桥梁工程全寿命周期碳排放流计算与分析

2023-08-23王银辉蒋建男谢含军周朝阳马佳星

科学技术与工程 2023年22期

王银辉, 蒋建男, 谢含军, 周朝阳, 马佳星,4*

(1.重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400074; 2.浙大宁波理工学院土木建筑工程学院, 宁波 315100; 3.宁波市政工程建设集团股份有限公司, 宁波 315012; 4.天津大学建筑工程学院, 天津 300350)

温室气体过度排放导致的温室效应已受到中外社会的广泛关注[1]。根据联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)测算,为实现1.5 ℃乃至2 ℃控温目标,全球必须在2050年左右达到二氧化碳净零排放[2]。中国积极响应联合国的号召,将力争于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和[3]。据IPCC调查,2019年全球建筑业碳排放量为120亿t,占全球碳排放比重为21%[4]。根据中国建筑节能协会能耗专委会发布的《中国建筑能耗研究报告(2021)》显示,2019年中国建筑业碳排放量为49.97亿t,占全国碳排放比重为50.6%。可以看到,中国建筑业碳排放量占全球建筑业碳排放量的比重高达42%,占全球碳排放量的比重为9%。建筑业是中国的碳排放大户,其具有大量建设、大量消耗以及大量排放的特点,因此对其进行碳排放追踪和控制十分必要。桥梁作为一种常见的公共建筑,其在全寿命周期内将产生大量碳排放。截至2021年年末,中国公路桥梁总数已超96.11万座,长度达7 380.21万m,已建成的各式桥梁在跨径和数量上均位居世界前列。对桥梁工程进行碳排放分析与控制有助于建筑业尽快实现“双碳”目标。

桥梁工程全寿命周期碳排放研究受到了中外学者的广泛关注。Zhou等[5]通过软件针对一座三塔斜拉桥的环境影响进行了分析,利用马尔可夫链等研究方法对23 680多组数据进行分析。结果表明:斜拉桥在运营维护阶段对全球变暖潜能值的贡献最大。Hammervold等[6]对挪威地区的木拱桥、钢箱梁桥和混凝土箱梁桥进行了环境影响研究。结果表明:材料生产阶段的碳排放对环境的影响最大。王一帆[7]运用生命周期评价法建立了桥梁全寿命周期环境影响定量评价模型,并依托混凝土箱梁桥进行了验证。结果表明:运营维护阶段对环境影响最大,报废拆除阶段对环境影响最小。李小娇[8]建立了简化的悬索桥全寿命周期碳排放核算模型,并依托实际工程进行了核算与分析。结果表明:建材准备阶段产生的碳排放量最大,施工阶段产生的碳排放量最小。以上研究为桥梁工程的减碳控碳做出了一定贡献。但由于研究过程中系统边界、碳排放源、碳排放因子以及碳排放模型公式的差异,各学者的研究成果往往具有不同的量纲和单位,难以直接对其进行比对分析。因此,就需要对数据集进行标准化处理,消除因指标不同而产生的不利影响,使各指标处于同一数量级,从而实现对于现有数据的充分挖掘利用。

现金流量理论是关于现金、现金流量以及自由现金流量的理论,是企业管理层进行短期和中长期投资决策的重要手段。其中现金流量是指投资项目在其整个寿命周期内所发生的现金流入与流出的数量。在对现有研究数据归一化的基础上可借鉴现金流量理论,将桥梁全寿命周期各阶段碳排放量抽象为流值,并依据现金流量图绘制碳排放流量图,从而更加直观地反映出桥梁全寿命周期各时点碳排放的流入与流出情况。

综上所述,在大量桥梁碳排放数据的基础上,现对不同类型的桥梁碳排放数据进行归一化处理,模拟碳排放流以研究不同类型桥梁在其全寿命周期各时点碳排放的分布特点。通过对比分析碳排放流的终值,为桥梁选型提供科学依据,助力桥梁工程的低碳、绿色、可持续发展。

1 研究思路与研究方法

1.1 全寿命周期阶段划分

桥梁工程全寿命周期是指桥梁从“摇篮-坟墓”的一个正向过程。这一过程一般可分为设计规划、原材料开采加工、建材生产、预制构件加工、建材(构件)运输、施工建造、运营维护、报废拆除以及回收利用9个阶段。其中设计规划阶段产生的碳排放量占桥梁全寿命周期碳排放总量的比重最低,故在全寿命周期碳排放核算中可以忽略不计[9]。为便于碳排放分析,本文将整个桥梁工程的寿命周期划分为3个阶段,即物化阶段、运营维护阶段以及拆除报废阶段,如图1所示。其中物化阶段是指桥梁建造完成之前的所有阶段[10],包括建材准备阶段和施工阶段。

图1 桥梁工程全寿命周期阶段划分Fig.1 Phase division of bridge engineering full life cycle

1.2 系统边界界定

本文所划分的系统边界如图2所示。其中,物化阶段可分为建材准备阶段和施工阶段。建材准备阶段的碳排放主要来源于原材料的消耗、运输工具以及机械设备所消耗的能源。施工阶段的碳排放主要来源于现浇施工、预制装配式构件施工过程中各种机械设备所消耗的能源以及施工现场的临时用水和用电。运营维护阶段的碳排放可进一步分为运营过程产生的碳排放和维护过程产生的碳排放。运营过程中产生的碳排放主要由桥梁照明消耗的电能产生,维护过程中产生的碳排放主要由桥梁构件的维修与替换产生。拆除报废阶段的碳排放主要来源于拆除桥梁的机械设备、运输建筑垃圾的运输工具以及处理建筑垃圾的机械设备对能源的消耗。在桥梁全寿命周期中如采取了减碳控碳措施,则还需要考虑减少的碳排放。若在桥梁主体设置绿化,则还需考虑植物吸收而减少的碳排放;若对建材进行回收利用,则需要考虑因回收而减少的碳排放。

图2 桥梁工程全寿命周期碳排放范围Fig.2 Carbon emission range of bridge engineering full life cycle

1.3 碳排放流的定义

现金流量图采用带箭头的直线段在时间坐标轴上来表示现金流发生的时间、大小和方向,可直观反映工程建设项目全寿命周期资金的活动规律,并可用于计算方案的净现值、净年值、净终值、内部收益率以及动态投资回收期等动态经济指标。在分析桥梁全寿命周期各阶段碳排放时,可模拟现金流按年反映碳排放的流入与流出,即桥梁碳排放流,单位为cf。

现金流量与碳排放流量两者之间既相互联系又存在区别。从研究时限看,两者都存在“建设期”和“运营期”;从流向看,两者都存在流入与流出的情况;从研究目的看,两者都是为了进行方案的比选和优化;从评价的原则看,两者计算的流量都是针对项目全寿命周期内各阶段进行时间价值的考虑。两者的区别首先在于碳排放流量主要表现为流出,次要表现为流入;而现金流量主要表现为流入,次要表现为流出。其次,现金流量通常用于评价方案的现值,而碳排放流量应用于评价其终值[11]。

由于桥梁工程在建材生产加工、材料运输、施工建造过程中产生的碳排放具有短期、集中的特点,故本文研究对碳排放流进行模拟时将物化阶段作为桥梁全寿命周期的零时点,选取第1年到第n年区间作为运营周期,并将第n年作为拆除报废的时间点。

1.4 矩阵的归一化

常用的归一化方法有线性比例归一化、极差变换法、标准分数归一化、向量归一化以及和积法[12-13]。其中和积法常用于矩阵归一化,在对多个数据进行处理时更具优越性。因此,选取和积法对桥梁碳排放数据进行归一化操作。其计算步骤如下:首先基于现有研究成果建立碳排放矩阵,而后对碳排放矩阵中的元素进行列归一、行求和,最后对和向量进行归一,从而得到不同类型桥梁的碳排放流。

2 碳排放流计算模型

为比较和分析不同类型桥梁全寿命周期碳排放的差异,需要建立桥梁工程全寿命周期静态和动态碳排放流模型。其中静态碳排放流模型是将各个阶段的碳排放流进行累加;动态碳排放流模型则还需要考虑碳排放的时间价值。两者相结合可更好地指导低碳桥型的选择。

2.1 静态碳排放流模型

桥梁工程全寿命周期碳排放流由物化、运营维护以及拆除报废3个阶段的碳排放流组成,如式(1)所示。

Cfjt,k=fwh,k+nfyw,k+fcb,k

(1)

式(1)中:Cfjt,k为第k种类型桥梁的静态碳排放流总量;fwh,k为第k种类型桥梁物化阶段的碳排放流;fyw,k为第k种类型桥梁运营维护阶段每年的碳排放流;fcb,k为第k种类型桥梁拆除报废阶段的碳排放流;k为桥梁类型,即简支梁桥、连续梁桥、刚构桥、拱桥、悬索桥以及斜拉桥;n为第k种类型桥梁的设计使用年限。

为便于直观比对,在计算fwh,k时,对归一化后的结果乘以1 000扩大系数,使原数据由三位小数化为整数。在计算fyw,k以及fcb,k时,还需考虑3个阶段之间的比例关系。

2.2 动态碳排放流模型

社会折现率是社会对资金时间价值的估量,代表占用社会资金所应获得的最低收益率。在计算桥梁全寿命周期碳排放流量终值时,应从国民经济的角度出发考察工程项目对于环境的影响。通过引入社会折现率i,建立式(2)所示的桥梁全寿命周期动态碳排放流模型来体现碳排放随社会经济发展的变化。

(2)

式(2)中:Cfdt,k为第k种类型桥梁的动态碳排放总流;i为社会折现率。

在桥梁碳排放研究初期,学者们在进行碳排放核算时多未考虑碳排放的时间价值,而是简单地将各阶段的核算数据进行累加。由此得到的核算结果仅表征了当时的经济发展水平。而社会经济是动态发展的,并非一成不变。随着越来越多的学者意识到这一问题,碳排放的时间价值也愈加受到重视。现阶段研究多认为碳排放时间价值与社会折现率相关[14]。碳排放的社会折现率应该包含无风险自由率和气候改变风险[15],温日琨等[16]依据国外的研究并结合中国国情,确定无风险自由率为2%,气候改变风险为1.5%。因此社会折现率取3.5%。

3 全寿命周期各阶段的碳排放流

根据李小娇[8]和张天辰[17]对桥梁全寿命周期碳排放的研究,将数据整理如表1所示。将桥梁工程全寿命周期划分为物化、运营维护以及拆除报废3个阶段开展碳排放流研究,所涵盖的桥型包括简支梁桥、连续梁桥、刚构桥、拱桥、悬索桥以及斜拉桥,并针对每种桥型选择3个案例。由于不同的桥型所涉及的材料、机械设备、能源等均存在一定差异,需要对表1所示的碳排放数据进行归一化处理。

表1 案例桥梁全寿命周期各阶段的碳排放量Table 1 Bridge carbon emissions at different stages of full life cycle

3.1 物化阶段碳排放流

(3)

(4)

3.2 运营维护阶段碳排放流

(5)

(6)

表2展示了各案例桥梁在物化阶段、运营维护阶段以及拆除报废阶段之间的碳排放比例关系。

表2 案例桥梁全寿命周期各阶段碳排放占比Table 2 Proportion of carbon emissions in each stage of case bridge full life cycle

将案例桥梁全寿命周期各阶段碳排放占比的平均值作为该桥型全寿命周期各阶段碳排放占比,如表3所示。

表3 不同桥型全寿命周期各阶段的碳排放占比Table 3 Carbon emission proportion of different bridge types in various stages of full life cycle

(7)

3.3 拆除报废阶段碳排放流

(8)

(9)

与运营维护阶段的计算方法相似,f′cb需要乘以比例系数αcb才能得到fcb。其中αcb1=0.86/45.19=0.019,同理可得αcb2=0.032,αcb3=0.026,αcb4=0.028,αcb5=0.048,αcb6=0.039。因此可以得到不同桥型拆除报废阶段的碳排放流向量Fcb,即

(10)

4 全寿命周期碳排放流量图

在绘制碳排放流量图时以碳排放流出为正,箭头方向朝上;以碳排放流入(被吸收)为负,箭头方向朝下。本文研究选取的案例桥梁在其全寿命周期内的碳排放均为流出。这主要是因为相关学者在核算建材生产阶段的碳排放量时采用了考虑回收率的碳排放因子,因而在核算拆除报废阶段的碳排放量时就未重复考虑因材料回收而减少的碳排放[8,17]。其次是因为植被的固碳量(流入)占桥梁工程全寿命周期碳排放总量的比重很小,可以忽略不计[18]。

4.1 简支梁桥全寿命周期碳排放流

根据物化阶段、运营维护阶段以及拆除报废阶段碳排放流向量,结合简支梁桥全寿命周期各个时点,绘制简支梁桥碳排放流量图,如图3所示。

图3 简支梁桥碳排放流量图Fig.3 Carbon emission flow diagram of simply supported beam bridge

将数据代入式(1)和式(2)可得简支梁桥全寿命周期静态碳排放总流为45.009 cf,动态碳排放总流为883.095 cf。

4.2 连续梁桥全寿命周期碳排放流

根据物化阶段、运营维护阶段以及拆除报废阶段碳排放流向量,结合连续梁桥全寿命周期各个时点,绘制连续梁桥碳排放流量图,如图4所示。

图4 连续梁桥碳排放流量图Fig.4 Carbon emission flow diagram of continuous girder bridge

将数据代入式(1)和式(2)可得连续梁桥全寿命周期静态碳排放总流为264.728 cf,动态碳排放总流为4 853.203 cf。

4.3 刚构桥全寿命周期碳排放流

根据物化阶段、运营维护阶段以及拆除报废阶段碳排放流向量,结合刚构桥全寿命周期各个时点,绘制刚构桥碳排放流量图,如图5所示。

图5 刚构桥碳排放流量图Fig.5 Carbon emission flow diagram of rigid frame bridge

将数据代入式(1)和式(2)可得刚构桥全寿命周期静态碳排放总流为684.016 cf,动态碳排放总流为12 446.639 cf。

4.4 拱桥全寿命周期碳排放流

根据物化阶段、运营维护阶段以及拆除报废阶段碳排放流向量,结合拱桥全寿命周期各个时点,绘制拱桥碳排放流量图,如图6所示。

图6 拱桥碳排放流量图Fig.6 Carbon emission flow diagram of arch bridge

将数据代入式(1)和式(2)可得悬索桥全寿命周期静态碳排放总流为218.508 cf,动态碳排放总流为4 529.216 cf。

4.5 悬索桥全寿命周期碳排放流

根据物化阶段、运营维护阶段以及拆除报废阶段碳排放流向量,结合悬索桥全寿命周期各个时点,绘制悬索桥碳排放流量图,如图7所示。

图7 悬索桥碳排放流量图Fig.7 Carbon emission flow diagram of suspension bridge

将数据代入式(1)和式(2)可得悬索桥全寿命周期静态碳排放总流为461.288 cf,动态碳排放总流为10 180.505 cf。

4.6 斜拉桥全寿命周期碳排放流

根据物化阶段、运营维护阶段以及拆除报废阶段碳排放流向量,结合斜拉桥全寿命周期各个时点(年),绘制斜拉桥碳排放流量图,如图8所示。

将数据代入式(1)和式(2)可得斜拉桥全寿命周期静态碳排放总流为598.778 cf,动态碳排放总流为8 963.715 cf。

5 碳排放结果对比分析

5.1 全寿命周期单位面积碳排放对比分析

将案例桥梁单位面积碳排放的平均值作为该桥型的单位面积碳排放,计算结果如图9所示。

图9 不同桥型单位面积碳排放Fig.9 Carbon emission per unit area of different bridge types

从图9可知不同桥型全寿命周期单位面积碳排放从大到小排序依次为拱桥、刚构桥、连续梁桥、悬索桥、简支梁桥、斜拉桥。其中拱桥的单位面积碳排放最大,主要原因是钢管混凝土拱桥在建造时需要将钢管内填充大量混凝土,导致其桥面以上空间产生大量碳排放,从而增大了单位面积碳排放。悬索桥和斜拉桥的单位面积碳排放相对较小,主要原因是悬索桥和斜拉桥的桥面面积较大,并且桥梁主体一般采用钢结构,产生的碳排放量较少。

5.2 碳排放流结果对比分析

通过碳排放流量图(图3～图8)可以看到,不同桥型全寿命周期的碳排放在不同时间节点上存在着差异。这些差异可以通过碳排放流予以体现。对上述3个阶段的静态碳排放流及动态碳排放总流进行分析,结果如下。

物化阶段的碳排放流从大到小依次为刚构桥(292)、悬索桥(281)、斜拉桥(171)、拱桥(118)、连续梁桥(115)、简支梁桥(22)。刚构桥、悬索桥以及斜拉桥在物化阶段的碳排放流远大于拱桥、连续梁桥以及简支梁桥。刚构桥、悬索桥以及斜拉桥这3种桥型的跨越能力较强,跨径一般较大,构造较为复杂,在建造过程中需要消耗大量的建筑材料以及投入大量的施工机械和运输设备。其中刚构桥一般采用预应力混凝土结构或者钢-混组合结构,在建造过程中钢筋和混凝土用量巨大。而悬索桥和斜拉桥主桥一般采用钢箱梁和钢桁梁的型式,引桥一般采用预应力混凝土结构。在同等荷载作用下,钢结构可以减少材料用量,减轻主体自重,并且装配化程度较高,在施工过程中产生的碳排放较少。拱桥、连续梁桥以及简支梁桥这3种桥型的跨越能力较弱,跨径一般较小,构造较为简单,对建筑材料和机械设备的需求量相对较小。

运营维护阶段碳排放流从大到小依次为斜拉桥(4.199)、刚构桥(3.864)、悬索桥(1.620)、连续梁桥(1.464)、拱桥(0.981)、简支梁桥(0.228)。运营维护阶段产生的碳排放主要由景观照明设备消耗电能产生的碳排放及桥梁维修翻新过程中产生的碳排放构成。斜拉桥和刚构桥在运营维护阶段碳排放流较大的主要原因在于景观照明设备数量多,照明功率大,因而会消耗较多电能。此外,在日常维护过程中替换构件的数量也较多,因此在建材准备和施工过程中会产生大量的碳排放。其中悬索桥在运营维护阶段的碳排放流远小于斜拉桥和刚构桥的主要原因是3座案例悬索桥中有1座悬索桥与其他2座悬索桥的碳排放规律不一致,其在物化阶段的碳排放占比偏大,在运营维护阶段的碳排放占比偏小,最终导致本文的悬索桥这一桥型在运营维护阶段的碳排放流计算结果偏小。

拆除报废阶段碳排放流从大到小依次为悬索桥(18.288)、斜拉桥(7.878)、刚构桥(5.616)、连续梁桥(3.328)、拱桥(2.408)、简支梁桥(0.209)。悬索桥、斜拉桥以及刚构桥的体量较大,在拆除报废时需要大量机械设备进行作业,会产生大量碳排放。此外,拆除之后需要较多的运输工具将建筑垃圾运输到垃圾填埋场进行填埋或者回收利用厂进行二次处理。而垃圾填埋场距桥梁所在地通常较远,因此在运输过程中也会产生大量碳排放。

不同类型桥梁的静态碳排放总流从大到小依次为刚构桥(684.016)、斜拉桥(598.778)、悬索桥(461.288)、连续梁桥(264.728)、拱桥(218.508)、简支梁桥(45.009)。不同类型桥梁的动态碳排放总流从大到小依次为刚构桥(12 446.639)、悬索桥(10 180.505)、斜拉桥(8 963.715)、连续梁桥(4 853.203)、拱桥(4 529.216)、简支梁桥(883.095)。可以看到,各桥型静态及动态碳排放总流的大小排序具有相似规律。静态碳排放总流呈上述排序的原因在于刚构桥、斜拉桥以及悬索桥的跨径和体量较大且附属设施众多,因此在物化、运营维护以及拆除报废3个阶段内产生的碳排放流均大于体量较小的连续梁桥、拱桥以及简支梁桥。在动态碳排放总流的排序中悬索桥超越斜拉桥位居第二,其他桥型的位次不变。这是由于,尽管斜拉桥在运营维护阶段的碳排放流大于悬索桥,但是后者在物化以及拆除报废阶段的碳排放流大于前者。将相关数据带入动态碳排放流模型后可得,悬索桥的碳排放总流更大。因此,在对桥梁工程碳排放进行研究时,应将静态和动态碳排放流进行有机结合,从当前和未来两个维度来审视国民经济对于碳排放的影响。