高速公路土建階段碳排放核算方法與減排潛力研究

2024-12-04 00:00:00龍偉梁彥桐熊模友

科技創新與應用 2024年34期

摘要：為準確量化高速公路土建階段碳排放水平，定性分析碳減排潛力，以某新建高速公路典型標段工程為案例，提出基于排放清單的過程生命周期評價分析方法，探究高速公路土建階段的碳排放特征，明確核算系統邊界和分析流程，構建不同周期階段的碳排放核算方法，同時從可再生建材的應用角度深入探究該階段的碳減排潛力。

關鍵詞：高速公路;土建階段;碳排放;情景分析;碳減排潛力

中圖分類號：U415.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0136-06

Abstract： In order to accurately quantify the carbon emission level in the civil construction stage of highways and qualitatively analyze the carbon emission reduction potential， taking a typical section project of a newly built highway as an example， a process life cycle assessment analysis method based on emission inventories is proposed to explore the carbon emission characteristics of highways in the civil construction stage.， the boundaries of the accounting system and analysis processes are clarified， and carbon emission accounting methods for different cycle stages are constructed; at the same time， the carbon emission reduction potential of this stage is deeply explored from the perspective of the application of renewable building materials.

Keywords： highway; civil construction phase; carbon emissions; scenario analysis; carbon emission reduction potential

當前階段，我國公路建設規模已達全球第一，公路建設過程會大量消耗能源、原材料以及相關成品或半成品，有研究顯示公路建設已成為交通行業溫室氣體排放的重要來源，其碳排放量不容小覷。

為此，國內外很多研究者針對高速公路碳排放問題進行了相關研究。英國交通研究實驗室開發的ASPECT[1]碳排放計算程序，針對公路全壽命周期的碳排放進行研究，將公路全壽命周期分為10個階段，并給出了再生利用舊料和新料的潛在多次回收利用相應的碳折減計算系數。美國加州大學伯克利分校聯合加州路面研究中心合作開發的PALATE[2]碳排放計算程序，以路面工程為研究對象，將公路周期劃分為6個階段，對采用新型的路面材料及施工工藝所減少的碳排放進行了定量分析，并與傳統路面進行了比較，具有一定的前瞻性和指導意義。目前國內針對于高速公路建設期的碳排放計算，研究較為分散，不成體系，其碳排放模型及排放因子常參考其他行業及領域，例如當前諸多計算方法均參照IPCC的計算方法或建筑業的計算方法，但交通基礎設施在碳排放方面又與民用建筑不完全相同，如涉及大規模的土地變化、碳排放源更加復雜多樣，因此具有區別于其他建筑物的特殊性。綜上所述，高速公路碳排放理論的研究起步較晚，既有高速公路建設過程碳排放來源分析等方面的研究零散，碳排放的結果有較大誤差，且現有研究大多缺乏對公路行業碳排放平均水平的考察以及對評估結果的碳減排潛力分析。

本文首先明確了高速公路土建階段的碳排放核算范圍，以過程生命周期理論將高速公路土建階段劃分為土地征拆階段、材料物化階段、材料運輸階段和土建施工階段，建立了不同階段的碳排放核算方法，并對碳排放因子進行選取確定，形成過程生命周期碳排放核算清單，系統構建了高速公路土建階段碳排放核算模型。最終以某高速公路典型標段工程作為實際案例獲得具有可比性的、更接近實際排放的高速公路土建階段碳排放指標及統計數據。同時，采用情景分析法，從低碳建材應用的角度對高速公路土建階段碳排放強度進行分析，預測了高速公路土建過程的碳減排潛力，為高速公路建設單位進行路線方案的優選、控制碳排放量、實施節能減排措施等提供理論依據。

1 高速公路土建階段碳排放核算模型

1.1 碳排放核算系統邊界

由于高速公路建設規模大，涉及項目眾多，且考慮到研究深度及數據樣本的采集難度等因素，難以全面核算，因此本文從空間和時間2個維度對高速公路土建階段碳排放核算系統邊界進行明確。空間維度參照公路工程施工圖預算項目表將高速公路土建階段劃分為臨時工程、路基工程、橋梁涵洞工程、隧道工程、交叉工程、交通工程及沿線設施、綠化及環境保護工程、其他工程等8個單位工程，每個單位工程細分為不同的分部分項工程;時間維度通過過程生命周期理論將高速公路土建階段分為土建前期征地拆遷階段和項目土建進行階段，其中項目土建進行階段又分為材料物化、材料運輸、土建施工3個階段。

1.2 碳排放核算模型

本研究以過程生命周期框架作為劃分依據，將高速公路工程土建階段劃分為征地拆遷碳匯減少階段、建材及預制構件物化階段、建材及構配件運輸階段和土建施工階段，建立高速公路土建階段碳排放核算模型，各階段的CO2排放計算方法為

E=EY+ES+EV+EC，

式中：E為土建階段碳排放總量，單位為tCO2e;EY、ES、EV和EC分別表示征地拆遷碳匯減少階段、建材及預制構件物化階段、建材及構配件運輸階段和土建施工階段的碳排放量，單位為tCO2e。

1.2.1 征地拆遷碳匯減少階段

征地拆遷綠植碳匯減少階段碳排放核算公式為

EY=Fi×Si×T ，

式中：Fi為第i類植被單位土地面積年固碳量，單位為tCO2e/hm2·a;Si為第i類植被單位土地面積，單位為hm2;T為高速公路拆遷至土建階段結束年限，單位為a。

1.2.2 建材及預制構件物化階段

因建材及預制構件的種類繁多，為方便核算該階段碳排放，本研究取物資預算清單中材料累計重量占總重量80%以上的建材及預制構件作為主要碳排放源進行分析，其余材料忽略不計[3]。建材及預制構件物化階段碳排放核算公式為

ES=Qi×EFi ，

式中：Qi為第i類建材及預制構件消耗量，單位為t;EFi為第i類建材及預制構件物化階段碳排放因子，單位為tCO2e/t。

1.2.3 建材及構配件運輸階段

建材及構配件運輸階段碳排放核算公式為

EV=Di×Aij×Mj ，

式中：Di為第i種貨物的消耗量，單位為t;Aij為第i種貨物第j種運輸方式的平均運輸距離，單位為km;Mj為第j種運輸方式下，單位重量運輸距離的碳排放因子，單位為kgCO2e/（t·km）。

1.2.4 土建施工階段

土建施工階段碳排放核算公式為

EC=RLi×RZi×EFi+ACe×EFe，

式中：RLi為施工過程消耗的第i類能源消耗量，單位為t;RZi為第i種化石燃料平均低位發熱量，單位為kJ/kg;EFi表示施工消耗的第i類能源碳排放因子，單位為tCO2e/TJ;ACe為施工過程電力消耗量，單位為kWh;EFe為國家電網公布的電力碳排放因子，單位為tCO2e/MWh。

1.3 碳排放強度

為準確評估各耗能單元的碳排放水平，提出高速公路土建階段碳排放強度F，其計算公式為

F=，

式中：F為高速公路土建階段碳排放強度（單位里程高速公路碳排放量），單位為tCO2e/km;I為核算范圍內的高速公路土建公路里程，單位為km;E表示土建階段碳排放量，單位為tCO2e。

2 高速39f198baaca84c7897af6b12d81380e4公路工程實際案例分析

2.1 工程概況

本研究選取某新建高速公路某典型標段工程土建階段作為研究對象，該標段土建工程總長為13.2 km，其中，隧道6座，長7.345 km，占線路長度的55.6%;橋梁5座，總長2.922 km，占線路長度的22.1%;路基長2.932 km，占線路長度的22.3%;涵洞8座，共計587.4橫延米;服務區1個。

2.2 高速公路標段工程土建階段碳排放核算

2.2.1 標段工程征拆階段碳排放核算

根據植被年固碳量及工程征拆階段至土建階段年限可得到不同征拆類型土地的碳排放量，見表1[4-5]。

本標段工程征拆階段碳排放總量為3 949.45 tCO2e，其中工程永久征拆土地減少的植被碳匯量為2 516.57 tCO2e，占總排放的63.72%;臨時征拆土地減少的植被碳匯量為1 432.88 tCO2e，占總排放的36.28%。

2.2.2 標段工程材料物化階段碳排放核算

根據前文簡化條件，通過選取該標段工程的如下33種主要材料對其物化階段產生的碳排放進行核算，具體見表2[6-10]。

本標段工程材料物化階段產生的碳排放量為412 200.34 tCO2e，其中混凝土物化產生的碳排放為200 477.53 tCO2e，占物化階段排放總量的48.64%;鋼材物化產生的碳排放為155 703.12 tCO2e，占物化階段排放總量的37.77%;塑料及其他化工材料物化產生的碳排放為52 624.11 tCO2e，占物化階段排放總量的12.77%;建筑原材料、火工品及鐵質加工品物化產生的碳排放較小，分別為3 079.44、247.05、69.09 tCO2e，占物化階段排放總量的0.75%、0.06%、0.01%。

2.2.3 標段工程材料運輸階段碳排放核算

高速公路工程建設過程中，采用的運輸方式一般為公路運輸，因此本文僅針對公路運輸進行碳排放計算，具體見表3[6，11-12]。

本標段工程材料運輸階段產生的碳排放量為17 032.55 tCO2e，其中建筑原材料運輸產生的碳排放為6 431.08 tCO2e，占運輸階段碳排放總量的37.76%;混凝土運輸產生的碳排放為4 994.35 tCO2e，占運輸階段碳排放總量的29.32%;鋼材運輸產生的碳排放為4 793.76 tCO2e，占運輸階段碳排放總量的28.14%;塑料及其他化工材料、火工品及鐵制加工品運輸產生的碳排放較小，分別占物化階段排放總量的4.39%、0.36%、0.03%。

2.2.4 標段工程土建施工階段碳排放核算

標段工程土建施工階段碳排放主要是項目工區施工設備耗能產生的碳排放及項目部及工區施工人員日常活動消耗的一次及二次能源產生的碳排放，具體碳排放見表4[6，13-14]。

本標段工程土建施工階段產生的碳排放量為23 267.05 tCO2e，其中能源燃燒所產生的直接碳排放為10 479.36 tCO2e，占土建施工階段總排放的45.04%，汽油、柴油、液化石油氣及乙炔消耗產生的碳排放占比分別為9.53%、35.13%、0.37%和0.01%;外購電力使用所產生的間接碳排放為12 787.68 tCO2e，占土建施工階段總排放的54.96%。

2.2.5 標段工程土建階段碳排放核算結果分析

匯總高速公路標段土建過程4個階段的碳排放量，見表5。本案例高速公路標段工程土建階段產生的碳排放總量為456 449.38 tCO2e，碳排放強度為34 579.50 tCO2e/km，標段工程征拆階段、材料物化階段、材料運輸階段、土建施工階段的碳排放量分別為3 949.45、

412 200.32、17 032.56、23 267.05 tCO2e，碳排放強度分別為299.20、31 227.30、1 290.35、1 762.66 tCO2e/km。

由圖1可以看出不同階段對高速公路標段工程土建過程的碳排放貢獻程度，標段工程土建過程的減排重點在材料物化階段，該階段碳排放量占土建階段總碳排放的90.31%，減排潛力巨大;征拆階段、材料運輸階段及土建施工階段的碳排放貢獻程度較低，僅占高速公路標段工程土建階段總碳排放的9.69%，對土建階段碳排放影響較小。

3 高速公路土建階段碳減排潛力分析

3.1 情景參數設置

由碳排放核算結果分析可知，材料物化階段是高速公路土建施工過程中的碳減排重要環節，鋼材以及混凝土在高速公路建設中均屬于高碳排放建材。結合有關再生建材使用的相關文獻，采用情景分析法，對未來高速公路土建施工過程中碳排放水平及潛力進行預測。以2023年為參考年，設置3種情景，分別為基準情景、保守型情景及樂觀型情景，情景指標的選取及設置參考《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》[15]，具體情景參數設置見表6。本研究所使用的再生碳排放系數數據參考相關研究文獻[16]至[17]。

3.2 碳減排潛力分析

碳排放強度指單位面積的碳排放量，將此參數與敏感性分析結果共同作為分析碳減排潛力的重要指標，計算結果如圖2所示。至2023年8月高速公路土建階段的碳排放強度為34 579.50 tCO2e/km，通過使用可再生混凝土及鋼材，碳排放強度顯著降低。2028年，情景一（保守型）、情景二（樂觀型）的碳排放強度分別為32 978.88、31 552.38 tCO2e/km，較基準碳排放強度降低4.63%、8.75%;2035年，情景一（保守型）碳排放強度為32 108.29 tCO2e/km，較基準碳排放強度下降7.15%。情景二（樂觀型）碳排放強度最低，為29 637.09 tCO2e/km，較基準碳排放強度實現最大降幅，為14.29%。

4 結論

本文對某高速公路標段工程土建階段碳排放進行量化核算及碳減排潛力分析，結論如下。

1）本文將高速公路土建過程劃分為4個階段，依據階段劃分提出高速公路土建階段碳排放核算邊界，構建了基于排放系數法的高速公路施工過程的碳排放計算模型，全面涵蓋了高速公路土建過程涉及碳排放的各個內容，特別是完善了建設前期由于征地減少的植物碳匯部分碳排放量。

2）高速公路土建階段的碳排放主要由材料物化階段產生，占土建過程總排放的90.31%，其他階段對總體碳排放影響較小。

3）結合情景設置探討了可再生建材比例對高速公路土建施工的減碳可行性。圍繞著碳減排潛力分析的結果，能夠有針對性地制定各階段減排措施。

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