一种用于交通基础设施的生命周期碳排放核算方法

1.本发明属于交通运输工程领域，具体涉及一种交通基础设施的生命周期碳排放核算方法。


背景技术：

2.随着经济社会的发展与进步，自然资源消耗日益增加，大量的温室气体排放造成严重的气候问题。据相关数据统计，二氧化碳年排放量超过100亿吨，其中交通业的排放量占比约10％，在所有行业中排名第三；减少交通运输对资源的消耗和对环境的影响，是实现“碳达峰，碳中和”目标的必然要求。交通基础设施在生产、运输、建造、运营、维养和废弃拆除的全过程都可能伴随着资源消耗并产生气体排放，如何量化交通基础设施各个阶段的碳排放，是实现碳减排、碳优化的前提。生命周期分析作为一种评价方法，它分析研究产品和技术造成的资源环境问题，以便改进产品和技术，因此可以借助生命周期分析，全面分析交通基础设施从生产、建设、运营、拆除等各阶段的能耗和排放问题。
3.中国专利文献cn114971371a公开了“一种建筑全寿命周期的碳排放核算方法”，其碳排放核算模型从建材生产阶段、建材运输阶段、施工建造阶段、运行与维护阶段、拆除与废弃回收阶段等5个阶段计算碳排放数据，但其计算方法中没有明确给出运行与维修养护阶段的碳排放计算公式。中国专利文献cn114971371a公开了“一种城市轨道交通基础设施全生命周期碳排放动态分析方法”，其生命周期清单主要从材料生产阶段、建造阶段、维护阶段、废弃阶段进行收集，但其维护阶段只考虑了维修或材料更换所带来能源消耗而产生的碳排放，没有考虑正常运营期间因维修养护行为所带来的交通延误而导致的碳排放量的增加。上述技术方案所用核算模型不够完整、核算边界不够准确，不能有效反映研究对象的生命周期碳排放情况。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明为解决现有交通基础设施碳排放模型不够完整、核算边界不够准确、核算模型阶段划分不够细致的技术问题，提供一种交通基础设施生命周期的碳排放核算方法，对材料生产、材料运输、零部件生产、零部件运输、施工建造、运营养护和废弃拆除7个阶段进行分析，并考虑维修养护、交通延误等导致额外碳排放量改变的问题，以碳排因子法计算各个阶段的碳排放量，从而形成交通基础设施生命周期碳足迹计算结果，使得核算模型更加完整，核算边界和核算结果更加准确，可支持交通基础建设在生命周期全过程中寻找实现碳优化的关键环节。
5.技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提出一种交通基础设施的生命周期碳排放核算方法，该方法包括以下步骤：
6.(1)建立交通基础设施生命周期碳排放核算模型；
7.(2)计算交通基础设施材料生产阶段碳排放；
8.(3)计算交通基础设施材料运输阶段碳排放；
9.(4)计算交通基础设施零部件生产阶段碳排放；
10.(5)计算交通基础设施零部件运输阶段碳排放；
11.(6)计算交通基础设施施工建造阶段碳排放；
12.(7)计算交通基础设施运营养护阶段碳排放；
13.(8)计算交通基础设施废弃拆除阶段碳排放；
14.(9)根据步骤(1)的模型计算交通基础设施全生命周期碳排放总量。
15.作为优选，所述步骤(1)中，使用碳排放因子法建立的交通基础设施生命周期碳排放核算模型的碳排放计量单位为二氧化碳当量，符号表示为co2eq。一种气体的二氧化碳当量为这种气体的吨数乘以其产生温室效应的指数。六类气体为温室气体，即二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、六氟化硫、氢氟碳化物和全氟化碳，这些气体排放都需要转换为二氧化碳当量。
16.作为优选，所述步骤(1)中，交通基础设施生命周期碳排放核算模型采用cut-off rules取舍规则，即当材料消耗质量小于材料消耗总量5％时，不再向上游追溯它的生产过程，以避免不必要的时间浪费。
17.作为优选，所述步骤(1)中，交通基础设施生命周期碳排放核算模型包括材料生产、材料运输、零部件生产、零部件运输、施工建造、运营养护和废弃拆除共7个阶段，其计算公式为：
18.q
t
＝q
pr
+q
tr
+q
ap
+q
at
+q
co
+q
op
+q
ma
+q
re
19.其中，q
t
为交通基础设施全生命周期碳排放总量；q
pr
为交通基础设施材料生产阶段碳排放；q
tr
为交通基础设施材料运输阶段碳排放；q
ap
为交通基础设施零部件生产阶段碳排放；q
at
为交通基础设施零部件运输阶段碳排放；q
co
为交通基础设施施工建造阶段碳排放；q
ma
为交通基础设施运营养护阶段碳排放；q
re
为交通基础设施废弃拆除阶段碳排放。
20.作为优选，所述步骤(2)中，交通基础设施材料生产阶段的碳排放由材料消耗量、碳排放因子以及决定，计算公式为：
21.q
pr
＝∑m
pr,i
×
ef
pr,i
22.其中，m
pr,i
表示第i种材料的用量；ef
pr,i
表示第i种材料的碳排放因子。交通基础设施材料生产阶段的碳排放是指所需材料向上游追溯其原料开采加工过程能源消耗而产生的碳排放，即材料从摇篮到大门过程的碳排放，一般由材料供货商进行碳足迹研究并提供碳排放数据。
23.作为优选，所述步骤(3)中，交通基础设施材料运输阶段的碳排放由材料运输量、运输距离、运输方式以及运输损耗率决定，计算公式为：
24.q
tr
＝∑m
tr,i
×dtr,i
×
ef
tr,i
25.其中：m
tr,i
表示第i种材料的运输量；d
tr,i
表示第i种材料的运输距离；ef
tr,i
表示第i种材料的运输方式下，单位质量运输距离的碳排放因子。交通基础设施材料运输阶段的碳排放是指运输工具将材料从生产地运输到施工现场的运输过程所消耗能源而产生的碳排放。
26.作为优选，所述步骤(4)中，交通基础设施零部件生产阶段的碳排放由零部件生产量、生产方式以及生产损耗率决定，计算公式为：
27.q
ap
＝∑m
ap,i
×
ef
ap,i
28.其中：m
ap,i
表示第i种零部件的生产量；ef
ap,i
表示第i种零部件的生产方式下，单位质量生产的碳排放因子。交通基础设施零部件生产阶段的碳排放是指零部件生产过程能源消耗而产生的碳排放，如预制板、预制轨道等的生产。
29.作为优选，所述步骤(5)中，交通基础设施零部件运输阶段的碳排放由零部件运输量、运输距离、运输方式以及运输损耗率决定，计算公式为：
30.q
at
＝∑m
at,i
×dat,i
×
ef
at,i
31.其中：m
at,i
表示第i种零部件的运输量；d
at,i
表示第i种零部件的运输距离；ef
at,i
表示第i种零部件的运输方式下，单位质量运输距离的碳排放因子。交通基础设施零部件运输阶段的碳排放是指运输工具将材料从预制工厂或拌合站运输到施工现场的运输过程所消耗能源而产生的碳排放。
32.作为优选，所述步骤(6)中，交通基础设施施工建造阶段碳排放由能源消耗量、碳排放因子以及决定，计算公式为：
33.q
co
＝∑e
co,i
×
ef
co,i
34.其中：e
co,i
表示第i种能源的消耗量；ef
co,i
表示第i种能源的碳排放因子；q
co,i
表示第i种能源的。交通基础设施施工建造阶段碳排放是交通基础设施施工建造到竣工验收这一阶段产生的碳排放。其主要来源是施工现场各种施工设备耗能而产生的碳排放。
35.作为优选，所述步骤(7)中，交通基础设施运营养护阶段碳排放分两部分，一部分为因维修养护所消耗材料和能源而造成的碳排放，另一部分为因维修养护行为所造成的交通延误而带来的交通碳排放增量，计算公式为：
36.q
ma
＝q
mc
+q
de
37.其中，q
mc
表示交通基础设施运营养护阶段维修养护行为造成的碳排放；q
de
表示交通基础设施运营养护阶段，车辆无法按正常路况行驶，出现加减速、排队、拥堵等现象，进而出现交通延误，导致额外碳排放量的增加。交通基础设施运营养护阶段碳排放为交通基础设施从开通运营到废弃使用这一阶段的碳排放。
38.q
mc
＝∑e
mc,i
×
ef
mc,i
39.其中，e
mc,i
表示维修养护所消耗的第i种能源的消耗量；ef
mc,i
表示第i种能源的碳排放因子。
40.q
de
＝∑v
de,i
×nde,i
×dde,i
×ede,i
×
ef
de,i
41.其中，v
de,i
表示交通延误的第i种车辆；n
de,i
表示第i种车辆的数量；d
de,i
表示第i种车辆的延误距离；e
de,i
表示第i种车辆单位延误距离下的能源消耗；ef
de,i
表示第i种车辆能源消耗的碳排放因子。
42.作为优选，所述步骤(8)中，交通基础设施废弃拆除阶段的碳排放计算公式为：
43.q
re
＝q
rd
+q
rt
44.其中，q
rd
表示拆除过程所消耗材料和能源而造成的碳排放；q
rt
表示弃垃圾外运过程所消耗材料和能源而造成的碳排放。q
rd
表示拆除过程所消耗材料和能源而造成的碳排放；q
rt
表示弃垃圾外运过程所消耗材料和能源而造成的碳排放。
45.q
rd
＝∑e
rd,i
×
ef
rd,i
46.其中：e
rd,i
表示拆除过程所消耗的第i种能源的消耗量；ef
rd,i
表示第i种能源的碳排放因子。
47.q
rt
＝∑v
rt,i
×nrt,i
×drt,i
×ert,i
×
ef
rt,i
48.其中：v
rt,i
表示废弃垃圾外运的第i种车辆；n
rt,i
表示第i种车辆的数量；d
rt,i
表示第i种车辆的运输距离；e
rt,i
表示第i种车辆单位运输距离下的能源消耗；ef
rt,i
表示第i种车辆能源消耗的碳排放因子。
49.有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案的有益技术效果如下：
50.从材料生产、材料运输、零部件生产、零部件运输、施工建造、运营养护和废弃拆除共7个阶段，考虑因维修养护，车辆无法按正常路况行驶，出现加减速、排队、拥堵等现象，进而出现交通延误，导致额外碳排放量的增加，并以碳排因子法计算各个阶段的碳排放量，从而形成交通基础设施生命周期碳足迹计算结果，使得核算模型更加细致完整，核算边界和核算结果更加准确，可支持交通基础建设在生命周期全过程中寻找实现碳优化的关键环节。
附图说明
51.图1为本发明的流程图；
52.图2为本发明的一种交通基础设施的生命周期示意图；
53.图3为“双层环氧”钢桥面铺装层示意图。
具体实施方式
54.下面通过实例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
55.实施例：
56.对于典型钢桥面铺装层，一种“双层环氧”钢桥面铺装层的生命周期碳排放核算方法，包括如下步骤：
57.(1)建立“双层环氧”钢桥面铺装层生命周期碳排放核算模型，模型包括材料生产、材料运输、零部件生产、零部件运输、施工建造、运营养护和废弃拆除共7个阶段，碳排放计量单位为二氧化碳当量。
58.(2)本实施例选定“双层环氧”铺装结构的结构组成为30mm环氧沥青混凝土铺装上层+30mm环氧沥青混凝土铺装下层，选择长500m、宽11.25m的半幅桥面作为功能单位。选取15年为分析期，并选择经典油石比和常用材料组成，确定各铺装层的材料组成为环氧沥青结合料：集料：矿粉＝26.475：366.488：40.725，单位为t。
59.(3)材料生产阶段：环氧沥青混凝土是一种由环氧树脂、固化剂与基质沥青经过复杂的化学改性后与一定级配的集料、矿粉拌制所得的混凝土材料。本实施例所用环氧沥青为温拌环氧沥青。由图3所示，铺装结构所用环氧沥青粘结层和环氧富锌漆防锈层的材料用量较小，根据cut-off rules取舍规则，本技术方案不考虑这些材料的碳排放量。
60.(31)温拌环氧沥青指由双组分混合制备而成，拌合温度一般控制在110～130℃的环氧沥青材料。环氧树脂为一组分(以下称a组分)；固化组分为另一组分(以下称b组分)，该组分主要包括固化剂、石油沥青，及其他辅剂等，两种组分分别生产放置。a组分与b组分为1：1配置。a组分所用碳排放因子为1910kg co2eq/t，b组分所用碳排放因子为2153kg co2eq/t。因此生产a组分和b组分的碳排放量为：13.2735
×
1910+13.2735
×
2153＝53930.6kg co2eq。
61.(32)集料和矿粉的生产过程中涉及到石料开采、破碎、振动筛分等工艺流程，所产生的环境影响主要来源于各种机械设备的运转。集料所用碳排放因子为4.725kg co2eq/t，矿粉所用碳排放因子为190kg co2eq/t。因此生产集料和矿粉的碳排放量为：366.488
×
4.725+40.725
×
190＝9469.4kg co2eq。
62.(33)因此材料生产阶段的碳排放量为：53930.6+9469.4＝63400kg co2eq。
63.(4)材料运输阶段：运输阶段的碳排放是指运输工具将材料从生产地运输到施工现场的运输过程所消耗能源而产生的碳排放。运输阶段所用碳排放因子为0.110kgco2eq/(t
·
km)，运输距离为500km。因此材料运输阶段的碳排放量为：433.76
×
0.110
×
500＝23856.8kg co2eq。
64.(5)零部件生产阶段：由于钢桥面铺装层没有预制器件的制造，这里零部件生产阶段主要包括环氧沥青混合料的生产。环氧沥青混合料生产环节涉及混合料生产的厂拌设备对a组分、b组分、集料和矿粉的加热和混合料拌合制备的能源消耗而产生的碳排放。环氧沥青混合料生产的碳排放因子为13.736kgco2eq/t。因此零部件生产阶段的碳排放量为：433.76
×
13.736＝5958.1kgco2eq。
65.(6)零部件运输阶段：本阶段为将环氧沥青混合料运输至施工现场。零部件运输阶段所用碳排放因子为0.110kgco2eq/(t
·
km)，运输距离为10km。因此零部件运输阶段的碳排放量为：433.76
×
0.110
×
10＝477.1kgco2eq。
66.(7)施工建造阶段：环氧沥青混合料运输至施工现场后，需要经过摊铺、碾压才能完成钢桥面铺装层铺筑的完整过程。环氧沥青混合料摊铺阶段碳排放因子为0.293kgco2eq/t、碾压阶段碳排放因子为0.400kgco2eq/t。因此施工建造阶段的碳排放量为：433.76
×
(0.293+0.400)＝300.6kgco2eq。
67.(8)运营养护阶段：本阶段碳排放是钢桥面铺装层从开通运营到废弃使用这一阶段的碳排放。本阶段碳排放分两部分，一部分为因维修养护所消耗材料和能源而造成的碳排放，另一部分为因维修养护行为所造成的交通延误而带来的交通碳排放增量。
68.(81)维修养护所消耗材料和能源而造成的碳排放：随着钢桥面沥青铺装层服务使用年限的增加和铺装材料性能的下降，铺装层在使用过程中将不可避免的出现一些病害，进而影响到桥梁的顺畅运营，对桥面的及时维养可以提高铺装层的使用性能，延长铺装层使用寿命。根据沥青路面养护的分类标准和钢桥面支撑的特点，可以将钢桥面沥青铺装层的养护分为三种类型，即预防性养护、矫正性养护和铺装层重建。本实施例以加铺超薄罩面和铣刨重铺为例进行说明。
69.(82)加铺超薄罩面：对于加铺超薄罩面，其过程包括材料生产运输、混合料拌和、摊铺、碾压，与新铺钢桥面铺装层基本相似。因此，参照新铺钢桥面铺装层，选定加铺超薄罩面时环氧沥青混合料厚度为1cm和养护频率为3年/次，加铺超薄罩面所用碳排放因子为216.7kgco2eq/t。假设每次加铺超薄罩一次需要消耗10t环氧沥青混合料，养护次数为5次，因此加铺超薄罩面的碳排放量为：216.7
×
10
×
5＝10835kgco2eq。
70.(83)铣刨重铺：对于铣刨重铺大修，其过程包括钢桥面铺装层铣刨，材料生产运输、混合料拌和、运输、摊铺、碾压，除钢桥面铺装层铣刨，其他环节与新铺钢桥面铺装层基本相似。本阶段重点计算铣刨单位质量环氧沥青混合料所产生碳排放，其他环节参照以上步骤计算即可。因此，参照新铺钢桥面铺装层，选定养护频率为10年/次，铣刨重铺所用碳排
放因子为219.5kgco2eq/t。假设铣刨重铺一次需要消耗200t环氧沥青混合料，养护次数为1次，因此铣刨重铺的碳排放量为：219.5
×
200
×
1＝43900kgco2eq/t。
71.(84)维修养护行为所造成的交通延误而带来的交通碳排放增量：在钢桥面的养护施工过程中，车辆无法按正常路况行驶，出现加减速、排队、拥堵等现象，进而出现交通延误，导致额外碳排放量的增加。
72.(85)假设养护施工封闭1个车道，养护施工区全长3km，限速值取40km/h，车辆百公里平均油耗为5.3l，交通量为1000pcu/h，计算得出一天施工区总延误时间为33.65h，总延误距离为1346km，则算得总燃油消耗为106.9kg，碳排放量为7922.3kgco2eq。
73.(86)对于铣刨重铺施工，假设工期为10天，则交通延误导致的碳排放增量为：7922.3
×
10
×
1＝79223kgco2eq；
74.(87)对于加铺罩面施工，假设工期为1天，则交通延误导致的碳排放增量为：7922.3
×1×
5＝39611.5kgco2eq。
75.(9)废弃拆除阶段：废弃拆除阶段的碳排放主要由拆除设备耗能和废弃垃圾外运产生。
76.(91)钢桥面铺装层拆除过程碳排放可参考步骤(83)铣刨重铺阶的铣刨过程，铣刨过程的碳排放因子为2.66kgco2eq/t。拆除过程的碳排放量为：433.76
×
2.66＝1153.8kgco2e q。
77.(92)废弃垃圾外运过程碳排放可参考步骤(4)材料运输阶段，外运过程的碳排放因子为0.110kgco2eq/(t
·
km)，运输距离为100km。废弃垃圾外运过程的碳排放量为：433.76
×
0.110
×
100＝4771.4kgco2e q。
78.(93)因此废弃拆除阶段的碳排量为：1153.8+4771.4＝5925.2kgco2e q。
79.(10)计算“双层环氧”钢桥面铺装层的生命周期碳排放总量：63400+23856.8+5958.1+477.1+300.6+173569.5+5925.2＝273487.3kgco2e q。
80.汇总结果如表1所示。如表1所示，“双层环氧”钢桥面铺装层的生命周期碳足迹主要集中在运营养护和材料生产两个阶段，共占据总排放量的86.65％。因此，选择低碳排放量的材料是降低钢桥面铺装层生命周期碳排放总量的关键。
81.表1双层环氧沥青钢桥面铺装层生命周期碳足迹
[0082][0083]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0084]
尽管本文较多地使用了生命周期碳排放核算模型以及材料生产、材料运输、零部件生产、零部件运输、施工建造、运营养护和废弃拆除等术语，但并排除使用其它术语的可
能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。