基于LCA 的城市道路碳排放测算与敏感性分析

牛 凯，左贵强，张兴宇，朱晓东

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074）

0 引言

在生态文明建设及绿色道路发展和交通强国建设要求下，国家陆续出台了碳达峰、碳中和相关的政策。这些政策文件均提出了减碳、节能、增绿的碳达峰与碳中和路径选择与目标，因此，开展双碳相关研究对促进生态文明建设具有十分重要的意义。

交通领域碳排放占我国碳排放总量的11%，其中73.3%～85%集中在道路运输与建养方面，是落实国家战略的主战场，许多学者围绕该问题进行了学术研究。刘圆圆[1]构建了基于LCA（Life Cycle Assessment）的公路碳排放理论框架，从建设、养护两个方面构建了碳排放测算模型。毛睿昌[2]不仅考虑了道路，还围绕地铁、桥梁等交通基础设施构建了相应模型，评价了不同交通基础设施对碳排放的贡献情况。彭波等[3]从能源燃烧和沥青高温分解等角度构建了碳排放测算模型，并对结果进行深入研究。张海涛等[4]研究了沥青路面设计过程中不同参数选取对碳排放量的影响。徐金俊等[5]采用LCA 模型构建了再生混凝土建筑的计算模型与边界，并就再生混凝土建筑的关键影响参数进行了敏感性分析。可以看出，现有研究对公路碳排放测算方法与影响因素的研究偏多，而有关城市道路碳排放的研究偏少，同时对道路建设碳排放敏感性分析缺乏深入研究。

本研究依托“重庆市广阳大道生态修复及品质提升项目”工程，以LCA 的道路建设阶段碳排放测算模型为基础，结合生态文明建设和绿色道路发展目标，对新建城市道路建设阶段碳排放关键输入参数进行敏感性分析，对碳排放主要来源进行分析，为提出碳减排思路提供理论技术支撑，促进城市道路绿色可持续发展。

1 测算模型

道路建设过程的碳排放来源主要来自于原材料生产、场外加工、运输及现场施工四个阶段[6]，本文测算模型不考虑车辆和施工机械的生产及设备投入过程中的碳排放量，具体碳排放测算范围和计算过程如图1 所示。

图1 碳排放测算范围示意图

式中：Q 为碳排放总量；Q1为原材料生产排碳量；Q2为场外加工排碳量；Q3为运输排碳量；Q4为施工排碳量。

其中，原材料生产阶段碳排放量计算方法为[7]：

式中：Mi为第i 种材料的消耗量；为第i 种原材料碳排放因子。

场外加工阶段碳排放量计算方法：

式中：Ti为第i 种机具的总台班；Aij为第i 种机械设备单位台班内第j 种能源的消耗量；fjt为第j 种能源的碳排放因子。

运输碳排放量计算方法为：

式中：Mi为第i 种材料的消耗量；Sij为第i 种材料第j种运输方式运距；为为第i 种材料第j 种运输方式单位周转排碳量。

施工阶段碳排放量计算方法：

式中：Ti为第i 种机具的总台班；Aij为第i 种机械设备单位台班内第j 种能源的消耗量；为第j 种能源的碳排放因子。

2 案例分析

本研究依托于重庆市广阳大道生态修复及品质提升项目，广阳大道项目全长13.08 km，改建约8.69 km，新建约4.39 km。全线含新建桥梁1 座，通道改桥1 座，新建生物绿桥1 座，加固改造旧桥2座，新建小净距隧道1 条。新建人行地下通道4 座。

（1）项目排放总体特征

根据广阳大道各单位工程材料数量和机械台班实际使用情况，基于上述的碳排放测算模型，最终得到项目总体排放情况，具体见表1。

表1 项目总体排放情况

广阳大道项目总碳排放量为138894.03 t，其中材料、机械总碳排放量放分别为118463.56 t 和20430.47 t。广阳大道项目施工总长度为13.084 km，车道数为4，由此可得碳排放量为每公里10615.56 t，每车道每公里排放量为2653.89 t。

桥涵工程占总体排放值最大，为32%，隧道工程、道路工程、排水工程、土石方工程、电力工程排放占比较大，其余工程排碳量相对较低。

（2）材料部分总体特征

根据排放量和工程消耗量对工程内所用材料分别进行归类、单位转换及排序工作，最终得到累计占材料部分总排放量和总消耗量前90%的材料类别见表2。

表2 材料分类排放量

由图2 知，碳排放量较大的材料主要为钢类和水泥混凝土，分别占到材料总排放的39.638%和34.981%，总占比超70%；消耗量较大的材料主要为砂石料、水泥混凝土、水稳层，总占比超85%。比较同种材料的排放量及消耗量可知，消耗量大的材料如砂石料、水稳层等排放占比极小，总计不超过6%；而消耗量小的材料如钢类、水泥等碳排量占比极大，消耗占比小于1%，排放占比却接近50%。

图2 材料消耗及碳排放

排放量大小除与消耗量数值密切相关外，也受到碳排放因子的影响。具体碳排放因子取值见表3。

表3 典型材料碳排放因子取值集合

综合上述典型材料排放因子取值集合及材料消耗量可知，同等消耗下，在碳排放量级上：钢类＞水泥＞水泥混凝土＞水稳层＞砂石料。其余未提及材料排放特征与几种典型材料均可对应，此处不再赘述。

（3）机械部分总体特征

根据排放量和台班消耗量，对工程内所用机械和运输设备分别进行归类、台班能耗查询及排序工作，最终得到累计占机械部分总排放量和总消耗量前90%的机械类别见表4。

表4 机械分类排放

由图3 可直观看出，机械设备产生的排放与台班量基本呈正比关系，其中履带式液压岩石破碎机是台班使用量及排放最大的机械，分别占到了17.57%和36.21%；台班消耗量略低于履带式液压岩石破碎机的电动夯实机和风动凿岩机，排放量不显著，与整体的正比关系有较大出入。

图3 机械碳排放量及台班量占比

机械碳排放量大小不仅与台班量有关，也与能源消耗量及排放因子有关，具体排放系数见表5。

表5 典型机械设备能源及台班排放系数

综合上述平均台班排放系数的计算结果，可观察到此类机械多使用电能或无台班耗能而不是柴油等化石能源，因此即使在消耗同等甚至更多台班数量下排放量也远低于其他如履带式推土机等类型机械。

3 敏感性分析

通过开展碳排放的测算研究可识别城市道路建设阶段的关键碳排放源，并采取相应的减排措施来减少总体碳排放量。城市道路建设活动涉及相对较多的建筑材料、工程机械以及施工过程，因此影响碳排放的因素也相对繁杂。通过敏感性分析识别道路建设碳排放源对建设绿色生态型道路具有十分重要的意义。

筑路材料的碳排因子、相关机具的施工效率及工程量是影响道路建设阶段碳排放量的关键参数。本研究从上述角度开展城市道路碳排放的敏感性分析，具体规律如图4 所示。

图4 材料敏感性分析

从图4 可以看出，城市道路建设阶段碳排放的三大主要影响因素分别为钢材、水泥混凝土及水泥。其中，水泥混凝土二氧化碳排放因子每增加15%，约增长5.18%左右的碳排放量；钢材的碳排放因子每增加15%，约增长6.22%的碳排放量。与水泥混凝土和钢材相比，水泥的二氧化碳排放因子每增长15%所带来的道路建设阶段碳排放量变化幅度在1.09%左右。相对于这三种建设材料，其他建设材料碳排放因子每变化15%变化所引起的碳排放量的变化约维持在0.07%至0.19%之间，影响相对较低。

从图5 可以看出，相比于其他燃料，柴油碳排放因子的变化对碳排放量的影响最为显著，柴油碳排放因子每增加15%，约增长12.47%的碳排放量，电力二氧化碳排放因子每增长15%，增加1.81%的碳排放量。相比柴油和电力，汽油的二氧化碳排放因子每增加15%，所带来的道路建设阶段碳排放量的变化最小，不超过0.8%。因此，柴油的碳排放因子最为敏感。

图5 燃料与电力敏感性分析

4 结语

作为交通基础设施工程投资和建设主体，道路低碳发展是落实交通强国战略的排头兵，开展碳排放量测算与敏感性分析，对交通运输行业碳减排具有重要意义。

本研究以广阳大道项目为依托，基于全寿命周期评价法，对广阳大道碳排放测算结果进行量化分析，识别影响碳排放的关键要素。分析结果表明城市道路建设阶段的碳排放量对钢材、水泥和柴油的碳排放因子最为敏感。这意味着低碳化的钢铁、水泥及柴油生产与使用对于控制城市道路建设阶段的碳排放量具有十分重要的意义。一方面钢材、水泥和柴油为道路建设过程中的主要碳排放源，寻找合适且有效的相替代的新材料及新工艺对城市道路建设过程中的降碳减排具有十分重要的作用。另一方面钢材、水泥和柴油作为碳排放测算过程中最为敏感的要素，其数据的准确性对道路建设项目碳排放的核算结果尤为重要，而敏感性相对较低的塑料、汽油等数据的准确性对实际的测算结果不会产生较大偏差。