基于全生命周期的交通基础设施低碳施工及数字化监测系统

□ 贾 鹏 任宗祥

双碳政策背景下，我国交通领域碳排放约占碳排放总量的10 %，而公路运输占全国交通运输碳排放总量85 %以上，成为交通减排的绝对主体。其中，交通基础设施建设对材料、能源消耗投入是交通运输行业绿色低碳发展的重点领域。交通运输部发布的《绿色交通标准体系（2022 年）》指出，以“十四五”新开工高速公路和普通国省干线公路为重点，鼓励施工材料、工艺和技术创新等，降低公路全生命周期成本。《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》提出，要建立统一规范的碳排放统计核算体系。然而，现有文件对交通基础设施施工决策未形成统一的碳排放评价方法，缺少基础数据积累，无法有效支撑工程建设生命周期方案决策。基于此，笔者提出一种基于全生命周期评价（LCA）的交通基础设施低碳施工碳排放计算思路和方法，并构建数字化的监测平台体系，以实现对交通基础设施的全生命周期的碳排放实时监测。

一、交通基础设施的生命周期评价技术框架

ISO14040 系列标准将全生命周期评价分为4 个阶段：目标与范围确定、生命周期清单分析（LCI）、生命周期影响评价（LCIA）和生命周期解释，如图1 所示。

图1 交通基础设施生命周期评价的技术框架

1.目标与范围确定

目标与范围确定阶段可以确定评价的目的和意义。交通基础设施在其整个生命周期中的碳排放情况包括材料生产、建造施工、使用与维护以及拆卸等4个阶段，其目标是量化各个阶段的碳排放情况，包括涉及的材料、设备、能源消耗和施工工艺等多方面的具体数据，并对施工各个阶段进行动态化监测。

2.生命周期清单分析（LCI）

生命周期清单分析（LCI）阶段主要涵盖对交通基础设施的整个生命周期内的能源消耗状态，以及对环境产生物质的定量分析。此过程的核心任务为建立交通设施的输入和输出列表。基于过程构建清单，输入，为各种能源的消耗；过程，为交通基础设施全生命周期过程；输出，为碳排放量。

3.生命周期影响评价（LCIA）

在生命周期影响评价（LCIA）阶段，清单表是最重要的部分，包括分类、特征化和评估3 个步骤。评价结果主要用于对交通基础设施施工过程中材料选择的优化及对减少碳排放提出相关的建议。

4.生命周期解释

生命周期解释的主要目的是根据前几个阶段的结果，评价交通基础设施在整个生命周期中的能源消耗、资源消耗情况，以及寻找不同环节在减少碳排放方面的可能途径。

二、基于全生命周期理论的交通基础设施施工过程碳排放测算方法

1.生命周期的划分

将交通基础设施的生命周期分为4 个阶段，如图2 所示。各阶段的能源、资源消耗不同，各阶段的划分及相关信息如下。

（1）交通基础设施建材生产。此阶段需要获取、加工和生产一系列原材料和成品材料，如水泥、混凝土、玻璃、砂石和钢筋。此阶段的碳排放主要来自建材工厂消耗的电力以及化石能源等。

（2）交通基础设施建造施工。此阶段包括建筑运输、施工准备、路基施工、结构设计和设备安装工程等一系列工序，直至道路基础设施正式投入使用。施工过程中，碳排放主要来源于2 个部分：①施工照明及办公耗电等可直接获取数据；②施工过程中的摊铺、碾压等工序的耗能，需要通过计算转化为能源消耗量。

（3）交通基础设施使用和维护。此阶段是交通基础设施的主要功能阶段，涉及采暖、空调、照明等设备的能源消耗，以及交通基础设施改建、维修等过程中产生的碳排放，但不包括由交通工具内部电器设备使用引起的能源消耗和碳排放，如车内照明等。

（4）交通基础设施拆卸。此阶段的碳排放包括在交通基础设施生命周期结束时进行的车辆和机械消耗的电力和燃油以及运输废弃建材至垃圾场时产生的碳排放。

2.基础数据收集

将应用建材生产、建造施工2 个阶段的计量单位资源、能源消耗折算成对应的碳排放，可以得到交通基础设施施工过程中的碳排放清单。需要收集交通基础设施相关数据如下。

（1）交通基础设施基础信息。交通基础设施的名称、地点、类型和用途；设计图纸、规模和结构以及所使用的不同建筑材料的种类和数量；施工过程中使用的施工机械种类和数量，以及不同施工工艺和工程量等。

（2）交通运输相关数据和信息。建筑材料的生产地或厂家、运输方式以及运输的货物类型。另外，还需要提供交通基础设施所在地到垃圾处理厂的距离的信息。

3.参数选取

（1）温室气体当量。对于碳排放量，通常以产生的CO2 当量来衡量。但由于在核算交通运输设施的碳排放量时，主要目的是为了说明其对全球气候变暖产生的影响。计算交通运输设施碳排放量时，需要将其他对全球气候变暖造成影响的气体如SF6、N2O等不含碳的气体都纳入到碳排放的清单中。根据《京都议定书》，温室气体的主要分类及全球变暖潜能值，见表1 所列。

（2）化石能源的碳排放因子。交通基础设施全生命周期的各阶段都需要使用到化石能源，因此需要计算交通基础设施施工过程中化石能源在燃烧过程中产生的碳排放量。各种基础化石能源的碳排放因子见表2 所列。

表2 各种能源单位碳排放量计算

（3）电能的碳排放因子。参考国家气候战略中心计算得出的《2019 中国区域电网基准线排放因子结果》，具体数值见表3 所列。

表3 各区域电网碳排放因子结果

4.计算模型

交通基础设施的生命周期每个阶段都涉及能源消耗和相应的碳排放，其来源和排放量各异，需要进行分别计算。计算模型如图3 所示。前两个阶段即交通基础设施建材生产和交通基础设施建造施工之和被定义为交通基础设施生命周期的施工总排放量。使用Access 建立交通基础设施生命周期碳排放清单数据库工作表，对交通基础设施建材生产和建设施工阶段的碳排放进行测算和评估。交通基础设施的生命周期碳排放清单包括5 个数据库工作表，涵盖基础能源、建材、施工机械、施工工艺以及运输等5 个方面数据。

图3 计算模型示意图

三、碳排放数字化监测的实施路径

基于计算和测算思路，进一步构建低碳施工的数字化监测系统的基本框架以实现交通基础设施碳排放的监测，如图4 所示。在所展示的界面中，低碳施工数字化监测系统将为交通基础设施碳排放提供数据获取、数据计算和分析、数据可视化的多重功能。

图4 低碳施工数字化监测系统界面

1.建设亮点

（1）模块化。简便式数据录入功能，友好可视化交互界面，整合丰富的建材碳排放参数、排放因子等数据，分模块展示不同功能界面，包括项目进度、环境状况、建材生产运输阶段的碳排放等。

（2）可视化。交互式实时数据可视化大屏，实时监测工地数据，通过多方位、多角度、全景展现交通基础设施施工做成的各项指标，助力智能高效低碳决策。

（3）系统化。碳排放监测系统的建设需要实现计算、展示和应用方面的多维协同，并形成交互的相互促进的系统化模式，推动基础数据的收集、平台技术的支撑、数据的测算与监视在统一的模式下进行。

2.功能实现

主要分为7 个部分进行分模块、分功能展示。

（1）项目概况区用于简要概述该工程项目的相关情况。

（2）任务进度区用于可视化展示工程项目的进度。

（3）环境监测区用于运用传感技术展示施工环境的相关指标。

（4）四大指标区用于着重展示施工工地的碳排放重要数据。

（5）当日碳排放趋势区用于可视化展示工地当日碳排放。

（6）建材生产运输阶段碳排放区和施工阶段碳排放区分别用于按时间序列展示该阶段碳排放量。

（7）分阶段碳排放占比区用于用饼状图直观展示不同阶段碳排放比例。

四、结论及建议

构建针对交通基础设施施工过程而设计的基于生命周期评价的碳排放数字化监测系统，为保障交通基础设施全生命周期碳排放数字化监测系统的建设和应用，切实发挥低碳施工的效用，提出相关对策建议。

（1）强化行业碳排放数据的日常监管，加大对施工过程中相关责任部门和企业碳排放数据质量的监督执法力度，筑牢行业企业碳排放数据质量基石，推动温室气体清单常态化编制、标准化和定期更新。

（2）加快新能源等低碳运输装备推广应用，降低施工过程中的机械排放量；规范施工作业废气、废液、固废和危险废物管理。

（3）推动交通基础设施施工材料循环利用。在交通基础设施特别是交通基础设施在扩建和修复养护工程中，积极使用路面材料循环再生技术，减低施工生产和施工耗能；推广交通基础设施废旧材料、设施设备、施工材料等综合利用。