基于公路改扩建节能减排造价管理系统的研究

2020-06-26 来源：爱站旅游

导读基于公路改扩建节能减排造价管理系统的研究

第16卷第76期2020年4月

交通节能与环保

TransportEnergyConservation&EnvironmentalProtection

Vol.16No.2April.2020

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2020.02.017

基于公路改扩建节能减排造价管理系统的研究

王珂，张宏宇，吕奋

（海南省交通规划勘察设计研究院，海南海口570206）

摘要：随着节能减排工作的深化和细化，公路基础设施建设的节能减排越来越受到重视。基于全国公路工程造价管理系统和中国生命周期核心数据库，可以快速实现改扩建公路生命周期能耗和碳排放的规范化核算，从而筛选出节能减排效益较优的设计方案。文章通过海南省某省道改扩建项目的实证研究，为设计方案节能减排核算及效益评价提供范例，为优化公路建设行业节能减排管理提供思路。关键词：低碳公路；节能减排；公路工程造价中图分类号：U412

文献标识码：A

文章编号：1673-6478（2020）02-0067-05

ResearchonDesignCostManagementSystemofEnergySavingandEmission

ReductionBasedonHighwayReconstructionandExpansion

WANGKe，ZHANGHongyu，LVFen

（HainanTransportationPlanningSurvey，DesignandResearchInstitute，HaikouHainan570206，China）Abstract：Withthedeepeningandrefinementofenergyconservationandemissionreduction，theenergyconservationandemissionreductionofhighwayinfrastructureconstructionhasreceivedmoreandmoreattention.Basedonthenationalhigh-wayengineeringcostmanagementsystemandChina'slifecyclecoredatabase，standardizedcalculationsofenergyconsump-tionandcarbonemissionsinthelifecycleofrebuildingandexpansionhighwayscanbequicklyimplemented，soastoscreenoutdesignswithbetterenergyconservationandemissionreductionbenefits.Throughtheempiricalresearchofapro-vincialhighwayreconstructionandexpansionprojectinHainanProvince，itprovidesexamplesforthedesignofenergycon-servationandemissionreductioncalculationandbenefitevaluationofdesignschemes，andprovidesideasforoptimizingen-ergyconservationandemissionreductionmanagementofthehighwayconstructionindustry.

Keywords：low-carbonhighway；energysavingandemissionreduction；highwayengineeringcost

0引言

近年来，人们对全球变暖的问题达成了共识，

人类自身行为被认为对近年来的全球变暖起到了重要的作用。随着节能减排工作的深化和细化，公路基础设施建设的节能减排越来越受到重视。在设计阶段注重技术改进，包括采用新材料、新方法、新工艺，实现资源节约和环境友好，是公路行业可持续发展的必然选择。

收稿日期：2019-10-05

随着信息化的发展，公路工程的造价管理采用了集成平台，为节能减排核算模块的嵌入提供了基础。在公路造价文件的基础上进行碳排放核算，是工程节能减排管理的有效措施[1]。将公路能耗和碳排放核算纳入全国公路工程造价管理系统，不仅可以实现碳排放总量的核算，更可以实现对具体方案的细化比选，从而为优化设计提供评价依据，从源头上实现公路产品的“清洁生产”。通过海南省某省道改扩建项目的实证研究，为设计方案节能减排核算

作者简介：王珂（1985-），女，江苏常州人，硕士，研究方向为环境科学。

表1公路建设材料碳排放系数

第16卷

及效益评价提供范例，为优化公路建设行业节能减排管理提供思路。1

节能减排评价方法

Tab.1Carbonemissioncoefficientofhighwayconstruction

materials

物质名称

排放系数

kgCO2eq/kg2.640.862.840.210.972.9123.860.0030.930.740.66

PED（MJ）/kg39.0556.0042.2725.9812.7943.72281.4250.610.00347.3429.0815.4941.8243.0742.6538.930.180.040.034.500.0340.82

数据来源CLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCDCLCD国内规范国内规范国内规范国内规范国内规范ELCD节能减排核算及评价体系是优化设计的基础，通常采用ISO14040生命周期评价标准，即从摇篮到坟墓的评价视角，包括原路废弃、原材料生产、建设期、运营期和报废阶段。原路废弃阶段单独计列是为了更好地分析原路资源的利用率。该项目是沥青路面，报废期考虑全部回收利用，没有混凝土板需要废弃，因而报废期不考虑。评价期为沥青设计年限12年，节能减排核算的内容是碳排放和初级能耗。

钢筋沥青钢管煤电钢板重油

原材料生产

铝合金粘土汽油水泥水碎石柴油铁件砂天然气

0.00020.0020.802.36

0.0030.283.172.932.163.11.9图1

Fig.1

公路改扩建节能减排核算范围

建设、运营

煤重油汽油柴油天然气

废弃

建筑垃圾

20.91

Accountingrangeofenergysavingandemissionreductionforhighwayreconstruction

能耗指标主要以煤、石油等初级能耗（简称PED）作为核算基准,单位为MJ/kg。碳排放指标（简称GWP）衡量温室气体排放量，包括二氧化碳，甲烷等，以二氧化碳为核算基准，单位为kgCO2eq/kg。碳排放量和初级能耗的核算方法为

0.01注：建设、运营阶段碳排放和能耗数据来源于《综合能耗计算通则》（GB/T2589-2008）和《省级温室气体清单编制指南》（发改办气候[2011]1041号）。

其中，Qi为i种材料清单量，fi为i种材料碳排放系数，Pi为i种材料初级能耗系数。

在基于生命周期的碳排放核算的案例研究中，

原材料的排放因子和工程的材料清单数据一直是研究的难点，应用公认的本土数据库是保证评价结果适用性和可比性的关键。国外成熟的碳排放软件工具及数据库在材料种类、施工工艺以及机械工具的使用上与我国的道路工程实际建设情况有较大的出入。不同的数据库得出的环境影响结论存在25%的误差率[2]。为了尽可能采用本土获得公认的排放系数数据，原材料生产的碳排放和能耗数据采用四川大学CLCD[2]中国生命周期核心数据库，建设期能耗采用国标《综合能耗计算通则》和《省级温室气体清单编制指南》核算，保证了排放系数的规范和统一。

∑GWP=Q

ni=1

×fi，∑PED=Qi×Pi，

ni=1

（1）

工程的材料清单数据来源于施工图设计和实际

消耗量调查，可靠性较强。建设期数据采用我国通用的公路造价管理系统，基于行业定额标准实现清单的自动汇总，从而避免在实践层面对物质能量流进行过于深入分析和探讨，如表1所示。运营期清单数据采用项目沿线道班（江边、东河一和东河二道班）2017年实际的养护投入消耗量按规模进行折算，按设计年限计12年计养护期。数据基本基于原材料，独立性和敏感度较好，并经过了物质守恒审定，防止不同的数据库口径出现计算重复。

经核算，本研究依托项目碳排放为1.8e6kg-CO2eq/km，主要集中在改扩建的原材料生产阶段，占比83%，其次为建设阶段的10%和原路废弃阶段的5%，运营期养护占比2%。初级能耗为2.58E+07MJ/km，占比与碳排放类似。由于本项目主要能耗碳排放集中在建设阶段，因此在方案比选时主要

69考虑建设期消耗，不考虑建设期投入对运营期养护消耗影响。然而对于高等级公路，运营养护阶段消耗通常更高，则需要更多考虑建设方案在运营阶段节能减排表现。Park核算了高速公路的碳排放为2.6e6kgCO2eq/km，并总结了公路碳排放最大的为原材料、运营养护阶段，其次为建设期和废弃阶段[4]。可见研究范围必须适应道路建设类别的差异和地域的差异。2

优化设计应用

GWP/kgCO2eqkm-1··

图2碳排放累计贡献图

Fig.2Cumulativecontributionofcarbonemissions

国际公路联合会（TheInternationalRoadFedera-tion）针对道路建设项目设计了一套基于碳排放核算的模型和优化设计步骤，优化设计分为四个步骤：（1）公路项目的实施环境细化分析；（2）建设技术和材料方案比选；（3）优化材料供应选择，根据材料供应商的位置优化拌和场地的位置选择，优化运输方式等；（4）各项措施对温室气体减排效益的比较。选取海南省某条省道改造项目作为实证分析对象，根据上述步骤实施节能减排优化设计。对于改扩建公路，尤其要重视原路资源的再利用，包括直接使用和挖除废料的循环利用。2.1公路项目的实施环境细化分析

该省道为二级公路改造，总长78.5km，路基宽8.5m，改造项目设计拓宽至12m。现状多数路段原路面结构层偏薄，结构松散，再利用作为面层比较困难，实际改建方案中，利用旧路作为路面底基层。排水防护现状为浆砌片式结构，从养护情况来看品质较差，破损情况较多，改建方案为混凝土水沟和片石混凝土为主的防护方案。2.2建设技术和材料方案比选

按照各类材料的碳排放贡献程度，水泥的贡献率达到60%以上，见图2所示。减少水泥用量是减排的关键。水泥原料在煅烧的生产工艺中产生大量二氧化碳，是传统的碳排放大户。水泥用量主要体现在路面基层，桥涵构造物、混凝土挡土墙和混凝土水沟等方面，路基工程水泥用量占比最高，达到52%，其中挡土墙占36%，水沟占12%，其他3%，路面基层用料仅占19%。水泥用量较高是导致碳排放量偏高的主要原因。从初级能耗来看沥青最高，占比40%左右，见图3，主要由于沥青拌和一般采用热拌工艺，消耗大量能源，而水泥不需要。各分项专业的方案比选如图2、图3。

（1）路线方案比选

在选线方面，集约利用通道资源，改扩建公路

要充分发挥原通道资源作用，安全利用原有设施。本项目除仅对局部危险路段进行改线，而对其他局部线形较差段落进行优化，占比可忽略不计。基本上实现了对现有养护设施完全利用。

（2）路面方案比选

根据方案比选评价，水泥路面方案碳排放大大高于沥青路面方案，见表2。因为产品本身的碳排放大，而且水泥结构可再生性差，过了设计年限将被废弃，所以碳排放较高。能耗方面虽然新建沥青路面较高，但是未来可以通过沥青再生或温拌技术降低。工可阶段推荐了就地冷再生技术，但是考虑到项目实施环境，天新线现状多数路段原路面结构层偏薄，结构松散，再利用作为面层比较困难，对结构稳定性和后期养护不利，施工图设计阶段通过各方论证采用原路加铺方案。

沥青路面施工各环节，拌和过程能耗最多，摊铺碾压过程比例最小，如果采用厂拌热再生方案或温拌沥青方案，有可能减少能源消耗。泡沫温拌沥青可以实现能耗最低化，但是要求不使用温拌剂，因为温拌剂本身的碳排放和能耗较高。目前，再生

Fig.3

Cumulativecontributionofprimaryenergy

consumption

70表2

Tab.2

交通

路面方案节能减排核算及效益评价

节能与环保第16卷

Energysavingandemissionreductioncalculationandbenefitevaluationofpavementscheme

新建沥青路面

25cm水泥沥青厂拌热再泡沫温混凝土生掺量25%[5]拌沥青[6]

736*145502891*9819416更优3730485137131824GWP/kgCO2eq·m-2面层每平米成本/元GWP贡献率/%PED贡献率/%PED/MJ·m-2

12121341646

30设计方案更优

注：带*表示将最终废弃的混凝土纳入核算。贡献率分子为方案值，分母为施工图设计值。

浆砌片石替换混凝土结构需要提升浆砌片石施工

品质。

（4）防护方案比选

根据防护方案节能减排核算，浆砌片石节能减排效益最好，其次是片石混凝土结构，泡沫轻质土结构表现较差，见表4。设计方案挡土墙改建方案92%采用片石混凝土结构，8%采用了泡沫轻质土结构，其他护脚，坡面铺砌等仍然采用浆砌结构，并利用了旧路废弃石料。泡沫轻质土结构的选用主要是为了保证施工安全性、便利性和经济性较好，在高填方段应用，考虑其节能减排和经济效益没有明显优势，未大量应用。

表4

Tab.4

防护方案节能减排效益评价

路面施工经验还不足、工艺质量和耐久性无法保障。国内泡沫温拌沥青技术的发展尚处于起步阶段，国产工厂及实验室沥青发泡设备研发不足，影响了现阶段新技术的应用和节能减排效益的最大化。

本项目路面结构主要为30%的路段利用现状道路作为底基层加铺（其他路段路面现状不满足加铺利用条件），并细化设计单元，每300m进行拉坡和路面结构设计，没有对废弃沥青进行再生。该方案共计降低碳排放3%，其中，路面结构调整仅降低了1%的碳排放量和能耗，减少沥青废弃共计降低2%的碳排放，减少废弃的意义大于节约资源。

（3）排水方案比选

根据排水方案核算结果，浆砌片石结构优于混凝土结构，见表3。由于浆砌片石水沟节约了水泥消耗，增加了碎石消耗，无论是建设还是养护阶段，节能减排效益明显较高于混凝土结构，造价也更经济，如表2所示。实践中采用混凝土结构，主要考虑热带山区雨水冲刷较大，浆砌结构耐久性差，尤其在海南地区施工品质差，破损较多养护麻烦。用

表3

Tab.3

排水方案节能减排核算及效益评价Energysavingandemissionreductioncalculationandbenefitevaluationofdrainagescheme

混凝土水沟

GWP/kgCO2eq·m-2

PED/MJ·m-2每米造价/元

1672*100073247*

浆砌片石水沟

6094002192

Evaluationofenergyconservationandemissionreductionbenefitsofprotectionschemes

片石混凝土+8%泡沫轻质土15427462111218浆砌片石5514008480片石混凝土15037502110211泡沫轻质土19947003014309GWP/kgCO2eq·m-2每立方米造价/元GWP贡献率/%PED贡献率/%PED/MJ·m-2

设计方案更优

注：贡献率分子为方案值，分母为施工图设计值。

GWP贡献率/%PED贡献率/%

设计方案更优

注：带*表示将最终废弃的混凝土纳入核算。贡献率分子为方案值，分母为施工图设计值。

2.3优化材料供应选择等

为了实现精细化设计，项目根据实际的施工标段和当地料场的位置优化拌合场地的位置选择，优化运输方式[7]。该措施实施后实现了平均运距的最小化，实现资源的最优配置。此外，施工过程采用天然气作为拌和站的能源供给，每吨混合料消耗将由6.5kg的重油改为5.8m3的天然气，大约能减少1%的碳排放和3%的能源消耗。

旧路挖除的圬工材料均可以在改建过程中予以充分利用，以减少资源消耗，同时还可以降低工程造价，可操作性比较大。本项目挖除粒料全部回用至台背回填、浆砌片石全部再利用、废弃合格土挖方全部回填，3类措施节能减排占比总计3%，其中节约原材料占比约为1%，减少废弃占比2%。减少废弃比节约开采对节能减排效益更大，因为建筑垃圾被废弃后长期占用土地资源，而且由于材料的难降解性，其影响几乎是永久性的。

2.4各项措施对温室气体减排效益的比较

各类方案措施的节能减排效益对比情况显示，

71温拌沥青是节能最为有效的措施，混凝土替代方案是减排的有效措施，如表5所示。此外，通过精细化设计，贯彻节能减排的设计原则，包括新能源的使用、旧路废弃资源的综合利用和优化材料运输调配等，同样有助于实现节能减排目标的实现。一些优化设计如拌合站油改气、旧路材料再利用等措施尽管相对整个公路项目来说节能减排效益不大，但具有较高的可推广性，技术也比较成熟，在优化设计的过程中应该着重考虑。

表5Tab.5

各类节能减排方案效益情况一览表Benefitsofvariousenergysavingandemission

reductionprograms

GWP减排效益3%1%9%5%3%1%1%1%1%0

PED节能效益28%9%3%4%2%1%1%1%1%1%施工图设计实施率0，技术有待提升0，技术有待提升0，技术可行0，技术可行0，技术可行已实施已实施已实施已实施已实施

方案措施泡沫温拌沥青厂拌热再生掺量25%拌合站油改气浆砌片石防护替换片

石混凝土防护浆砌片石水沟替换片

石混凝土水沟旧路作为底基层利用粒料回用至台背回填浆砌片石再利用适用废弃挖方回填优化运输方式

基础上的保守优化情景。未来温拌沥青、厂拌热再生等技术成熟后有望实现碳排放减少25%，节能51%，即最佳优化情景。

通过类比工程验证，公路建筑材料的选择对碳排放和能耗的影响较大，可优化空间较大。同类型的省道改造什邦线，全长90.177km，二级公路改建，沥青混凝土路面，路基宽8.5m，改造项目设计拓宽至12m，与天新线规模类似。施工图设计碳排放为1.26e6kgCO2eq/km，初级能耗为2.09E+07MJ/km，比天新线碳排放为1.82e6kgCO2eq/km，初级能耗为2.58E+07MJ/km显著降低，主要原因是什邦线排水防护均为浆砌结构。该项目消耗水泥880kg/km，消耗片石1259m3/km。天新线消耗水泥1586.2kg/km，消耗片石790.7m3/km。情景分析和类比分析结果均显示，节能减排核算及效益评价体系对于促进公路建设的可持续发展具有指导作用。

根据各类措施的实施情景和时序不同，按照“无节能减排措施”、“设计实际”、“保守优化情景”、“最佳优化情景”进行了分析预测，如图5所示。结果显示，与无任何节能减排措施和废弃物综合利用的情况下，现有设计方案可以实现7%的碳排放降低和5%的能耗。在现有工程技术的基础上，通过增加节能减排政策压力，采用“更优”方案有望进一步降低22%的碳排放，以及14%的能耗，即现有技术

图6碳排放及能耗类比分析

Fig.6Analogousanalysisofcarbonemissionsand

energyconsumption

3结论与展望

图5

Fig.5

节能减排情景预测图

Scenarioforecastofenergysavingand

emissionreduction

（1）基于公路造价信息管理系统的节能减排核算体系适用于我国改扩建公路工程管理实践。通过构建标准化的信息管理系统，为公路设计方案比选提供能耗和碳排放基础信息，促进旧路资源的循环再利用，从而为全过程碳排放管理提供环境效益决策依据。

（2）从节能减排的角度进行公路优化设计，减少水泥用量和降低拌和温度是关键，对于降低整个公路生命周期能耗和碳排放起到决定性作用。此外，对于改扩建公路，尤其要重视原路资源的再利用，包括直接使用和挖除废料的循环利用，减少废弃。

（3）依托项目尽可能地利用了旧路资源和废弃料，现有设计方案可以实现7%的碳排放降低和5%的能耗。在现有工程技术的基础上，通过增加节能

（下转第77页）

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（上接第71页）

结构，可进一步降低22%的碳排放，以及14%的能

耗。随着未来温拌沥青、厂拌热再生等技术成熟后，有望实现碳排放和能耗进一步显著降低。

（4）在具体实践中，方案比选往往还要考虑场地特点和施工情况。要提高节能减排最优方案的应用，还需要提高节能减排的政策压力，对施工技术进行提升和创新应用，这需要全行业从节能减排的角度去思考和认识问题，从政策层面予以指导和支持。

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