沥青路面建设期能耗及碳排放量化研究

1 引言

国务院印发的《关于“十四五”现代综合交通运输体系发展规划的通知》 着重强调全面推动交通行业全生命周期绿色低碳转型，协同推进减污降碳，形成绿色低碳发展长效机制，让交通更加环保、出行更加低碳。

目前，沥青路面具有路用性能好、行车舒适、抗滑性能好以及养护简单等优点，使其在我国公路建设中应用广泛，但生产过程中会产生大量能耗及二氧化碳气体排放。 据交通部门统计，每年因沥青路面建设产生的能耗及碳排放一路攀升[1]。 因此，对沥青路面建设期能耗及碳排放进行量化研究，为减少能源消耗和碳排放提供优化措施就显得十分重要。 本文通过生命周期分析法（Life Cycle Assessment，LCA）对建设期各阶段进行测算分析，为沥青路面建设期节能减排工作提供一定的指导意义。

2 基于LCA分析理论的能耗模型

LCA 分析方法是通过对一条过程链上出现的环节进行数据收集、记录、整理，并对各环节进行分析评价，纳入过程中一些不确定性的可变因素，最终评估产品或服务对环境的影响，并做出相应决策。 如图1 所示，生命周期评价分4 个不同的阶段进行，包括目标与范围、清单分析、影响评价和结果解释。

图1 LCA理论框架图

2.1 目标与范围确定

LCA 的主要研究设计参数是目标和范围，范围旨在描述研究的细节和深度，并证明可以在规定的限制范围内实现目标。

2.2 清单分析

清单分析是指为产品系统创建进出自然(生态圈)的流量清单。 它是量化产品或过程全生命周期中的原材料的消耗使用、能源供需、大气污染、土地排放、水排放、资源使用和其他排放的过程。

2.3 影响评价

LCA 的这一阶段旨在评估清单分析中确定的基本要素对环境和人类健康的潜在影响。 当评价指标太多时，将各种参数转化为综合指标通常更有利于直观显示评价结果。

2.4 结果解释

这一阶段的关键目的是确定对最终结果的置信度。 结果解释是在生命周期清单和生命周期影响评估结果的基础上，进一步总结清单分析和影响评估的结果， 得出研究的一系列结论和建议。

2.5 系统分析

根据LAC 分析方法，本文建立的沥青路面系统建设期的生命周期分析过程如图2 所示。

图2 沥青路面建设期系统分析

系统模型的建立能直观展示沥青路面建设期所涉及的各环节之间的关系。 通过图2 可以看出，系统模型建立的基础模拟不同环节中发生的投入和产出。 例如，沥青混合料的生产消耗了哪些材料，消耗了多少能量，产生了多少碳排放。

3 沥青路面建设期能耗及碳排放量化分析

3.1 材料物化阶段能耗与碳排放计算

原材料能耗与排放计算式如下：

式中，EC原材料为原材料消耗能量，MJ；m原材料为原材料产生的碳排放量，t；FC原材料为单位原材料能量消耗系数；Q原材料为原材料消耗量；FE原材料为单位原材料碳排放系数[2]。

3.2 材料运输阶段能耗与碳排放计算

原材料运输过程中车辆等设备的能耗EC运输设备与碳排放m运输设备计算式如下：

式中，FC运输设备为运输设备的能耗系数，MJ·t-1·km-1；FE运输设备为运输设备碳排放系数，g·t-1·km-1；D 为设备行驶距离；Q运输设备为设备工作量，km。

3.3 施工阶段能耗与排放计算

沥青路面施工建设过程中机械设备的能耗与碳排放计算式如下：

式中，EC机械设备为机械设备消耗能量，MJ；m机械设备为机械设备产生的碳排放量，t；FC机械设备为单位工作量施工作业下机械设备能量消耗系数；Q机械设备为施工设备工作量；FE机械设备为单位工作量作业时机械设备产生的碳排放系数。

4 建设期能耗与排放结果分析

本文采用上述能耗与碳排放量公式， 根据JTG/T 3832—2018《公路工程预算定额》及工程量清单[3]，得出沥青路面建设期能耗与排放量结果， 并绘制成各阶段能耗与碳排放量结果对比图[4]，如图3~图6 所示。

图3 沥青路面建设期能耗对比图

4.1 能耗分析

从图3 和图4 可以直观地看出， 基层材料能耗总体上小于沥青路面材料能耗。 从能耗组成分析，因沥青类材料建设期存在加热过程，加热所耗能量可占比总能耗的21%，尤其是粗粒式沥青混凝土材料的可达50%。 基层材料中能耗最小值为级配碎石，能耗达180 MJ；能耗最大值为二灰土的1 600 MJ。通常来说，基层材料能耗较小值为200~700 MJ；较大值分布在700~100 MJ。 沥青类材料能耗最小值为480 MJ，最大值为1 700 MJ。 总体来看，其能耗较小值分布在400~700 MJ；能耗较大值分布在900~1 000 MJ。

图4 沥青路面建设期能耗分布图

基层材料相对于沥青材料而言， 原材料生产过程中产生的能耗占绝大部分， 除了水泥稳定碎石及级配碎石较大值中材料运输占比为主导因素[5]。 可以看出，当基层材料车辆运输距离较短时，能耗主要由生产过程决定；而运输距离较大时，能耗主要由材料运输距离决定。 基层材料总能耗受运距影响幅度很大，以石灰土为例，较小值中生产能耗占比为78%，运输能耗为10%；较大值中材料生产占比43%，而运输能耗占比47%。 由此可以看出减小运距，选择就地取材生产可以大幅减少能耗。

对于沥青类材料而言，由于铺设过程需要加热，能耗占比为30%~50%。 其中改性沥青混凝土相较于传统沥青材料而言，能耗增加明显，普遍增加40%~50%，这主要是因为改性混凝土中所涉及的材料种类变多（如木纤维等），并且沥青用量变大，导致生产阶段能源消耗大，可以从图4 直观看出约为其他沥青材料两倍。

4.2 碳排放分析

从图5 可以直观看出， 基层材料建设期碳排放量规律与能耗规律相反，除级配碎石外，碳排放量均大于沥青材料建设期。 原材料生产过程中的碳排放量极大， 碳排放较小值中为50~160 kg；较大值中为60~175 kg。 而沥青类材料碳排放量较小值取45 kg，最大值仅为60 kg，较基层降低60%；碳排放量较大值中为55~80 kg，同比基层材料减小55%，但仍以材料生产碳排放为主。 因此在满足设计要求时，使用低碳排放基层材料是减少碳排放的最直接有效手段。

图5 沥青路面建设期碳排放量对比图

对于沥青材料，从图6 可以看出，运输距离较短时，碳排放主要由加热阶段及材料生产阶段组成，最高占比可达75%；运输距离较大时，材料运输排放量开始参与总排放量构成，最高可达30%。

图6 沥青路面材料建设期碳排放分布图

5 结论