基于生命周期分析法的公路养护能耗模型

基于生命周期分析法的公路养护能耗模型

薛刚

江阴通达公路养护工程有限公司江苏省江阴214400

摘要：本文应用基于生命周期分析法(LCA)，建立了我国公路养护技术能耗计算模型和评价指标，通过与其他发达国家的研究成果对比，验证了该计算模型的正确性。

关键词：生命周期分析法；公路养护；能耗模型

在公路养护方案的优选中，要注意原料、混合料、施工和运输等众多环节，因为他们是公路生命周期能耗的基本组成部分。本文利用基于生命周期分析法，建立了我国公路养护工程的能耗模型。该模型比较全面地考虑了我国公路养护原材料的综合能耗，并可准确地对公路养护工程能耗进行预评估。

一、生命周期分析法概述

生命周期分析法(LifeCycleAssessment)是兴起于本世纪60年代末，70年代初。关于LCA方法的运用，研究者们首先是用在评价产品的能耗上，后来，随着方法理论的不断完善，废弃物产生和再生的评价也用此方法。1980年后，在国际环境毒理学学会、化学学会和欧洲生命周期评价开发促进会的大力推动下，LCA方法在全世界范围内各行各业受到广泛应用。经过不断的探索和积累，已从最初的简单评价资源与环境状况，发展到具有详细概念、完整框架和娴熟技术的环境管理工具。同时，生命周期分析法是运用生命周期分析矩阵，根据企业的实力和产业的发展阶段来分析评价战略的适宜性的一种方法。利用它有助于战略选择，可缩小选择的范围，做到有的放矢。生命周期矩阵的横坐标代表产业发展的阶段--幼稚、成长、成熟、衰退。纵坐标代表企业的实力，分为五类--主导、较强、有利、维持、脆弱。

二、能耗计算模型

1、原材料生产

1）沥青类材料。普通沥青的生命周期清单包括石油的开采阶段和沥青提炼阶段。目前，沥青提炼有蒸馏法、溶剂法、氧化法等沥青生产工艺，而我国大多道路沥青采用溶剂法或氧化法。

常减压渣油本质上是从石油中提炼汽油等燃料油过程中的废料，其生产过程并不消耗特定的能源，因此沥青提炼能耗仅考虑化学反应过程。由于油气田会同时产出石油和天然气，因此先通过等量热值法计算出石油生产能耗，再进行子产物能耗分配，并考虑沥青提炼能耗。

2）水泥。在公路面层和基层养护中，水泥被广泛用作水硬性材料以胶结混合料并增加其强度。水泥生产主要可分为生料生产、熟料生产和水泥生产三个阶段．目前，我国对公路工程中常用的硅酸盐水泥生命周期的能耗分析相当成熟，并编制了国家标准，该标准制定了各阶段能耗限额表。

3）集料。我国道路所用集料种类较多，生产方式各异，但总体而言，生产过程主要包括石料开采阶段和破碎筛分阶段．这2个阶段分别用到了化学能和电能，在调研多处石料开采加工厂的基础上，进行综合测算，得到我国集料单位产量综合能耗。

4）原材料综合生产能耗。由调研统计资料得到相应参数，代入式、｛◆┫｝BZ中，即可得到各类原材料综合能耗数值(以标准煤作为当量)，结果见表1。

表1原材料综合能耗

2、混合料生产。混合料生产主要分为以下三个过程：①旧料预处理；②旧料和原材料加热；③混合料拌合。这3个过程通常在拌合站系统内进行，其中的旧料预处理包括对原路面的铣刨过程。

为使数据具有统计学上的意义，调研数据采用在标准加热温度下各拌合站的年平均千吨材料综合加热油耗。由于不同工艺(温拌、热拌等)的实际加热温度差异较大，提出了综合加热油耗的加热温度修正系数的概念，用以考虑不同加热温度对油耗的影响。另外，混合料拌合过程中，拌合站系统中的能量转换形式是燃料化学能和电厂电能转换为热能和机械能，因而可推导出混合料生产过程的能耗。

3、现场施工。公路养护工程的现场施工主要包括摊铺和碾压，不同养护技术的摊铺过程所用机组不同，对非就地再生类技术，统计摊铺机组的能耗；而对就地再生类技术，统计就地再生机组的能耗。经调研表明，这2类养护技术的能源消耗都体现为机组发动机工作的燃油消耗和加热墙加热路面的燃气消耗。此外，为规避对各类碾压设备碾压遍数繁琐的统计，提高模型计算效率和精确性，从我国施工规范要求和工程实际出发，构建了依据摊铺状态计算碾压能耗的模型。

4、材料运输。运输环节的能耗是指各类材料在空间上转移所要耗费的能量。但对同一种养护技术，不同实地工程的差异对该环节的能耗影响较大。能耗模型应尽可能体现技术本身的能耗特征，最大程度地消除运距等外界因素产生的能耗差异，使不同养护技术的能耗具有可比性。因此，对运距等参数进行统一，并使其取值接近实际值，这样既能方便比较各养护技术，又能体现运输能耗对总能耗的贡献率。运输过程能耗最主要的影响因素是运距，不同的养护工程运距差异明显。因此，为使施工方便，料场和拌合站一般应设立在一起。运输过程能耗的另一个重要影响因素是运输车辆综合能耗，①运输车辆一般以柴油作为动力，其综合油耗主要受载重量、行驶速度影响，因而差异性较大。②运输石料、旧料的车辆一般都超载，因而其综合油耗高于车辆标称油耗，但单位载重的综合油耗反而会下降。

三、养护技术能耗指数

为表示养护工程技术的能源消耗强度，提出了公路养护技术能耗指数(energyconsumptionin-dexofmaintenance，ECIM)的概念，根据国家标准《综合能耗计算通则》的规定，ECIM应以商的形式表示，分子代表能源消耗量，分母代表单位产出。根据《综合能耗计算通则》规定和相关研究成果，本文把分子设定为养护技术全生命周期的综合能耗。分母在国家标准中有2种设定方法：一种是设定为单位产值，另一种是设定为单位产量。由于产值不仅取决于养护技术等客观因素，还受施工单位管理水平等主观因素的影响，因此不宜将分母设定为单位产值，将其设为单位产量更为合理。为排除层位厚度的影响，将其具体设定为混合料单位质量而非养护路段单位长度。因此，本文将ECIM定义为：某类公路养护技术中，单位质量路面或基层材料全生命周期的综合能耗，通过ECIM可对比不同养护技术的能耗，并分析节能效益。

四、结果与讨论

为验证本文能耗模型的正确性，应用其对2015-2016年我国某高等级公路大中修养护工程进行了能耗量化，得到了其养护技术能耗数据库，该能耗数据库主要是基于投入产出的生命周期分析法和公路养护工程的工程量清单建立的。由于能源折算方式、材料组成比、施工工艺等细节差异，导致在相同的养护技术下我国与其他国家的ECIM指数存在一定差异。经过测算表明，如果去除这些主观因素，我国与其他国家的养护技术ECIM指数差别在约4％以内。

此外，通过比较我国与其他国家的养护技术能耗数据库，可得到一些共性的结论：

1、常规沥青路面养护技术中，沥青的生产能耗和混合料生产能耗对总能耗贡献率最高，这2个过程各自的能耗贡献率随着沥青混合料种类和油石比变化而有所波动，但都在40％左右。2、节能型沥青路面养护技术(再生、温拌、冷拌等)的ECIM值明显比常规沥青路面养护技术低，这主要归功于沥青生产和混合料生产过程能耗的降低。就地冷再生养护技术的节能效益最高，在我国，其ECIM值约为常规养护技术的1/3。3、半刚性基层常规的养护技术比沥青面层常规养护技术的ECIM值低，无论是在我国还是在其他国家，其ECIM值均约为面层的50％。

五、结语

随着我国公路行业主要任务转向“建养并重”，公路大中修养护工程势必会消耗大量的能源。在我国低碳转型的时代背景下，有必要针对公路养护技术，研究原材料能耗清单和养护工程能耗计算模型，并建立评价指标和数据库。这样，可从能耗角度对养护工程技术的节能效果进行评估，优化方案评选，从而降低养护工程全寿命周期能源消耗强度。

参考文献：

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