内河限制性航道护岸全生命周期能耗计算方法

徐星璐，陈一梅，夏舒豪，施文杰，张贺城

（东南大学 交通学院，南京210000）

江苏作为水运大省，共有内河航道里程2.39万km（不含长江），根据国家“十一五”计划指导，内河限制性航道提升改造任务重。护岸作为内河限制性航道整治工程的重要组成部分，也是建设能耗较大的部分之一。因此，研究内河限制性航道护岸工程的能耗对于推进内河航道工程节能减排有十分重要的意义。

对于公共建筑的节能减排研究，国内外学者主要集中于住宅、房屋的能耗评，而针对航道工程的节能减排研究才刚。本文将在前人研究的基础上，运用LCA理论，以盐河航道改造工程为例，探讨内河限制性航道护岸工程全生命周期能耗计算方法。

1 护岸全生命周期的能耗及计算模型

1.1 能耗分析

LCA全生命周期理论即对一种结构物从其生产到销毁或回收的全过程的能耗评估理论。根据护岸工程的特点，护岸全生命周期进程分为3个阶段，主要能耗环节清单如下：

图1 护岸全生命周期能耗分析图

护岸设计阶段主要考虑护岸工程实体构造物的内含能，是工程建筑物或者临时辅助设施建设过程中消耗的全部建筑材料的内含能量，包括原材料从获取到制成成品的全过程能量消耗，称之为结构物能耗。

护岸建造阶段，运输建材消耗的能源称之为运输能耗。护岸工程施工过程中各种施工机械 （如吊车、搅拌机、焊机等）和车船（挖卡车、挖泥船等）运行能耗，称之为施工能耗。

护岸使用阶段，受水流和船行波冲刷，以及船舶碰撞或人为因素等影响，护岸会出现破损。为了保持护岸的功能与安全性，必须对受到破坏的部分进行修复。维修材料的运输耗能以及修补施工的机械耗能，称之为维修能耗。

如果受损护岸已经无法修复，则需要对废旧护岸进行拆除，建造新的护岸。护岸拆除，除了拆除机械的耗能外，还需考虑拆除后的废物抛弃处理和回收能耗。

图2 护岸使用阶段能耗点分析

1.2 计算模型

根据前述分析，内河限制性航道护岸工程全生命周期总能耗Ee定义为结构物能耗、运输能耗、施工能耗以及维修和拆除能耗的总和，可用下式表达：

式中 Em为结构物能耗，与设计阶段确定的护岸形式、所用材料的类型、数量有着密切关系；Et为运输能耗，与材料运输距离和重量有关。

式中 n为构造物所用材料种类的总数目；Qmi为构造物所用第i种材料的总重量（t）；ei为构造物所用第i种材料的内含能量强度值（GJ/t），考虑材料的使用周期，在内含能中加入回收率后，建材内含能=建材单位能耗量×（1-可回收系数）+回收再生产能耗×可回收系数；Qti为运输第 i种材料的总重量（t）；eti为第 i种材料每千吨公里的运输耗能（GJ/kt·km）；Li为第i种材料的运输距离。

Ec为施工能耗，与施工时的设备种类，工作时长有着密切的关系，由于现场设备工作时间难以准确统计，在建立模型时可根据报价表中机械花费以及机械台班进行能耗计算。

式中 m为构造物施工中分项工程的总数目；η为燃料费/机械单价，查阅相关机械定额台班表得；bi为第i项分项工程的机械单价；c为当年油、电的平均单价；q为油、电的内含能值或碳排放量。

Ew为护岸的维修能耗，Ed为护岸的拆除能耗。由于在结构物能耗部分考虑了材料的回收率，此处就可不计拆除后的回收能耗。

式中 b为修补次数；ewi为护岸缺陷修补能耗，包括修补材料内含能、材料的运输和施工；Qdi为拆除的第i种材料质量；edi为拆除的单位质量材料的能耗。

2 实例计算

盐河航道整治工程中的4标CL-1型护岸：一级直立式挡墙墙身为现浇C30钢筋混凝土结构，一级挡墙驳岸后方设5.00m宽的平台，二级护岸为自嵌式挡土墙，同时提高沿线的景观形象，平台种植植物，如图3所示。

图3 CL型结构图

2.1 结构物能耗计算

根据2011年中国能源年鉴，采用等价热值法，将主要能源能耗折算成标准煤系数，汽油1.4714kg标准煤/kg，柴油1.4571kg标准煤/kg，电 0.9540kg/kW·h。根据材料的生产清单，计算各主要材料内含能，钢材考虑回收率，水泥采用新干法，江苏内河限制性航道护岸常用的6种材料内含能如表1所示。

表1 内河限制性航道护岸主要材料内含能

统计各护岸结构所消耗的结构物数量，根据模型（2），计算出CL-1型护岸的结构物每延米耗能，如表2。

分析表2和4图可以看出，结构物能耗中占比大的前三位依次是:水泥、块石、钢筋。土工布、水和自嵌块的能耗均小于等于1%。CL-1型护岸中使用了相当数量的PVC材料，使得PVC的能耗占到了结构物能耗的10%。碎石和砂子均用来拌和混凝土，因此可以得出，钢筋混凝土结构是结构物能耗中占比最大的项目。

表2 CL-1型护岸结构物能耗

图4 CL-1型护岸结构物能耗组成

2.2 运输能耗计算

根据施工年份2010年《中国交通统计年鉴》，汽车运输的单位能耗量为52.5kg标准煤/kt·km，内河水路运输单位能耗为10.5kg标准煤/kt·km，换算成能耗单位GJ可得出，汽车陆运单位能耗为1.19GJ/kt·km，内河水运为 2.40GJ/kt·km。

本次整治工程位于朱码二线船闸～武障河段，护岸工程的主要建材为水泥、石料、黄砂、钢筋、木材等，工程建设所需的钢材、水泥、木材均可从连云港、淮安购进，砂石料可通过盐河从灌云、淮沐新河线水运至工地。相关数据代入式（3）可得表3。

表3 运输能耗计算

运输阶段，内河水运单位运输能耗量远远小于汽车陆运，是相对绿色的运输方式。CL型护岸材料运输能耗从大到小依次为：水泥、碎石、黄砂、块石、钢筋。前三种均为用于拌制混凝土的材料，因此，混凝土材料的使用是CL型护岸运输能耗增加的关键。

2.3 施工能耗计算

分析各分项工程的工艺流程，混凝土铺砌类所用机械（搅拌机，钢筋加工机）等消耗的是电；围堰或者土方开挖和回填所用机械（挖掘机，翻斗车）消耗的是油。因此，根据模型（4），计算施工能耗如表4。

表4 分项工程施工能耗

统计各类型护岸分项工程施工能耗占比：

通过分项工程能耗占比可以看出，土方开挖、土方回填、方桩和混凝土墙身是施工能耗的主要组成部分，这是因为土方工程使用的挖掘机为大型耗油设备，耗油量大。混凝土方桩打桩能耗较大。

施工能耗的计算仅考虑了施工机械耗能，施工过程中的辅助设施如工地照明、人员后勤设备耗电等均未考虑入内。

2.4 维修和拆除阶段

内河限制性航道护岸在使用阶段损坏的主要原因是碰撞，设计低水位以上部分较易损坏，根据已建护岸调查，一般每公里损坏率小于1%。CL-1型一级护岸为钢筋混凝土，当其损坏体积占总体积15%～26%时需要修补；二级自嵌块结构一般不需要维修。计算得每延米维修能耗为0.068GJ。

拆除采用挖掘机，主要为钢筋混凝土结构的拆除。根据资料平均拆除每立方米混凝土的燃油消耗为22.1kg。调查知废物填弃点据工程点平均距离为3km。由模型（6）可得，每延米拆除能耗为4.80GJ，埋弃能耗为0.043GJ。

2.5 各阶段护岸能耗比较

根据前述各阶段能耗统计计算，CL-1型护岸全生命周期能耗及相应部分的能耗分配比如表5。

表5 CL护岸全生命周期总耗能

就CL型护岸而言，从图5看，能耗占比由大到小依次为结构物能耗、施工能耗、拆除能耗、运输能耗和维修能耗。结构物能耗占了总能耗的77.09%，而维修能耗的占比0.16%，拆除能耗占比较大在11.11%。

图5 CL护岸全生命周期每延米总能耗

3 结语

根据全生命周期能耗分析，内河限制性航道护岸工程，应把能耗控制的重点放在设计阶段的结构选型上。减少钢筋混凝土等人工合成材料的使用，选择适合当地地质且形式简单、材料绿色、耐用的护岸类型。考虑施工条件，尽量减少土方类工程，减少大型施工耗油机械的使用，提高施工效率。做好护岸的维修管理延长护岸寿命，避免拆除，也是节能和减少资源浪费的有效措施。

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