， ， 晶晶

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

2017年11月，交通運(yùn)輸部發(fā)表了關(guān)于全面深入推進(jìn)綠色交通發(fā)展的意見，提出了綠色交通發(fā)展分兩步走的目標(biāo)。第一步:到2020年初步建成布局科學(xué)、清潔低碳、生態(tài)友好、集約高效的綠色交通運(yùn)輸體系；第二步:到2035年基本形成與生產(chǎn)生活生態(tài)相協(xié)調(diào)、與資源環(huán)境承載力相匹配的交通運(yùn)輸發(fā)展新格局。對(duì)于交通基礎(chǔ)設(shè)施工程應(yīng)積極推行生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)，合理選用降低生態(tài)影響的工程結(jié)構(gòu)、建筑材料和施工工藝，以減少能源消耗。

國(guó)外學(xué)者對(duì)于瀝青路面溫室氣體排放方面已經(jīng)做了較多研究，如Kim Byungil[1]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了瀝青路面建設(shè)溫室氣體排放計(jì)算模型，該模型可在施工前期準(zhǔn)確地預(yù)估瀝青路面溫室氣體的排放效果。Hanson Christopher和Noland Robert[2]通過已有碳排放因子等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了熱拌、溫拌及冷拌瀝青混合料溫室氣體估算方法。國(guó)外學(xué)者不僅對(duì)不同路面類型溫室氣體排放估算有一定研究，對(duì)于節(jié)能減排方面也建立了評(píng)價(jià)體系，主要有BEST道路節(jié)能減排評(píng)價(jià)系統(tǒng)[3]以及Greenroads評(píng)價(jià)系統(tǒng)[4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者潘美萍[5]明確了瀝青路面碳排放測(cè)算范圍,并提出了生命周期評(píng)價(jià)碳排放量理論。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于高速公路路面碳排放研究，主要成果是建立了不同材料路面的溫室氣體排放估算模型和瀝青路面碳排放評(píng)價(jià)系統(tǒng)。本文則是通過建立瀝青路面施工機(jī)械碳排放測(cè)算模型，在滿足益婁高速公路路面施工工期和瀝青混合料供給的前提下，設(shè)計(jì)了3個(gè)不同型號(hào)組合的施工機(jī)械方案。通過計(jì)算并比較各方案碳排放當(dāng)量，確定了滿足益婁高速公路低碳施工要求的方案，并提出了瀝青路面低碳化施工措施，為益婁高速公路低碳施工提供一定的理論依據(jù)。

1 瀝青路面施工機(jī)械碳排放邊界

瀝青路面施工階段可以劃分為瀝青混合料拌和階段、瀝青混合料運(yùn)輸階段、瀝青混合料攤鋪階段及瀝青混合料壓實(shí)階段，由于不同階段使用的機(jī)械設(shè)備不同，消耗燃油情況也不一樣，具體施工流程及機(jī)械燃油消耗如圖1所示。

機(jī)械化施工消耗了大量能源[6-7]，不同機(jī)械設(shè)備在不同施工環(huán)節(jié)消耗的能源及溫室氣體排放類型均不同。通過對(duì)相關(guān)研究成果進(jìn)行總結(jié)[8]，瀝青路面施工碳排放來源和溫室氣體排放類型見表1。

圖1 瀝青路面施工機(jī)械碳排放邊界Figure 1 Asphalt pavement construction machinery sources of carbon emissions

表1 施工階段溫室氣體排放Table 1 Greenhouse gas emissions during various construction stages施工階段機(jī)械設(shè)備拌和階段瀝青拌和樓、裝載機(jī)運(yùn)輸階段自卸汽車攤鋪階段攤鋪機(jī)碾壓階段輪胎壓路機(jī)、光輪壓路機(jī)能源消耗排放氣體柴油、電能CO2、CH4、VOC柴油、汽油CO2、CH4、N2O柴油CO2、CH4、N2O柴油CO2、CH4、N2O、VOC

通過表1可知，瀝青路面施工期碳排放來源于瀝青拌和站消耗的電能、重油以及在運(yùn)輸、攤鋪、碾壓環(huán)節(jié)消耗的汽油和柴油[9]。

2 瀝青路面施工機(jī)械碳排放量測(cè)算模型及指標(biāo)

2.1 瀝青路面施工機(jī)械碳排放測(cè)算模型

通過以上分析可知，瀝青路面施工機(jī)械所消耗的能源可以分為兩類,分別是電能和燃油,因此本文提出瀝青路面施工機(jī)械碳排放測(cè)算模型為:

E=E1+E2

(1)

式中：E為瀝青路面施工機(jī)械碳排放總量,kg；E1為瀝青路面施工機(jī)械耗電產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量，kg；E2為瀝青路面施工機(jī)械耗油產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量，kg。

a.施工機(jī)械消耗電能產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量E1。

瀝青拌和站消耗電能產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量E1。碳排放當(dāng)量E1計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：E1為瀝青路面施工機(jī)械耗電產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量，kg；A為電能消耗量，kW·h，1 kW·h=3.6 MJ；EF電為電能碳排放因子，kg/MJ；GWHj為耗電排放第j類氣體全球變暖潛值，j=1,2,3分別表示CO2、CH4和N2O。

b.施工機(jī)械耗油產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量E2。

瀝青路面施工期瀝青混合料拌和站、裝載機(jī)、自卸汽車、攤鋪機(jī)械和碾壓機(jī)械均以消耗燃油產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量E2。碳排放當(dāng)量E2計(jì)算公式見式(3)。

(3)

式中：E2為瀝青路面施工機(jī)械耗油產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量，kg；Mα為第α類機(jī)械設(shè)備油耗量，t;α=1,2,3,4,5分別表示裝載機(jī)、瀝青拌和站、自卸汽車、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)；Qi為第i類燃油的單位發(fā)熱量，MJ/t,i=1,2,3分別代表柴油、重油、汽油；EFij為第i類燃油排放第j類氣體排放因子,kg/MJ;GWHij為第i類燃油排放第j類氣體全球變暖潛值，數(shù)據(jù)見表2。

2.2 瀝青路面施工機(jī)械碳排放量測(cè)算指標(biāo)

在瀝青路面施工過程中，測(cè)算施工機(jī)械碳排放情況即可體現(xiàn)施工階段碳排放水平，而施工機(jī)械碳排放量可以通過機(jī)械設(shè)備消耗的能源測(cè)算，經(jīng)通過能源與碳排放量之間的轉(zhuǎn)換，即可求得施工機(jī)械碳排放量[10]。能源和溫室氣體測(cè)算可通過下列指標(biāo)表示：

a.標(biāo)準(zhǔn)能耗:體現(xiàn)對(duì)能源的消耗情況，單位：t；

b.溫室氣體:二氧化碳排放當(dāng)量，體現(xiàn)溫室氣體的排放情況，單位：kg。

溫室氣體100 a全球變暖潛值如表2所示，電能和不同燃油類型碳排放因子、單位發(fā)熱量分別如表3、表4所示。

表2 全球變暖潛值Table 2 Global warming potential溫室氣體全球變暖潛值溫室氣體全球變暖潛值CO21N2O298CH425

表3 溫室氣體排放因子Table 3 Greenhouse gas emission factor能源類型排放系數(shù)CO2CH4N2O重油/(kg·MJ-1)0.073 31.254 5 E-42.509 0 E-5汽油/(kg·MJ-1)0.069 31.292 1 E-42.584 2 E-5柴油/(kg·MJ-1)0.074 11.297 6 E-42.559 1 E-5電華東/(kg·kW-1·h-1)全國(guó)/(kg·kW-1·h-1)0.9272.73E-31.44E-50.8992.75E-51.44E-5

表4 常用能源單位發(fā)熱量Table 4 Common energy unit heat (MJ·t-1)能源類型單位發(fā)熱量能源類型單位發(fā)熱量汽油43 070重油41 816柴油42 652

數(shù)據(jù)來源：《IPCC第四次評(píng)估報(bào)告》(IPCC AR4,2007)。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

本文選擇益婁高速公路16～19標(biāo)段路面工程作為研究對(duì)象，該高速公路主線全長(zhǎng)104.622 km。主線一般路面結(jié)構(gòu)層由下往上包括水泥穩(wěn)定碎石基層、改性瀝青表處封層、下面層、中面層和上面層。

3.2 瀝青路面施工機(jī)械選型

由瀝青路面施工順序可知，瀝青路面最先確定的機(jī)械應(yīng)為瀝青拌和站[11]，根據(jù)瀝青拌和站的修建，再根據(jù)公路工程預(yù)算定額選擇與瀝青拌和站生產(chǎn)能力相匹配的運(yùn)輸汽車、攤鋪機(jī)和壓路機(jī)。而瀝青拌和站的確定主要考慮其生產(chǎn)率，瀝青拌和站生產(chǎn)率計(jì)算公式見式(4)。

Q=L×W×H×ρ/M×T×K

(4)

式中：Q為拌和設(shè)備瀝青混合料生產(chǎn)率，t/h；L為攤鋪長(zhǎng)度，m；W為攤鋪寬度，m；H為攤鋪厚度，m；ρ為瀝青混合料壓實(shí)密度，一般ρ=2.3 t/m3；M為計(jì)劃施工工期，d；T為每日實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，一般T=10 h；K為施工日系數(shù)(一般K=0.8)。

由式(4)可知，對(duì)于施工方案而言，為滿足瀝青混合料的供給，所選擇的瀝青拌和站生產(chǎn)能力必須大于公式(4)求得的結(jié)果。

根據(jù)益婁高速公路工程概況可知公路長(zhǎng)度為104.622 km,瀝青路面攤鋪厚度為0.18 m，路面寬22.5 m，瀝青路面計(jì)劃施工工期為13個(gè)月。由式(4)可計(jì)算得本高速公路瀝青拌和站生產(chǎn)能力應(yīng)大于313 t/h。

綜上所述，對(duì)瀝青拌和站修建設(shè)計(jì)了3個(gè)方案，方案1：修建1個(gè)生產(chǎn)能力為320 t/h的瀝青拌和站，與該瀝青拌和站生產(chǎn)能力配套的其他路面施工機(jī)械如表5所示；方案2：同時(shí)修建2個(gè)生產(chǎn)能力均為160 t/h的瀝青拌和站，與該瀝青拌和站生產(chǎn)能力配套的其他路面施工機(jī)械如表6所示；方案3：修建2個(gè)瀝青拌和站，生產(chǎn)能力分別為120和240 t/h，配套的其他路面施工機(jī)械見表7。

3.3 施工機(jī)械方案碳排放測(cè)算及結(jié)果分析

3.3.1施工機(jī)械方案碳排放測(cè)算

根據(jù)《公路工程預(yù)算定額》和瀝青拌和站修建方案，選擇相匹配的自卸汽車、裝載機(jī)、壓路機(jī)和攤鋪機(jī)類型，利用式(1)、式(2)和式(3)對(duì)方案1、方案2和方案3進(jìn)行測(cè)算，得到各施工機(jī)械方案碳排放當(dāng)量見表5、表6和表7。

表5 方案1施工機(jī)械碳排放量Table 5 The first program carbon emission equivalent calculation table機(jī)械類型臺(tái)班能源類型能耗量/(kg·臺(tái)班-1)kW·h總能耗量/t碳排放當(dāng)量/t3 m3以內(nèi)輪胎式裝載機(jī)1 072柴油115.15113404320 t/h以內(nèi)的瀝青拌和設(shè)備572重油9 574.15 47719 227電5 917.63 3855 t以內(nèi)自卸汽車3 296汽油41.6313747310 t以內(nèi)自卸汽車4 627柴油55.322569166～8 t光輪壓路機(jī)1 212柴油19.33238212～15 t光輪壓路機(jī)1 813柴油40.467326112.5 m以內(nèi)攤鋪機(jī)614柴油136.428430116～20 t輪胎壓路機(jī)352柴油42.29155420～25 t輪胎壓路機(jī)826柴油50.2942150

表6 方案2施工機(jī)械碳排放量Table 6 The second program carbon emission equivalent calculation table機(jī)械類型臺(tái)班能源類型能耗量/(kg·臺(tái)班-1)kW·h總能耗量/t碳排放當(dāng)量/t2 m3以內(nèi)輪胎式裝載機(jī)2 631柴油92.86244875160 t/h以內(nèi)的瀝青拌和設(shè)備1 228重油4 787.25 88220 650電3 052.53 7515 t以內(nèi)自卸汽車1 106汽油41.634615910 t以內(nèi)自卸汽車4 627柴油55.322569166～8 t光輪壓路機(jī)2 377柴油19.334616412～15 t光輪壓路機(jī)2 377柴油40.46963448.5 m以內(nèi)瀝青混合料攤鋪機(jī)1 208柴油96.6911741816～20 t輪胎壓路機(jī)466柴油42.29187120～25 t輪胎壓路機(jī)695柴油50.2935125

表7 方案3施工機(jī)械碳排放Table 7 The third program carbon emission equivalent calculation table機(jī)械類型臺(tái)班能源類型能耗量/(kg·臺(tái)班-1)kW·h總能耗量/t碳排放當(dāng)量/t2 m3以內(nèi)輪胎式裝載機(jī)2 749柴油92.86255914120 t/h以內(nèi)的瀝青拌和設(shè)備531重油3 590.42 8086 692電1 859.21 454240 t/h以內(nèi)的瀝青拌和設(shè)備782重油3 590.45 61319 706電1859.33 4995 t以內(nèi)自卸汽車1 019汽油41.634214710 t以內(nèi)自卸汽車4 627柴油55.322569166～8 t光輪壓路機(jī)2 182柴油19.334215112～15 t光輪壓路機(jī)1 902柴油40.46772756.0 m以內(nèi)攤鋪機(jī)571柴油136.417827912.5 m以內(nèi)攤鋪機(jī)540柴油46.62259016～20 t輪胎壓路機(jī)540柴油42.29238220～25 t輪胎壓路機(jī)525柴油50.292694

通過對(duì)表5、表6和表7碳排放當(dāng)量匯總得到方案1、方案2和方案3碳排放當(dāng)量分別為21869、23 722和29 346 t。故機(jī)械施工方案碳排放當(dāng)量從小到大排列順序?yàn)椋悍桨?<方案2<方案3。因此，從碳排放當(dāng)量最低的角度考慮，益婁高速公路路面施工機(jī)械可選擇方案1作為最優(yōu)方案。

3.3.2施工機(jī)械方案碳排放結(jié)果分析

通過對(duì)表5、表6和表7中碳排放當(dāng)量分析發(fā)現(xiàn)，方案1、方案2和方案3中各施工機(jī)械碳排放當(dāng)量占瀝青路面施工機(jī)械碳排放總量比例見表8。

表8 施工機(jī)械碳排放比例Table 8 Construction machinery carbon emissions proportion of program carbon emissions%機(jī)械類型比例方案1方案2方案3裝載機(jī)1.83.73.1瀝青拌和站87.987.090.0自卸汽車6.44.53.6攤鋪機(jī)1.41.81.3壓路機(jī)2.53.02.1

由表8可知，各方案瀝青拌和站碳排放當(dāng)量占瀝青路面施工機(jī)械碳排放總量比例超過87.0%，可以認(rèn)為瀝青拌合站是瀝青路面施工機(jī)械碳排放量最主要的來源。

3.4 瀝青路面施工機(jī)械低碳化措施

由以上分析可知，確定瀝青拌和站所消耗的重油和電能是瀝青路面施工期碳排放的最主要來源。所以，瀝青路面低碳化施工應(yīng)該對(duì)瀝青拌和站能耗進(jìn)行重點(diǎn)控制。具體控制措施有以下3個(gè)方面。

a.瀝青拌和樓燃燒系統(tǒng)處理。

在一般的燃燒系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加設(shè)置一個(gè)重油罐[12]，并將導(dǎo)熱油盤放入其中，對(duì)瀝青加熱溫度加以控制。在重油罐和增壓泵之間設(shè)置導(dǎo)熱油雙層管路，通過導(dǎo)熱油雙層管路和安裝重油加熱器使燃油霧化效果更佳。

b.瀝青罐的保溫處理。

在瀝青罐上可通過覆蓋保溫棉和蒙皮密封的方式以減少瀝青熱量流失。同時(shí)，隨著使用時(shí)間的增加，保溫層也會(huì)開始老化，尤其在搬遷過程中容易導(dǎo)致破損，所以需要及時(shí)做好修復(fù)和補(bǔ)充工作。

c.瀝青加熱新工藝、新技術(shù)。

目前超導(dǎo)管加熱和太陽(yáng)能加熱瀝青技術(shù)相比傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油加熱，新型加熱方式具有低能耗、低排放的特點(diǎn)，能更好地實(shí)現(xiàn)瀝青加熱低碳化目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過以上對(duì)瀝青路面不同階段施工機(jī)械碳排放的分析，可以得到如下結(jié)論。

a.通過對(duì)瀝青路面施工環(huán)節(jié)碳排放來源分析，提出了基于碳排放因子和全球變暖潛值測(cè)算瀝青路面施工期碳排放當(dāng)量模型，測(cè)算模型從電能消耗和燃油消耗產(chǎn)生碳排放兩個(gè)方面進(jìn)行研究分析。

b.設(shè)計(jì)了3個(gè)瀝青路面施工機(jī)械方案，通過對(duì)方案進(jìn)行碳排放當(dāng)量測(cè)算，測(cè)算得到方案1碳排放當(dāng)量最小，從瀝青路面低碳化施工的角度考慮，益婁高速公路路面施工機(jī)械可選擇方案1作為最優(yōu)方案。

c.提出了3點(diǎn)瀝青路面低碳環(huán)保技術(shù)，通過改造燃油加熱系統(tǒng)和對(duì)瀝青罐進(jìn)行保溫處理，使燃油得到有效利用。最后，提出了使用新工藝、新能源的綠色加熱技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高速公路瀝青路面低碳發(fā)展的目標(biāo)。