公路工程綠色低碳施工方案評價
——基于“碳中和”與造價雙目標(biāo)

李紅鏑,周韻梓

(重慶交通大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院,重慶 40074)

0 引 言

“碳中和”是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動或個人在一定時間內(nèi),直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量通過植樹造林、節(jié)能減排等形式,抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放量,實現(xiàn)正負(fù)抵消,達到相對“零排放”。我國提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”。

我國公路工程項目建設(shè)規(guī)模較大、建設(shè)以及使用周期長,在建設(shè)和使用過程中會消耗大量的資源以及能源,導(dǎo)致大量溫室氣體排放。目前針對“碳中和”的研究主要是定性研究,分為對“碳中和”理念的解讀[1-2]與分析國家相關(guān)政策[3-5],相關(guān)定量研究較少,集中于單一測算某項建設(shè)工程項目的碳排放量[6-8],缺少直接運用定量方法將建設(shè)工程項目與“碳中和”理念進行結(jié)合研究的文獻。

在實際施工過程中,某一單位工程的施工無法完全實現(xiàn)碳排放與碳吸收相抵,但可以遵循“碳中和”理念,在造價合理的情況下不斷完善綠色施工方案。

筆者綠色低碳的施工方案評價以公路工程為研究對象,對施工方案從碳中和以及造價成本雙目標(biāo)進行評價。

1 基于碳中和理念的公路工程綠色低碳施工系統(tǒng)正負(fù)熵模型

1.1 公路工程施工系統(tǒng)與熵理論結(jié)合

熵是物理學(xué)中熱力學(xué)第二定律的概念,用于度量系統(tǒng)的混亂程度。熵又分為熵增、熵減以及負(fù)熵3種形態(tài),其中熵增代表著系統(tǒng)功能性減弱,相反熵減代表著系統(tǒng)功能性增強,負(fù)熵則可帶來熵減即系統(tǒng)功能性增強的活性因子。熵的定義實際上是一個隨機變量的不確定性,熵增越大,隨機變量不確定性越大,反之亦然。耗散結(jié)構(gòu)是熵值理論的進一步發(fā)展,公路工程施工系統(tǒng)符合耗散結(jié)構(gòu)的典型特征,即開放系統(tǒng)且非線性,因此可以將公路工程施工系統(tǒng)類比為一個耗散系統(tǒng)[9]。

公路工程施工方案從“碳中和”的角度,有碳排放的施工內(nèi)容,比如材料運輸、施工機械等,也有碳吸收的施工內(nèi)容,包括使用可再生能源輸出的碳吸收量等;碳排放可以視為公路工程施工系統(tǒng)中的熵增,碳吸收則可以視為熵減。增加碳吸收技術(shù)導(dǎo)致施工系統(tǒng)的造價成本升高,即造價成本也視為公路工程施工系統(tǒng)的熵增。通過熵理論與公路工程施工系統(tǒng)的結(jié)合,引出正負(fù)熵值模型。

1.2 正負(fù)熵值模型

正負(fù)熵值模型利用熵值理論,以公路工程施工系統(tǒng)為背景,將碳排放量、碳吸收量以及造價成本這3個不同量綱單位的指標(biāo)轉(zhuǎn)化成同一個計量指標(biāo)進行定量計算。

引入詹姆士(E.T.JAYNES)信息熵公式,并以此公式為基礎(chǔ)構(gòu)建正負(fù)熵值模型。詹姆士提出了最大熵原理,并將信息熵模型與統(tǒng)計物理學(xué)結(jié)合,定義了信息熵公式[10]:

(1)

式中:S為詹姆士信息熵值;k為根據(jù)耗散系統(tǒng)而設(shè)定的玻爾茲曼系數(shù);Pi為耗散系統(tǒng)中某個因素出現(xiàn)的概率,也是在系統(tǒng)中的權(quán)重。

式(1)可將不同類型的定量指標(biāo)轉(zhuǎn)化到同一個耗散結(jié)構(gòu)中以熵值的形式存在,即熵值越大耗散結(jié)構(gòu)混亂程度越大,熵值越小系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定[10]。

公路工程施工系統(tǒng)符合耗散系統(tǒng)的定義,比對詹姆士最大熵值公式構(gòu)建正負(fù)熵值模型,定義正負(fù)熵值模型中的正負(fù)熵值公式,該公式將公路工程施工方案中的碳排放因素以及造價成本因素?fù)Q算為熵值,如式(2)～式(4):

(2)

(3)

S=S1×i1+S2×i2

(4)

式(2)為正熵公式,代表了公路工程施工耗散系統(tǒng)過程中的熵增過程。式(3)為負(fù)熵公式,代表了公路工程施工耗散系統(tǒng)過程中的熵減過程。式(4)為施工總熵公式,即正熵值與負(fù)熵值的累加值。其中,S1、S2分別為施工系統(tǒng)正熵值與負(fù)熵值;KB為使用某種施工方案的碳排放量,由碳排放量因子計算所得;KC為某項施工工藝在公路工程壽命期內(nèi)帶來的環(huán)保收益或者花費;I為吸收每單位的二氧化碳所需要的花費換算系數(shù),I的單位與KB保持一致;KA為使用某種施工方案下該工藝的每公里平均造價;x1、x2分別為影響碳排放和造價成本的某種因素;x3為影響施工系統(tǒng)負(fù)熵的某種因素;Px1、Px2分別為施工系統(tǒng)正熵值中碳排放和造價成本的影響因子權(quán)重;當(dāng)施工系統(tǒng)成功引入了負(fù)熵流時,Lx3為該負(fù)熵流根據(jù)指標(biāo)體系中的環(huán)保技術(shù)以及碳吸收方面所確定的權(quán)重,當(dāng)施工系統(tǒng)并沒有負(fù)熵流發(fā)生時,Lx3等于施工正熵中的Px1值;i1為施工系統(tǒng)正熵值的權(quán)重;i2為施工系統(tǒng)負(fù)熵值的權(quán)重。S越小,代表公路工程施工方案在碳中和目標(biāo)以及造價成本目標(biāo)雙目標(biāo)越占優(yōu),越貼合碳中和綠色低碳施工理念。

2 權(quán)重參數(shù)確定

2.1 公路工程綠色低碳指標(biāo)評價體系

正負(fù)熵值模型的計算需要各影響因素的權(quán)重來,所以需要構(gòu)建指標(biāo)評價體得出指標(biāo)權(quán)重。

公路工程施工系統(tǒng)可以類比為一個耗散系統(tǒng),在這個耗散系統(tǒng)中各種影響因素可以在熵值理論中使用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型[11]在壓力、狀態(tài)、響應(yīng)這3個方面與熵增、熵減、負(fù)熵流3個形態(tài)對應(yīng),模型區(qū)分了這3類指標(biāo):①壓力指標(biāo)表現(xiàn)了人類活動對環(huán)境的影響,對應(yīng)著熵值理論中的熵增過程;②狀態(tài)指標(biāo)表現(xiàn)了特定時間階段的環(huán)境狀態(tài)和其情況,對應(yīng)了耗散過程中引入負(fù)熵流后系統(tǒng)的狀態(tài),即熵減過程;③響應(yīng)指標(biāo)是人類有意識的行動來減輕、阻止、恢復(fù)和預(yù)防人類活動對環(huán)境的負(fù)面影響,對應(yīng)了耗散過程中的負(fù)熵流,即熵值理論中的負(fù)熵。

運用PSR模型和熵值理論結(jié)合的方法構(gòu)建評價體系,可減輕傳統(tǒng)方法(調(diào)查研究法、目標(biāo)分解法、多元統(tǒng)計法等)指標(biāo)之間缺乏必要聯(lián)系,指標(biāo)取舍具有較強主觀性和隨意性的影響,可構(gòu)建基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工評價體系。

在公路工程施工系統(tǒng)中,施工過程中的碳排放以及施工過程的造價成本升高都對應(yīng)熵值過程;施工環(huán)保技術(shù)代表綠色低碳施工技術(shù)程度,映射著生態(tài)環(huán)境的狀態(tài);碳吸收是施工系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)中引入的負(fù)熵流,代表熵減過程。

碳排放、造價成本、碳吸收以及環(huán)保技術(shù)4者之間的關(guān)系如圖1。根據(jù)碳吸收、碳排放、環(huán)保技術(shù)3個方面構(gòu)建公路工程低碳綠色施工評價指標(biāo)體系,評價指標(biāo)體系構(gòu)建過程如圖2。

圖1 基于碳中和理念的公路工程綠色低碳PSR模型Fig. 1 Green and low carbon PSR model of highway engineering based on carbon neutralization concept

在公路工程施工過程中,碳排放主要表現(xiàn)為原材料活動和施工影響的碳排放;造價成本主要表現(xiàn)為施工成本以及其他成本;碳吸收主要表現(xiàn)為項目的綠化建設(shè)以及碳抵消;環(huán)保技術(shù)為在施工現(xiàn)場中對綠色施工的管理以及施工機械設(shè)備的使用等。細(xì)化這4個方面的指標(biāo),構(gòu)建了基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工評價指標(biāo)體系如表1。

表1 基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工指標(biāo)體系Table 1 Low carbon green construction index system of highway engineering based on carbon neutralization concept

2.2 確定權(quán)重

構(gòu)建了評價指標(biāo)體系后,對不同的指標(biāo)賦予權(quán)重,表示其重要程度。由于構(gòu)建的評價體系指標(biāo)較多,傳統(tǒng)的層次分析法計算過程復(fù)雜,序關(guān)系分析法是一種不需要構(gòu)建判斷矩陣、無需矩陣一次性檢驗、計算量較少且對同一級指標(biāo)個數(shù)無明顯限制,所以采用序關(guān)系分析法來確定指標(biāo)的權(quán)重。

基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工指標(biāo)體系一級指標(biāo),構(gòu)建成了一個指標(biāo)集A={a1,a2,a3,a4},其中a1、a2、a3、a4分別代表著環(huán)保技術(shù)、碳排放、造價成本、碳吸收?；诘聽柗瀑x權(quán)法,請專家對指標(biāo)集中指標(biāo)的重要程度進行排序,得出a3>a1>a2>a4,組成了序關(guān)系。

序關(guān)系賦值規(guī)定1.0、1.2、1.4、1.6、1.8分別對應(yīng)后者比前者同樣、稍微、明顯、強烈、極端重要。據(jù)此得到r1、r2、r3、r4,分別對應(yīng)著指標(biāo)a1,a2,a3,a4的權(quán)重,其中r1=1.0,r2=1.2,r3=1.4、r4=1.6。

再由式(5)、式(6)計算得出一級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為:w4=0.13,w3=0.21,w2=0.30,w1=0.36。

(5)

wn-1=rkwk,k=m,m-1,…,2

(6)

式中:wn代表各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),n=1～4,在n=4時按式(5)計算,其余情況按式(6)計算。

因此得到一級指標(biāo)權(quán)重向量:

w=(0.36,0.30,0.21,0.13)T。

采用同樣的計算方法得到二級指標(biāo)和三級指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)果如表3。

由表2可以得出Lx2、Lx3,Px1、Px2,其分別由評價指標(biāo)體系中碳排放以及造價成本的權(quán)重加權(quán)計算所得。

表2 指標(biāo)體系權(quán)重Table 2 Weight of index system

式(4)中的i1以及i2則是由正熵和負(fù)熵在總指標(biāo)體系中所占比重得出,由表1可以確定正熵權(quán)重為0.43,負(fù)熵權(quán)重為0.21.

3 施工方案評價方法

設(shè)置了3個情景來使用正負(fù)熵值模型對該公路工程施工方案進行評價。

僅考慮造價成本因素(情景1),所得的施工系統(tǒng)熵值將比較不同施工方案在造價成本方面的優(yōu)劣程度,驗證模型所得熵值是否符合實際施工中低碳綠色施工方案造價成本高的情況。

情景1中,式(2)、式(4)調(diào)整為:

(7)

(8)

僅考慮碳中和因素(情景2),所得的施工系統(tǒng)熵值將比較不同施工方案在碳中和理念方面的優(yōu)劣程度,查看施工方案是否引進了負(fù)熵流。

情景2中,式(2)～式(4)調(diào)整為:

(9)

(10)

(11)

綜合考慮碳中和、造價成本因素(情景3),所得的施工系統(tǒng)熵值即為一般情況下正負(fù)熵值模型的計算結(jié)果,計算公式同式(2)～式(4)。

4 實際案例應(yīng)用

4.1 案例簡述

G352務(wù)川道角至藕塘公路擴建工程位于遵義市務(wù)川境內(nèi),以此工程的二級公路段為例,驗證正負(fù)熵值模型在基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工體系評價的可行性。

可選取任意一組施工方案進行研究評價,筆者選取G352務(wù)川道角至藕塘公路擴建工程的排水防護施工方案為研究對象。根據(jù)工程量清單可知,該公路擴建工程的排水防護采用的是傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件,雖然有節(jié)約施工時間的優(yōu)點,但預(yù)制件在預(yù)制過程中仍然會釋放大量的碳元素?？梢圆捎蒙鷳B(tài)砌塊預(yù)制件作為排水防護,在保證預(yù)制件強度的情況下,充分利用石場廢料、石屑等固體廢料進行加工,可以提高生產(chǎn)效率,實現(xiàn)工廠化施工。生態(tài)砌塊預(yù)制件和傳統(tǒng)的混凝土預(yù)制件相比,可以節(jié)約資源、提高石材利用率、減少對環(huán)境的污染,但在造價方面成本,生態(tài)砌塊預(yù)制件略高于傳統(tǒng)的混凝土預(yù)制件。

4.2 正負(fù)熵值模型的案例運用

根據(jù)所建立的正負(fù)熵值模型以及施工方案評價方法,計算G352務(wù)川道角至藕塘公路擴建工程項目的一組排水防護的施工方案的基于碳中和理念的低碳綠色施工總熵值大小,并分析提出的新低碳環(huán)保施工技術(shù)是否使總熵值減少,即提高項目貫徹碳中和理念的程度。

查看該工程的工程量清單可知,若排水防護使用傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件,每公里造價為239 165.8元,占總造價的比重為0.53%,公路采用該施工方式每公里造價為45 125 614.3元;使用生態(tài)砌塊預(yù)制件,每公里造價為291 279.3元,占總造價比重為0.64%,公路采用該施工方式每公里造價為45 512 346.8元。

依照GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》和《國家溫室氣體清單指南》所規(guī)定的施工階段各項機械以及所使用能源的碳排放因子及建設(shè)項目階段碳排放計量公式,計算出模型公式各部分中KB值。采用傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件排水防護施工方案的KB=34,采用生態(tài)砌塊預(yù)制件排水防護施工方案的KB=67。

一年內(nèi)每平方米樹木可吸收污染氣體和懸浮顆粒物為373 kg,可吸收的二氧化碳為67 kg[12],該公路設(shè)計年限為20年,在這期間每平方米樹木可吸收二氧化碳為1 340 kg;2012年北京市林業(yè)局測算植樹造林成本為每畝3萬元,經(jīng)估算當(dāng)下植樹造林成本為每畝6.6萬元;現(xiàn)將I統(tǒng)一使用該地區(qū)吸收每單位的二氧化碳所需要植樹造林的花費來計算[12],得到I=410.96。

傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件在施工過程中涉及到了原材料活動的碳排放、施工的影響的碳排放,在施工完成后需要返修維護,增加了施工管理。傳統(tǒng)預(yù)制件的Px1=0.73,Px2=0.77。

生態(tài)砌塊預(yù)制件施工方式涉及原材料活動的碳排放、施工的影響的碳排放,增加了人工成本、施工機械成本,還涉及到了環(huán)保技術(shù)中的材料節(jié)約利用和資源能源回收利用,因此生態(tài)砌塊預(yù)制件的Px1=0.57,Px2=0.62,Lx3=0.57。

根據(jù)有關(guān)學(xué)者對空氣污染造成的經(jīng)濟損失的論文研究中[12-13]提出的空氣污染產(chǎn)生的經(jīng)濟損失可以達到該地區(qū)國民收入的3%～10%,可以計算出一年每m2的植被吸收有害氣體帶的經(jīng)濟效益為 136元/年。以該二級公路設(shè)計年限 20年計算,該擴建公路工程生態(tài)砌塊排水防護帶來的經(jīng)濟效益大概為179 864.4元。

使用第3節(jié)的施工方案評價方法開展模型計算,由式(2)～式(4),以及其變式(7)～式(11)計算3種情景下2種施工方案的施工熵值,計算結(jié)果如表3。

表3 計算結(jié)果Table 3 Calculation results

由表3可知:

1)在情景1時,把2種方案的造價通過正負(fù)熵值模型轉(zhuǎn)化為熵值,傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件施工方案要略微優(yōu)于生態(tài)砌塊預(yù)制件施工方案。

2)在情景2時,生態(tài)砌塊預(yù)制件施工方案的施工系統(tǒng)熵值小于0,證明在施工系統(tǒng)中引入了負(fù)熵流。傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件并沒有引入負(fù)熵流,使得在碳排放方面生態(tài)砌塊預(yù)制件占優(yōu)。

3)在情景3時,生態(tài)砌塊排水防護的施工熵值小于使用傳統(tǒng)預(yù)制件的排水防護施工熵值。

綜合3種情景的計算結(jié)果,在施工過程中采用生態(tài)砌塊排水防護施工方案付出造價成本比使用傳統(tǒng)預(yù)制件高,但在整個壽命期內(nèi),前者產(chǎn)生了環(huán)保效益,引入了負(fù)熵流,且產(chǎn)生的環(huán)保效益在造價成本可控的范圍內(nèi),使得施工總熵值減少;若進一步的降低生態(tài)砌塊排水防護施工方案的造價成本,或者提高碳吸收量,施工系統(tǒng)總熵值會進一步降低,施工方案得到優(yōu)化,同理,若降低傳統(tǒng)預(yù)制塊施工方案的碳排放量,也會得到同樣的結(jié)果。未來施工技術(shù)的發(fā)展可以從進一步改善低碳施工技術(shù)的造價成本、在造價可控的范圍內(nèi)提高綠色低碳程度入手。

綜上,確定生態(tài)砌塊排水防護比傳統(tǒng)預(yù)制件防護要更貼合“碳中和”理念以及造價雙目標(biāo),符合可持續(xù)發(fā)展要求。同理可以運用以上模型計算公路工程施工系統(tǒng)中其他施工方案的施工熵值,通過比較熵值大小確定更加貼合“碳中和”理念與造價雙目標(biāo)的施工方案。

5 結(jié) 語

筆者通過定義基于“碳中和”理念和造價成本雙目標(biāo)的公路工程綠色低碳施工方案,建立正負(fù)熵值模型,將公路工程施工過程中的碳中和理念和造價成本引入進熵值理論中,利用正負(fù)熵值模型對公路工程的施工方案進行比較分析,為公路工程貫徹落實“碳中和”理念提供了一條可行的思路,通過這個模型,計算得出生態(tài)砌塊排水防護施工方案的施工總熵值為26 944.7,使用傳統(tǒng)預(yù)制件防護的施工總熵值為29 447.6,前者小于后者,證明生態(tài)砌塊排水防護施工方案在“碳中和”理念以及造價雙目標(biāo)下更為占優(yōu)。即可以計算對比不同施工方案的施工熵值,若環(huán)保方案的施工熵值較小,則該環(huán)保方案可以較為廣泛地使用,不會過多影響到公路項目的成本;若環(huán)保方案的施工熵值較大,則說明該環(huán)保方案的施工工藝還不夠成熟,需要進一步地改進,若推行該環(huán)保方案則有可能會影響到公路工程項目的建設(shè);也指出了未來施工技術(shù)的發(fā)展可以從進一步改善低碳施工技術(shù)的造價成本、在造價可控的范圍內(nèi)提高綠色低碳程度入手。