瀝青路面建設期能耗及碳排放量化研究

1 引言

國務院印發的《關于“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃的通知》 著重強調全面推動交通行業全生命周期綠色低碳轉型，協同推進減污降碳，形成綠色低碳發展長效機制，讓交通更加環保、出行更加低碳。

目前，瀝青路面具有路用性能好、行車舒適、抗滑性能好以及養護簡單等優點，使其在我國公路建設中應用廣泛，但生產過程中會產生大量能耗及二氧化碳氣體排放。 據交通部門統計，每年因瀝青路面建設產生的能耗及碳排放一路攀升[1]。 因此，對瀝青路面建設期能耗及碳排放進行量化研究，為減少能源消耗和碳排放提供優化措施就顯得十分重要。 本文通過生命周期分析法（Life Cycle Assessment，LCA）對建設期各階段進行測算分析，為瀝青路面建設期節能減排工作提供一定的指導意義。

2 基于LCA分析理論的能耗模型

LCA 分析方法是通過對一條過程鏈上出現的環節進行數據收集、記錄、整理，并對各環節進行分析評價，納入過程中一些不確定性的可變因素，最終評估產品或服務對環境的影響，并做出相應決策。 如圖1 所示，生命周期評價分4 個不同的階段進行，包括目標與范圍、清單分析、影響評價和結果解釋。

圖1 LCA理論框架圖

2.1 目標與范圍確定

LCA 的主要研究設計參數是目標和范圍，范圍旨在描述研究的細節和深度，并證明可以在規定的限制范圍內實現目標。

2.2 清單分析

清單分析是指為產品系統創建進出自然(生態圈)的流量清單。 它是量化產品或過程全生命周期中的原材料的消耗使用、能源供需、大氣污染、土地排放、水排放、資源使用和其他排放的過程。

2.3 影響評價

LCA 的這一階段旨在評估清單分析中確定的基本要素對環境和人類健康的潛在影響。 當評價指標太多時，將各種參數轉化為綜合指標通常更有利于直觀顯示評價結果。

2.4 結果解釋

這一階段的關鍵目的是確定對最終結果的置信度。 結果解釋是在生命周期清單和生命周期影響評估結果的基礎上，進一步總結清單分析和影響評估的結果， 得出研究的一系列結論和建議。

2.5 系統分析

根據LAC 分析方法，本文建立的瀝青路面系統建設期的生命周期分析過程如圖2 所示。

圖2 瀝青路面建設期系統分析

系統模型的建立能直觀展示瀝青路面建設期所涉及的各環節之間的關系。 通過圖2 可以看出，系統模型建立的基礎模擬不同環節中發生的投入和產出。 例如，瀝青混合料的生產消耗了哪些材料，消耗了多少能量，產生了多少碳排放。

3 瀝青路面建設期能耗及碳排放量化分析

3.1 材料物化階段能耗與碳排放計算

原材料能耗與排放計算式如下：

式中，EC原材料為原材料消耗能量，MJ；m原材料為原材料產生的碳排放量，t；FC原材料為單位原材料能量消耗系數；Q原材料為原材料消耗量；FE原材料為單位原材料碳排放系數[2]。

3.2 材料運輸階段能耗與碳排放計算

原材料運輸過程中車輛等設備的能耗EC運輸設備與碳排放m運輸設備計算式如下：

式中，FC運輸設備為運輸設備的能耗系數，MJ·t-1·km-1；FE運輸設備為運輸設備碳排放系數，g·t-1·km-1；D 為設備行駛距離；Q運輸設備為設備工作量，km。

3.3 施工階段能耗與排放計算

瀝青路面施工建設過程中機械設備的能耗與碳排放計算式如下：

式中，EC機械設備為機械設備消耗能量，MJ；m機械設備為機械設備產生的碳排放量，t；FC機械設備為單位工作量施工作業下機械設備能量消耗系數；Q機械設備為施工設備工作量；FE機械設備為單位工作量作業時機械設備產生的碳排放系數。

4 建設期能耗與排放結果分析

本文采用上述能耗與碳排放量公式， 根據JTG/T 3832—2018《公路工程預算定額》及工程量清單[3]，得出瀝青路面建設期能耗與排放量結果， 并繪制成各階段能耗與碳排放量結果對比圖[4]，如圖3~圖6 所示。

圖3 瀝青路面建設期能耗對比圖

4.1 能耗分析

從圖3 和圖4 可以直觀地看出， 基層材料能耗總體上小于瀝青路面材料能耗。 從能耗組成分析，因瀝青類材料建設期存在加熱過程，加熱所耗能量可占比總能耗的21%，尤其是粗粒式瀝青混凝土材料的可達50%。 基層材料中能耗最小值為級配碎石，能耗達180 MJ；能耗最大值為二灰土的1 600 MJ。通常來說，基層材料能耗較小值為200~700 MJ；較大值分布在700~100 MJ。 瀝青類材料能耗最小值為480 MJ，最大值為1 700 MJ。 總體來看，其能耗較小值分布在400~700 MJ；能耗較大值分布在900~1 000 MJ。

圖4 瀝青路面建設期能耗分布圖

基層材料相對于瀝青材料而言， 原材料生產過程中產生的能耗占絕大部分， 除了水泥穩定碎石及級配碎石較大值中材料運輸占比為主導因素[5]。 可以看出，當基層材料車輛運輸距離較短時，能耗主要由生產過程決定；而運輸距離較大時，能耗主要由材料運輸距離決定。 基層材料總能耗受運距影響幅度很大，以石灰土為例，較小值中生產能耗占比為78%，運輸能耗為10%；較大值中材料生產占比43%，而運輸能耗占比47%。 由此可以看出減小運距，選擇就地取材生產可以大幅減少能耗。

對于瀝青類材料而言，由于鋪設過程需要加熱，能耗占比為30%~50%。 其中改性瀝青混凝土相較于傳統瀝青材料而言，能耗增加明顯，普遍增加40%~50%，這主要是因為改性混凝土中所涉及的材料種類變多（如木纖維等），并且瀝青用量變大，導致生產階段能源消耗大，可以從圖4 直觀看出約為其他瀝青材料兩倍。

4.2 碳排放分析

從圖5 可以直觀看出， 基層材料建設期碳排放量規律與能耗規律相反，除級配碎石外，碳排放量均大于瀝青材料建設期。 原材料生產過程中的碳排放量極大， 碳排放較小值中為50~160 kg；較大值中為60~175 kg。 而瀝青類材料碳排放量較小值取45 kg，最大值僅為60 kg，較基層降低60%；碳排放量較大值中為55~80 kg，同比基層材料減小55%，但仍以材料生產碳排放為主。 因此在滿足設計要求時，使用低碳排放基層材料是減少碳排放的最直接有效手段。

圖5 瀝青路面建設期碳排放量對比圖

對于瀝青材料，從圖6 可以看出，運輸距離較短時，碳排放主要由加熱階段及材料生產階段組成，最高占比可達75%；運輸距離較大時，材料運輸排放量開始參與總排放量構成，最高可達30%。

圖6 瀝青路面材料建設期碳排放分布圖

5 結論