基于生命周期分析法的公路养护能耗模型

唐　皓　 蒯海东　 黄晓明

(1东南大学交通学院,南京210096)(2新疆交通建设(集团)有限责任公司,乌鲁木齐830001)

基于生命周期分析法的公路养护能耗模型

唐皓1蒯海东2黄晓明1

(1东南大学交通学院,南京210096)(2新疆交通建设(集团)有限责任公司,乌鲁木齐830001)

摘要:为了优化公路养护节能方案的评选,应用基于过程的生命周期分析法,从原材料的生产、混合料的生产、现场施工和材料运输4个过程研究了公路养护技术的能耗，并构建了相应的计算模型.分析了我国公路养护原材料的全生命周期能耗,将其生命周期边界定义为对自然界矿物的开采,并计算得到了我国原材料的综合能耗数据.提出了养护技术能耗指数(ECIM),建立了我国公路养护技术的能耗数据库,并与欧洲学者研究成果进行了对比.结果表明:该能耗模型与欧洲能耗模型得出的ECIM值相接近,能耗分布相似;常规沥青路面养护技术中,沥青和混合料的生产能耗对总能耗贡献率最高,均达到40%左右;就地冷再生技术的节能效益最高,其ECIM值约为常规养护技术的1/3.

关键词:公路养护;能耗模型;生命周期分析法;原材料

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.在中国低碳转型的时代背景下,有必要针对我国公路养护技术,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.

目前,欧洲发达国家已经从公路养护工程全寿命周期的角度出发,对养护能耗开展了大量研究[1].Stripple[2]对公路建养常用材料在生产阶段的能耗进行了详细分析,形成了清晰的数据清单,并在此基础上探讨了采用冷热生产技术的2种沥青路面和普通水泥混凝土路面的能耗.Dorchies等[3]采用欧洲5家研究机构的权威数据作为基础参数,并根据欧洲已有研究成果整理出公路建养全寿命周期能耗计算模型.该研究成果得到西方发达国家道路工程界广泛认可,其数据库和能耗模型也得到了广泛的应用.

在我国公路大中修养护工程中已逐步推广应用了一批低能耗技术.但大部分研究仅对2～3项养护技术能耗进行了定性或定量分析.秦永春等[4]对温拌沥青技术能耗进行了定量分析,并与常规热拌沥青技术进行了对比.近年来,部分研究人员首次从全生命周期的角度,对我国公路建养期间的能耗进行研究.潘美萍[5]对高速公路全寿命周期内的能源消耗进行了定量分析,并对3种不同的路面结构进行了分析，其提出的计算模型注重于建设阶段能耗.杨博[6]以定额法为基础,提出沥青路面新建和养护工程的能耗计算模型,但该模型不适宜用于预评估.这些学者在全生命周期清单分析中均是依据欧洲发达国家的行业平均水平建立的数据,并不适合我国国情.

本文通过对原材料生产环节的研究,计算了我国公路养护原材料全生命周期能耗数据.并应用基于过程的生命周期分析法(LCA),建立了我国公路养护技术能耗计算模型和评价指标.通过与西方发达国家的研究成果对比,验证了该计算模型的正确性.

1研究方法

1.1生命周期分析法

对于产品的能耗研究,最全面、准确的方式是生命周期分析法[7].对1996—2010年关于道路建养的生命周期分析法进行总结后发现,大部分采用了基于过程的生命周期分析法[8].相较于基于投入-产出的生命周期分析和复合生命周期分析方法,基于过程的生命周期分析法建立的能耗模型较为复杂,但其结果较为准确.因此，本文利用基于过程的生命周期分析法研究公路养护能耗.

由于养护工程的实际使用寿命不仅与路面结构和材料自身性能密切相关,还受限于施工质量、交通量、重载车型比例等不可控的外界因素,很难准确估算其实际使用寿命.因此,为使成果具有可操作性,将养护工程生命周期边界的结束定义为养护工程施工结束,即重新开放交通为止.

1.2能源生命周期清单分析

能源的清单分析是公路养护工程各环节能耗清单分析的基础.为了保证计算模型的实用性和准确性,将能源的生命周期起始边界定义为化石燃料的使用.

在能源折算方式上,电力能耗按照国际通用的等价热值法,热力和其他种类能源按照我国常用的当量热值法进行折算,并以标准煤当量作为能源的统一计量单位.我国大部分能源统计资料也是采用该方法对能源进行折算[9].

根据能源生命周期的界定方法,兼顾能源折算方式,引用《综合能耗计算通则》[10]中数据,分析能源的平均低位发热量,并统一折算成标准煤当量(standardcoalequivalent,CE).结果如表1所示.

表1　能源清单分析结果

2能耗计算模型

公路养护工程生命周期主要碳足迹如下:① 原材料生产;② 混合料生产;③ 现场施工;④ 材料运输.为了确保模型的模块化,规定就地再生类养护技术的混合料生产属于现场施工环节.

2.1原材料生产

公路养护技术主要涉及沥青面层和水稳基层的维修养护,所用的原材料包括:沥青类材料、水泥、集料等.为了保证原材料生命周期清单分析的全面性,原材料的生命周期边界定义为:自然界天然矿物的开采.

2.1.1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3种沥青生产工艺.对我国7个道路沥青生产厂家进行调研发现,均是采用溶剂法或氧化法.相关研究也表明,用溶剂法和氧化法生产沥青产品占有较大比重[11].沥青生产的工艺流程如图1所示.

图1　沥青生产流程

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,由此可推导出

(1)

式中,Ea为我国普通沥青综合能耗;Ef为统计期(年)内我国油气田综合能源消费量;PO为统计期(年)内我国石油产量;Pg为统计期(年)内我国天然气产量;dg为天然气密度;ξg为天然气折标准煤系数;Aa为子产物分配系数,经过约分运算和考虑原油加工损失率后一般可取1.0～1.25;Er为采用溶剂法或其他提炼法的单位质量沥青提炼能耗,一般以单位质量标油为计量单位；ξp为标油折标准煤系数.

相比于普通沥青,改性沥青和乳化沥青的全生命周期增加了2个阶段:① 添加剂生产;② 剪切等加工过程.限于篇幅,仅将其结果列于表2中.

表2　原材料综合能耗

注:此处仅列出了具有代表性的原材料,如集料选取我国道路工程常用的玄武岩.

2.1.2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3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[12].结合该标准,并应用发电煤耗法得到如下简化计算公式:

Ecem=Eclg+Edr+ξeeQs

(2)

式中,Ecem为我国水泥综合能耗;Ecl为熟料综合煤耗;g为统计期内水泥企业水泥中熟料平均配比;Edr为统计期内烘干水泥混合材所耗燃料折标准煤;ξee为电能折算标准煤系数;Qs为水泥生产综合电耗.

2.1.3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,在调研了我国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.

2.1.4原材料综合生产能耗

由文献[13]和调研统计资料得到相应参数,代入式(1)、(2)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2.

原材料生产全过程能耗计算公式如下:

(3)

式中,Erp为原材料生产过程单位质量混合料综合能耗;N为输入系统的所有原材料的类型数;Fi为第i类原材料单位质量综合能耗;Pi为第i类原材料占混合料总质量的百分数.

2.2混合料生产

结合实地调研,混合料生产主要分为以下3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.

为了使数据具有统计学上的意义,实地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K的概念,用以考虑不同加热温度对油耗的影响.通过假定原材料在温度变化过程中的比热容为定值,再应用比热容的定义公式推导出该系数的表达式:

(4)

式中,Ki为第i类原材料的加热温度修正系数;Tn为各类原材料输入拌合站前的温度,一般统一设为25或20 ℃;Ti为第i类原材料实际加热温度;Tsi为第i类原材料标准加热温度.

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公式如下:

(5)

式中,Emp为混合料生产过程单位质量混合料综合能耗;Fsi为在标准加热温度下,第i类原材料的单位质量综合加热油耗;ξi为第i类原材料加热环节所用燃料油折算标准煤系数;Ems为拌合楼单位产量混合料综合电耗;Ept为单位质量旧料进行预处理的综合能耗;R3为混合料中旧料掺加比例.

2.3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,对于非就地再生类技术,统计摊铺机组的能耗；而对于就地再生类技术,统计就地再生机组的能耗.现场调研表明,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.摊铺过程的能耗计算公式如下:

(6)

式中,Epr为摊铺过程综合能耗;Fpr为摊铺机或就地再生机组综合能耗,由于机组在不同运行状态下(满负荷和非满负荷)的能耗有差异,因此应采用实际运行状态的综合能耗;vpr为摊铺机或就地再生机的实际运行速度;wpr为摊铺机或就地再生机的实际摊铺宽度;hpr为摊铺机或就地再生机的实际摊铺厚度;dm为混合料密度.

为了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[14]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.该方法假定摊铺和碾压同步开始和完成,具体算法是根据摊铺时间、碾压设备的数量和碾压设备单位时间综合油耗计算该过程能耗,具体公式如下:

(7)

式中,Ero为碾压过程综合能耗;M为碾压设备的台数;Fri为第i台碾压设备单位时间综合油耗;ξri为第i台碾压设备所用柴油或汽油的折算标准煤系数.

2.4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.但对于同一种养护技术,不同实地工程的差异对该环节的能耗影响较大[15].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.选取2013—2015年江苏等地国省干线14个养护工程作为样本,对4项主要运距值进行统计,以众数或平均数作为计算运距,见表3.

表3　计算运距

注:为施工方便,料场和拌合站一般设立在一起.

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.对多项养护工程运输车辆载重量和综合油耗数据进行调研和统计分析,结果表明: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.以车速60km/h计,每增加10t载重,油耗增加0.064L/km.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.综上,对运输车辆综合能耗进行归一化:取运输车辆载重量为50t,此时综合油耗约为0.5L/km,可得运输车辆综合能耗为0.013kg/(t·km) 标准煤当量.通过对各类公路养护工程运输过程的实地监测,可推导出各类养护技术通用运输能耗公式如下:

(8)

式中,Etr为运输环节单位质量混合料综合能耗;Ftr为运输车辆基本综合能耗;D1为旧料至料场运距;D2为料场至拌合站运距;D3为新料至拌合站运距;D4为混合料至施工现场运距;R1,R2,R3分别为油石比、水泥掺量和旧料掺量.实际测算时发现,附属运输环节的能耗与总能耗相差4个数量级.因此,为了提高计算模型运算效率,忽略附属运输过程,如洒水车运行、改性剂运输等过程的能耗.

3养护技术能耗指数

为了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(energyconsumptionindexofmaintenance,ECIM)的概念.根据国家标准《综合能耗计算通则》[10]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》[10]规定和国内外相关研究的成果,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.为了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可以对比不同养护技术的能耗并分析节能效益.

4结果与讨论

为了验证本文能耗模型的正确性,应用其对2013—2015年我国高等级公路大中修养护工程进行了能耗量化,得到了我国养护技术能耗数据库.将该数据库数据和Dorchies等[3]的研究成果列于表4中(均折算为标准煤当量).

表4　国内外公路养护技术能耗量化结果　 kg/t

注:为书写方便,G表示国道,S表示省道；胶结料指沥青或水泥.

Dorchies等[3]的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欧洲的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,我国与欧洲的养护技术ECIM指数差别在4%以内.

此外,通过比较我国与欧洲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欧洲,其ECIM值均约为面层的50%.

5结语

利用基于过程的生命周期分析法,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,从而为公路养护工程的节能方案选择提供参考.此外,在我国《综合能耗计算通则》的框架下,提出的公路养护技术能耗指数ECIM可以评判公路养护技术的能源消耗强度.

在去除能源折算方式等主观因素的情况下,用该能耗模型得到的指标结果与欧洲发达国家接近.这一方面从侧面验证了该能耗模型的正确性和实用性;另一方面表明各国公路养护技术的生命周期能耗分布相似,各国研究机构可以通过相互借鉴和交流以采取更先进的养护技术来降低能耗.本文的研究方法和成果能为国内外相关研究提供参考.

参考文献 (References)

[1]ChehovitsJ,GalehouseL.Energyusageandgreenhousegasemissionsofpavementpreservationprocessesforasphaltconcretepavements[C]//First International Conference on Pavement Preservation.NewportBeach,USA, 2010: 27-42.

[2]StrippleH.Lifecycleassessmentofroad:Apilotstudyforinventoryanalysis[R]. 2nded.Gothenburg,Swedish:IVL, 2001.

[3]DorchiesPT,ChappatM,BilalJ.Environmentalroadofthefuture:Analysisofenergyconsumptionandgreenhousegasemissions[C]//Fiftith Annual Conference of the Canadian Technical Asphalt Association.Toronto,Canada, 2005: 1-26.

[4]秦永春, 黄颂昌, 徐剑, 等. 温拌沥青混合料节能减排效果的测试与分析[J]. 公路交通科技, 2009, 26(8):33-37.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2009.08.007.

QinYongchun,HuangSongchang,XuJian,etal.Testandanalysisofenergysavingandemissionreductionofwarmmixedasphalt[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2009, 26(8):33-37.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2009.08.007.(inChinese)

[5]潘美萍. 基于LCA的高速公路能耗与碳排放计算方法研究及应用[D]. 广州: 华南理工大学土木与交通学院, 2011.

[6]杨博. 沥青路面节能减排量化分析方法及评价体系研究[D]. 西安: 长安大学公路学院, 2012.

[7]卢海涛, 杨文安. 高速公路全生命周期能耗统计模型[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2011, 35(5):1044-1048.

LuHaitao,YangWen’an.Statisticalmodelofhighwaylife-cycleenergyconsumption[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2011, 35(5):1044-1048.(inChinese)

[8]SanteroN,MasanetE,HorvathA.Lifecycleassessmentofpavements:Acriticalreviewofexistingliteratureandresearch[R].Skokie:PortlandCementAssociation, 2010.

[9]江亿, 杨秀. 在能源分析中采用等效电方法[J]. 中国能源, 2010, 32(5):5-11.DOI:10.3969/j.issn.1003-2355.2010.05.001.

JiangYi,YangXiu.Electricityequivalentapplicationinenergyanalysis[J]. Energy of China, 2010, 32(5):5-11.DOI:10.3969/j.issn.1003-2355.2010.05.001.(inChinese)

[10]国家发展和改革委员会资源节约和环境保护司.GB/T2589—2008 综合能耗计算通则[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[11]环境保护部科技标准司.HJ443—2008 清洁生产标准石油炼制业(沥青)[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2008.

[12]国家发展和改革委员会资源节约与环境保护司.GB16780—2012 水泥单位产品能源消耗限额[S]. 北京: 中国标准出版社, 2013.

[13]国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴2012[M]. 北京:中国统计出版社, 2012: 54-65, 341-342.

[14]交通部公路科学研究所.JTGF40—2004 公路沥青路面施工技术规范[S]. 北京: 中国标准出版社,2004.

[15]LoijosA,SanteroN,OchsendorfJ.LifecycleclimateimpactsoftheUSconcretepavementnetwork[J]. Resources Conservation & Recycling, 2013, 72(2):76-83.

Energyconsumptionmodelforhighwaymaintenancebasedonlifecycleassessment

TangHao1KuaiHaidong2HuangXiaoming1

(1SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) (2XinjiangCommunicationConstruction(Group)Co.,Ltd.,Urumqi830001,China)

Abstract:In order to optimize the selection of energy-saving schemes for highway maintenance, the energy consumption of highway maintenance technology is studied by the process-oriented life cycle assessment (LCA). The life cycle is divided into four processes: the production of raw materials, the production of mixture, field construction and transport of materials. The corresponding calculation model is established. The whole life cycle energy consumption of raw materials is analyzed and its life cycle boundary is defined as the extraction of minerals that exists in nature. Then, the comprehensive energy consumption of raw materials is calculated. The energy consumption index of maintenance (ECIM) is put forward. The energy consumption database for Chinese highway maintenance technologies is established and compared with that of European. The results show that both of the ECIM values are close to each other and the energy consumption distributions are similar. For conventional pavement maintenance technologies, asphalt production and mixture production provide a huge contribution to total energy consumption, and each contribution rate reaches approximately 40%; the in-place cold recycling maintenance technology has the highest energy-saving benefit, and its ECIM value is about one third of that of conventional maintenance technologies.

Key words:highway maintenance; energy consumption model; life cycle assessment (LCA); raw materials

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.029

收稿日期:2015-08-13.

作者简介:唐皓(1992—),男,硕士生;黄晓明(联系人),男,博士,教授,博士生导师,huangxm@seu.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378121).

中图分类号:U418.4

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0629-06

引用本文: 唐皓，蒯海东,黄晓明.基于生命周期分析法的公路养护能耗模型[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):629-634.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.029.