国内外道路工程能耗及排放测算软件发展综述

陈辉方，朱浩然，蔡海泉（.江苏省镇江市公路管理处，江苏 镇江 003；.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 ）



国内外道路工程能耗及排放测算软件发展综述

陈辉方1，朱浩然2，蔡海泉2
（1.江苏省镇江市公路管理处，江苏 镇江 212003；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

随着全球性能源紧张和环境变化，交通运输业已成为节能减排工作的重点领域之一。道路在建设、运营及养护过程中消耗了大量的能源和资源，国外研究机构基于寿命周期评价理念，开发了定量测算能耗及排放的软件。文章通过对国内外相关测算软件的调研分析，吸收借鉴先进成果和经验，为我国道路专业LCA发展提供思路和参考。

道路工程；能耗；排放；节能减排；寿命周期分析

全球性能源紧张和气候变化是国际社会普遍关注的重大问题，节能减排已成为国际社会的共同责任。交通运输作为基础产业和服务性行业，在经济发展中起到了重要的推动作用，同时也是能源消耗和温室气体排放的主要行业之一，是节能减排的重点领域。

针对沥青路面施工、养护的能耗及排放测算，国外学者已经开展了较多的研究，取得了一定的成果，探索了路面建设过程评价的能耗及排放指标，建立了原始材料的寿命周期清单（Life Cycle Inventory，LCI）基础数据库，为准确测算分析评价不同技术的能耗排放奠定了基础，同时也为推广新型节能减排材料、工艺提供了数据支撑［1］。本文通过对国内外道路专业寿命周期分析（LCA）软件进行调研，重点关注软件测算指标、数据库来源、软件框架等信息，并从中吸收借鉴先进理念和经验，为我国道路LCA发展提供思路和参考。

1　美国道路工程能耗及排放软件

美国道路建设在二十世纪六、七十年代经历了一个快速发展时期，建成了世界上最庞大的高速公路网络。近年来，越来越多的研究机构和政府部门开始重视道路建设、养护过程中的资源和能耗消耗问题，并开发了不同的能耗或排放测算软件。

1.1工程项目排放评价软件 PE-2

工程项目排放评价软件（Project Emission Estimator，PE-2）是由美国密西根科技大学开发的一款基于网页的温室气体排放测算软件，主要用于测算工程温室气体排放和确定工程的碳足迹。软件测算范围包括路面建设及养护过程中的原材料生产、运输、施工过程中设备使用、养护阶段路面维修及养护产生的延误、直至路面寿命周期结束全过程。

PE-2软件数据收集自美国14个沥青及水泥路面的建设和养护工程，材料及机械设备的排放系数主要来源于3个方面：（1）材料排放系数，由专业LCA软件提供，如SimaPro， 经济环境寿命周期评价系统（Economic Input Output-Life Cycle Assessment，EIOLCA）等；（2）机械设备排放系数，根据设备的功率和负载系数测算排放，其中设备功率来源于加州环境质量法案（California Environmental Quality Act，CEQA）部分设备还采用了美国环境保护署出版的非道路机械排放系数手册中的数据；（3）运营阶段排放，采用美国环境保护署的MOVES交通仿真软件（2010a）进行估算。

1.2温室气体计算器GHGC

温室气体计算器（Greenhouse Gas Calculator，GHGC）是由美国沥青路面协会开发的针对沥青混合料生产过程温室气体排放的网页版计算软件。其架构较为简单，根据用户输入的拌和楼、场内机械设备以及电力的消耗数量，结合各种能源的温室气体排放系数，在线计算各种能源的排放数据，并利用图表形式给出计算结果，同时根据温拌、再生混合料的比例测算可减少的温室气体排放量［2］。

该软件中的排放系数来源于气候变化注册组织（The Climate Registry，TCR）发布的针对北美地区的能源排放系数。需要注意的是，该机构发布的CO2排放系数是根据燃料的C含量和质量守恒定律计算得到的。

1.3污染物排放计算器E-CALC

污染物排放计算器（Emissions Calculator，E-CALC）是由亚利桑那州立大学和Vermeer公司联合开发的基于Excel的排放指标计算软件。E-CALC软件可测算的指标覆盖了常见的污染气体，包括HC、CO2、 NOx、PM10、SO2、CO等，可计算沥青路面施工过程中原材料生产、机械设备的使用产生的排放［3］。

排放基础数据来源于美国环境保护署发布的AP-42报告，其中，VolumeⅠ中主要涉及原材料的排放系数，VolumeⅡ中主要涉及各种机械设备的排放系数。1.4 路面环境及经济影响寿命周期分析软件PaLATE

路面环境及经济影响寿命周期分析软件（Pavement Life-cycle Assessment Tool for Environmental and Economic Effects，PaLATE）是由美国加州伯克利大学开发的基于Excel的寿命周期费用和环境评价软件。PaLATE软件测算指标主要包括寿命周期费用、能耗、CO2、NOx、PM10、SO2、CO以及从路面沥出的其他污染物，分析阶段主要包括了道路项目的总体设计、初始施工、设备使用、养护阶段等［4］。

材料、能源排放系数主要来源于美国环境保护署发布的专业报告。

1.5温室气体排放计算器GASCAP

温室气体排放计算器（GASCAP）是由美国罗格斯大学交通研究中心联合新泽西交通部共同开发的基于Excel的温室气体排放测算软件［5］。GASCAP可测算道路寿命周期内温室气体排放，包括CO2、CH4、N2O以及炭黑等，同时还可测算可氧化为CO2的有机化合物和CO。

GASCAP软件基础数据来源广泛，主要包括美国环境保护署和能源部以及研究中心的研究成果。数据包括EPA发布AP-42排放系数，能源部开发的GREET Life-cycle Analysis模型，加州大学开发的PaLATE模型，NCHRP开发的用于照明排放的GreenDOT模型，MOVES和NONROAD中道路和非道路机械排放数据。

1.6美国道路工程能耗排放软件对比

本节重点调研了美国的5种能耗及排放测算软件，各软件均有各自的特点，主要差异见表1。

表1　美国道路工程能耗排放软件差异对比

2　欧洲道路工程能耗及排放软件

欧洲国家针对道路LCA的研究始于2003年，法国Colas道路建设集团在《道路环境的未来》报告中提出，对道路方案的评价不仅要考虑费用，还要考虑对环境的影响，即能源消耗和温室气体排放，实现了从寿命周期费用评估到寿命周期评估的转变。

2.1ÉCOLOGICIEL

沥青路面节能减排分析软件（ÉCOLOGICIEL）是由法国Colas道路建设集团基于Excel的节能减排计算软件，主要测算道路寿命周期内能耗及排放两大指标，考虑了寿命周期内的原材料、路面建设方案（包括材料生产、运输、施工）、路面养护方案（30年）、寿命期内的交通排放以及道路附属设施等部分［1］。

软件基础数据主要来源于欧洲沥青材料报告（Eurobitume 2011），雅典娜可持续材料研究院（Athena Sustainable Materials Institute 2001）及瑞典环境研究所（IVL Swedish Environment Research Institute 2001）。

2.2asPECT

沥青路面碳排放分析工具（asphalt Pavement Embodied Carbon Tool，asPECT）是由英国TRL实验室开发的用于计算道路建设及养护期CO2排放当量的软件。软件包括了原材料、拌和场以及施工现场三大块内容，10个环节，涵盖了原材料生产、运输、混合料生产、摊铺碾压、养护以及寿命结束等阶段。

软件基础数据库中各种材料或设备使用产生的温室气体排放标准数据，根据类型的不同，其排放系数来源也不同，沥青类材料参考了Eurobitume 2011的数据，燃料类材料参考了欧洲寿命周期评价组织（European Commission platform on LCA）的数据。

2.3SEVE

路面技术方案评价系统（Assessment System for Ecological Technical Alternatives，SEVE）是由法国道路联盟开发的用于比较不同的道路设计低碳程度的评价软件［6］。SEVE软件的测算指标主要包括能耗、温室气体排放、自然资源节约和RAP料的使用情况，测算阶段包括原材料、原材料运输至沥青拌合场、拌合、运输至施工场地、施工等5个环节，而道路使用阶段及寿命末期的回收利用不在软件的考虑范围内。

SEVE软件的基础数据主要来源于道路专业协会的统计数据，部分数据来源于Ecoinvent数据库，这些数据代表了法国及欧洲的路面施工技术水平。

2.4Gaia.BE

寿命周期分析软件Gaia.BE是由法国Eurovia公司于2007年开发的用于比较不同养护方法对环境影响的计算软件。Gaia.BE可以计算以下6个指标：自然资源的消耗、集料的消耗、能耗、直接燃料的消耗、温室气体排放和道路运输影响。软件通过输入运输距离、运输方式、拌合方式和摊铺设备等参数，即可调用基础数据库，计算相应的指标值。软件基础数据来源于NF P 01-010和NF EN 14040LCA标准。

2.5WLCO2T

费用及温室气体排放计算器（WLCO2T）是由英国 URS Scott Wilson 公司基于Excel平台开发的计算软件，用于计算寿命周期不同阶段的费用和温室气体排放两大指标。WLCO2T基础数据主要来源于CESSM3 Carbon & Price Book: 2011和ICE Publishing。软件通过输入路面方案、养护方案类型、运输距离等基本信息，即可根据设定的费率和排放系数计算相应的费用和温室气体排放。

2.6DuboCalc

工程项目可持续性计算器DuboCalc是由荷兰交通部开发的一款用于定量评价工程项目可持续性的工具软件。DuboCalc通过输入项目建设阶段材料、机械设备的消耗量以及养护、寿命末期的能耗及拆除能耗，测算项目的可持续性指标，并以环境成本指标MKI值表示，MKI值越低，说明建设方案的可持续性越好。

软件基础数据来源于其自带的基础数据库DuboCalc Database，该软件的基础数据库是在不断地完善和改进的，用户在使用软件进行项目的可持续性评价时，其数据通过网络被传递到软件的中心数据库，经过后台程序的分析处理以及管理人员的审核，该数据也会加入到数据库中供其他用户使用。

2.7欧洲道路工程能耗及排放软件对比

本节重点调研了欧洲的6种能耗及排放测算软件，各软件之间主要差异见表2。

3　其他道路能耗及排放软件

3.1CHANGER

道路温室气体排放评价计算器（Calculator for Harmonised Assessment and Normalisation of Greenhousegas Emissions for Road，CHANGER）是由国际道路联盟开发的用于计算道路基础设施建设产生的温室气体排放软件。测算指标包括CO2、甲烷、氮氧化物等为温室气体排放，并用CO2当量表示。

软件中材料、燃料的排放系数来源于国际气候变化组织（International Panel on Climate Change，IPCC）中的推荐值，IPCC的数据来自于188个国家和地区，几乎涵盖了全球各地的情况。

3.2Athena Impact Estimator

雅典娜环境影响评价系统（Athena Impact Estimator）是由加拿大雅典娜可持续发展材料研究院（Athena Sustainable Materials Institute）开发的基于寿命周期的环境评估工具软件，为道路设计人员提供公路设计方案对环境影响评价工具，并根据评价结果进行决策。软件综合考虑了材料生产、材料的运输、资源的循环利用、机械设备的使用以及养护期道路养护维修活动对环境的影响。

表2　欧洲道路工程能耗排放软件差异对比

软件测算指标包括化石燃料消耗、潜在酸雨可能性、潜在的全球变暖、居民健康、臭氧层破坏的潜在趋势、雾霾可能性、水体富营养化潜在可能性等。

软件所采用的基础数据一方面来源于软件开发者的实际调查分析结果数据，另一方面采用了美国的寿命周期分析清单数据库（US Life Cycle Inventory Database）中的基础数据。

4　国内道路能耗及排放软件发展

在中国，量化的LCA评价正得到日益广泛的应用，为实现节能减排、低碳发展、循环经济、绿色制造等政策目标提供了支持，由亿科环境科技有限公司（IKE）研发的、国内首个具有自主知识产权的通用型生命周期评价软件eBalance，提供了中国以及世界范围的高质量数据库支持。

但是，道路能耗及排放测算软件开发还处于起步阶段，长安大学在2012年构建了基于Excel的沥青路面节能减排评价系统E3SAP，用于测算沥青路面整个寿命周期内的能耗及排放［7］，其中排放指标包括CO2、CH4、SO2、NOx、CO、NMVOC、PM10及PM2.5，并将排放指标归类特征化成全球变暖、酸化效应、健康危害和颗粒物质4个影响指标，测算过程中环境排放系数主要参考了欧美发达国家相关数据［8］。

苏交科集团股份有限公司在2013年开展了沥青路面能耗及排放测算研究，建立了本地化的能耗及排放基础数据库，在此基础上，开发了路面工程能耗及排放测算软件（P-LCA）以及路面养护节能减排评价系统（EEES），推动了道路工程寿命周期分析在中国的发展。

5　结论

通过对国内外道路工程能耗及排放测算相关软件的调研，可以得出以下结论：

（1）欧美发达国家针对沥青路面建设、运营及养护阶段的能源消耗和排放已经开展了大量研究，积累了丰富的基础数据，建立了相关资源和能源的排放数据库，为道路LCA的研究提供了数据支撑；

（2）不同的软件测算的指标存在差异，道路专业的分析软件测算指标集中在能耗、温室气体排放两大指标上；

（3）根据软件的使用目的，其测算边界不同，部分软件仅测算道路建设阶段能耗及排放，对于寿命周期内的其他阶段考虑较少；

（4）由于不同国家和地区资源分布的不平衡、建设水平的不同、能源结构的不对称，因此，这些软件主要特征就是其所依赖的基础数据库大多来源于本国行业的平均数据，确保了软件测算结果能够符合本国的实际情况。

结合调研结果，可以为我国道路工程能耗及排放测算的发展和软件开发提供以下借鉴和参考：

（1）必须建立符合我国施工工艺特点的基础数据库，获取原材料的生产能耗和排放系数，使测算结果更好地符合我国实际情况；

（2）结合我国节能减排宏观政策和需求，确定测算评价指标体系，以能耗和温室气体排放为主要指标，综合考虑污染气体和资源循环利用指标，合理选择测算分析阶段和范围；

（3）软件开发应具有开放性，随着道路建设水平和材料科学的发展，可及时更新软件基础数据库内容。

［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］杨博.沥青路面节能减排量化分析方法及评价体系研究［D］.西安：长安大学，2012.

［8］潘美萍.基于LCA的高速公路能耗与碳排放计算方法研究及应用［D］.广州：华南理工大学，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

陈辉方（1966-），男，江苏丹徒人，高级工程师，主要从事干线公路建设、养护管理工作。

（2015-07-15）