工程材料碳排放能耗分析

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1护岸材料能耗及碳排放研究现状

随着我国国民经济的长期高速增长，能源供应局面十分严峻，近年来出现了煤、电、油、气全面紧张的状况。在此情况下，提高能源利用效率、减少能源消耗成为我国实现长期可持续发展的必由之路。材料生产是耗能大户，据统计，作为世界最大的建筑市场，目前我国建筑材料生产能耗约占全国总能耗的30%以上。材料生产的碳排放研究是目前定量化研究环境问题的一个最好的方法，因此护岸材料的环境友好性研究，也主要从能源消耗和碳排放研究着手。护岸工程使用的材料主要有块石和砂砾料以及水泥及钢材和土工合成品，以往对这些建筑材料的能耗评价往往是借用建筑行业的能耗成果。由于护岸工程主要是沿河流进行的，水运比较发达，运输特点以及护岸工程对砾石的尺寸和强度的要求与其他行业不尽相同。护岸工程主要材料，特别是天然开采的砂、石料的能耗指标，现有研究要么缺少，要么相当不准。如在文献［1］中有:生产1t可用于护岸的碎石消耗为电1．6kW?h/t，水0．76L/t，柴油0．098L/t，并产生粉尘0．08kg/t，但上述成果没有细分，均引自其他建筑领域，且引用没有权威性。由于在采掘业综合能耗研究中，没有专门针对护岸工程使用的天然材料进行分项计算和评价的成果，因此护岸工程天然材料的能耗计算是护岸工程材料碳排放计算首先应该解决的问题。本文首先研究护岸工程使用的由采掘业产生的天然材料的能耗问题，其次研究护岸工程使用的由制造业生产的工业合成材料的能耗，在此基础上，结合护岸工程的特点，在护岸工程不同护岸结构型式使用材料的碳排放问题上尝试进行较深入的研究。

2护岸工程使用材料基本情况

以长江中下游为例，护岸工程使用材料按原材料不同可分为两类。第一类为天然原材料，块石、卵(碎)石、砂以及各类植物;第二类是经过工业合成的材料，包括水泥、钢筋、塑料、土工织物和固化剂等。由这两类原材料组成了多种护岸结构型式:以天然材料为主的，如砌石、抛石、抛石枕等;以合成材料为主的，如混凝土砌(抛投、铰链)块、软体(编织布和混凝土)沉排、塑料编织布等;以天然和合成相结合的，如土工模袋、钢筋石笼、软体沉排、固化砂等。以上以原材料划分的三类护岸结构型式不是绝对的，例如，抛石枕中捆扎的绳索是工业品等。天然原材料在护岸工程中被称为绿色材料，是因为它在开采和使用过程中对周围的环境造成的影响很小。但天然材料如块石在开采过程中对植被的破坏同样无法弥补。另外，天然材料还有再加工的问题，在此过程中同样产生碳排放，并可能对环境产生第二次污染等。在护岸工程中还大量使用水泥、土工织物和钢材，这些都是工业制成品，本文主要以3种工业制成品进行环境能耗和碳排放比较。

3能耗和碳排放系数

要进行碳排放计算，主要能源的碳排放系数和折算系数是计算的权威依据，其护岸工程的原材料运输过程也是影响能耗的主要因素，这两部分取值均用我国平均值。

3．1主要能源折算及碳排放系数

在护岸工程使用的天然材料的开采和加工过程中，主要用到了电、气、柴油，要计算护岸材料的碳排放，首先要确定电、气、柴油的能源折算和碳排放系数(本文碳排放系数指单位碳排放量，单位根据材料的不同可以为kg、t、L或m2等)。按国家发改委、财政部的《改节能项目节能量审核指南》［2］，柴油折算成标煤系数为1．4571kgce/kg。电力主要由煤、油汽的火电发电组成，2008年其发电量占全国发电量的80．7%，火电按国家统计局计算电力折标煤理论系数为0．1229kgce/(kW?h)，实际系数为0．404kgce/(kW?h)，其他发电耗能忽略不计，综合电力的标煤折算系数取值为0．326kgce/(kW?h)。碳排放系数取自IPCC［3］，热值取自国家发展改革委、财政部的2008年节能项目节能量审核指南［2］。能源在进入建筑之前，要经过开采、加工和输送阶段，这些阶段称之为能源的内含系数，根据刘锰等人的研究［4］，以柴油为例，柴油碳排放的内含系数是能源本身的碳排放系数的1．044倍。由于护岸工程中各处均有柴汽油使用，直接引入碳排放内含系数，在后续计算中不考虑汽柴油的上述因素。换算中93号汽油取0．725kg/L，0号柴油取0．84kg/L。火电折算成综合电力碳排放则为0．248kgC/(kW?h)。各主要能源的折算及碳排放系数见表1。表1中单位表示如下:①kgC/GJ为能源单位热值碳排放值，每吉焦(热量单位109J)碳排放值;②kcal/kg为能源单位质量的热值，每千克的千卡热值;③kgC/kg为能源单位质量碳排放值，每千克碳排放值;④kgce/kg为能源折算成标煤的换算单位，每千克能源相当的标煤;⑤kgce/(kW?h)和kgC/(kW?h)分别为每度电折算成标煤和碳排放的值。

3．2主要原材料运输过程能耗

运输过程是影响护岸工程材料的一个重要方面。2006年我国内河运输燃油单耗为3．69kg/(kt?km)［5］，公路柴油货车2007年燃油单耗为6．3L/(100t?km)。采用水运块石、碎石等大宗物资是护岸工程材料运输的主要特点，由于水运相对比公路等能耗小得多，因此它的取值直接影响到了护岸工程材料的综合能耗的大小。按长江上的护岸工程的特点，水运按100km的平均距离加上陆运5km进行取值，这一取值涵盖了大部分工程段的情况。按上述取值进行计算，每吨块石、碎石和砂的油耗为0．64kg，换算成每100m3则油耗为105kg。而水泥则主要通过陆运，取100km的平均运距(一般水泥大多就近来自当地水泥厂)，则每吨水泥的油耗为5．29kg。

4天然原材料生产过程能耗及碳排放系数

4．1能耗计算依据

由于护岸工程的特点，护岸工程中用到块石、碎石、卵石和砂等的能耗与护岸工程的特点密切相关，运距、运输方式和粒径以及加工方式是影响护岸工程材料的主要因素。对于开采、加工和施工工序能耗问题，目前没有相关的专门研究成果可供采用。本文结合长江中下游护岸工程使用材料的特点，以水利部2002，2005年出版的《水利建筑工程预算定额》、《水利建筑工程概算定额》、《水利工程施工机械台时费定额》［6］、《水利建筑工程概预算补充定额》为计算依据进行能耗计算，以下均简称“定额”［7］。由于原料开采过程中各种条件工况情况较为复杂，且材料的加工运输过程也直接影响材料的能耗，本文成果主要是在某种工况下的能耗，一般情况取定额中的中间值，计算出的能耗能代表某种工况下的能耗，材料之间能耗相互比较具有一定的可比性。传统的护岸工程主要原材料是块石和砂卵石料，垫层用碎石和混凝土用碎石料均由块石加工而来。本文仅就长江中下游护岸工程块石、碎石、砂卵石开采和加工过程以及抛石、混凝土制作、模袋制作过程中的能耗问题进行研究。原材料在成为护岸工程材料前主要有石料开采、加工、施工现场制作和运输4个过程。原材料及制作过程综合能耗W=W1+W2+W3+W4。其中，W1为材料的开采过程能耗;W2为材料的加工过程能耗;W3为现场成品制作过程能耗;W4为运输过程能耗，其值在3．2节中已作交待。换算过程中，碎石和块石的堆积密度取1650kg/m3，砂和卵石取1500kg/m3。

4．2块石料和砂石料开采过程能耗(W1)

(1)块石料。护岸用块石一般粒径为15～45cm，一般采石场开采出的块石经人工改小后均适合。计算中选用定额的一般石方采用风钻明挖法计算，开采出的块石用于护岸工程的抛石或碎石料制作。开采过程有钻孔、爆破、撬移、解小、翻渣、清面等工序。岩石级别取中等Ⅳ－Ⅹ型。风钻加气选择排气0．8MPa的45kW螺杆压缩机，相应制风钻用气选用二级节能耗电计算，为0．135kW?h/m3，由于石料开采和加工多在沿江，用水能耗较小，因此不计入能耗折算(下同)。开采100m3块石，开采过程用台时7．89个，台时用风量为180．1m3，其他耗能取10%，折算耗电211kW?h。

(2)砂砾料。分砂和卵砾石，均取自江湖，卵砾石一般粒径为20～40mm，主要用于垫层等;砂粒为10～20mm中粗沙，主要用于垫层和混凝土的骨料。计算中选择定额中250m3链斗式采砂船挖砂砾料，采挖深度小于12m的施工方法进行计算，开采过程有挖装、运输、卸至码头、空回、移位、转运上岸。经计算，开采100m3砂，耗电18．9kW?h、耗油87．4kg;开采100m3砂卵石耗电22．9kW?h、耗油120．5kg。

4．3块石料和砂砾料破碎能耗(W2)

护岸工程中需破碎加工的石料主要有:垫层石料，粒径小于40mm;石垫用块石，粒径一般大于80mm，小于150mm;混凝土需碎石，粒径一般在15mm左右。(1)垫层石料和石垫用块石破碎加工。针对长江中下游沿岸采石场的特点，综合选用定额中50m长胶带运输机对石料运输，碎石分为80～150mm、小于40mm料石计算。加工过程主要有进料、破碎、返回筛分等。经计算(表3)，加工100m3用于石垫的块石需耗电141．9kW?h;加工100m3碎石垫层用料需耗电299．1kW?h。(2)混凝土所需碎石加工。加工过程为上料、粗碎、中碎、预筛、中碎、筛洗，成品堆存，使用机械如表4所示。经计算，加工100m3混凝土碎石用料需耗电694．5kW?h、耗油8．3kg。(3)天然砂砾料筛选加工。加工过程为进料，破碎，返回筛分。经计算，加工100m3天然砂卵石耗电200．0kW?h、耗油10．6kg。

4．4护岸材料现场施工制作能耗(W3)

除材料的开采过程需要耗能外，护岸材料现场施工制作也需要耗能。护岸工程中现场施工制作过程中使用机械较多的主要有混凝土板制作、模袋混凝土制作和石驳抛石等，本文对这3个过程进行能耗计算。(1)混凝土板预制、制作过程。制作过程分模板制安、折除、修理，混凝土拌和、场内运输、浇筑、养护、堆放。使用机械及能耗见表5。经计算制作100m3混凝土板预制过程需耗电223．4kW?h、耗油9．8kg。(2)护脚用厚20cm模袋混凝制作过程。制作过程分清理平整，铺设模袋，混凝土拌和及充灌。与前计算方法类似，制作100m3模袋混凝土过程需耗电540．2kW?h。(3)石驳抛石过程。石驳抛石目前在长江护岸工程施工过程中比较普遍。选用定额中120m3底开石驳抛石进行能耗计算。制作过程:吊装、运输、定位、抛石、空回等。与前计算方法类似，采用机抛方式，抛100m3块石需耗油56．2kg。

4．5材料及制作过程综合能耗及碳排放系数

根据上述取值计算，每立方米护岸工程天然建筑材料及部分工序过程折算成标煤能耗见表6，折算成碳排放系数则见表7。块石、碎石和砂的能耗为2．22～4．6kgce/m3，运输过程能耗约占各自能耗的33%～69%，其中块石最大为69%，主要原因是块石除开采外，没有破碎加工过程。天然开采的卵、砂石料综合能耗为4．17kgce/m3，经块石破碎后的碎、砂石料综合能耗为3．2～4．6kgce/m3，两者相差不大。

5护岸工程用工业制成品能耗及碳排放系数

目前水泥生产是我国的能耗大户。但其生产过程中的碳排放量有较多不同标准，为此，本文研究尽量采用国家统计局的标准和国家定额标淮。因护岸工程中大量使用P．I．32．5水泥，因此本文采用的水泥碳排放取值为80．6kg/t。

5．1土工材料

护岸工程使用的土工布的主要原材料为锦纶和丙纶，本文取锦纶进行计算。由于绵纶生产土工布有两方面的能耗，一方面是锦纶本身的能耗，另一方面是生产成土工布的过程能耗。这两方面目前均缺少相关的专门研究。本文原材料能耗借用涤能能耗，生产过程借用PCV管的生产过程能耗。我国是世界最大的聚酯涤纶长丝生产、消费国。2000，2005，2007年，综合单耗分别为517．4，419．7，344．2kgce/t。本文取2007年的数据344．2kgce/t［8］。该数据没有考虑生产过程中的其它能耗。乙烯从原料到成品PVC管，生产、运输等环节能耗占原材料能耗的69．1%～196%。参照上述成果，本文对涤纶产品生产成成品的生产过程能耗作近似处理，最终综合能耗在原材料能耗的基础上增加69．1%，为581．7kgce/t。而锦纶的能耗是涤沦的2．8倍，因此原材料为锦纶的土工产品综合能耗取值为1628．8kgce/t。护岸工程用的模袋一般选用绵纶和丙纶，单位面积质量取250g/m2，则每平米能耗为0．407kgce;土工布按350g/m2计算［9］，则每平米能耗为0．204kgce，换算成碳排放，模袋和土工布分别为0．31kgC/m2和0．16kgC/m2。

5．2混凝土

常规每立方米C20混凝土(不含添加剂)主要用料有:水190kg、水泥404kg、砂子542kg、石子1264kg。配合比为:0．47∶1∶1．342∶3．129，砂率30%，水灰比0．47。P．O．32．5水泥的碳排按前述综合能耗取80．6kgC/t，加上运至护岸工程工地的平均运距后，工地上使用水泥的碳排系数取86．3kgC/t。混凝土的碳排放计算公式为C=Σiβi?Qi(1)式中，i=1，2，3分别指水泥、砂和碎石;β为原材料的碳排放系数，Q为能源消耗量。经计算，护岸工程广泛使用的混凝土碳排放系数为38．55kgC/m3，其中水泥带来的碳排放为34．86kgC/m3，占90．5%。混凝土碳排放与京都会议的79．1～245．4kgC/m3的数字或有的文献中的187．84～224．96kgC/m3大不相同［10］，主要原因是水泥的碳放系数取值不同所致。

5．3模袋混凝土

护岸工程用土工模袋(简称模袋)是一种采用合成纤维机织而成的单层或双层织物袋子。一般1m3的模袋混凝土用P．O．32．5水泥434kg、砂826kg和石子918kg，常见护脚模袋厚度为15～30cm，这里取25cm厚，1m3模袋混凝土需6m2的模袋，换算成碳排放为1．86kgC/m3。根据上述计算，模袋混凝土的碳排放系数为44．02kgC/m3，其中水泥带来的碳排放为37．5kgC/m3，占85．1%。护坡模袋一般采用15cm厚度，每立方米碳排放比护脚略低。

5．4预制铰链混凝土排

预制混凝土铰链排护脚主要材料有螺栓和混凝土板连，铰链有排首、排身，一般排下有土工布，本文中暂不计算土工布碳排放。按上荆江沙市河弯的一次沉排工程，混凝土厚度10cm，单位立方米用混凝土块1．04m3，钢筋104．6kg(主要为Ф型钢筋，螺栓折入计算)。钢筋能耗计算不考虑矿石开采及焙炼过程的能耗，生产1t钢筋的能耗平均约为2000kg标煤，1m3铰链排钢筋用量碳排放为159kg［10］。沉排船用能耗在定额中没有列入，这里按文献［11］计算，100m2的排体用0．114台班，20．4kg柴油。经计算，完成1m3铰链混凝土排需201．3kgC，且混凝土占碳排放的20%，钢筋占79%。

6主要护岸结构型式碳排放系数比较

水下护脚工程主要护岸结构有人工抛石或采用机械抛石、模袋混凝土和预制铰链混凝土排;水上护坡有干砌块石和混凝土预制块。反滤层分水下和水上，水上主要是碎石、砂卵石和土工布，水下主要是土工布。本文以取100m2护坡和护脚工程为比较单位，以取不同结构型式达到相似护岸效果的工程所使用的材料进行碳排放计算，计算成果如表8所示。由表可知:一般情况下护脚工程中每100m2工程碳排放量最少的为抛石(人工)198kgC/100m2，其次是机抛271kgC/100m2，最大的是预制铰链混凝土排2013kgC/100m2，其次是模袋混凝土1100kgC/100m2，后两者碳排放是抛石方案中极端水流情况下守护2．0m厚的块石方案采用机抛的2．4～4．5倍。护坡工程中，干砌块石的碳排放量是混凝土预制块的近1/8。虽然反滤层中土工布较薄，其单位面积的碳排放量相对较低，护岸工程使用较多的克重为350g/m2和150g/m2，其单位面积碳排放量分别为43．3kgC/100m2和18．6kgC/100m2，其中克重350g/m2土工布单位面积碳排放量已大体相当于干砌块石的水平。

7结论及建议

(1)护岸工程所用材料中，采掘业产生的砂、块石等的能耗为2．22～4．6kgce/m3标煤，运输过程能耗约占各自的能耗的33%～69%。因此，在护岸工程中为减小材料能耗，应尽可能选用就近的采石场和砂场，国家应该对就近选用制定一定优惠政策，鼓励节能。

(2)天然开采的卵、砂石料和块石破碎后的碎、砂石料综合能耗相差不大，因此，节能不能成为在江、湖上开采天然砂石料的理由。

(3)一般情况下，护脚工程单位碳排放量最少的为人工抛石。护坡工程中干砌块石单位碳排放量是混凝土预制块的近1/8，反滤层中土工布单位碳排放量是砂卵石垫层的1/8～1/16，但与护坡用干砌石单位碳排放量基本相当。因此，护岸工程中应尽量少使用水泥、钢材和土工合成材料。

(4)从护岸工程使用工业品单位碳排放来评价，钢材排在第一，其次是水泥，因此，在护岸工程中应尽量避免采用钢筋铰链排、加筋钢丝排体和四面体钢筋笼等结构型式，水泥标号对碳排放影响较大，因此，在护岸工程设计中不能随意提高水泥标号，并鼓励使用节能水泥。

(5)天然开采的材料由于开采时破坏植被和产生粉尘污染空气，这些是完全可通过开采后植被恢复和采取粉尘控制做到保护环境。因此，应大力鼓励护岸工程使用开采的天然块石、砂、碎石料，扭转从20世纪90年代开始的以使用工业制成品为主的所谓“新材料”的局面。

本文仅就单一的护岸工程材料进行碳排放研究，下一阶段应对护岸工程材料碳排放整体进行研究，如护面材料和反滤层相结合的碳排放研究等。另外，护岸工程施工过程中人员的碳排放、块石开采和施工过程中滩地和坡面植被的破坏和恢复等也应考虑在碳排放评价范围内。护岸工程的环保问题包括材料、结构和施工等多方面研究，在工程实践中应重视这方面的研究和研究成果的运用，水利科技也应支持这方面的研究。