道路基础设施生命周期碳排放量化分析 张怡然 (上海市城市建设设计研究总院(集园)有限公司,上海200125) 本文提出以道路基础设施为主体的碳排放分析框架,将碳排放划分为基础 设施的直接排放与间接排放,并提出生命周期各阶段的碳排放计算方法。以G321 国道的一段路面为案例,设计了三种生命周期情境:自然衰退情境、普通养护情境 和预防性养护情境,对路面生命周期碳排放量进行了计算与对比分析,为道路建设 与养护方案决策提供节能减排方面的理论支撑。 关镳词:道路基础设施,生命周期评价,碳排放,情境分析 中图分类号:U238 Quantitative Analysis of road Infrastructure Life Cycle Carbon Emissions Zhang yiran (Shanghai Urban Construction Design Research Institute( Group)Co, Ltd Shanghai, 200125 Abstract: This paper proposes a carbon emission analysis framework based on road infrastructure. which divides carbon emissions into direct and indirect emissions of infrastructure, and proposes carbon emission calculation methods at various stages of the life cycle. Taking the road surface of G321 national road as a case for case analysis, three life cycle scenarios were designed: natural recession situation, general maintenance situation and preventive maintenance situation. The calculation and comparative analysis of road life cycle carbon emissions in three scenarios were carried out to provide theoretical support for energy conservation and emission reduction in road construction and maintenance program key words: road infrastructure, life cycle assessment; carbon emission; situation analysis 引言 在日益严峻的能源短缺、环境恶化及气候变化等形势下,“低碳发展”成为全球发展的 新目标。道路运输作为交通行业能源消耗比重最大的领域,承担着节能减排的重任。从基础 设施的角度来思考节能减排路径已成为新的发展趋势,基础设施本身具有减排潜力,更重要 的是,基础设施的结构和技术状况能够影响需求侧的排放。 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
道路基础设施生命周期碳排放量化分析 张怡然 （上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125） 摘 要： 本文提出以道路基础设施为主体的碳排放分析框架，将碳排放划分为基础 设施的直接排放与间接排放，并提出生命周期各阶段的碳排放计算方法。以 G321 国道的一段路面为案例,设计了三种生命周期情境：自然衰退情境、普通养护情境 和预防性养护情境，对路面生命周期碳排放量进行了计算与对比分析，为道路建设 与养护方案决策提供节能减排方面的理论支撑。 关键词： 道路基础设施，生命周期评价，碳排放，情境分析 中图分类号：U238 Quantitative Analysis of Road Infrastructure Life Cycle Carbon Emissions Zhang Yiran (Shanghai Urban Construction Design Research Institute (Group) Co., Ltd. Shanghai, 200125） Abstract: This paper proposes a carbon emission analysis framework based on road infrastructure, which divides carbon emissions into direct and indirect emissions of infrastructure, and proposes carbon emission calculation methods at various stages of the life cycle. Taking the road surface of G321 national road as a case for case analysis, three life cycle scenarios were designed: natural recession situation, general maintenance situation and preventive maintenance situation. The calculation and comparative analysis of road life cycle carbon emissions in three scenarios were carried out to provide theoretical support for energy conservation and emission reduction in road construction and maintenance program decision-making. key words: road infrastructure; life cycle assessment; carbon emission; situation analysis 一、引言 在日益严峻的能源短缺、环境恶化及气候变化等形势下，“低碳发展”成为全球发展的 新目标。道路运输作为交通行业能源消耗比重最大的领域，承担着节能减排的重任。从基础 设施的角度来思考节能减排路径已成为新的发展趋势,基础设施本身具有减排潜力，更重要 的是，基础设施的结构和技术状况能够影响需求侧的排放
有效的挖掘节能减排的潜力,是建立在对碳排放的科学测算的基础之上的。从全生命周 期的角度来进行量化测算,能为路面材料选取、施工方案、养护计划等策略的制定提供依据 本文将基础设施生命周期和燃料生命周期看作一个完整的系统,硏究同时包含道路交通 固定碳源和移动碳源的全生命周期道路交通碳排放测算方法,包含道路生命周期各过程本身 的能耗排放,以及其对行驶在路面上的车辆排放产生的影响 二、研究现状 当前国内外对道路基础设施的生命周期评价中,大多是以路面为研究对象。一个完整的 道路生命周期评价模型应该由材料阶段、施工建造阶段、养护维修阶段、拥堵阶段、使用阶 段和寿命终结阶段组成。其中,拥堵阶段表示由于道路施工带来的路面行驶车辆的拥堵和绕 行。然而,现有的大多数道路LCA模型是不完整的,大多数研究都把重点放在材料和施工建 造阶段,只关注了道路基础设施本身,而忽略了由其带来的间接能耗排放,特别是使用阶段, 路面的状况对行驶车辆的能耗排放有很大影响。根据国内外学者的研究,使用阶段主导着分 析结果,因此忽略使用阶段也将忽略生命周期评价模型中很大一部分的环境影响。 道路生命周期碳排放分析框架 从整个道路交通系统生命周期的范畴,构建基础设施生命周期和燃料生命周期交互影响 的碳排放分析框架。基础设施与车辆运行的交互影响主要体现在三方面:一是基础设施供给 影响交通量与组成结构,继而影响道路交通碳排放量;二是养护维修策略决定了道路的性能 状态,影响了车辆行驶速度等特征,继而影响车辆燃油经济性和能耗排放;三是建设和养护 施工时原有道路通行能力受到影响,致使行驶车辆拥堵或绕行,产生额外的碳排放量。 根据以上分析,建立道路生命周期碳排放的分析框架如图1所示。以道路基础设施为主 体,则可将道路基础设施对行驶车辆的影响看作其间接排放,因此可将碳排放分析边界划分 为基础设施直接排放与间接排放。直接排放指:道路设施本身从原材料开采、原材料运输、 施工建造、运营、养护维修到拆除回收的全生命周期过程中的排放:间接排放指:在道路生 命周期中,受道路设施的影响产生的车辆燃料排放,包括行驶在道路上的车辆运行产生的日 常排放,和因基础设施建设和养护维修施工引起的拥堵和绕行带来的额外排放。 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
有效的挖掘节能减排的潜力，是建立在对碳排放的科学测算的基础之上的。从全生命周 期的角度来进行量化测算，能为路面材料选取、施工方案、养护计划等策略的制定提供依据。 本文将基础设施生命周期和燃料生命周期看作一个完整的系统，研究同时包含道路交通 固定碳源和移动碳源的全生命周期道路交通碳排放测算方法，包含道路生命周期各过程本身 的能耗排放，以及其对行驶在路面上的车辆排放产生的影响。 二、研究现状 当前国内外对道路基础设施的生命周期评价中，大多是以路面为研究对象。一个完整的 道路生命周期评价模型应该由材料阶段、施工建造阶段、养护维修阶段、拥堵阶段、使用阶 段和寿命终结阶段组成。其中，拥堵阶段表示由于道路施工带来的路面行驶车辆的拥堵和绕 行。然而，现有的大多数道路LCA模型是不完整的，大多数研究都把重点放在材料和施工建 造阶段，只关注了道路基础设施本身，而忽略了由其带来的间接能耗排放，特别是使用阶段， 路面的状况对行驶车辆的能耗排放有很大影响。根据国内外学者的研究，使用阶段主导着分 析结果，因此忽略使用阶段也将忽略生命周期评价模型中很大一部分的环境影响。 三、道路生命周期碳排放分析框架 从整个道路交通系统生命周期的范畴，构建基础设施生命周期和燃料生命周期交互影响 的碳排放分析框架。基础设施与车辆运行的交互影响主要体现在三方面：一是基础设施供给 影响交通量与组成结构，继而影响道路交通碳排放量；二是养护维修策略决定了道路的性能 状态，影响了车辆行驶速度等特征，继而影响车辆燃油经济性和能耗排放；三是建设和养护 施工时原有道路通行能力受到影响，致使行驶车辆拥堵或绕行，产生额外的碳排放量。 根据以上分析，建立道路生命周期碳排放的分析框架如图1所示。以道路基础设施为主 体，则可将道路基础设施对行驶车辆的影响看作其间接排放，因此可将碳排放分析边界划分 为基础设施直接排放与间接排放。直接排放指：道路设施本身从原材料开采、原材料运输、 施工建造、运营、养护维修到拆除回收的全生命周期过程中的排放；间接排放指：在道路生 命周期中，受道路设施的影响产生的车辆燃料排放，包括行驶在道路上的车辆运行产生的日 常排放，和因基础设施建设和养护维修施工引起的拥堵和绕行带来的额外排放
道路基础设施生命周期 基础设施资源开采一原材料生产加工一原材料运输 直接排放 回收利用 建造施工 运营使用 维修养护 车辆燃料生命周期 绕!供 行}给 基础设施 间接排放 次能源生产燃料生产与运 与运输 输 车辆运行 图1道路生命周期碳排放分析框架 四、道路生命周期碳排放计算方法 在分析框架的基础上,建立道路生命周期评价模型如图2,将道路生命周期划分为材料 生产、材料运输、建造施工、运营使用、养护维修和寿命终结等六个阶段,依据各阶段的子 活动方式建立具有国内特征的材料和燃料的生命周期碳排放数据清单。 沥青 原材料开采 水泥 集料 钢材 材料生产 运输 混凝土制备 材料加工生 匚沥青拌合 材料运输 运输至施工现场 建造施工 机械施工)工交通组织山「拥堵绕行额外排放 面使用 路面平整度变化 运营使用 车辆行驶日常排放 照明 句接影响 大修 养护维修 养护施工 预防性养护 路面拆除 寿命终结 废弃材料回收 图2道路生命周期模型 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图 1 道路生命周期碳排放分析框架 四、道路生命周期碳排放计算方法 在分析框架的基础上，建立道路生命周期评价模型如图2，将道路生命周期划分为材料 生产、材料运输、建造施工、运营使用、养护维修和寿命终结等六个阶段，依据各阶段的子 活动方式建立具有国内特征的材料和燃料的生命周期碳排放数据清单。 图 2 道路生命周期模型
(一)直接排放计算方法 道路生命周期直接排放指的是全生命周期中与道路基础设施直接相关的排放。测算思路 为:以定额法为主,结合理论和实际工程数据,得到路面直接能耗的计算方法;再采用排放 因子法,确定直接碳排放量的计算方法。测算过程如图3所示。 建筑材料用量材料生产能耗强度材料生产能耗 材料生产阶段排放 材料运输距离材料单位运距能耗强度材料运输能耗 材料运输阶段排放 施工机械台班数机械台班能耗强度建造施工能耗 不同 建造施工阶段排放 能源 排放 运营设备数量运营设备能耗强度,运营使用能耗 系数运营使用阶段排放 单次/单位 设施维护数量 维护能耗强度 养护维修能耗 养护维修阶段排放 拆除回收工具数量机械台班能耗强度,寿命终结能耗 单位运距能耗强度 寿命终结阶段排放 图3道路生命周期宜接排放测算思路 上图表示的测算思路可以用公式表示为 E1 ∑v 其中:Ema-—道路生命周期直接碳排放量 q——材料或工具i的数量 Q——单位量的材料或工具的能源消耗强度 F——生产材料或使用工具i所需能源的碳排放系数 (二)间接排放计算方法 间接排放指的是在道路生命周期中,受道路设施的影响产生的车辆排放,包括道路服役 期内行驶在道路上的车辆运行相关的日常排放,和因基础设施建设和养护维修施工引起的拥 堵和绕行带来的额外排放。 测算思路为:基于“路面平整度一行驶速度一能耗与碳排放”量化分析模型,得到路面 状况与车辆排放之间的量化关系,进而得到日常间接排放的计算方法。并使用 VISSIM仿真和 M0VES模型相结合的方法,计算施工期间由于拥堵和绕行产生的额外碳排放量 1.基于路面状况的车辆行驶日常间接排放计算方法 路面状况,特别是路面的平整度的变化,会影响车辆的行驶速度,而速度变化将引发车 辆燃油经济性的改变,进而影响车辆的能耗和碳排放。因此,在研究车辆行驶中的日常排放 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
（一）直接排放计算方法 道路生命周期直接排放指的是全生命周期中与道路基础设施直接相关的排放。测算思路 为：以定额法为主，结合理论和实际工程数据，得到路面直接能耗的计算方法；再采用排放 因子法，确定直接碳排放量的计算方法。测算过程如图3所示。 图 3 道路生命周期直接排放测算思路 上图表示的测算思路可以用公式表示为： 𝐸𝑚𝑑𝑖 = ∑𝑞𝑖 ∙ 𝑄𝑖 ∙ 𝐹𝑖 𝑖 其中：𝐸𝑚𝑑𝑖——道路生命周期直接碳排放量； 𝑞𝑖——材料𝑖或工具𝑖的数量； 𝑄𝑖——单位量的材料𝑖或工具𝑖的能源消耗强度； 𝐹𝑖 ——生产材料𝑖或使用工具𝑖所需能源的碳排放系数。 （二）间接排放计算方法 间接排放指的是在道路生命周期中，受道路设施的影响产生的车辆排放，包括道路服役 期内行驶在道路上的车辆运行相关的日常排放，和因基础设施建设和养护维修施工引起的拥 堵和绕行带来的额外排放。 测算思路为：基于“路面平整度—行驶速度—能耗与碳排放”量化分析模型，得到路面 状况与车辆排放之间的量化关系，进而得到日常间接排放的计算方法。并使用VISSIM仿真和 MOVES模型相结合的方法，计算施工期间由于拥堵和绕行产生的额外碳排放量。 1.基于路面状况的车辆行驶日常间接排放计算方法 路面状况，特别是路面的平整度的变化，会影响车辆的行驶速度，而速度变化将引发车 辆燃油经济性的改变，进而影响车辆的能耗和碳排放。因此，在研究车辆行驶中的日常排放
时,分析路面平整度对速度的影响,以及车速对能耗和碳排放的影响,综合得到路面平整度 车速一能耗与碳排放这三者间的交互影响关系和量化模型 本文参考学者张金喜的研究,其研究通过驾驶模拟实验,拟合得出了国际平整度指数IRI 与车速间的关系曲线,其关系式如下:马戈 U=96.555-22631nlRl(RI<12m/km) 同时大量研究表明凹,车辆油耗与行驶速度之间的关系为典型的凹形抛物线的形式。国 内已有研究根据国道102部分路段的实测数据,建立了车速一油耗模型如下 表1普通公路油耗模型 划分标准 油耗速度模型 <12座 Fc=0.0016v2-0.2485+156111 中客 123座 Fc=0.0038u2-0.5055U+289853 35座 Fc=0.0097u2-11911v+61.8450 小货 c=0.0046u2-0.6371u+30.7762 2.57t Fc=0.0082u2-09613+458858 注:上述式子中的Fc的单位为L100km,p的单位为kmh 根据上述的平整度与速度之间的量化模型以及速度与油耗之间的量化模型,能够得到关 于平整度指数IRI的车辆油耗模型,见表2 表2普通公路IR| 油耗一IRI模型 Fc=69061(n/R)2-97334m/R/+156036 Fc=176288mRI)2-2907211+37,2702 Fc=8.3600(mJRD2-107092nR/+121462 中货 Fc=149027(mR)2-265251hRl+29.5150 Fc=294419(lmR2-559013nR|+50.8200 c=69061(mR2-97334R+156036 注:上述式子中的Fc的单位为L/100km,IR的单位为m/km 在根据平整度计算车辆油耗以后,则可根据各车型的交通流量计算出各类车型的燃油消 耗量。再根据燃烧柴油和汽油的能量消耗及产生的碳排放系数,最终得出车辆行驶日常间接 碳排放量,计算公式如下 F1=FC1·l·qt Em=2(F1·Q Emin=Ein·Emf 其中:F——第类车辆的燃油消耗量 Fc—一第i类车辆的百公里耗油量 路段的长度 q——第i类车辆流量: En——车辆行驶日常间接能耗量 Q——第i类车辆所使用燃料的热值 Eman—一车辆行驶日常间接碳排放量 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
时，分析路面平整度对速度的影响，以及车速对能耗和碳排放的影响，综合得到路面平整度 —车速—能耗与碳排放这三者间的交互影响关系和量化模型。 本文参考学者张金喜的研究，其研究通过驾驶模拟实验，拟合得出了国际平整度指数IRI 与车速间的关系曲线，其关系式如下[1] 𝑣 = 96.555 − 22.631𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 (𝐼𝑅𝐼 < 12𝑚/𝑘𝑚) 同时大量研究表明[2]，车辆油耗与行驶速度之间的关系为典型的凹形抛物线的形式。国 内已有研究[3]根据国道102部分路段的实测数据，建立了车速—油耗模型如下： 表 1 普通公路油耗模型 车型 划分标准 油耗—速度模型 小客 < 12 座 𝐹 = . 16 𝑣 2 − .2485 𝑣 15.6111 中客 12~3 座 𝐹 = . 38𝑣 2 − .5 55 𝑣 28.9853 大客 > 35 座 𝐹 = . 97𝑣 2 − 1.1911 𝑣 61.845 小货 < 2.5 t 𝐹 = . 46𝑣 2 − .6371 𝑣 3 .7762 中货 2.5~7t 𝐹 = . 82𝑣 2 − .9613 𝑣 45.8858 大货 > 7t 𝐹 = . 162 𝑣 2 − 1.8171 𝑣 75.2396 注：上述式子中的𝐹 的单位为L/100km，𝑣的单位为km/h。 根据上述的平整度与速度之间的量化模型以及速度与油耗之间的量化模型，能够得到关 于平整度指数IRI的车辆油耗模型，见表2。 表 2 普通公路 IRI—油耗模型 车型 油耗—IRI 模型 中客 𝐹 = 6.9 61(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 9.7334𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 15.6 36 大客 𝐹 = 17.6288(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 29. 772𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 37.27 2 小货 𝐹 = 8.36 (𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 1 .7 92𝑛𝐼𝑅𝐼 12.1462 中货 𝐹 = 14.9 27(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 26.5251𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 29.515 大货 𝐹 = 29.4419(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 55.9 13𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 5 .82 中客 𝐹 = 6.9 61(𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼) 2 − 9.7334𝑙𝑛𝐼𝑅𝐼 15.6 36 注：上述式子中的𝐹 的单位为L/100km，𝐼𝑅𝐼的单位为m/km 在根据平整度计算车辆油耗以后，则可根据各车型的交通流量计算出各类车型的燃油消 耗量。再根据燃烧柴油和汽油的能量消耗及产生的碳排放系数，最终得出车辆行驶日常间接 碳排放量，计算公式如下： 𝐹𝑖 = 𝐹 𝑖 ∙ 𝑙 ∙ 𝑞𝑖 𝐸𝑖𝑛 = ∑(𝐹𝑖 ∙ 𝑄𝑖 ) 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 𝐸𝑖𝑛 ∙ 𝐸𝑚𝑓 其中：𝐹𝑖——第i类车辆的燃油消耗量； 𝐹 𝑖——第i类车辆的百公里耗油量； 𝑙——路段的长度； 𝑞𝑖 ——第i类车辆流量； 𝐸𝑖𝑛——车辆行驶日常间接能耗量； 𝑄𝑖——第i类车辆所使用燃料的热值； 𝐸𝑚𝑖𝑛——车辆行驶日常间接碳排放量；