.福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院 .福建省交通綜合行政執(zhí)法總隊 .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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工程施工階段機械設備耗能碳排放計算*

1.福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院 2.福建省交通綜合行政執(zhí)法總隊 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]工程中使用的機械設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)實施可行、有效的減排對策。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、計算模型，并以中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫確定機電設備的碳排放因子，通過現(xiàn)有住宅工程的清單量實現(xiàn)碳總量的便捷計算與分析。該數(shù)據(jù)庫確定的機電設備單位臺班碳排放因子能為建筑企業(yè)選用機電設備規(guī)格與型號提供參考，簡便的計算方法為其碳排放預算、結算、審計等提供數(shù)據(jù)支持。

[關鍵詞]PAS2050規(guī)范 工程量清單 住宅工程 機電耗能 碳排放

伴隨國內建筑行業(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當前生態(tài)文明建設決策具有重要的指導意義。

目前針對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，運用國際組織或國外機構現(xiàn)有的基礎數(shù)據(jù)計算碳排放總量[1]。該研究成果只能表征建筑項目總體碳排放情況，而建筑全生命周期各個階段的碳排放存在差異，尤其是施工階段，由于使用大量的機械設備，消耗柴油、汽油、電等能源，其排放具有短時量大的特點[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，而四川大學建立的“中國生命周期基礎數(shù)據(jù)庫”（Chinese Life Cycle Database，CLCD）是國內僅有的較系統(tǒng)、全面的數(shù)據(jù)庫[3]。由于國內的碳排放因子資料庫相對缺乏，該數(shù)據(jù)庫的基礎參數(shù)部分來源于國標組織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施工企業(yè)制定切實可行的減排對策，具有一定的理論意義和應用價值。

1 碳排放核算體系比較與選擇

對建筑產(chǎn)品機械設備耗能的碳排放計算，應依據(jù)國際上通用的核算標準并考慮國內能源使用的特殊性。目前，國際上依據(jù)不一樣的核算主體，碳排放的核算標準分為企業(yè)/組織、產(chǎn)品/服務碳排放，較為主流的主要有四種，詳見表1。

表1 碳排放核算體系對比

通過對碳排放標準進行分析，結合住宅工程項目的施工特點，主要從以下三方面證實并選擇PAS 2050規(guī)范作為施工階段碳排放計算標準：

（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準中僅PAS 2050規(guī)范的應用范圍是產(chǎn)品或服務，其余核算標準主要針對企業(yè)與組織。

（2）以生命周期評價為方法論的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)品在生命周期內的部分階段，本文所計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)歷的建設過程，與產(chǎn)品的活動過程有一定關聯(lián)，可參照PAS 2050規(guī)范對住宅工程施工階段的碳排放邊界與碳排放源進行進一步的確定。

2 基于PAS 2050規(guī)范的核算流程

本文的計算流程與PAS 2050規(guī)范的計算流程大致相同，包含目標設定、碳排放邊界確定、碳排放源分類以及碳排放計算四個方面。目標設定即為本文的研究目標；碳排放邊界的確定參照PAS 2050規(guī)范, 對過程圖進行繪制，并確定系統(tǒng)邊界；碳排放源分類上，結合計算對象的系統(tǒng)構成、建設過程以及國際標準中三大排放的碳源分類進行劃分；碳排放計算則需確定適宜的碳排放計算方法，構建計算模型，在收集數(shù)據(jù)并確定各參數(shù)的基礎之上進行計算。

2.1 目標設定

這一環(huán)節(jié)旨在通過碳排放計算，得到建筑產(chǎn)品的量化指標，以定量數(shù)據(jù)及結果分析，對施工階段機械設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)、建筑材料運輸、施工、運營、拆除處置階段。本文主要研究施工階段的機械設備碳排放，施工階段指建筑產(chǎn)品的建造過程，即把設計圖紙上的各類線條在指定的位置變成實物的過程。對于建筑工程而言，范圍和排放路徑都已比較明確，按照分部分項及項目工程量計算方法的劃分，將建筑工程分為樁基、土石方、一般土建及裝飾工程，每個工程再次細分，分為樁基工程、混凝土工程、鋼筋工程、垂直運輸工程、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械碳排放主要源于柴油的消耗。樁基工程是基礎工程（分部工程）的子分部工程，使用的機械設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，使用的機械設備種類多，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、內外墻、天棚等裝飾，機械設備消耗臺班較小，碳排放較少。但該階段綜合使用了水平、垂直運輸機械、混凝土機械、泵類機械、加工機械等，種類較多，碳排放源較多。

2.4 碳排放計算

基于PAS2050規(guī)范的碳排放邊界，結合現(xiàn)階段研究領域通用的計算公式，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分別為相應的能源消耗量。

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

其中Ci為機械設備的碳排放因子，Mi為相應的機械臺班消耗量。

3 參數(shù)確定

3.1 活動數(shù)據(jù)的確定

活動數(shù)據(jù)即為機械設備的臺班消耗量，是指在節(jié)約和合理使用前提下，建設單位為了完成施工過程，因為使用了機械設備而耗費的各能源數(shù)量，包括凈用量和損耗量。

由于現(xiàn)場能耗統(tǒng)計具有一定的困難，很少有施工隊在施工階段會統(tǒng)計各項能源消耗記錄，所能收集到的數(shù)據(jù)有限。目前工程預算、結算、決算通常采用造價管理軟件，軟件中已包含材料消耗定額和施工機械臺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，通過常用的計價軟件計算實現(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]。對于碳排放因子，國外一些組織、機構進行了很多研究，累積了豐富的基礎數(shù)據(jù)。本文主要研究因使用機械設備而消耗能源（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成：能源的生產(chǎn)、能源的運輸和能源的消耗[11]。能源是機械設備的動力來源，也是材料生產(chǎn)時的必要條件，其碳排放水平對所有的材料生產(chǎn)和施工建造活動均具有極其重要的影響。針對施工階段使用的機械設備，本文重點考察了煤炭、汽油、柴油和電力四種最主要的能源的碳排放情況，并對其碳排放水平進行了對比分析。

根據(jù)碳足跡的概念，各能源的碳排放均有生產(chǎn)、運輸和燃燒而產(chǎn)生碳排放。本文中能源生產(chǎn)的基礎數(shù)據(jù)，考慮到地域差異的影響，主要引自四川大學研發(fā)的中國生命周期基礎數(shù)據(jù)庫（CLCD）。化石能源燃燒產(chǎn)生的直接排放數(shù)據(jù)地域差異很小，因此采用 IPCC 報告公布的缺省值。而在能源的生產(chǎn)和運輸階段，CLCD數(shù)據(jù)庫中有相應的排放數(shù)據(jù)，因而引用CLCD的生產(chǎn)和運輸階段碳排放數(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年綜合能耗計算通則》中獲得，對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值進行計算）進行綜合考慮后，獲得各種燃料的碳排放因子[13]。能源碳排放因子由生產(chǎn)、運輸、燃燒三階段排放綜合獲得，通過匯總計算得到原煤、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，結合《全國統(tǒng)一施工機械臺班費用定額(2013)》[14]，從而確定各機器設備的單位碳排放。各機械設備臺班費用組成記為S，單位臺班的能源消耗量記為Mi，Ci為機械設備的碳排放因子，則機械設備碳排放因子記為：

通過計算，獲得各型號各類別機械設備的碳排放因子，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 機械設備的碳排放因子匯總表

4 碳排放計算

我們通過調研，在收集的大量案例中選取了5個住宅建筑物作為研究對象，計算其施工階段的碳排放，案例為框架剪力墻結構的結算文件。

根據(jù)前述碳排放計算方法，通過自制的機械設備碳排放清單，結合清單計價軟件計算各項工程的碳排放。對一個項目施工階段進行碳排放計算，結合各案例結算文件內的工程量清單，獲取施工各階段機械設備使用臺班數(shù)量，將對應的碳排放因子套入計價軟件，替換市場單價，匯總計算得到各單位工程的碳排放總量。針對框架剪力墻結構，按照分項工程匯總計算，結果見表4。

表4 案例工程碳排放總量及分項工程碳排放分布表

從分項工程碳排放的比例分析看，垂直運輸工程因使用機械設備排放的碳量占62%，混凝土結構工程占21%，鋼筋工程占12%，三者的碳總量達95%，裝飾工程為3%，腳手架及其他工程為2%。其中泵類機械、運輸機械及起重機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%，可見使用電力機械而產(chǎn)生的碳排放占主要部分。

5 結論

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

PAS 2050核算體系在選用時進行了充分論證，在國內具有很好的適用性，計算獲得的機械設備碳排放因子同樣適用于其余的建筑類型，可作為相關人員進行碳排放計算的工作參考。然而，該領域的研究應深入不同結構類型的建筑進行碳排放計算與統(tǒng)計分析，確定碳排放指標（如單位造價碳排放、單位面積碳排放等），通過統(tǒng)計分析軟件對其碳排放規(guī)律進行回歸分析，以進一步指導相關企業(yè)進行碳減排對策的實施。

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* 基金項目：福建省科技廳軟科學項目（2014R0015）。