边界的基于碳排放计算模型的盘兴高速公路建设期路面碳排放核算值进行对比。即，基于碳排放计算模型的核算范围在材料物化阶段仅计算砂和碎石两种原材料。具体对比情况如下：

表9 基于两种碳排放核算方法系统边界分析表Table 9 System boundary analysis table based on two carbon emission accounting methods寿命周期阶段不同核算方法的碳排放来源基于碳排放计算模型的盘兴高速公路路面建设期碳排放核算基于能耗统计监测信息系统的公路路面建设期碳排放核算材料物化阶段主要原材料沥青、砂、碎石、水泥的采掘、加工到路面材料生产、运输整个过程中消耗材料、资源,以及设备投入、电力消耗共同产生的碳排放砂、碎石两种原材料的采掘、加工到路面材料生产、运输整个过程中消耗材料、资源,以及设备投入、电力消耗共同产生的碳排放建设施工阶段公路建设施工期,施工机械、设备运营时产生的碳排放;施工辅助材料现场加工的碳排放公路建设施工期,施工机械、设备运营时产生的碳排放;施工辅助材料现场加工的碳排放

a.基于碳排放计算模型的盘兴高速公路建设期碳排放核算值

根据上述“基于碳排放计算模型的公路建设期碳排放核算”中表3中数据，得出路面物化阶段1功能单位碳排放量值为310 727 kg，见表10；建设施工阶段1功能单位碳排放量值为376 149.57 kg，见表6。

表10 路面物化阶段1功能单位碳排放量清单Table 10 Carbon emission inventory of one functional unit at the pavement materialization stage 1材料类型用量/tCO2排放量/kg砂1 786.4890 896碎石12 961.75219 831合计310 727注: 砂和碎石的CO2排效系数与表2一致。

依托工程盘兴高速公路全长为88.943 km，因此，盘兴高速公路路面建设期碳排放总量为122 186 t 。具体计算如下：

C建设期=(310 727+376 149.57)×2×88.943÷1 000=122 186

b.基于能耗统计监测信息系统的盘兴高速公路建设期碳排放核算值。

根据上述“基于能耗统计监测信息系统的公路建设期碳排放核算”中表8中数据，得出依托工程盘兴高速公路建设期路面碳排放总量为151 967 t。

根据上述对比结果，基于碳排放计算模型的盘兴高速公路建设期路面碳排放核算值为12.22万 t，基于能耗统计监测信息系统的盘兴高速公路建设期路面碳排放核算值为15.20万t。采用两种方法核算结果较为相近，表明本研究提出的公路全寿命周期碳排放核算方法及计算模型比较科学合理。

6 结论

本文构建了公路建设期碳排放计算模型，开发了公路建设期能耗统计监测信息系统，并进行了对比核算检验，研究结论如下。

a.基于全寿命周期理论，公路建设期碳排放计算模型构建：C=C材料物化+C建设施工，其中，C材料物化为公路在材料物化阶段各环节产生的碳排放总量，C建设施工为公路在建设施工阶段各环节产生的碳排放总量。

b.依托贵州盘兴高速公路研发的能耗统计监测信息系统，通过所采集的实际能耗统计监测数据，得出贵州盘兴高速公路建设期路面工程能耗实测值，并进而计算得出其碳排放量核算值。

c.基于碳排放计算模型的盘兴高速公路建设期路面碳排放核算值为12.22万 t，基于能耗统计监测信息系统的盘兴高速公路建设期路面碳排放核算值为15.20万t。采用两种方法核算结果较为相近，表明本研究提出的公路全寿命周期碳排放核算方法及计算模型比较科学合理。