建筑物化階段CO2排放及其不確定性分析

馬駿

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300222）

根據(jù)政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第4次評估報告，到21世紀(jì)末，地球表面的平均溫度將上升1.1～6.4 ℃，溫室氣降排放增加是導(dǎo)致氣溫升高的主要原因，而溫室氣體排放增加的主要原因之一是人類活動[1]。這對人類的基本生存以及未來的可持續(xù)發(fā)展都是嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

建筑業(yè)是最大的能源消耗行業(yè)之一，也是溫室氣體排放的主要來源[2]。2019年，全球建筑行業(yè)的碳排放總量約為100億t[3]，占全球能源相關(guān)碳排放總量的28%，若加上建材工業(yè)部分（整個工業(yè)中用于制造的建筑材料，如鋼鐵、水泥和玻璃等）的排放，這一比例將上升至38%。大力減少建筑領(lǐng)域相關(guān)過程中的碳排放，應(yīng)從建筑設(shè)計、建材生產(chǎn)、運(yùn)輸與施工建造、運(yùn)行維護(hù)以及拆除等環(huán)節(jié)重新思考，使整個領(lǐng)域產(chǎn)生革命性變化[4]。目前，建筑運(yùn)營階段的碳減排是建筑節(jié)能減排的研究熱點(diǎn)。雖然建筑使用階段排放量達(dá)到總排放量的70%～80%，但建筑物化階段的碳排放卻占建筑前3年內(nèi)排放總量的20%～30%[5]，建筑運(yùn)營階段年限較長，而物化階段時間較短，若按年平均排放量計算，物化階段碳排放量高于使用階段。建筑物化階段是指從建材的生產(chǎn)階段到建筑完成建造交付使用之前的所有階段，主要包括建材生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段、施工建造階段。因此，要全面實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的綠色化，需要對目前尚未充分研究的物化階段進(jìn)行細(xì)化研究。

此外，在以往的研究中，定量方法通常是確定性的，沒有考慮輸入?yún)?shù)的不確定性。但事實(shí)上，由于人為因素和技術(shù)因素的存在，搜集到的相關(guān)數(shù)據(jù)會顯示出一定程度的不確定性。因此，有必要對量化過程中的各類不確定性進(jìn)行計算，以便得到更加準(zhǔn)確合理的量化結(jié)果。為了驗(yàn)證該方法，以已建成的北京市大興區(qū)某棟裝配式住宅項(xiàng)目為例進(jìn)行物化階段碳排放計算，并對建材運(yùn)輸距離和施工能源結(jié)構(gòu)設(shè)置不同情形，以進(jìn)行不確定性量化研究。

1 LCA不確定性研究現(xiàn)狀

2004年，Heijungs等[6]給 出 了 生 命 周 期 評 價（Life Cycle Assessment，LCA）不確定性的定義：LCA過程中不準(zhǔn)確的測量、缺失的數(shù)據(jù)和不準(zhǔn)確的假設(shè)對輸出結(jié)果的影響稱為LCA不確定性。分別為：1）由于內(nèi)部變化、測量不準(zhǔn)確或缺少數(shù)據(jù)引起的數(shù)值不確定性；2）構(gòu)造LCA數(shù)學(xué)計算模型引起的不確定性；3）建立不同情景時，不同選擇產(chǎn)生的不確定性。

限制LCA實(shí)踐的難度主要是獲取數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)是進(jìn)行清單分析及評價特征模型應(yīng)用的基礎(chǔ)。參數(shù)的不確定性一直是學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)，目前已知的量化方法有DQI（Data Quality Indicator）方法、貝葉斯統(tǒng)計、模糊理論、解析不確定性傳播和概率法[7]，其中，DQI應(yīng)用最為廣泛。

DQI方 法 由Weidema[8]開 發(fā)，莫 華 等[9]、黃 娜等[10]調(diào)整了其漢化參數(shù)。Ecoinvent數(shù)據(jù)庫還提供了每個數(shù)據(jù)點(diǎn)在單元過程層面基于DQI的不確定性信息[11-12]。但這個過程中仍存在一些局限，例如，數(shù)據(jù)的不確定性分布類型僅考慮了對數(shù)正態(tài)分布[13]。Muller等[14]提出了一種改進(jìn)算法，使得新數(shù)據(jù)加入時可以更新相應(yīng)的不確定性系數(shù)。

在量化所有原始數(shù)據(jù)的參數(shù)不確定性之后，有必要將該不確定性傳播到量化結(jié)果中。目前傳播的主要方法是蒙特卡洛模擬，但其計算量大，尤其需要對各種場景進(jìn)行比較。目前，泰勒級數(shù)展開法是解決這一缺陷的主要方法。Imbeault-Tétreault等[15]、Heijungs等[16]都比較了這兩種方法。Groen等[17]比較了拉丁超立方抽樣法、擬蒙特卡洛抽樣法和模糊區(qū)間運(yùn)算法等。目前，很多商業(yè)生命周期評價程序都傾向于使用蒙特卡洛抽樣方法。

各類不確定性在經(jīng)過傳播后進(jìn)入生命周期評價階段，該階段的主要任務(wù)包括分類及表征、標(biāo)準(zhǔn)化和權(quán)重。其中，對標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的不確定性研究較為充分。根據(jù)ISO 14042標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)是由產(chǎn)品和參照系統(tǒng)的比值得到的，由于缺少排放數(shù)據(jù)和表征系數(shù)，會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的偏差。一種解決方案是盡量完善數(shù)據(jù)庫和表征系數(shù)，從而減少決定性偏 差 的 風(fēng) 險[18]。Benini等[19]和Sala等[20]給 出 了 影 響標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的因素，提出了計算標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)不確定度的方法。Lautier等[21]計算了加拿大和美國的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，并與歐洲現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)進(jìn)行了比較。

綜上所述，目前對生命周期評價的不確定性研究主要集中在參數(shù)不確定性方面，情景分析通常考慮模型和情景的不確定性。Huijbregts[22]通過分析規(guī)范或相關(guān)假設(shè)來羅列各類選擇情景，以此分別量化結(jié)果的情景和模型的不確定性。Mendoza Beltran等[23]也提出了一種可以應(yīng)用于LCA計算軟件的方法，使其可以處理由于方法論選擇而造成的不確定性。

在土木工程方面，Hong等[24]考慮到建設(shè)期的基本特性，提出了一個基于概率方法的不確定分析框架；Zhang等[25]對橋梁生命周期內(nèi)各階段LCA結(jié)果的變異系數(shù)及其影響因素進(jìn)行了統(tǒng)計性分析。

2 建筑物化階段CO2排放計算及不確定性分析模型

2.1 模型邊界

建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期可分為物化階段、使用階段和拆除處置階段。物化階段是指建筑建造完成之前的所有階段，其系統(tǒng)邊界如圖1所示，主要包括：1）材料生產(chǎn)階段，包括原材料生產(chǎn)過程和生產(chǎn)過程中所需要的能量；2）運(yùn)輸階段，包括物料運(yùn)輸過程中所耗能源的開采生產(chǎn)過程；3）施工階段，包括施工區(qū)域內(nèi)各種機(jī)械設(shè)備的能耗，以及辦公區(qū)、生活區(qū)的照明、空調(diào)、辦公設(shè)備、烹飪等能耗。

圖1 建筑工程全生命周期系統(tǒng)邊界Fig. 1 Whole life cycle system boundary for construction project

物質(zhì)流體系的邊界為施工過程中所需要的各種建材和輔助材料，以及由各種建筑材料預(yù)制而成的預(yù)制構(gòu)件。其中，材料生產(chǎn)中使用的各種設(shè)備產(chǎn)生的材料損耗和環(huán)境影響不計入系統(tǒng)邊界內(nèi)。能源系統(tǒng)邊界包括煤、天然氣、汽油、柴油和電力。

2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)建設(shè)工程施工流程，結(jié)合工程概預(yù)算定額，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的分解與集成。采用基于工程量清單的CO2排放計算模式，以單元工序?yàn)榛締挝?，?gòu)建各單元工序的CO2排放清單和“綜合CO2排放系數(shù)”。這種計算模式的優(yōu)點(diǎn)：一方面是基于建筑構(gòu)件進(jìn)行計算，便于相關(guān)設(shè)計人員更有針對性地控制CO2排放；另一方面，在實(shí)際操作中，工程量清單的計算過程與概預(yù)算編制過程是一致的，可以有效地減少計算過程中所涉及的統(tǒng)計工作量。

各單元工序的碳排放系數(shù)計算公式見式（1）。

式中：En為單元工序n的CO2排放系數(shù)，kg；pi為完成單元工序n消耗的第i種材料用量；W為建筑設(shè)計使用壽命；w為材料設(shè)計使用壽命；EFmat,i為第i種材料的CO2排放系數(shù)；Li為第i種材料的運(yùn)輸距離，km；EFtra為運(yùn)輸階段的CO2排放系數(shù)；βi為第i種材料的損耗系數(shù)；EFdis,i為第i種材料垃圾處理的CO2排放系數(shù)；qj為完成單位單元工序n消耗的第j種機(jī)械量，臺班；EFmach,j為第j種機(jī)械的CO2排放系數(shù)。

以單位工程定額清單為基礎(chǔ)，建立分項(xiàng)工程定額清單，并計算已完成分項(xiàng)工程的綜合碳排放系數(shù)。分項(xiàng)工程碳排放系數(shù)計算方法見式（2）。

式中：Ep為單位分 項(xiàng) 工 程p的CO2排 放 系數(shù)；Qn為完成單位分項(xiàng)工程所需要的單元工序n的工程量。

建設(shè)項(xiàng)目按規(guī)模從大到小可分為單位工程、分部工程、分項(xiàng)工程。因此，通過各分項(xiàng)工程相加可得到整個建筑工程物化階段的CO2排放量。建筑工程物化階段碳排放總量計算公式如式（3）所示。

式中：E為建筑工程物化階段CO2排放總量；r為單位工程；q為分部工程；p為分項(xiàng)工程。

綜上，建筑物化階段中材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工建造3部分的碳排放計算公式分別為：

1）材料生產(chǎn)階段

式中：Emat為材料生產(chǎn)階段的CO2排放量，kg；n為單元工序。

2）運(yùn)輸階段

式中：Etra為運(yùn)輸階段的CO2排放量，kg。

根據(jù)2017年《中國統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)[26]，2016年中國公路貨物運(yùn)輸?shù)钠骄\(yùn)輸距離為183 km。建筑材料的主要運(yùn)輸方式是公路運(yùn)輸。因此，運(yùn)輸距離均按全國公路平均運(yùn)輸距離計算，后續(xù)會根據(jù)不同運(yùn)輸距離的取值情況分析不同情景。據(jù)李學(xué)東[27]的研究，公路運(yùn)輸?shù)娜加拖牧繛?.015 2 kg/(t·km)，則EFtra=0.055 6 kg/(t·km)。

3）施工建造階段 由于數(shù)據(jù)收集的局限性，僅考慮施工現(xiàn)場內(nèi)所有施工機(jī)械的能耗，如式（6）所示。

式中：Econ為施工建造階段的CO2排放量，kg。

建筑物化階段的CO2排放總量如式（7）所示。

2.3 排放因子

所需的各種材料CO2排放因子主要以《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366—2019）[28]為依據(jù)，部分排放因子選用GABI軟件[29]中的數(shù)據(jù)庫。GABI軟件是一款由德國開發(fā)的評價產(chǎn)品或服務(wù)潛在環(huán)境影響的常用工具，受到學(xué)術(shù)界的廣泛好評。

能源排放考慮了能源生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用3個階段。普通柴油、生物柴油、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的碳排放因子均來自GABI，其余材料的碳排放因子均來自《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366—2019）。

施工建造階段的機(jī)械設(shè)備單位臺班能耗按《全國統(tǒng)一施工機(jī)械臺班費(fèi)用定額》確定，結(jié)合能源的碳排放系數(shù)，可得到各機(jī)械設(shè)備單位臺班的碳排放系數(shù)。

2.4 不確定性分析模型

2.4.1 不確定性的來源 建筑生命周期評價的不確定性包含3類，分別是參數(shù)的不確定性、情景的不確定性和模型的不確定性。

1）僅考慮不同材料和機(jī)械使用過程中產(chǎn)生的碳排放，因此，參數(shù)不確定性主要來源于清單分析階段各數(shù)據(jù)的不確定性。

2）對不同運(yùn)距、能源類別的不同情景的選擇作為情景不確定性。

3）模型不確定性指在環(huán)境影響計算過程中由于所用的各種數(shù)學(xué)模型本身不完善而產(chǎn)生的不確定性。在環(huán)境排放的特征化中，如將CHA特征化為CO2eq的過程，由于是通過對太陽輻射等效升溫來考慮的特征化因子，各地區(qū)、各國的實(shí)際條件對此的影響可以忽略不計，因此認(rèn)為此模型本身并不存在不確定性。在本文中，只涉及將大氣排放物當(dāng)量為某一種特定物質(zhì)的過程，所以不考慮這種不確定性。

2.4.2 數(shù)據(jù)不確定性分析模型 采用DQI方法確定不確定度，具體的計算過程如圖2所示。根據(jù)黃娜等[11]的研究，可以得到適合中國國情的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)及不確定度。

圖2 DQI評價流程Fig. 2 DQI evaluation process

工程量數(shù)據(jù)全部來自建設(shè)項(xiàng)目部預(yù)算清單，排放因子數(shù)據(jù)來自多個數(shù)據(jù)庫，屬于單一的數(shù)據(jù)來源。根據(jù)Ecoinvent數(shù)據(jù)庫[11]中對數(shù)據(jù)分布形式的考慮，選擇對數(shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)分布類型。此外，將獲取清單和數(shù)據(jù)庫時原始數(shù)據(jù)的不確定度設(shè)為Ub，按Ecoinvent數(shù)據(jù)庫[11]中提供的標(biāo)準(zhǔn)差來考慮此類。

綜上所述，數(shù)據(jù)不確定度的計算公式見式（8）、式（9）。

式中：U1～U5為第i個數(shù)據(jù)的5個數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)的不確定度；Ui為第i個數(shù)據(jù)的質(zhì)量不確定度；Ud,i為第i個數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)不確定度；Ub為第i個數(shù)據(jù)的基本不確定度。

2.4.3 情景不確定性分析模型 在分析情景不確定性時，首先確定碳排放量化過程中的不同情景，然后根據(jù)每個情景的不同選擇對結(jié)果的不確定性進(jìn)行計算。

1）運(yùn)輸距離 不同建材廠與施工地點(diǎn)之間的距離不同，甚至相差很大，因此，選用不同的廠家時應(yīng)對應(yīng)選擇不同的運(yùn)輸方案。運(yùn)輸距離分兩種情景：情景a，取全國的平均運(yùn)距183 km；情景b，建材廠位于項(xiàng)目所在地周邊，平均運(yùn)距假定為100 km。 2）能耗種類 建筑物化階段能源能耗很大，消耗的量化標(biāo)的主要是油和電。對于燃油來說，存在普通柴油和生物柴油兩種選擇，情景a為普通柴油，碳排放因子3.660 3 kg/kg；情景b為生物柴油，碳排放因子2.381 6 kg/kg。對于電力來說，由于不同地區(qū)的發(fā)電模式構(gòu)成不同，因此存在不同的電力結(jié)構(gòu)。設(shè)情景a為電能來自項(xiàng)目所在地的電力結(jié)構(gòu)，碳排放因子為1.058 kg/kWh；情景b為電能來自水力發(fā)電，碳排放因子為0.007 46 kg/kWh；情景c為電能來自風(fēng)力發(fā)電，碳排放因子為0.015 2 kg/kWh。

由于案例為已經(jīng)實(shí)際施工完成的項(xiàng)目，所以在計算CO2排放的過程中各數(shù)據(jù)的選擇為確定情景。因此，有關(guān)情景部分的討論針對物化階段各減排手段的實(shí)際效果來展開，綜合考慮項(xiàng)目所在地位置、建設(shè)成本、技術(shù)可行性等因素。運(yùn)距的情景概率根據(jù)國家統(tǒng)計局提供的全國平均運(yùn)距與項(xiàng)目自身所在地位置給出，能耗種類的情景概率根據(jù)國家統(tǒng)計局中的能源種類消耗統(tǒng)計給出。各情景發(fā)生的概率值見表1。

表1 不同情景分類及發(fā)生概率Table 1 Classification of different scenarios and probability of occurrence

假設(shè)不同類型的情景相互獨(dú)立，則各情景的不確定度計算公式見式（10）。

式 中：USi為 第i種情景類型的不 確定度；USia、USib…為第i種情景類型下不同情景（a或b）的不確定度。

3 案例分析

3.1 工程概況

選取位于北京市大興區(qū)的某棟住宅項(xiàng)目作為案例，該住宅樓為裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑面積8 420.29 m2，其中，地下3層，地上17層，建筑層高3 m，建筑高度52.5 m，該工程由中鐵建設(shè)集團(tuán)施工總承包。

3.2 CO2排放計算結(jié)果

該項(xiàng)目可分解為不同的分項(xiàng)工程，如土建工程、裝飾工程、電氣工程、給排水工程、采暖工程、通風(fēng)工程、消防工程等。根據(jù)建立的碳排放計算模型，每個單位工程內(nèi)有不同的分部分項(xiàng)工程。

根據(jù)項(xiàng)目工程量清單及各分部分項(xiàng)工程的碳排放系數(shù)，得出各單位工程CO2排放量，見表2。

表2中，不同分項(xiàng)工程的機(jī)械碳排放是建筑施工過程中使用的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的碳排放，而材料碳排放表示生產(chǎn)建材及柴油過程中所產(chǎn)生的碳排放量。每個分項(xiàng)工程施工過程中均存在材料生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工建造3個階段，因此，根據(jù)文中提到的模型進(jìn)行計算，可得到表3。

表2 工程CO2排放量Table 2 CO2 emissions of projects

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)以及建筑總面積可知，物化階段單位建筑面積的CO2排放量為8.85×102kg/m2，其中，土建工程、裝飾工程、電器工程、給排水工程、采暖工程、通風(fēng)工程和消防工程碳排放分別為7.90×102、3.84×101、3.82×101、1.66×10-1、6.63×10-1、3.52×10-1、6.42×10-2kg/m2。

表3 建筑物化階段CO2排放量Table 3 CO2 emissions from building embodied stage

建筑物化階段中材料生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工建造階段 的CO2排 放 量 分 別 為7.00×106、2.51×105、2.01×105kg。各階段單位建筑面積的CO2排放量分別為8.31×102、2.98×101、2.38×101kg/m2。

3.3 不確定性分析

3.3.1 數(shù)據(jù)不確定性分析 材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和現(xiàn)場施工建造的不確定性計算結(jié)果如下：

1） 材料生產(chǎn)階段 材料生產(chǎn)階段的CO2排放計算公式如式（4）所示，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，認(rèn)為建筑和材料壽命是常數(shù)。在進(jìn)行蒙特卡洛模擬時，分別進(jìn)行了500～20 000次抽樣。抽樣到10 000次時，標(biāo)準(zhǔn)差開始穩(wěn)定。表4顯示了材料生產(chǎn)階段CO2排放的不確定度及變異系數(shù)。

表4 材料生產(chǎn)階段CO2排放的數(shù)據(jù)不確定度Table 4 Data uncertainty of CO2 emissions during the material production phase

2） 運(yùn)輸階段 式（5）中材料及能源的碳排放因子的不確定度分別為0.035和0.043 3，根據(jù)相關(guān)論文及國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，運(yùn)距和運(yùn)輸工具能耗的不確定度分別為0.347和0.351，則運(yùn)輸階段CO2排放不確定度如表5所示。

表5 運(yùn)輸階段CO2排放的數(shù)據(jù)不確定度Table 5 Data uncertainty of CO2 emissions during the transport phase

3） 施工建造階段 式（6）為施工階段碳排放計算公式，其中建筑面積及施工時間等為確定數(shù)據(jù)，不確定度為0。因此，施工建造階段的碳排放數(shù)據(jù)不確定度見表6。

表6 施工建造階段CO2排放的數(shù)據(jù)不確定度Table 6 Data uncertainty of CO2 emissions during the construction phase

從表4～表6的數(shù)據(jù)不確定度和CO2排放量來看，如圖3所示，對物化階段CO2排放量影響較大的是土建及給排水工程，相應(yīng)的數(shù)據(jù)不確定度也較?。黄浯问请姎夤こ?，雖然只占材料生產(chǎn)階段CO2排放的4%左右，但在施工階段可以達(dá)到16%，雖然裝飾、消防、通風(fēng)和采暖工程數(shù)據(jù)的不確定度較大，但碳排放量占總排放量的比例不足1%，因此，其不確定度產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對總排放量的影響可忽略不計。整個建筑物化階段碳排放總量的變異系數(shù)為0.37%，由此可以判斷，建筑物化階段碳排放結(jié)果的數(shù)據(jù)可信度較高，結(jié)果較理想。

圖3 物化階段CO2排放占比及變異系數(shù)Fig. 3 Proportion and variation coefficient of CO2 emission in embodied phase

3.3.2 情景不確定性分析 采用不同情景對運(yùn)距和能源類型進(jìn)行不同概率的排列組合，得到不同情景下相應(yīng)的數(shù)據(jù)及不確定度，見表7。

表7 各情景下的排放參數(shù)均值及其不確定度Table 7 Mean values of emission parameters and their uncertainties for each scenario

圖4為不同情景下運(yùn)輸階段減排情況及變異系數(shù)變化比例，可以看出，單情景情況下，情景S1減排比例最高，為32%，減排量為7.96×104kg；多情景情況下，S1+S6情景發(fā)生時，則可減少39%的CO2排放，減排量為9.75×104kg。因此，通過改變運(yùn)輸距離和柴油使用的種類均可達(dá)到良好的減排效果。且運(yùn)距改變時，CO2排放的變異性系數(shù)均小于10%。因此，在未來的施工運(yùn)輸過程中，可綜合考慮運(yùn)距及柴油類型來達(dá)到更好的減排效果。

圖4 不同情景下運(yùn)輸階段減排及變異系數(shù)變化比例Fig. 4 Change ratio of emission reduction and variation coefficient in transport phase under different scenarios

圖5為不同情景下建造階段減排及變異系數(shù)變化比例。由圖5可知，在施工建造階段，單情景情況下，S7情景可以減排27%，約5.44×104kg，其次是情景S8，可以減排18%，約3.62×104kg，而改變運(yùn)距及柴油類型，減排均小于1%，因此，混合情景模式下，運(yùn)距及柴油類型對整體碳減排的影響可以忽略不計。綜上可知，電力結(jié)構(gòu)是施工建造階段碳排放的主要影響因素，通過改變用電結(jié)構(gòu)，可以大大減少施工建造階段的碳排放量，因此，未來大力發(fā)展清潔能源（如風(fēng)能、水能、太陽能）發(fā)電是很有必要的。

圖5 不同情景下建造階段減排及變異系數(shù)變化比例Fig. 5 Change ratio of emission reduction and variation coefficient in construction phase under different scenarios

3.4 建筑物化階段CO2排放分析

根據(jù)計算結(jié)果，該案例在物化階段的碳排放總量為7.45×106kg，而各階段碳排放所占比例如圖6所示。從不同階段來看，材料生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放占到93%，是物化階段最主要的碳排放貢獻(xiàn)階段，主要是因?yàn)椴牧仙a(chǎn)時耗費(fèi)的鋼筋混凝土等建材的內(nèi)含能較大，而運(yùn)輸階段和施工建造階段的碳排放僅分別占整個物化階段的3%和4%。從不同施工工序來看，土建工程的碳排放占比最高，達(dá)到了89%，其次是裝飾工程及電氣工程，均占4%。因此可以看出，若想減少整個階段的碳排放量，最重要的是減少土建施工過程中的碳排放。從不同施工部位來看，構(gòu)件廠碳排放量占比為42%，地下部分占比為34%，而地上部分占比為16%。出現(xiàn)這種情況的主要原因是本案例為裝配式建筑，其中預(yù)制構(gòu)件的使用量較大，且主要用在地上部分，因此，地上部分有較多碳排放量計算到構(gòu)件廠部分中。

圖6 物化各階段CO2排放比例Fig. 6 Proportion of CO2 emissions in each phase of embodied stage

為了對案例中各單位工程碳排放量有更清晰的了解，圖7給出了各單位工程物化階段的碳排放比例。從圖7中可知，在物化階段的所有單位工程中，土建工程、裝飾工程、電氣工程三者碳排放占比之和達(dá)到98%，而這3個單位工程中占比最高的均為材料生產(chǎn)，分別占各自部分的95%、85%、98%。此外，給排水工程、采暖工程和消防工程中，施工建造階段產(chǎn)生的碳排放占主要貢獻(xiàn)，分別為61%、60%、95%。對于通風(fēng)工程來說，其材料生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段及施工建造階段的碳排放占比較為均勻，分別為46%、35%、19%。

圖7 各分項(xiàng)工程物化各階段CO2排放比例Fig. 7 Proportion of CO2 emission in each embodied stage of each sub-project

根據(jù)上述分析可知，材料生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放占比達(dá)到90%以上。因此，實(shí)現(xiàn)建筑物化階段碳減排的重要方法之一是控制材料生產(chǎn)階段的碳排放。而減少材料生產(chǎn)碳排放的方法主要有兩種：一是建材生產(chǎn)廠商從源頭進(jìn)行減排，目前，很多水泥及鋼材生產(chǎn)廠商均在進(jìn)行減排改革，通過使用清潔可再生能源以及碳捕捉、碳封存等技術(shù)來減少生產(chǎn)中的碳排放；二是通過利用建筑廢料作為主要建材，如使用再生混凝土，提高廢物利用率，可大大減少材料生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放。

施工現(xiàn)場的碳排放直接影響著項(xiàng)目周邊的環(huán)境，因此，單獨(dú)考慮施工建造階段的碳排放很有必要。項(xiàng)目建設(shè)階段碳排放量隨時間變化情況如圖8所示。從圖8中可知，從2016年3月到2016年8月，碳排放量呈線性增加，主要是因?yàn)橹黧w結(jié)構(gòu)的施工，大型機(jī)械的使用導(dǎo)致這階段耗油、耗電量急劇增加，碳排放量也隨之增加。而2016年8月之后，進(jìn)行采暖工程、電氣工程等施工，這一階段所使用的機(jī)械能耗較小，產(chǎn)生的碳排放速率也大大減緩。

圖8 CO2排放量隨時間變化圖Fig. 8 Change graph of CO2 emission with time

4 結(jié)論

建立了建筑物化階段的碳排放計算模型，并考慮了不同建材運(yùn)輸距離和施工能源結(jié)構(gòu)情景下的不確定性；結(jié)合案例，確立了建筑碳排放計算框架。得到以下主要結(jié)論：

1）以某施工單位提供的工程概預(yù)算清單為基礎(chǔ)，對建筑物化階段不同施工工序的碳排放進(jìn)行詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)土建工程施工碳排放占總體的85%，材料生產(chǎn)階段碳排放占比達(dá)93%，均為碳排放控制重點(diǎn)，并給出了減排建議。

2）計算建筑物化階段CO2排放的數(shù)據(jù)和情景不確定度，給出各單位工程CO2排放的變異系數(shù)，分析不同情景下的碳排放情況，并給出減排建議，運(yùn)輸階段，改變運(yùn)距及柴油類型可碳減排39%，施工階段，改變用電類型可減排27%。

3）建立以工程概預(yù)算定額和實(shí)際工程量為基礎(chǔ)的碳排放量化模型，并分析施工碳排放隨施工進(jìn)度的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)施工階段及裝飾階段為碳排放主要貢獻(xiàn)階段。

建筑業(yè)是高耗能行業(yè)，隨著資源環(huán)境約束的收緊和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排變得越來越重要。雖然本文給出了建設(shè)階段CO2排放量的計算方法，但仍有大量工作有待進(jìn)一步研究和完善：

1）受限于數(shù)據(jù)收集，本文未考慮施工現(xiàn)場辦公區(qū)及生活區(qū)的碳排放，后續(xù)研究中將進(jìn)一步探討。

2）采用區(qū)域統(tǒng)計理論值進(jìn)行計算分析。在后續(xù)計算中，如果可以采用企業(yè)實(shí)際施工水平的企業(yè)定額，結(jié)果會更加準(zhǔn)確。