基于LCA 的城市道路碳排放測算與敏感性分析

牛 凱，左貴強，張興宇，朱曉東

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

在生態文明建設及綠色道路發展和交通強國建設要求下，國家陸續出臺了碳達峰、碳中和相關的政策。這些政策文件均提出了減碳、節能、增綠的碳達峰與碳中和路徑選擇與目標，因此，開展雙碳相關研究對促進生態文明建設具有十分重要的意義。

交通領域碳排放占我國碳排放總量的11%，其中73.3%～85%集中在道路運輸與建養方面，是落實國家戰略的主戰場，許多學者圍繞該問題進行了學術研究。劉圓圓[1]構建了基于LCA（Life Cycle Assessment）的公路碳排放理論框架，從建設、養護兩個方面構建了碳排放測算模型。毛睿昌[2]不僅考慮了道路，還圍繞地鐵、橋梁等交通基礎設施構建了相應模型，評價了不同交通基礎設施對碳排放的貢獻情況。彭波等[3]從能源燃燒和瀝青高溫分解等角度構建了碳排放測算模型，并對結果進行深入研究。張海濤等[4]研究了瀝青路面設計過程中不同參數選取對碳排放量的影響。徐金俊等[5]采用LCA 模型構建了再生混凝土建筑的計算模型與邊界，并就再生混凝土建筑的關鍵影響參數進行了敏感性分析?？梢钥闯?，現有研究對公路碳排放測算方法與影響因素的研究偏多，而有關城市道路碳排放的研究偏少，同時對道路建設碳排放敏感性分析缺乏深入研究。

本研究依托“重慶市廣陽大道生態修復及品質提升項目”工程，以LCA 的道路建設階段碳排放測算模型為基礎，結合生態文明建設和綠色道路發展目標，對新建城市道路建設階段碳排放關鍵輸入參數進行敏感性分析，對碳排放主要來源進行分析，為提出碳減排思路提供理論技術支撐，促進城市道路綠色可持續發展。

1 測算模型

道路建設過程的碳排放來源主要來自于原材料生產、場外加工、運輸及現場施工四個階段[6]，本文測算模型不考慮車輛和施工機械的生產及設備投入過程中的碳排放量，具體碳排放測算范圍和計算過程如圖1 所示。

圖1 碳排放測算范圍示意圖

式中：Q 為碳排放總量；Q1為原材料生產排碳量；Q2為場外加工排碳量；Q3為運輸排碳量；Q4為施工排碳量。

其中，原材料生產階段碳排放量計算方法為[7]：

式中：Mi為第i 種材料的消耗量；為第i 種原材料碳排放因子。

場外加工階段碳排放量計算方法：

式中：Ti為第i 種機具的總臺班；Aij為第i 種機械設備單位臺班內第j 種能源的消耗量；fjt為第j 種能源的碳排放因子。

運輸碳排放量計算方法為：

式中：Mi為第i 種材料的消耗量；Sij為第i 種材料第j種運輸方式運距；為為第i 種材料第j 種運輸方式單位周轉排碳量。

施工階段碳排放量計算方法：

式中：Ti為第i 種機具的總臺班；Aij為第i 種機械設備單位臺班內第j 種能源的消耗量；為第j 種能源的碳排放因子。

2 案例分析

本研究依托于重慶市廣陽大道生態修復及品質提升項目，廣陽大道項目全長13.08 km，改建約8.69 km，新建約4.39 km。全線含新建橋梁1 座，通道改橋1 座，新建生物綠橋1 座，加固改造舊橋2座，新建小凈距隧道1 條。新建人行地下通道4 座。

（1）項目排放總體特征

根據廣陽大道各單位工程材料數量和機械臺班實際使用情況，基于上述的碳排放測算模型，最終得到項目總體排放情況，具體見表1。

表1 項目總體排放情況

廣陽大道項目總碳排放量為138894.03 t，其中材料、機械總碳排放量放分別為118463.56 t 和20430.47 t。廣陽大道項目施工總長度為13.084 km，車道數為4，由此可得碳排放量為每公里10615.56 t，每車道每公里排放量為2653.89 t。

橋涵工程占總體排放值最大，為32%，隧道工程、道路工程、排水工程、土石方工程、電力工程排放占比較大，其余工程排碳量相對較低。

（2）材料部分總體特征

根據排放量和工程消耗量對工程內所用材料分別進行歸類、單位轉換及排序工作，最終得到累計占材料部分總排放量和總消耗量前90%的材料類別見表2。

表2 材料分類排放量

由圖2 知，碳排放量較大的材料主要為鋼類和水泥混凝土，分別占到材料總排放的39.638%和34.981%，總占比超70%；消耗量較大的材料主要為砂石料、水泥混凝土、水穩層，總占比超85%。比較同種材料的排放量及消耗量可知，消耗量大的材料如砂石料、水穩層等排放占比極小，總計不超過6%；而消耗量小的材料如鋼類、水泥等碳排量占比極大，消耗占比小于1%，排放占比卻接近50%。

圖2 材料消耗及碳排放

排放量大小除與消耗量數值密切相關外，也受到碳排放因子的影響。具體碳排放因子取值見表3。

表3 典型材料碳排放因子取值集合

綜合上述典型材料排放因子取值集合及材料消耗量可知，同等消耗下，在碳排放量級上：鋼類＞水泥＞水泥混凝土＞水穩層＞砂石料。其余未提及材料排放特征與幾種典型材料均可對應，此處不再贅述。

（3）機械部分總體特征

根據排放量和臺班消耗量，對工程內所用機械和運輸設備分別進行歸類、臺班能耗查詢及排序工作，最終得到累計占機械部分總排放量和總消耗量前90%的機械類別見表4。

表4 機械分類排放

由圖3 可直觀看出，機械設備產生的排放與臺班量基本呈正比關系，其中履帶式液壓巖石破碎機是臺班使用量及排放最大的機械，分別占到了17.57%和36.21%；臺班消耗量略低于履帶式液壓巖石破碎機的電動夯實機和風動鑿巖機，排放量不顯著，與整體的正比關系有較大出入。

圖3 機械碳排放量及臺班量占比

機械碳排放量大小不僅與臺班量有關，也與能源消耗量及排放因子有關，具體排放系數見表5。

表5 典型機械設備能源及臺班排放系數

綜合上述平均臺班排放系數的計算結果，可觀察到此類機械多使用電能或無臺班耗能而不是柴油等化石能源，因此即使在消耗同等甚至更多臺班數量下排放量也遠低于其他如履帶式推土機等類型機械。

3 敏感性分析

通過開展碳排放的測算研究可識別城市道路建設階段的關鍵碳排放源，并采取相應的減排措施來減少總體碳排放量。城市道路建設活動涉及相對較多的建筑材料、工程機械以及施工過程，因此影響碳排放的因素也相對繁雜。通過敏感性分析識別道路建設碳排放源對建設綠色生態型道路具有十分重要的意義。

筑路材料的碳排因子、相關機具的施工效率及工程量是影響道路建設階段碳排放量的關鍵參數。本研究從上述角度開展城市道路碳排放的敏感性分析，具體規律如圖4 所示。

圖4 材料敏感性分析

從圖4 可以看出，城市道路建設階段碳排放的三大主要影響因素分別為鋼材、水泥混凝土及水泥。其中，水泥混凝土二氧化碳排放因子每增加15%，約增長5.18%左右的碳排放量；鋼材的碳排放因子每增加15%，約增長6.22%的碳排放量。與水泥混凝土和鋼材相比，水泥的二氧化碳排放因子每增長15%所帶來的道路建設階段碳排放量變化幅度在1.09%左右。相對于這三種建設材料，其他建設材料碳排放因子每變化15%變化所引起的碳排放量的變化約維持在0.07%至0.19%之間，影響相對較低。

從圖5 可以看出，相比于其他燃料，柴油碳排放因子的變化對碳排放量的影響最為顯著，柴油碳排放因子每增加15%，約增長12.47%的碳排放量，電力二氧化碳排放因子每增長15%，增加1.81%的碳排放量。相比柴油和電力，汽油的二氧化碳排放因子每增加15%，所帶來的道路建設階段碳排放量的變化最小，不超過0.8%。因此，柴油的碳排放因子最為敏感。

圖5 燃料與電力敏感性分析

4 結語

作為交通基礎設施工程投資和建設主體，道路低碳發展是落實交通強國戰略的排頭兵，開展碳排放量測算與敏感性分析，對交通運輸行業碳減排具有重要意義。

本研究以廣陽大道項目為依托，基于全壽命周期評價法，對廣陽大道碳排放測算結果進行量化分析，識別影響碳排放的關鍵要素。分析結果表明城市道路建設階段的碳排放量對鋼材、水泥和柴油的碳排放因子最為敏感。這意味著低碳化的鋼鐵、水泥及柴油生產與使用對于控制城市道路建設階段的碳排放量具有十分重要的意義。一方面鋼材、水泥和柴油為道路建設過程中的主要碳排放源，尋找合適且有效的相替代的新材料及新工藝對城市道路建設過程中的降碳減排具有十分重要的作用。另一方面鋼材、水泥和柴油作為碳排放測算過程中最為敏感的要素，其數據的準確性對道路建設項目碳排放的核算結果尤為重要，而敏感性相對較低的塑料、汽油等數據的準確性對實際的測算結果不會產生較大偏差。