文章基于全寿命周期碳足迹核算模型的桥梁碳强度模糊综合评价.doc

文章编号：基于全寿命周期碳足迹核算模型的桥梁碳强度模糊综合评价 孙晓燕1 董伟伟1 王海龙1* 王捷2（1 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州，3100582 斯坦福大学 土木与环境工程学系, 美国 加利福尼亚州CA94305-4020）摘要：为了量化桥梁全寿命周期内的碳足迹，依据时间系列将整个桥梁寿命周期分为设计、原材料生产加工、施工、运营维护和废弃等5个阶段，按照质量准则和造价准则核算材料损耗、材料运输、施工机械和办公场所的碳排量建立碳足迹核算模型。针对桥梁项目特点基于碳足迹和经济成本建立碳强度指标，并应用改进的层次分析法进行多级模糊综合评价。采用本文模型对武汉市南太子湖大桥进行了工程应用分析，研究结果表明：该桥的碳强度介于碳强度适中与碳强度较大之间，其碳足迹主要集中在桥梁建设的原材料生产加工阶段和施工阶段。本文的桥梁碳足迹核算模型和桥梁环境综合评价方法兼顾了桥梁工程实施规律和经济成本影响，可为有效节能减排提供桥梁建设管理参考。关键词：桥梁；碳强度；全寿命周期评价；碳足迹；模糊综合评价；时间系列；层次分析法中图分类号：U44 文献标志码：AComprehensive fussy assessment of bridge carbon intensity index based on life-cycle carbon footprint quantitative modelSUN Xiao-yan1, DONG Wei-wei1, WANG Hailong*1, Jie Wang2(1 College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China2 Department of Civil and Environmental Engineering, Stanford University, California, CA 94305-4020)Abstract: In order to estimate the carbon footprint of bridge whole life cycle, a quantitative model was established. The life cycle was divided into five phases as programming, raw material production, construction, operation, maintenance and disuse. The carbon footprint of different source, such as material, transportation, equipment etc, was accounted according to the criterion of mass and cost. The carbon intensity index was proposed considering the feature of bridge engineering and economic cost. A multi-level assessment method was developed based on modified analytic hierarchy process and comprehensive fussy analysis. As a case study, the southern Taizi Lake bridge in Wuhan was analyzed and the assessment result indicated that the carbon intensity of this bridge was between medium and comparatively large, and the carbon footprint was mainly concentrated in the phases of raw material production and construction. The carbon footprint model and carbon intensity index assessment method which combine environmental impact together with economic cost, were of high applicability in real bridge project, and could be used as a reference for bridge management section to assess the life cycle environmental impact.Keywords: bridge; carbon intensity; life cycle assessment; carbon footprint; fuzzy comprehensive assessment; analytic hierarchy process0 引言根据中国能源统计年鉴及国家发展和改革委员会能源研究所提供的碳排放数据分析发现，中国碳排放总量随着能源消耗不断增长，年均增速约为7%，如图1所示。作为重大工程项目和生命线工程，服役周期长达百年的桥梁结构是碳排放量主要来源之一。随着全球环境的进一步恶化，有效控制桥梁生命周期负面环境影响已成为当前桥梁建设管理日益关注的主要问题，桥梁工程服役周期内的碳排量核算分析和综合评估成为关键所在。 图1 我国碳排放量与能源消耗随时间的变化Fig.1 Chinas carbon emission and energy consumption varied over time首先，减排措施和管理决策必须建立在各类工程及生产活动的碳足迹量化分析模型的基础之上。其次，在全球发展低碳经济的大趋势下1，基于清洁发展机制（CDM）的国际碳贸易经济活动2，必须以碳排放量化分析3为依据进行交易。但目前国内外碳排量分析主要针对工业4、5以及房屋建筑6、7，桥梁结构的碳排放研究和综合评价亟待开展。量化桥梁生命周期各阶段的碳排量并进行综合评价，在全寿命时间范畴实现碳减排，为桥梁工程申请CDM和VER项目，将碳减排量（CERs）进行交易以实现经济利益和环境效益已成为当前桥梁工程建设管理的主导方向。在桥梁环境影响方面，刘沐宇等8运用全寿命周期评价理论进行了多级模糊综合评价，并对不同桥梁开展对比分析9，建立了全寿命周期成本分析模型10，进行了有意义的探索研究。本文基于全寿命周期评价理论，将桥梁生命过程分为设计阶段、原材料生产加工阶段、施工阶段、运营维护阶段和废弃阶段五个阶段，按照材料损耗、材料运输、施工机械和办公场所从桥梁全寿命范畴核算碳排量，并综合考虑碳排放和经济成本建立碳强度指标，再此基础上开展桥梁碳足迹多级模糊综合评价。1 桥梁全寿命周期碳足迹核算模型1.1 碳足迹的定义和清单碳足迹，通常也称为“碳排放量”，是指用于测量机构或个人因每日消耗能源而产生的二氧化碳排放对环境影响的指标1。本文定义桥梁全寿命周期碳足迹为在桥梁的设计阶段、原材料生产加工阶段、施工阶段、运营维护阶段和废弃阶段内与桥梁建筑施工维修加固等建设行为相关的碳排放量。根据每个阶段桥梁结构的建设实施行为建立生命周期各阶段主要碳足迹清单，如表1所示。表1 桥梁全寿命周期碳足迹清单Tab.1 List of bridge life-cycle carbon footprint 寿命周期阶段主要碳足迹设计阶段V1原材料生产加工阶段V2施工阶段V3运营维护阶段V4废弃阶段V5 办公场所碳足迹V11材料损耗碳足迹V21、材料运输碳足迹V22、办公场所碳足迹V23材料损耗碳足迹V31、材料运输碳足迹V32、施工机械碳足迹V33、办公场所碳足迹V34材料损耗碳足迹V41、材料运输碳足迹V42、施工机械碳足迹V43、办公场所碳足迹V44材料运输碳足迹V51、施工机械碳足迹V52、办公场所碳足迹V531.2 碳足迹核算模型构建1.2.1 模型基本假定（1）在计算材料损耗碳足迹和办公场所碳足迹时，由于桥梁全寿命周期内涉及的直接材料和间接材料品种众多，逐项分析过于庞杂。所以只将同时满足质量准则和造价准则的材料计入桥梁全寿命周期碳足迹核算模型。所谓质量准则是指分别将桥梁工程各阶段消耗的所有材料按质量大小进行排序，累计质量占各阶段总体质量90%以上的材料计入核算范围。所谓的造价准则是指分别将桥梁工程各阶段消耗的所有材料按各阶段造价大小进行排序，累计造价占总体造价90%以上的材料计入核算范围。（2）本模型核定的碳足迹只与资源和能源的用量以及资源和能源本身碳含量多少有关。1.2.2 碳足迹核算模型 桥梁全寿命周期碳足迹的核算模型为： （1）式中：是指桥梁全寿命周期碳足迹；为各类碳足迹，分别对应材料损耗、材料运输、施工机械和办公场所。材料损耗的碳足迹可根据单位材料的碳排放量12与材料的损耗量直接相乘量化，主要建材的碳排放量如表2、3所示，其计算模型如下： （2）式中：是指桥梁全寿命周期内材料损耗碳足迹；为第种单位材料所含的碳排放量；为桥梁全寿命周期内第种材料的损耗量。表2 主要原材料生产过程中碳排放量Tab.2 Carbon emission of the major material in production process材料名称CO2排放量（t/t）材料名称CO2排放量（t/t） 水泥普通钢筋采掘骨料再生骨料沥青纤维板0.91.770.0050.003690.0450.46木材钢材沙子防潮膜钢绞线（不锈钢）栏杆0.462.510.001表3 混凝土加工过程中的碳排放量（t/t）Tab.3 Carbon emission of concrete in production process (t/t)混凝等级0%25%50%粉煤灰替代水泥比重C12/150.1030.0830.062C16/200.1120.0890.066C20/250.1280.1020.075C25/300.1360.1080.079C30/370.1530.1200.087C35/450.1610.1260.091C45/500.1690.1320.096C500.2120.1650.117高炉矿渣替代水泥比重C12/150.1030.0830.065C16/200.1120.0910.070C20/250.1280.1030.079C25/300.1360.1100.083C30/370.1530.1220.092C35/450.1610.1290.096C45/500.1690.1350.101C500.2120.1680.124尽管在废弃阶段不产生材料损耗碳足迹，但由于有些材料可进行回收再利用，使得全寿命周期的单位碳排放量发生变化，因此在全寿命碳足迹核算时需考虑并将其计入材料损耗碳足迹当中。本文参照文献11，将型钢、钢筋和铝材进行回收，材料回收系数及回收后的单位材料碳排放量如表4所示。对于骨料的回收13，回收率在50%以下时，考虑回收后的CO2排放量仍为0.005t/t,回收率在50%以上时，考虑回收后的CO2排放量为0.004t/t。表4 可再生材料回收的回收参数及碳排放量 Tab.4 The recycling coefficient and carbon emission of recyclable material建材型钢钢筋铝材回收系数0.900.500.95CO2排放量（t/t）1.400.9201.02材料运输的碳足迹计算模型如下： （3）式中：是指桥梁全寿命周期内材料运输碳足迹；为第种运输车辆行驶单位距离所产生的碳排放量；为桥梁全寿命周期内第种运输车辆的行驶距离。主要运输车辆行驶单位距离的碳排放量如表5所示。表5 载重车辆的碳排放量Tab 5 Carbon emission of heavy vehicles车辆形式CO2排放量（g/km）中等排量柴油车，1.7到2.0公升大排量柴油车，大于2.0公升中等排量混合车大排量混合车柴油车，载重汽车达到3.5吨以上LPG或CNG载重量达到3.5吨以上MPV：汽油MPV：柴油SUV：汽油SUV：柴油火车187.6255.8126.2224271.6271.8242.2212305.4266.457.7施工机械碳足迹和办公场所的碳足迹主要根据由于使用该设施所耗费的燃油量和所耗费的电力、天然气或煤的用量转换计算所产生的CO2排放量。其计算模型如下： （4）式中：是指桥梁全寿命周期内施工机械碳足迹和办公场所碳足迹总量；为消耗第种单位能源所产生的碳排放量；为桥梁全寿命周期内第种能源的消耗量。各种能源单位能耗产生的碳排放量如表6所示。 表6 不同能源单位能耗的碳排放量Tab.6 The carbon dioxide emissions of unitenergy consumption of different energy sources燃料二氧化碳排放量天然气燃油煤*电2.04 kg/kg3.31 kg/kg3.16 kg/kg0.95 kg/kW.h*:煤平均燃烧效率为80%；发电煤耗为400g/kWh。 综上所述，桥梁全寿命周期碳足迹核算模型细化为： （5）2 碳足迹多级模糊综合评价2.1备择集建立和评价指标隶属度计算备择集可基于桥梁全寿命周期内各评价指标的碳强度的大小来建立。碳强度是指单位GDP的二氧化碳排放量14、15。一般情况下，碳强度随着技术进步和经济增长而下降，中美碳强度随时间的变化趋势16如图2所示。为了使得国家层面宏观控制的碳强度具有可量化和可执行性，本文基于桥梁项目的特点将碳强度指标定义为单位成本的二氧化碳排放量，结合模糊综合评价方法将桥梁全寿命周期整个过程评价因子分为个互不相交的子集V，每层评价因子由下层的评价因子来决定。图2 中美碳强度随时间变化趋势Fig.2 China, the United States trends in carbon intensity over time对桥梁全寿命周期碳强度进行评价时，分为碳强度很小、碳强度较小、碳强度适中、碳强度较大和碳强度很大5个等级，分别以表示，建立备择集。根据图2中我国历年碳强度的数值分布，以及桥梁项目工程特点，对桥梁结构的备择集赋值为。引入升降半梯形方法建立评价指标隶属函数，评价因子对于的隶属函数为 （6）评价因子对于的隶属函数为 （7）其中：为隶属函数；为评价指标分值。2.2 评价因子权重确定采用改进的层次分析法（IAHP）确定评价因子的权重，其分析步骤8和计算流程如流程图3所示：图3 评价因子权重计算流程图Fig.3 Evaluation factor weight calculation process2.3 碳足迹多级综合评价模型 由评价因子V和备择集组成关系矩阵 （8）其中：为评价因子对备择集的隶属度，进行综合评价运算 （9）其中：为模糊综合评价结果；为评价因子所占权重； 为模糊算子。（1）一级评价 本文建立15个一级评价指标，分别隶属于5个二级指标，如表1所示。根据以上方法可确定权重向量和关系矩阵。 （10） （11）其中：为关系矩阵；为一级指标评价结果。（2）二级评价在一级评价的基础上用本文所述方法经计算得到二级评价指标的权重向量和关系矩阵 （12） （13） （14）其中：为关系矩阵；为二级指标评价结果，即综合评价结果；为综合评价对各项指标的隶属度。（3）综合评分 结合备择集对评价结果进行综合评分（15）3 算例分析武汉市南太子湖大桥全长1175米，主桥为预应力混凝土连续梁桥，跨径组成为（35+50+50+35）米，引桥采用30米跨预应力混凝土连续箱梁，跨径组成分为（4x30）米、（5x30）米和（6x30）米三种。3.1 碳足迹和碳强度计算根据南太子湖桥设计施工资料、主要施工设备、材料运输车辆和桥梁周围环境情况等统计资料17，对桥梁在全寿命周期各阶段内的资源和能源消耗量进行统计估算，清单如表7所示。表7 南太子湖大桥全寿命周期资源和能源消耗清单表Tab.7The list of South Lake Bridge resource and energy consumption碳足迹类型设计阶段原材料生产加工阶段施工阶段运营维护阶段废弃阶段总计材料消耗（/t）水泥023559.620642.1024201.72沙子022282.540597.6022880.14采掘骨料054429.18501034.6055463.785C50混凝土（25%粉煤灰）0010524.5234.5010759C30混凝土（25%粉煤灰）004180.4297.604278.02C25混凝土（25%粉煤灰）006128.07006128.07沥青05591.30251.705843防潮膜0029.64.7034.3普通钢筋062050134.706339.7钢绞线011570236.401393.4钢材0704000704纤维板00053053栏杆02060132.70338.7材料运输（/km）中排量柴油车018400035000大排量柴油车04780004500450075000886500火车01340000018700施工机械(/t)燃油量00855.3855.35131.817106.0办公场所（/kg）电（/kWh）4310008740004870004870003200天然气023074.13296.33296.3032963.0煤043529.43627.453627.4518137.2572549.0由南太子湖大桥资源能耗统计资料计算得到南太子湖大桥在各阶段各类碳足迹和全寿命周期内的碳足迹，如表8所示。根据各阶段相关成本可计算得到相应方面的碳强度，如表9所示。表8 南太子湖大桥全寿命周期碳足迹统计表（/t）Tab.8 The life-cycle carbon footprint of South Lake Bridge类型设计阶段原材料生产加工阶段施工阶段运营维护阶段废弃阶段总计材料损耗碳足迹材料运输碳足迹施工机械碳足迹办公场所碳足迹总计000409.45409.4541706.33377.4301014.9243098.683024.34544.0836803.56100.4140472.392384.18135.672731.04480.845731.730225.7516786.2660.3117072.3247114.851282.9356320.862065.93106784.57表9 南太子湖大桥碳强度统计表Tab.9 The carbon intensity index of South Lake Bridge类型设计阶段原材料生产加工施工阶段运营维护阶段废弃阶段成本/（万元）碳强度/ (吨/万元)成本/（万元）碳强度/ (吨/万元)成本/（万元）碳强度/ (吨/万元)成本/（万元）碳强度/ (吨/万元)成本/（万元）碳强度/ (吨/万元)材料损耗材料运输施工机械办公场所-354-1.164860103-3428.593.66-2.974531453510636.683.7510.491.59320352453407.453.8811.151.414-65144054-3.4711.661.123.2 模糊综合评价（1） 评价因子权重确定采用本文模糊综合评估方法得出南太子湖大桥各级指标权重向量值为：（2） 一级评价 根据各阶段碳足迹一级指标和碳强度，结合式（10）、（11）得到一级评价结果为：（3） 二级评价以一级评价结果为二级指标，结合式（13）、（14）得出二级评价结果：（4）综合评分一级评价得分为： 二级评价得分为：由核算分析可知，南太子湖大桥全寿命周期碳足迹为106784.57吨，各阶段碳足迹所占比重如图4所示，各类型碳足迹所占比重如图5所示。图4 桥梁各阶段碳足迹比重Fig4 Bridge carbon footprint proportion of different stage 图5 桥梁碳足迹类型比重Fig.5 Bridge carbon footprint proportion of different type基于全寿命碳足迹定量分析，桥梁全寿命周期碳足迹主要集中在原材料生产加工阶段和施工阶段，占整个生命周期碳足迹的78.26%。碳足迹主要集中在材料损耗和施工机械方面，占整个生命周期碳足迹的96.86%。同时，通过南太子湖大桥的全寿命周期碳足迹计算结果可知，桥梁竣工时碳足迹已完成了整个生命周期总量的79.64%。尽管弥散在后续服役期的运营维护占据比重不高，但随着轻质高强新型维修材料和加固工艺的技术进步，最有望通过技术改进和优化管理降低碳强度。 通过模糊综合评价方法对南太子湖大桥的碳强度进行评价时，桥梁碳强度的综合评分为6.6432，介于“碳强度适中”与“碳强度较大”之间。由于桥梁工程涉及水泥、混凝土等高环境影响的材料生产施工和重载卡车、起重机械等重污染高能耗运输施工设备，其碳强度指标与当前我国总体碳强度水平相比偏高，意味着现阶段对桥梁工程实施碳减排具有战略意义。4 结论本文针对桥梁结构生命周期不同阶段的碳足迹和不同类型的碳足迹进行量化分析，基于全寿命周期评价理论建立了桥梁全寿命周期碳足迹核算模型，使桥梁管理部门能够全面了解桥梁在生命周期各阶段各类型碳足迹的大小和比重。在此基础上综合考虑碳足迹与成本，通过多级模糊综合评价方法对桥梁碳强度指标进行评分，使得桥梁全寿命周期的减排控制兼顾了桥梁各阶段工程特点和经济成本因素，从而保证桥梁建设、维修等工程在施工材料、运输方式、施工方式等方面选择决策更为合理。由于我国在联合国气候变化框架公约第15 次缔约方会议上的减排承诺不以碳排放量而以碳强度作为减排控制指标，因此，基于碳强度进行模糊综合评价可以更好地与我国碳减排方针实现对接，也为桥梁实现低碳可持续发展建立基础。鉴于当前桥梁结构全寿命周期碳足迹定量核算研究仍处于起步阶段，因此本文模型需在进一步全面收集桥梁工程碳足迹资料信息的基础上改进完善。 参考文献：1 蔡林海.低碳经济大格局M.北京:经济科学出版社, 2009: 245-253. 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