土木工程管理中可持续能源面临的挑战研究

刘 凯

(湖南 益阳 413000)

0 前 言

土木工程师为人类设计并建造了一个新的栖息地，几乎在每个国家都改善了居住环境，而持续的全球气候变暖势头为土木工程施工提出了新的挑战。随着世界人口持续增加，主要是在发展中国家，城市人口大幅增长，同时世界粮食产量增加，这也有助于增加城市化。城市可以被视为生产单位，并且制造城市就业的机会范围更广。世界城市的一个主要问题是交通设施不合理，城市形态与城市交通不相容，这对城市的经济效率产生了相应的影响。世界对能源和电力的需求不断增长，大气中二氧化碳含量的增加正引起人们对气候变化和平均海平面上升的担忧。

土木工程的历史以工作安排的快速变化为标志。土木工程是在军事工程之后发展起来的，最初包括所有非军事基础设施工作。土木工程管理在实际中会变得更加复杂。随着新技术的发展，新的基础设施应用被纳入土木工程，如铁路、机场、供水和污水处理工程。新的社会问题也引发了土木工程工作的变化，例如减少空气和水污染的新规定。工程学本身已发展成为众多不同的学科，包括生物医学、化学、电气、机械、冶金和采矿工程的工程专业。土木工程师倾向于在比其他工程学科更大的空间和时间尺度上工作。土木工程师越来越多地与代表多个职业的团队合作，如建筑师、施工人员和其他工程师。同时计算机辅助通信和工程辅助工具彻底改变了在这些团队中工作的框架。土木工程与其他工程学科的区别在于公私互动对于监管和所有权的重要性。

全球的发展正在向可持续、清洁和可再生能源的转变，尤其对土木工程来说，是一项重大的新挑战。在过去，土木工程包括水坝、水力涡轮机和用于提供能量的传输系统。但是这个角色正在扩大。新技术将有助于这种转变，特别是对于发电，需要进行新的基础设施投资和更好的管理决策。

在工程建设中有几个因素促使人们转向可持续能源。许多国家正在进口更多的能源，特别是用于液体燃料的石油，因此，能源安全是一个问题。总体能源需求正在增加，因此，正在寻找新的能源。长期提供足够的化石燃料能源供应是一个主要问题; 例如，美国的石油生产已经在1970年左右达到顶峰，预计21世纪将达到世界峰值。对全球气候变化和化石燃料发电的公共卫生影响的关注使清洁能源和能源效率受到重视。许多州已颁布可再生能源或替代能源生产要求。尽管转换无疑会相对缓慢和适合，但风电投资领域已经发生了重大变化，其中全球装机容量增长率高达每年30%。

土木工程的增长恰逢化石燃料的开发和使用迅速增加。诸如煤、天然气和石油之类的化石燃料具有高能量密度并且开发相对便宜。船舶从清洁和可再生风力发电转向煤炭、石油和有限的核电。铁路从可再生木材燃料转向煤和柴油。电网得到广泛应用，促进了供水和配水系统的广泛发展。在过去几个世纪中，能源成本以实际价格下降。实际上，廉价能源是过去两个世纪整体经济发展的主要因素。然而，之前提到的因素正在努力降低化石燃料的作用，并在未来增加实际的能源成本。此外，为这个廉价的，主要是化石燃料能源的时代而发展起来的基础设施必须改变，以建立一个新的可持续能源制度。

可持续能源只是可持续工程的一个方面。许多其他应用领域也很重要。例如，减少有毒物质(包括对健康有影响的纳米粒子)的传播是一个持续关注的问题。更好地管理渔业、森林和水等可再生资源也很重要。然而，现代社会普遍使用能源使可持续能源成为优先事项。

在接下来的部分中，将讨论可持续能源未来的基础设施特征; 强调了生命周期观点对规划、实施和管理这一新基础设施的重要性; 在结论部分，总结了可持续能源的工程管理优先事项。

1 可持续能源基建

与当前的能源基础设施相比，可再生或可持续能源基础设施将具有一些非常不同的特征。与英国相比，我国拥有更多的土地总量，更多的阳光和更多的地热能源，但向可再生能源的重大转变将需要一些重大的土地利用变化和相应的基础设施。表1为英国每单位土地或水域产生的可再生能源估计数。

表1 英国每单位土地或水域产生的可再生能源估计数

许多可再生能源也是间歇性的。风可能会停，夜间停止光伏发电生产，即使是水电也会遭受干旱的影响。随着电网中这种间歇电源的比例增加，需要采取管理措施来克服由于这种间歇性引起的电力波动，以及对备用电源或存储电源的投资。尽管对诸如电池的外来存储设备存在相当大的兴趣，但通过使用储存器的抽水存储具有成本竞争力并且将是增加的基础设施投资。

一些新的可再生能源将分配给当地使用，并将需要与住宅和其他建筑相结合的基础设施。例如，太阳能可以从屋顶作为热水或来自光伏板的电力来利用。地热设施也可以提供冷却或加热，但同样需要基础设施投资。核电与表1中列出的可再生能源不同，因为它不需要更多空间。但是，它在管理废物和确保安全方面带来了自己的工程管理挑战。

一个多世纪以来，美国在化石燃料运输设施方面投入了大量资金。已经为天然气和石油产品开发了广泛的管道网络。2002年运输了10亿t煤，主要通过内陆水道或铁路。在化石燃料发电厂和消费者之间已经开发了输电线网络。可再生能源还需要运输基础设施，用于从可再生能源发电站输送电力，运输生物质能源作物以及运输乙醇等生物燃料。这些可再生能源的位置不同于传统的化石燃料来源，因此，需要新的交通设施。

2 生命周期视角

在考虑对可再生能源生产和相关基础设施的新投资时，可持续的工程挑战是考虑这些投资的整个生命周期的影响。产品和工艺在生命周期主要成本和环境影响发生的位置不同。此外，“可持续的”生命周期需要考虑多代人的影响，而不仅仅是一代人的一部分。

评估未来成本充满了不确定性。资本成本通常高于预期。化石燃料能源如石油的价格已经非常不确定。此外，环境影响通常不包括在材料的供应链价格中，因此，对环境影响的全面评估需要从摇篮到坟墓的环境生命周期评估。

关于基础设施的生命周期观点也表明适应和弹性的重要性。对基础设施生命周期中经济和技术变化的预测可能不太正确。基础设施可能必须适应气候变化。例如，在沿海基础设施的整个生命周期中很可能发生显著的海平面上升，这对该基础设施的设计和位置具有一些重要影响。气候变化可能会使飓风等严重事件更加频繁，同样会对设计决策产生重大影响。即使温室气体排放量迅速减少，可以预期现有温室气体会对气候变化产生影响。

3 工程管理的优先事项

前几节中概述的变化和新的战略重点对土木工程管理具有一些重要意义。

首先，转向可再生能源将为各种工程师创造工作，但民用基础设施将至关重要。例如，设计、建造和维护大型海上风力涡轮机场的结构工程挑战将是巨大的。项目经理将面临为这种可再生能源建设新型基础设施的问题。

其次，提高基础设施的效率将是一项重要的管理挑战。人们普遍认为，效率是实现可持续能源的最具成本效益的手段。建筑必须具有更好的完整性 必须使用更节能的光源替换白炽灯泡，运输必须更加省油。在使用其他资源(如水)时也需要提高效率。由于缺乏可负担的水或对水质的担忧，许多地区正在经历压力。我们需要追求更好的用水效率，而不是将能源和财政资源用于远距离运输。尽管具有再生能源的电动汽车等新技术可能有助于提高效率，但许多变化需要在投资决策和流程变更方面采取管理措施。效率的提高可以带来更大的需求，因此也需要管理需求。

第三，应改变土地使用管理以适应多种用途。随着更多的土地用于发电，我们需要有效地使用这种固定资源。例如，风力涡轮机农场也可用于生长乙醇燃料的生物质。可以使用地热，储存或运输的地下空间，并将其作为土地使用管理的考虑因素。

这些只是转向可持续工程的众多管理挑战中的三个。每个都对工程实践有影响，对教育和研究议程也有影响。例如，教育工作者可能会考虑现有课程的哪一部分与生命周期观点和这三个挑战相关。

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