高速公路沥青路面施工机械碳排放测算模型

， ， 晶晶

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410004)

2017年11月，交通运输部发表了关于全面深入推进绿色交通发展的意见，提出了绿色交通发展分两步走的目标。第一步:到2020年初步建成布局科学、清洁低碳、生态友好、集约高效的绿色交通运输体系；第二步:到2035年基本形成与生产生活生态相协调、与资源环境承载力相匹配的交通运输发展新格局。对于交通基础设施工程应积极推行生态环保设计，合理选用降低生态影响的工程结构、建筑材料和施工工艺，以减少能源消耗。

国外学者对于沥青路面温室气体排放方面已经做了较多研究，如Kim Byungil[1]基于人工神经网络构建了沥青路面建设温室气体排放计算模型，该模型可在施工前期准确地预估沥青路面温室气体的排放效果。Hanson Christopher和Noland Robert[2]通过已有碳排放因子等基础数据，建立了热拌、温拌及冷拌沥青混合料温室气体估算方法。国外学者不仅对不同路面类型温室气体排放估算有一定研究，对于节能减排方面也建立了评价体系，主要有BEST道路节能减排评价系统[3]以及Greenroads评价系统[4]。国内学者潘美萍[5]明确了沥青路面碳排放测算范围,并提出了生命周期评价碳排放量理论。

国内外学者关于高速公路路面碳排放研究，主要成果是建立了不同材料路面的温室气体排放估算模型和沥青路面碳排放评价系统。本文则是通过建立沥青路面施工机械碳排放测算模型，在满足益娄高速公路路面施工工期和沥青混合料供给的前提下，设计了3个不同型号组合的施工机械方案。通过计算并比较各方案碳排放当量，确定了满足益娄高速公路低碳施工要求的方案，并提出了沥青路面低碳化施工措施，为益娄高速公路低碳施工提供一定的理论依据。

1 沥青路面施工机械碳排放边界

沥青路面施工阶段可以划分为沥青混合料拌和阶段、沥青混合料运输阶段、沥青混合料摊铺阶段及沥青混合料压实阶段，由于不同阶段使用的机械设备不同，消耗燃油情况也不一样，具体施工流程及机械燃油消耗如图1所示。

机械化施工消耗了大量能源[6-7]，不同机械设备在不同施工环节消耗的能源及温室气体排放类型均不同。通过对相关研究成果进行总结[8]，沥青路面施工碳排放来源和温室气体排放类型见表1。

图1 沥青路面施工机械碳排放边界Figure 1 Asphalt pavement construction machinery sources of carbon emissions

表1 施工阶段温室气体排放Table 1 Greenhouse gas emissions during various construction stages施工阶段机械设备拌和阶段沥青拌和楼、装载机运输阶段自卸汽车摊铺阶段摊铺机碾压阶段轮胎压路机、光轮压路机能源消耗排放气体柴油、电能CO2、CH4、VOC柴油、汽油CO2、CH4、N2O柴油CO2、CH4、N2O柴油CO2、CH4、N2O、VOC

通过表1可知，沥青路面施工期碳排放来源于沥青拌和站消耗的电能、重油以及在运输、摊铺、碾压环节消耗的汽油和柴油[9]。

2 沥青路面施工机械碳排放量测算模型及指标

2.1 沥青路面施工机械碳排放测算模型

通过以上分析可知，沥青路面施工机械所消耗的能源可以分为两类,分别是电能和燃油,因此本文提出沥青路面施工机械碳排放测算模型为:

E=E1+E2

(1)

式中：E为沥青路面施工机械碳排放总量,kg；E1为沥青路面施工机械耗电产生的碳排放当量，kg；E2为沥青路面施工机械耗油产生的碳排放当量，kg。

a.施工机械消耗电能产生的碳排放当量E1。

沥青拌和站消耗电能产生的碳排放当量E1。碳排放当量E1计算公式见式(2)。

(2)

式中：E1为沥青路面施工机械耗电产生的碳排放当量，kg；A为电能消耗量，kW·h，1 kW·h=3.6 MJ；EF电为电能碳排放因子，kg/MJ；GWHj为耗电排放第j类气体全球变暖潜值，j=1,2,3分别表示CO2、CH4和N2O。

b.施工机械耗油产生的碳排放当量E2。

沥青路面施工期沥青混合料拌和站、装载机、自卸汽车、摊铺机械和碾压机械均以消耗燃油产生的碳排放当量E2。碳排放当量E2计算公式见式(3)。

(3)

式中：E2为沥青路面施工机械耗油产生的碳排放当量，kg；Mα为第α类机械设备油耗量，t;α=1,2,3,4,5分别表示装载机、沥青拌和站、自卸汽车、摊铺机、压路机；Qi为第i类燃油的单位发热量，MJ/t,i=1,2,3分别代表柴油、重油、汽油；EFij为第i类燃油排放第j类气体排放因子,kg/MJ;GWHij为第i类燃油排放第j类气体全球变暖潜值，数据见表2。

2.2 沥青路面施工机械碳排放量测算指标

在沥青路面施工过程中，测算施工机械碳排放情况即可体现施工阶段碳排放水平，而施工机械碳排放量可以通过机械设备消耗的能源测算，经通过能源与碳排放量之间的转换，即可求得施工机械碳排放量[10]。能源和温室气体测算可通过下列指标表示：

a.标准能耗:体现对能源的消耗情况，单位：t；

b.温室气体:二氧化碳排放当量，体现温室气体的排放情况，单位：kg。

温室气体100 a全球变暖潜值如表2所示，电能和不同燃油类型碳排放因子、单位发热量分别如表3、表4所示。

表2 全球变暖潜值Table 2 Global warming potential温室气体全球变暖潜值温室气体全球变暖潜值CO21N2O298CH425

表3 温室气体排放因子Table 3 Greenhouse gas emission factor能源类型排放系数CO2CH4N2O重油/(kg·MJ-1)0.073 31.254 5 E-42.509 0 E-5汽油/(kg·MJ-1)0.069 31.292 1 E-42.584 2 E-5柴油/(kg·MJ-1)0.074 11.297 6 E-42.559 1 E-5电华东/(kg·kW-1·h-1)全国/(kg·kW-1·h-1)0.9272.73E-31.44E-50.8992.75E-51.44E-5

表4 常用能源单位发热量Table 4 Common energy unit heat (MJ·t-1)能源类型单位发热量能源类型单位发热量汽油43 070重油41 816柴油42 652

数据来源：《IPCC第四次评估报告》(IPCC AR4,2007)。

3 实例分析

3.1 工程概况

本文选择益娄高速公路16～19标段路面工程作为研究对象，该高速公路主线全长104.622 km。主线一般路面结构层由下往上包括水泥稳定碎石基层、改性沥青表处封层、下面层、中面层和上面层。

3.2 沥青路面施工机械选型

由沥青路面施工顺序可知，沥青路面最先确定的机械应为沥青拌和站[11]，根据沥青拌和站的修建，再根据公路工程预算定额选择与沥青拌和站生产能力相匹配的运输汽车、摊铺机和压路机。而沥青拌和站的确定主要考虑其生产率，沥青拌和站生产率计算公式见式(4)。

Q=L×W×H×ρ/M×T×K

(4)

式中：Q为拌和设备沥青混合料生产率，t/h；L为摊铺长度，m；W为摊铺宽度，m；H为摊铺厚度，m；ρ为沥青混合料压实密度，一般ρ=2.3 t/m3；M为计划施工工期，d；T为每日实际运行时间，一般T=10 h；K为施工日系数(一般K=0.8)。

由式(4)可知，对于施工方案而言，为满足沥青混合料的供给，所选择的沥青拌和站生产能力必须大于公式(4)求得的结果。

根据益娄高速公路工程概况可知公路长度为104.622 km,沥青路面摊铺厚度为0.18 m，路面宽22.5 m，沥青路面计划施工工期为13个月。由式(4)可计算得本高速公路沥青拌和站生产能力应大于313 t/h。

综上所述，对沥青拌和站修建设计了3个方案，方案1：修建1个生产能力为320 t/h的沥青拌和站，与该沥青拌和站生产能力配套的其他路面施工机械如表5所示；方案2：同时修建2个生产能力均为160 t/h的沥青拌和站，与该沥青拌和站生产能力配套的其他路面施工机械如表6所示；方案3：修建2个沥青拌和站，生产能力分别为120和240 t/h，配套的其他路面施工机械见表7。

3.3 施工机械方案碳排放测算及结果分析

3.3.1施工机械方案碳排放测算

根据《公路工程预算定额》和沥青拌和站修建方案，选择相匹配的自卸汽车、装载机、压路机和摊铺机类型，利用式(1)、式(2)和式(3)对方案1、方案2和方案3进行测算，得到各施工机械方案碳排放当量见表5、表6和表7。

表5 方案1施工机械碳排放量Table 5 The first program carbon emission equivalent calculation table机械类型台班能源类型能耗量/(kg·台班-1)kW·h总能耗量/t碳排放当量/t3 m3以内轮胎式装载机1 072柴油115.15113404320 t/h以内的沥青拌和设备572重油9 574.15 47719 227电5 917.63 3855 t以内自卸汽车3 296汽油41.6313747310 t以内自卸汽车4 627柴油55.322569166～8 t光轮压路机1 212柴油19.33238212～15 t光轮压路机1 813柴油40.467326112.5 m以内摊铺机614柴油136.428430116～20 t轮胎压路机352柴油42.29155420～25 t轮胎压路机826柴油50.2942150

表6 方案2施工机械碳排放量Table 6 The second program carbon emission equivalent calculation table机械类型台班能源类型能耗量/(kg·台班-1)kW·h总能耗量/t碳排放当量/t2 m3以内轮胎式装载机2 631柴油92.86244875160 t/h以内的沥青拌和设备1 228重油4 787.25 88220 650电3 052.53 7515 t以内自卸汽车1 106汽油41.634615910 t以内自卸汽车4 627柴油55.322569166～8 t光轮压路机2 377柴油19.334616412～15 t光轮压路机2 377柴油40.46963448.5 m以内沥青混合料摊铺机1 208柴油96.6911741816～20 t轮胎压路机466柴油42.29187120～25 t轮胎压路机695柴油50.2935125

表7 方案3施工机械碳排放Table 7 The third program carbon emission equivalent calculation table机械类型台班能源类型能耗量/(kg·台班-1)kW·h总能耗量/t碳排放当量/t2 m3以内轮胎式装载机2 749柴油92.86255914120 t/h以内的沥青拌和设备531重油3 590.42 8086 692电1 859.21 454240 t/h以内的沥青拌和设备782重油3 590.45 61319 706电1859.33 4995 t以内自卸汽车1 019汽油41.634214710 t以内自卸汽车4 627柴油55.322569166～8 t光轮压路机2 182柴油19.334215112～15 t光轮压路机1 902柴油40.46772756.0 m以内摊铺机571柴油136.417827912.5 m以内摊铺机540柴油46.62259016～20 t轮胎压路机540柴油42.29238220～25 t轮胎压路机525柴油50.292694

通过对表5、表6和表7碳排放当量汇总得到方案1、方案2和方案3碳排放当量分别为21869、23 722和29 346 t。故机械施工方案碳排放当量从小到大排列顺序为：方案1<方案2<方案3。因此，从碳排放当量最低的角度考虑，益娄高速公路路面施工机械可选择方案1作为最优方案。

3.3.2施工机械方案碳排放结果分析

通过对表5、表6和表7中碳排放当量分析发现，方案1、方案2和方案3中各施工机械碳排放当量占沥青路面施工机械碳排放总量比例见表8。

表8 施工机械碳排放比例Table 8 Construction machinery carbon emissions proportion of program carbon emissions%机械类型比例方案1方案2方案3装载机1.83.73.1沥青拌和站87.987.090.0自卸汽车6.44.53.6摊铺机1.41.81.3压路机2.53.02.1

由表8可知，各方案沥青拌和站碳排放当量占沥青路面施工机械碳排放总量比例超过87.0%，可以认为沥青拌合站是沥青路面施工机械碳排放量最主要的来源。

3.4 沥青路面施工机械低碳化措施

由以上分析可知，确定沥青拌和站所消耗的重油和电能是沥青路面施工期碳排放的最主要来源。所以，沥青路面低碳化施工应该对沥青拌和站能耗进行重点控制。具体控制措施有以下3个方面。

a.沥青拌和楼燃烧系统处理。

在一般的燃烧系统基础上增加设置一个重油罐[12]，并将导热油盘放入其中，对沥青加热温度加以控制。在重油罐和增压泵之间设置导热油双层管路，通过导热油双层管路和安装重油加热器使燃油雾化效果更佳。

b.沥青罐的保温处理。

在沥青罐上可通过覆盖保温棉和蒙皮密封的方式以减少沥青热量流失。同时，随着使用时间的增加，保温层也会开始老化，尤其在搬迁过程中容易导致破损，所以需要及时做好修复和补充工作。

c.沥青加热新工艺、新技术。

目前超导管加热和太阳能加热沥青技术相比传统的导热油加热，新型加热方式具有低能耗、低排放的特点，能更好地实现沥青加热低碳化目标。

4 结论

通过以上对沥青路面不同阶段施工机械碳排放的分析，可以得到如下结论。

a.通过对沥青路面施工环节碳排放来源分析，提出了基于碳排放因子和全球变暖潜值测算沥青路面施工期碳排放当量模型，测算模型从电能消耗和燃油消耗产生碳排放两个方面进行研究分析。

b.设计了3个沥青路面施工机械方案，通过对方案进行碳排放当量测算，测算得到方案1碳排放当量最小，从沥青路面低碳化施工的角度考虑，益娄高速公路路面施工机械可选择方案1作为最优方案。

c.提出了3点沥青路面低碳环保技术，通过改造燃油加热系统和对沥青罐进行保温处理，使燃油得到有效利用。最后，提出了使用新工艺、新能源的绿色加热技术，以实现高速公路沥青路面低碳发展的目标。