工程施工階段機(jī)械設(shè)備耗能碳排放計(jì)算*

.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院 .福建省交通綜合行政執(zhí)法總隊(duì) .福建建融工程咨詢有限公司吳淑藝賴芨宇魏秀萍孫曉丹余 蕾

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工程施工階段機(jī)械設(shè)備耗能碳排放計(jì)算*

1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院 2.福建省交通綜合行政執(zhí)法總隊(duì) 3.福建建融工程咨詢有限公司
吳淑藝1賴芨宇1魏秀萍2孫曉丹3余 蕾3

[摘要]工程中使用的機(jī)械設(shè)備是施工階段碳排放的主要來源，研究該階段的碳排放有助于建筑企業(yè)實(shí)施可行、有效的減排對(duì)策。該文基于PAS2050規(guī)范，確定住宅工程施工階段的碳排放源、排放邊界、計(jì)算模型，并以中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫確定機(jī)電設(shè)備的碳排放因子，通過現(xiàn)有住宅工程的清單量實(shí)現(xiàn)碳總量的便捷計(jì)算與分析。該數(shù)據(jù)庫確定的機(jī)電設(shè)備單位臺(tái)班碳排放因子能為建筑企業(yè)選用機(jī)電設(shè)備規(guī)格與型號(hào)提供參考，簡便的計(jì)算方法為其碳排放預(yù)算、結(jié)算、審計(jì)等提供數(shù)據(jù)支持。

[關(guān)鍵詞]PAS2050規(guī)范 工程量清單 住宅工程 機(jī)電耗能 碳排放

伴隨國內(nèi)建筑行業(yè)的發(fā)展，尤其是住宅建筑供給量和需求量的不斷增長，耗用了大量資源和能源?！笆晃濉逼陂g，住宅建筑面積平均每年以接近12%的速度增長，材料、能源的使用也呈現(xiàn)了較大幅度的增長趨勢。研究住宅工程的碳減排對(duì)當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)決策具有重要的指導(dǎo)意義。

目前針對(duì)住宅工程的碳排放研究已取得一些成果，主要是基于建筑的全生命周期，運(yùn)用國際組織或國外機(jī)構(gòu)現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算碳排放總量[1]。該研究成果只能表征建筑項(xiàng)目總體碳排放情況，而建筑全生命周期各個(gè)階段的碳排放存在差異，尤其是施工階段，由于使用大量的機(jī)械設(shè)備，消耗柴油、汽油、電等能源，其排放具有短時(shí)量大的特點(diǎn)[2]。建筑行業(yè)的碳排放因子主要為建材碳排放因子與能源碳排放因子（煤、石油、天然氣、電力等）。目前已有國際組織公布了能源碳排放因子，而四川大學(xué)建立的“中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫”（Chinese Life Cycle Database，CLCD）是國內(nèi)僅有的較系統(tǒng)、全面的數(shù)據(jù)庫[3]。由于國內(nèi)的碳排放因子資料庫相對(duì)缺乏，該數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)參數(shù)部分來源于國標(biāo)組織IPCC提供的清單數(shù)據(jù)。施工階段碳排放研究成果將助于指導(dǎo)施工企業(yè)制定切實(shí)可行的減排對(duì)策，具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 碳排放核算體系比較與選擇

對(duì)建筑產(chǎn)品機(jī)械設(shè)備耗能的碳排放計(jì)算，應(yīng)依據(jù)國際上通用的核算標(biāo)準(zhǔn)并考慮國內(nèi)能源使用的特殊性。目前，國際上依據(jù)不一樣的核算主體，碳排放的核算標(biāo)準(zhǔn)分為企業(yè)/組織、產(chǎn)品/服務(wù)碳排放，較為主流的主要有四種，詳見表1。

表1 碳排放核算體系對(duì)比

通過對(duì)碳排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，結(jié)合住宅工程項(xiàng)目的施工特點(diǎn)，主要從以下三方面證實(shí)并選擇PAS 2050規(guī)范作為施工階段碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：

（1）建筑產(chǎn)品屬于一類特殊的產(chǎn)品，三種核算碳排放的標(biāo)準(zhǔn)中僅PAS 2050規(guī)范的應(yīng)用范圍是產(chǎn)品或服務(wù)，其余核算標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)企業(yè)與組織。

（2）以生命周期評(píng)價(jià)為方法論的PAS 2050規(guī)范，需要追溯至原材料開采、制造，及最終廢棄處理階段，而不僅僅只是產(chǎn)品的某個(gè)階段[7]，其所得到的溫室氣體排放同樣適用于產(chǎn)品在生命周期內(nèi)的部分階段，本文所計(jì)算的施工階段碳排放僅為建筑產(chǎn)品全生命周期的部分階段。

（3）建筑產(chǎn)品從無到有經(jīng)歷的建設(shè)過程，與產(chǎn)品的活動(dòng)過程有一定關(guān)聯(lián)，可參照PAS 2050規(guī)范對(duì)住宅工程施工階段的碳排放邊界與碳排放源進(jìn)行進(jìn)一步的確定。

2 基于PAS 2050規(guī)范的核算流程

本文的計(jì)算流程與PAS 2050規(guī)范的計(jì)算流程大致相同，包含目標(biāo)設(shè)定、碳排放邊界確定、碳排放源分類以及碳排放計(jì)算四個(gè)方面。目標(biāo)設(shè)定即為本文的研究目標(biāo)；碳排放邊界的確定參照PAS 2050規(guī)范, 對(duì)過程圖進(jìn)行繪制，并確定系統(tǒng)邊界；碳排放源分類上，結(jié)合計(jì)算對(duì)象的系統(tǒng)構(gòu)成、建設(shè)過程以及國際標(biāo)準(zhǔn)中三大排放的碳源分類進(jìn)行劃分；碳排放計(jì)算則需確定適宜的碳排放計(jì)算方法，構(gòu)建計(jì)算模型，在收集數(shù)據(jù)并確定各參數(shù)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行計(jì)算。

2.1 目標(biāo)設(shè)定

這一環(huán)節(jié)旨在通過碳排放計(jì)算，得到建筑產(chǎn)品的量化指標(biāo)，以定量數(shù)據(jù)及結(jié)果分析，對(duì)施工階段機(jī)械設(shè)備的選用與碳減排措施的提出提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 碳排放邊界確定

根據(jù)建筑產(chǎn)品全生命周期的定義，可將全過程劃分建筑材料生產(chǎn)、建筑材料運(yùn)輸、施工、運(yùn)營、拆除處置階段。本文主要研究施工階段的機(jī)械設(shè)備碳排放，施工階段指建筑產(chǎn)品的建造過程，即把設(shè)計(jì)圖紙上的各類線條在指定的位置變成實(shí)物的過程。對(duì)于建筑工程而言，范圍和排放路徑都已比較明確，按照分部分項(xiàng)及項(xiàng)目工程量計(jì)算方法的劃分，將建筑工程分為樁基、土石方、一般土建及裝飾工程，每個(gè)工程再次細(xì)分，分為樁基工程、混凝土工程、鋼筋工程、垂直運(yùn)輸工程、門窗安裝、外墻裝飾等，如圖1所示。

圖1 基于PAS2050規(guī)范的碳排放邊界

2.3 碳排放源分類

建筑產(chǎn)品按照分項(xiàng)工程劃分為土石方工程、樁基工程、主體工程及裝飾工程等。分項(xiàng)工程又按照消耗資源類別劃分為柴油、汽油、煤、電等。土石方工程使用的機(jī)械碳排放主要源于柴油的消耗。樁基工程是基礎(chǔ)工程（分部工程）的子分部工程，使用的機(jī)械設(shè)備碳排放主要源于汽油的消耗。一般土建工程，則主要包含主體工程的鋼筋、混凝土、模板、砌筑工程施工等，是建筑工程的核心，使用的機(jī)械設(shè)備種類多，涉及電力、柴油、汽油能源的使用，消耗量大，碳排放總量大。裝飾工程則主要包含樓地面、內(nèi)外墻、天棚等裝飾，機(jī)械設(shè)備消耗臺(tái)班較小，碳排放較少。但該階段綜合使用了水平、垂直運(yùn)輸機(jī)械、混凝土機(jī)械、泵類機(jī)械、加工機(jī)械等，種類較多，碳排放源較多。

2.4 碳排放計(jì)算

基于PAS2050規(guī)范的碳排放邊界，結(jié)合現(xiàn)階段研究領(lǐng)域通用的計(jì)算公式，確定以下三階段模型[8-9]：

其中，GWI為建筑產(chǎn)品生命周期碳排放指數(shù)（Wij為建筑物生命周期內(nèi)第 j 階段（j=1，2，3，分別為土石方樁基工程、一般土建工程和裝飾工程階段）所產(chǎn)生的第i種溫室氣體的質(zhì)量（kg）；GWPi為第i種溫室氣體的全球變暖影響潛能值（kgCO2/kg 溫室氣體））。

根據(jù)碳排放能源消耗分類：

Cd柴油碳排放因子，單位：kgCO2/kg；Co汽油碳排放因子，單位：kgCO2/kg；

Ce電力碳排放因子，單位：kgCO2/kwh；M1、M2、M3分別為相應(yīng)的能源消耗量。

由于機(jī)械設(shè)備的碳排放源于柴油、汽油、電力消耗，因此通過單位臺(tái)班的能源消耗量及能源碳排放因子，可確定各種機(jī)械設(shè)備的臺(tái)班碳排放因子。

其中Ci為機(jī)械設(shè)備的碳排放因子，Mi為相應(yīng)的機(jī)械臺(tái)班消耗量。

3 參數(shù)確定

3.1 活動(dòng)數(shù)據(jù)的確定

活動(dòng)數(shù)據(jù)即為機(jī)械設(shè)備的臺(tái)班消耗量，是指在節(jié)約和合理使用前提下，建設(shè)單位為了完成施工過程，因?yàn)槭褂昧藱C(jī)械設(shè)備而耗費(fèi)的各能源數(shù)量，包括凈用量和損耗量。

由于現(xiàn)場能耗統(tǒng)計(jì)具有一定的困難，很少有施工隊(duì)在施工階段會(huì)統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)能源消耗記錄，所能收集到的數(shù)據(jù)有限。目前工程預(yù)算、結(jié)算、決算通常采用造價(jià)管理軟件，軟件中已包含材料消耗定額和施工機(jī)械臺(tái)班消耗定額中的損耗系數(shù)，因此，從軟件中得到的是含損耗的材料用量，本文根據(jù)這些數(shù)據(jù)來推算建造施工階段的能耗，通過常用的計(jì)價(jià)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)。

3.2 碳排放因子的確定

根據(jù)IPCC清單指南，碳排放因子是指各單位能源的排放水平[10]。對(duì)于碳排放因子，國外一些組織、機(jī)構(gòu)進(jìn)行了很多研究，累積了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文主要研究因使用機(jī)械設(shè)備而消耗能源（柴油、汽油、電等）產(chǎn)生的碳排放。能源碳排放因子主要由三部分構(gòu)成：能源的生產(chǎn)、能源的運(yùn)輸和能源的消耗[11]。能源是機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力來源，也是材料生產(chǎn)時(shí)的必要條件，其碳排放水平對(duì)所有的材料生產(chǎn)和施工建造活動(dòng)均具有極其重要的影響。針對(duì)施工階段使用的機(jī)械設(shè)備，本文重點(diǎn)考察了煤炭、汽油、柴油和電力四種最主要的能源的碳排放情況，并對(duì)其碳排放水平進(jìn)行了對(duì)比分析。

根據(jù)碳足跡的概念，各能源的碳排放均有生產(chǎn)、運(yùn)輸和燃燒而產(chǎn)生碳排放。本文中能源生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，考慮到地域差異的影響，主要引自四川大學(xué)研發(fā)的中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（CLCD）?；茉慈紵a(chǎn)生的直接排放數(shù)據(jù)地域差異很小，因此采用 IPCC 報(bào)告公布的缺省值。而在能源的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段，CLCD數(shù)據(jù)庫中有相應(yīng)的排放數(shù)據(jù)，因而引用CLCD的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段碳排放數(shù)據(jù)。

國際上所使用的各燃料源的CO2、N2O、CH4的碳排放因子可以從2006年IPCC國家溫室氣體的清單指南[12]中得到，燃料的低位發(fā)熱值可以從《2008年綜合能耗計(jì)算通則》中獲得，對(duì)上述溫室氣體的全球變暖潛勢值（本文選取跨度為100年的GWP值進(jìn)行計(jì)算）進(jìn)行綜合考慮后，獲得各種燃料的碳排放因子[13]。能源碳排放因子由生產(chǎn)、運(yùn)輸、燃燒三階段排放綜合獲得，通過匯總計(jì)算得到原煤、原油、汽油、柴油、燃料油、煉廠干氣、電力等碳排放因子：

表2 能源碳排放因子匯總表

根據(jù)前述確定的能源碳排放因子，結(jié)合《全國統(tǒng)一施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額(2013)》[14]，從而確定各機(jī)器設(shè)備的單位碳排放。各機(jī)械設(shè)備臺(tái)班費(fèi)用組成記為S，單位臺(tái)班的能源消耗量記為Mi，Ci為機(jī)械設(shè)備的碳排放因子，則機(jī)械設(shè)備碳排放因子記為：

通過計(jì)算，獲得各型號(hào)各類別機(jī)械設(shè)備的碳排放因子，由于文章篇幅所限，僅列出常用的且排放因子較大的幾種，如表3所示。

表3 機(jī)械設(shè)備的碳排放因子匯總表

4 碳排放計(jì)算

我們通過調(diào)研，在收集的大量案例中選取了5個(gè)住宅建筑物作為研究對(duì)象，計(jì)算其施工階段的碳排放，案例為框架剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)算文件。

根據(jù)前述碳排放計(jì)算方法，通過自制的機(jī)械設(shè)備碳排放清單，結(jié)合清單計(jì)價(jià)軟件計(jì)算各項(xiàng)工程的碳排放。對(duì)一個(gè)項(xiàng)目施工階段進(jìn)行碳排放計(jì)算，結(jié)合各案例結(jié)算文件內(nèi)的工程量清單，獲取施工各階段機(jī)械設(shè)備使用臺(tái)班數(shù)量，將對(duì)應(yīng)的碳排放因子套入計(jì)價(jià)軟件，替換市場單價(jià)，匯總計(jì)算得到各單位工程的碳排放總量。針對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)，按照分項(xiàng)工程匯總計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 案例工程碳排放總量及分項(xiàng)工程碳排放分布表

從分項(xiàng)工程碳排放的比例分析看，垂直運(yùn)輸工程因使用機(jī)械設(shè)備排放的碳量占62%，混凝土結(jié)構(gòu)工程占21%，鋼筋工程占12%，三者的碳總量達(dá)95%，裝飾工程為3%，腳手架及其他工程為2%。其中泵類機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械及起重機(jī)械為施工階段碳排放的主要來源；從碳排放的能源類別看，電力機(jī)械產(chǎn)生的碳排放占93.82%，柴油為5.17%，而汽油為1.01%，可見使用電力機(jī)械而產(chǎn)生的碳排放占主要部分。

5 結(jié)論

本文提出了基于PAS2050規(guī)范計(jì)算碳排放的方法，以我國能源資源使用為前提，計(jì)算并獲得施工階段機(jī)械設(shè)備的碳排放因子。按《全國統(tǒng)一施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額(2013)》，通過研究對(duì)比，同類機(jī)械設(shè)備其規(guī)格型號(hào)越高，所耗費(fèi)的動(dòng)力燃料在進(jìn)程中使用的越多，則單位碳排放越大。在符合使用要求條件的機(jī)械設(shè)備中選擇時(shí)，施工單位宜優(yōu)先選取機(jī)型和規(guī)格較小的設(shè)備，從而在保證工作效率的同時(shí)適當(dāng)降低施工階段的碳排放[13]。通過選取案例計(jì)算，獲取住宅建設(shè)項(xiàng)目施工過程的碳排放總量，為提出相應(yīng)的減排措施提供參考。

PAS 2050核算體系在選用時(shí)進(jìn)行了充分論證，在國內(nèi)具有很好的適用性，計(jì)算獲得的機(jī)械設(shè)備碳排放因子同樣適用于其余的建筑類型，可作為相關(guān)人員進(jìn)行碳排放計(jì)算的工作參考。然而，該領(lǐng)域的研究應(yīng)深入不同結(jié)構(gòu)類型的建筑進(jìn)行碳排放計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析，確定碳排放指標(biāo)（如單位造價(jià)碳排放、單位面積碳排放等），通過統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)其碳排放規(guī)律進(jìn)行回歸分析，以進(jìn)一步指導(dǎo)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行碳減排對(duì)策的實(shí)施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林波榮，劉念雄，彭渤，等.國際建筑生命周期能耗和CO2排放比較研究[J].建筑科學(xué)，2013，29（8）：22-27.

[2] 杜書廷，張獻(xiàn)梅.不同結(jié)構(gòu)住宅建筑物化階段碳排放對(duì)比分析[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2013（8）：105-108.

[3] 劉夏璐，王洪濤，陳建，等.中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫的建立方法與基礎(chǔ)模型[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào).2010, 30(10):2136-2144.

[4] WRI, WBCSD. The Greenhouse Gas Protocol[R]. Washington,DC,2004.

[5] ISO.ISO14064-1,2,3[R].Switzerland,2000.

[6] BSI .PAS 2050使用指南[S].2008.

[7] 蔣婷. 碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)概述[J]. 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010(11): 15-18.

[8] 張智慧，尚春靜，錢坤．建筑生命周期碳排放評(píng)價(jià)[J]．節(jié)能經(jīng)濟(jì)，2010 （2）：44-46.

[9] 尚春靜，張智慧.建筑生命周期碳排放核算[J].工程管理學(xué)報(bào), 2010(1):7-12.

[10] Pavel Fott. Carbon emission factors of coal and lignite: analysis of Czech coal data and comparison to European values[J]. Environmental Science & Policy , 1999 (2) :347-354.

[11] 晏永剛，任宏，況明玥.區(qū)域碳排放變化的驅(qū)動(dòng)因素、分解模型與實(shí)證研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2011, 17(4):19-24.

[12] IPCC. Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis, Direct Global Warming Potentials[EB/OL]. http://www.ipcc.ch/publications _and_data/ar4/wg1/en/ch2s2-10-2.html#table-2-14.

[13] 魏秀萍，賴芨宇，李曉娟. 施工階段住宅工程機(jī)電耗能的碳排放計(jì)算[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，14（4）：473-477.

[14] 天津市城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會(huì).全國統(tǒng)一施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額(2013)[M].天津:中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

* 基金項(xiàng)目：福建省科技廳軟科學(xué)項(xiàng)目（2014R0015）。