徐星璐，陳一梅，夏舒豪，施文杰，張賀城

（東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京210000）

江蘇作為水運大省，共有內(nèi)河航道里程2.39萬km（不含長江），根據(jù)國家“十一五”計劃指導(dǎo)，內(nèi)河限制性航道提升改造任務(wù)重。護岸作為內(nèi)河限制性航道整治工程的重要組成部分，也是建設(shè)能耗較大的部分之一。因此，研究內(nèi)河限制性航道護岸工程的能耗對于推進內(nèi)河航道工程節(jié)能減排有十分重要的意義。

對于公共建筑的節(jié)能減排研究，國內(nèi)外學(xué)者主要集中于住宅、房屋的能耗評，而針對航道工程的節(jié)能減排研究才剛。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，運用LCA理論，以鹽河航道改造工程為例，探討內(nèi)河限制性航道護岸工程全生命周期能耗計算方法。

1 護岸全生命周期的能耗及計算模型

1.1 能耗分析

LCA全生命周期理論即對一種結(jié)構(gòu)物從其生產(chǎn)到銷毀或回收的全過程的能耗評估理論。根據(jù)護岸工程的特點，護岸全生命周期進程分為3個階段，主要能耗環(huán)節(jié)清單如下：

圖1 護岸全生命周期能耗分析圖

護岸設(shè)計階段主要考慮護岸工程實體構(gòu)造物的內(nèi)含能，是工程建筑物或者臨時輔助設(shè)施建設(shè)過程中消耗的全部建筑材料的內(nèi)含能量，包括原材料從獲取到制成成品的全過程能量消耗，稱之為結(jié)構(gòu)物能耗。

護岸建造階段，運輸建材消耗的能源稱之為運輸能耗。護岸工程施工過程中各種施工機械 （如吊車、攪拌機、焊機等）和車船（挖卡車、挖泥船等）運行能耗，稱之為施工能耗。

護岸使用階段，受水流和船行波沖刷，以及船舶碰撞或人為因素等影響，護岸會出現(xiàn)破損。為了保持護岸的功能與安全性，必須對受到破壞的部分進行修復(fù)。維修材料的運輸耗能以及修補施工的機械耗能，稱之為維修能耗。

如果受損護岸已經(jīng)無法修復(fù)，則需要對廢舊護岸進行拆除，建造新的護岸。護岸拆除，除了拆除機械的耗能外，還需考慮拆除后的廢物拋棄處理和回收能耗。

圖2 護岸使用階段能耗點分析

1.2 計算模型

根據(jù)前述分析，內(nèi)河限制性航道護岸工程全生命周期總能耗Ee定義為結(jié)構(gòu)物能耗、運輸能耗、施工能耗以及維修和拆除能耗的總和，可用下式表達：

式中 Em為結(jié)構(gòu)物能耗，與設(shè)計階段確定的護岸形式、所用材料的類型、數(shù)量有著密切關(guān)系；Et為運輸能耗，與材料運輸距離和重量有關(guān)。

式中 n為構(gòu)造物所用材料種類的總數(shù)目；Qmi為構(gòu)造物所用第i種材料的總重量（t）；ei為構(gòu)造物所用第i種材料的內(nèi)含能量強度值（GJ/t），考慮材料的使用周期，在內(nèi)含能中加入回收率后，建材內(nèi)含能=建材單位能耗量×（1-可回收系數(shù)）+回收再生產(chǎn)能耗×可回收系數(shù)；Qti為運輸?shù)?i種材料的總重量（t）；eti為第 i種材料每千噸公里的運輸耗能（GJ/kt·km）；Li為第i種材料的運輸距離。

Ec為施工能耗，與施工時的設(shè)備種類，工作時長有著密切的關(guān)系，由于現(xiàn)場設(shè)備工作時間難以準(zhǔn)確統(tǒng)計，在建立模型時可根據(jù)報價表中機械花費以及機械臺班進行能耗計算。

式中 m為構(gòu)造物施工中分項工程的總數(shù)目；η為燃料費/機械單價，查閱相關(guān)機械定額臺班表得；bi為第i項分項工程的機械單價；c為當(dāng)年油、電的平均單價；q為油、電的內(nèi)含能值或碳排放量。

Ew為護岸的維修能耗，Ed為護岸的拆除能耗。由于在結(jié)構(gòu)物能耗部分考慮了材料的回收率，此處就可不計拆除后的回收能耗。

式中 b為修補次數(shù)；ewi為護岸缺陷修補能耗，包括修補材料內(nèi)含能、材料的運輸和施工；Qdi為拆除的第i種材料質(zhì)量；edi為拆除的單位質(zhì)量材料的能耗。

2 實例計算

鹽河航道整治工程中的4標(biāo)CL-1型護岸：一級直立式擋墻墻身為現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一級擋墻駁岸后方設(shè)5.00m寬的平臺，二級護岸為自嵌式擋土墻，同時提高沿線的景觀形象，平臺種植植物，如圖3所示。

圖3 CL型結(jié)構(gòu)圖

2.1 結(jié)構(gòu)物能耗計算

根據(jù)2011年中國能源年鑒，采用等價熱值法，將主要能源能耗折算成標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，汽油1.4714kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg，柴油1.4571kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg，電 0.9540kg/kW·h。根據(jù)材料的生產(chǎn)清單，計算各主要材料內(nèi)含能，鋼材考慮回收率，水泥采用新干法，江蘇內(nèi)河限制性航道護岸常用的6種材料內(nèi)含能如表1所示。

表1 內(nèi)河限制性航道護岸主要材料內(nèi)含能

統(tǒng)計各護岸結(jié)構(gòu)所消耗的結(jié)構(gòu)物數(shù)量，根據(jù)模型（2），計算出CL-1型護岸的結(jié)構(gòu)物每延米耗能，如表2。

分析表2和4圖可以看出，結(jié)構(gòu)物能耗中占比大的前三位依次是:水泥、塊石、鋼筋。土工布、水和自嵌塊的能耗均小于等于1%。CL-1型護岸中使用了相當(dāng)數(shù)量的PVC材料，使得PVC的能耗占到了結(jié)構(gòu)物能耗的10%。碎石和砂子均用來拌和混凝土，因此可以得出，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)物能耗中占比最大的項目。

表2 CL-1型護岸結(jié)構(gòu)物能耗

圖4 CL-1型護岸結(jié)構(gòu)物能耗組成

2.2 運輸能耗計算

根據(jù)施工年份2010年《中國交通統(tǒng)計年鑒》，汽車運輸?shù)膯挝荒芎牧繛?2.5kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kt·km，內(nèi)河水路運輸單位能耗為10.5kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kt·km，換算成能耗單位GJ可得出，汽車陸運單位能耗為1.19GJ/kt·km，內(nèi)河水運為 2.40GJ/kt·km。

本次整治工程位于朱碼二線船閘～武障河段，護岸工程的主要建材為水泥、石料、黃砂、鋼筋、木材等，工程建設(shè)所需的鋼材、水泥、木材均可從連云港、淮安購進，砂石料可通過鹽河從灌云、淮沐新河線水運至工地。相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）可得表3。

表3 運輸能耗計算

運輸階段，內(nèi)河水運單位運輸能耗量遠遠小于汽車陸運，是相對綠色的運輸方式。CL型護岸材料運輸能耗從大到小依次為：水泥、碎石、黃砂、塊石、鋼筋。前三種均為用于拌制混凝土的材料，因此，混凝土材料的使用是CL型護岸運輸能耗增加的關(guān)鍵。

2.3 施工能耗計算

分析各分項工程的工藝流程，混凝土鋪砌類所用機械（攪拌機，鋼筋加工機）等消耗的是電；圍堰或者土方開挖和回填所用機械（挖掘機，翻斗車）消耗的是油。因此，根據(jù)模型（4），計算施工能耗如表4。

表4 分項工程施工能耗

統(tǒng)計各類型護岸分項工程施工能耗占比：

通過分項工程能耗占比可以看出，土方開挖、土方回填、方樁和混凝土墻身是施工能耗的主要組成部分，這是因為土方工程使用的挖掘機為大型耗油設(shè)備，耗油量大。混凝土方樁打樁能耗較大。

施工能耗的計算僅考慮了施工機械耗能，施工過程中的輔助設(shè)施如工地照明、人員后勤設(shè)備耗電等均未考慮入內(nèi)。

2.4 維修和拆除階段

內(nèi)河限制性航道護岸在使用階段損壞的主要原因是碰撞，設(shè)計低水位以上部分較易損壞，根據(jù)已建護岸調(diào)查，一般每公里損壞率小于1%。CL-1型一級護岸為鋼筋混凝土，當(dāng)其損壞體積占總體積15%～26%時需要修補；二級自嵌塊結(jié)構(gòu)一般不需要維修。計算得每延米維修能耗為0.068GJ。

拆除采用挖掘機，主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的拆除。根據(jù)資料平均拆除每立方米混凝土的燃油消耗為22.1kg。調(diào)查知廢物填棄點據(jù)工程點平均距離為3km。由模型（6）可得，每延米拆除能耗為4.80GJ，埋棄能耗為0.043GJ。

2.5 各階段護岸能耗比較

根據(jù)前述各階段能耗統(tǒng)計計算，CL-1型護岸全生命周期能耗及相應(yīng)部分的能耗分配比如表5。

表5 CL護岸全生命周期總耗能

就CL型護岸而言，從圖5看，能耗占比由大到小依次為結(jié)構(gòu)物能耗、施工能耗、拆除能耗、運輸能耗和維修能耗。結(jié)構(gòu)物能耗占了總能耗的77.09%，而維修能耗的占比0.16%，拆除能耗占比較大在11.11%。

圖5 CL護岸全生命周期每延米總能耗

3 結(jié)語

根據(jù)全生命周期能耗分析，內(nèi)河限制性航道護岸工程，應(yīng)把能耗控制的重點放在設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)選型上。減少鋼筋混凝土等人工合成材料的使用，選擇適合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)且形式簡單、材料綠色、耐用的護岸類型。考慮施工條件，盡量減少土方類工程，減少大型施工耗油機械的使用，提高施工效率。做好護岸的維修管理延長護岸壽命，避免拆除，也是節(jié)能和減少資源浪費的有效措施。

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