基于組織的溫室氣體排放核算及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張孝軍 程銀堡 吳 軍 范 超

(國(guó)家城市能源計(jì)量中心(安徽)，合肥 230051)

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基于組織的溫室氣體排放核算及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張孝軍 程銀堡 吳 軍 范 超

(國(guó)家城市能源計(jì)量中心(安徽)，合肥 230051)

本文結(jié)合溫室氣體(GHG)排放量的計(jì)算方法及產(chǎn)生排放資源數(shù)據(jù)采集和碳排放強(qiáng)度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究建立基于組織的GHG排放在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的方法。包括GHG排放在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)方法、GHG排放因子測(cè)算和數(shù)據(jù)質(zhì)量研究、排放數(shù)據(jù)的軟件自動(dòng)生成和分析；研究目標(biāo)立足于解決當(dāng)前GHG排放量核算難、核算不準(zhǔn)的實(shí)際問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和公益性。

溫室氣體排放清單；基于組織；在線監(jiān)測(cè)

0 引言

目前，國(guó)際常用的碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)有CDM(清潔發(fā)展機(jī)制)、GS(黃金標(biāo)準(zhǔn))、VCS和VOS等，但這些標(biāo)準(zhǔn)都是基于項(xiàng)目層面的，不適用于組織(機(jī)構(gòu))層次的排放量計(jì)算。只有2006年3月發(fā)布的ISO14064-l：2006《溫室氣體-第一部分：在組織層面溫室氣體排放和移除的量化和報(bào)告指南性規(guī)范》[1]是基于組織的溫室氣體排放量核算標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)未涉及到核算的具體方法，也未能覆蓋中國(guó)國(guó)情的需要。在這樣的背景下，我們認(rèn)為研究基于組織的溫室氣體排放核算方法及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)意義重大：一是可以服務(wù)于我國(guó)政府提出的單位GDP碳排放量考查的要求；二是可以為組織特別是企業(yè)建立單位產(chǎn)值碳排放強(qiáng)度記錄提供依據(jù)，使企業(yè)做到心中有數(shù)，能有的放矢地采取減排措施；三是可以作為碳交易的基礎(chǔ)工具發(fā)揮作用；本文旨在探討建立溫室氣體排放在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)需要解決的技術(shù)問(wèn)題[2]及實(shí)現(xiàn)的可能性。

1 系統(tǒng)總體框架

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建GHG在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)企業(yè)或公共機(jī)構(gòu)等的排放數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備如GPRS、射頻設(shè)備(RFID)等，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成[4]。感知層主要包括各種信息傳感技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的識(shí)別和采集。網(wǎng)絡(luò)層包括互聯(lián)網(wǎng)、3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的信息中心等。當(dāng)感知層的信息傳到網(wǎng)絡(luò)層時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行轉(zhuǎn)換與處理，并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)以等待應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)層是感知層和應(yīng)用層的中間環(huán)節(jié)，起著承上啟下的作用。應(yīng)用層將網(wǎng)絡(luò)層所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中。

本系統(tǒng)從底層逐級(jí)向上可分為三個(gè)層次，分別是：數(shù)據(jù)采集層、通訊網(wǎng)絡(luò)和GHG排放在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)。GHG排放在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集終端交換數(shù)據(jù)、發(fā)起和應(yīng)答指令。在組織(機(jī)構(gòu))現(xiàn)場(chǎng)有一套或多套計(jì)量數(shù)據(jù)采集設(shè)備，計(jì)量數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有模擬或數(shù)字輸出接口或通信接口，連接到獨(dú)立的計(jì)量數(shù)據(jù)采集終端，GHG排放在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和收發(fā)指令。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框架

2 在線監(jiān)測(cè)及排放清單編制的實(shí)現(xiàn)路徑及方法

溫室氣體(GHG)排放監(jiān)測(cè)及核算的目的在于編制GHG排放清單，編制清單首先要明確核算范圍，《京都議定書(shū)》和ISO14064-1：2006中明確以6類(lèi)氣體作為溫室氣體核算范圍，這6類(lèi)氣體是二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)和六氟化硫(SF6)。因此，我們首先需要采用財(cái)務(wù)控制或運(yùn)營(yíng)控制的方法確定應(yīng)包含在組織的GHG排放核算范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)，即依據(jù)ISO14064—l的相關(guān)原則確定組織邊界，并在組織邊界內(nèi)確定主要的GHG源，同時(shí)明確其是直接排放源還是間接排放源，并因此確定監(jiān)測(cè)和核算的方法。

間接排放源是指因組織活動(dòng)引起但被其它組織擁有或控制的GHG源，包括因組織所消耗的外購(gòu)電力、熱力(蒸汽)、新水的生產(chǎn)和配送造成的GHG排放；組織產(chǎn)生的但由其它組織管理的廢棄物處理的排放；組織員工公務(wù)出差的排放；外包活動(dòng)、契約制造的排放；以及來(lái)自所采購(gòu)原物料和初級(jí)物料的生產(chǎn)造成的排放。間接排放源可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法獲得。

直接排放源是組織實(shí)際擁有或控制的GHG源，包括能源的開(kāi)采生產(chǎn)、加工轉(zhuǎn)化及輸配送過(guò)程、化石燃料燃燒過(guò)程、生物質(zhì)燃料燃燒過(guò)程和工業(yè)產(chǎn)品使用以及廢棄物處理過(guò)程中產(chǎn)生的GHG排放。直接排放源的排放數(shù)據(jù)可以通過(guò)直接測(cè)量獲得，也可根據(jù)具體設(shè)施或工藝的物質(zhì)平衡或化學(xué)當(dāng)量計(jì)算得到，但最普遍的做法是將通過(guò)監(jiān)測(cè)獲得的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和排放因子相乘得出。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能則需要建立下文所述的具有監(jiān)測(cè)能力的軟、硬件系統(tǒng)。

2.1 硬件系統(tǒng)

在組織現(xiàn)場(chǎng)采集的計(jì)量數(shù)據(jù)主要是活動(dòng)水平數(shù)據(jù)，活動(dòng)水平數(shù)據(jù)采集使用的計(jì)量傳感器種類(lèi)較多，除電能表外，其他的通信協(xié)議均無(wú)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我們研究一套能支持多種不同協(xié)議的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)采集終端，該采集終端擬通過(guò)模擬量、485總線、串口、以太網(wǎng)等接口采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并按安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)DB34∕T 1812—2013《能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集與傳輸通訊協(xié)議技術(shù)規(guī)范》通過(guò)GPRS把數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心。

在組織現(xiàn)場(chǎng)采集的另一類(lèi)計(jì)量數(shù)據(jù)用于確定排放因子值。如火電行業(yè)排放因子會(huì)因?yàn)椴煌夹g(shù)水平、不同煤質(zhì)來(lái)源和區(qū)域差異而不同，有研究者利用U23多組分紅外氣體分析儀及TH880F煙塵分析儀對(duì)全國(guó)39臺(tái)具有代表性的火力發(fā)電機(jī)組排放的CO2和N2O量進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)[5]，其檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以作為一個(gè)輸入值通過(guò)GPRS把數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，用于排放因子的確定。當(dāng)然，排放因子的獲取也可以采用權(quán)威機(jī)構(gòu)提供的默認(rèn)值。

同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

1)使用的計(jì)量?jī)x表要具有數(shù)傳功能；

2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。且能保證通信中斷后丟失的數(shù)據(jù)在通信恢復(fù)后同步更新；

3)屏幕顯示功能?？煞奖悴榭床⒃O(shè)置參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)參數(shù)采樣值。

為此，本系統(tǒng)采用ARM9微處理器平臺(tái)，人機(jī)接口采用240×320液晶觸摸屏接口，終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控之間通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)通訊，串口的擴(kuò)展采用MAX3232。以太網(wǎng)芯片采用比較常用的10/l00M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口芯片DM9000?？紤]到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的點(diǎn)數(shù)要求較高，采用32M的RAM卡進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合核算范圍、計(jì)算方法及需要輸出的總排放量、排放強(qiáng)度、排放變幅等關(guān)鍵指標(biāo)的條件和要求，開(kāi)發(fā)基于組織的GHG排放量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。軟件采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，其具有源代碼公開(kāi)、內(nèi)核功能強(qiáng)大、支持多種硬件平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信功能完善、友好的GUI界面、支持多種文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)豐富且可支持周邊設(shè)備等眾多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集終端的功能模塊構(gòu)建于嵌入式Linux之上，采用較為成熟的Linux 2.4內(nèi)核。為實(shí)現(xiàn)活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和排放因子采集終端的功能，軟件劃分為3個(gè)模塊，分別負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程監(jiān)控站的通訊，與現(xiàn)場(chǎng)儀表的通訊以及處理人機(jī)交互。

其中，與遠(yuǎn)程監(jiān)控站的通訊需要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需考慮傳輸效率、移植和能否方便傳輸多種類(lèi)型數(shù)據(jù)等因素。為便于管理員查詢(xún)信息，系統(tǒng)同時(shí)提供基于瀏覽器/服務(wù)器模式的瀏覽方式。通常有兩種做法：一是在數(shù)據(jù)采集終端上移植嵌入式Web服務(wù)器，管理員訪問(wèn)集中器上的數(shù)據(jù)庫(kù)；二是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于監(jiān)控站并建立Web服務(wù)器，用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)監(jiān)控站上的數(shù)據(jù)庫(kù)。與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的通訊需要實(shí)現(xiàn)485總線通訊協(xié)議層。人機(jī)接口模塊引入嵌入式圖形接口MiniGUI，需要對(duì)用戶界面進(jìn)行移植，包括：驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)、圖形用戶界面輸入接口層移植，以及用戶界面和界面功能的實(shí)現(xiàn)。人機(jī)接口開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于LCD觸摸屏驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)和MiniGUI輸入接口層的移植。

適應(yīng)我國(guó)的政府和企業(yè)需求，在GHG排放清單編制中一般至少應(yīng)有總排放量、排放強(qiáng)度和排放變幅三個(gè)指標(biāo)。

同時(shí)在計(jì)算一個(gè)組織的減排量之前，要首先建立GHG排放和增加值的歷史基準(zhǔn)年。由于我國(guó)設(shè)立的減排目標(biāo)是以2005年為比較基準(zhǔn)的，因此應(yīng)首選2005年作為基準(zhǔn)年。如果無(wú)法獲得2005年的數(shù)據(jù)，則使用擁有可靠GHG排放數(shù)據(jù)的最早時(shí)間點(diǎn)作為基準(zhǔn)年。

而在本系統(tǒng)中，只需將獲得的組織各個(gè)工序、設(shè)備的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)、排放因子等有關(guān)參數(shù)輸入，軟件將自動(dòng)完成計(jì)算，獲得GHG排放量化結(jié)果并對(duì)組織排放情況進(jìn)行各種分析?？蛇x擇時(shí)間段、行業(yè)種類(lèi)、排放種類(lèi)等條件顯示總排放量、排放強(qiáng)度、排放變幅等指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果，以折線圖、直方圖、餅形圖和表格等形式進(jìn)行顯示，并分別作出總排放、排放對(duì)比、單位產(chǎn)品排放等結(jié)果分析。

2.3 示范實(shí)施

選取列入萬(wàn)家企業(yè)節(jié)能減排名單的安徽企業(yè)及大型公共機(jī)構(gòu)推廣實(shí)施本系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及軟件運(yùn)行測(cè)試，檢驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行能力，并結(jié)合示范案例，建立合適的質(zhì)量管理體系，保證GHG排放量監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；對(duì)活動(dòng)水平數(shù)據(jù)、排放因子及GHG排放量化結(jié)果進(jìn)行測(cè)量不確定度分析，并使不確定度置于合理的置信區(qū)間和誤差范圍內(nèi)。為在安徽省重點(diǎn)耗能企業(yè)及公共機(jī)構(gòu)中推廣運(yùn)行積累經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合ISO 14064—l中GHG計(jì)算方法及能源消耗數(shù)據(jù)和碳排放強(qiáng)度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究和建立GHG排放在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可以快速提供準(zhǔn)確客觀的GHG排放數(shù)據(jù)。研究?jī)?nèi)容包括GHG排放在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)生GHG排放的原始資源消耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)方法研究、GHG排放因子測(cè)算和數(shù)據(jù)質(zhì)量研究、GHG排放量計(jì)算方法研究；研究目標(biāo)立足于解決當(dāng)前GHG排放量核算難、核算不準(zhǔn)的實(shí)際問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和公益性，對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化和落實(shí)《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》具有重要的技術(shù)支撐作用。

[1] ISO 14064-1：2006 溫室氣體 第一部分 組織層次上對(duì)溫室氣體排放和清除的量化和報(bào)告的規(guī)范及指南

[2] 程銀寶.基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究.黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2012(3)

[3] 陶冶，殷振華.物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)中的應(yīng)用[J].科學(xué)之友，2010(12)

[4] 朱銘杰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控應(yīng)用[J].信息與電腦，2011(6)

[5] 火電行業(yè)溫室氣體排放因子測(cè)算與排放量估算及減排對(duì)策[D].南京信息工程大學(xué)，2010

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.12