基于物联网的温室气体排放计算与在线监测方法

张孝军 / 安徽省计量科学研究院

0 引言

目前，国际常用的碳排放核算标准有CDM（清洁发展机制）、GS（黄金标准）、VCS（自愿碳标准）等，不过这些标准都是基于项目层面的，不适用于组织层次的排放量计算。只有2006年3月发布的ISO 14064 - 1：2006《温室气体-第一部分：在组织层面温室气体排放和移除的量化和报告指南性规范》[1]是关于基于组织的温室气体排放量核算标准，但这个标准也未涉及核算的具体方法，未能覆盖中国国情的需要。在这样的背景下，研究基于组织的温室气体排放核算方法及在线监测系统意义重大：一是可以服务于我国政府提出的单位GDP碳排放量考查的要求；二是可以为组织特别是企业建立单位产值碳排放强度记录提供依据，使企业做到心中有数，能有的放矢地采取减排措施；三是可以作为碳交易的基础工具发挥作用。

通过科技查新，发现国内已有关于温室气体浓度在线监测系统的研究；有对油气田、煤炭等行业和关于单个城市的温室气体清单编制方法研究；有对火电等个别高耗能行业的温室气体排放量估算方法研究，但未见有基于组织的温室气体排放核算方法及在线监测平台建设的技术研究。

本文探讨利用物联网在线监测技术[2]核算温室气体排放量，研究建立温室气体排放在线监测平台需要解决的技术问题及实现的可能性。

1 关于温室气体排放核算的几个关键点

1.1 核算范围

温室效应气体（简称：GHG）主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）和六氟化硫（SF6）六类气体。温室气体（GHG）排放核算的目的在于编制GHG排放清单，编制清单首先要明确核算范围，范围的确定可以通过财务控制或运营控制的方法确定应包含在组织GHG排放核算范围内的业务，即依据ISO 14064-l：2006的相关原则确定组织边界，并在组织边界内确定主要的GHG源，同时明确其是直接排放源还是间接排放源。

直接排放源是组织实际拥有或控制的GHG源，包括能源的开采生产、加工转化及输配送过程、化石燃料燃烧过程、生物质燃料燃烧过程和工业产品使用以及废弃物处理过程中产生的GHG排放。

间接排放源是指因组织活动引起但被其他组织拥有或控制的GHG源，包括因组织所消耗的外购电力、热力（蒸汽）、新水的生产和配送造成的GHG排放；组织产生的但由其他组织管理的废弃物处理的排放；组织员工公务出差的排放；外包活动、契约制造的排放；以及来自所采购原物料和初级物料的生产造成的排放。

1.2 计算方法

1.2.1 对组织活动的温室气体排放量的计算

GHG排放量的获得方法有多种：可以通过直接测量获得，也可根据具体设施或工艺的物质平衡或化学当量计算得到，但最普遍的做法是采用活动水平数据和排放因子相乘的方法，即

式中：AE — 组织活动GHG排放量（以质量单位的二氧化碳当量表示，如tCO2e）；

AD — 组织活动水平数据；

EF — 活动排放因子；

GWP — GHG全球变暖潜值

由式（1）计算GHG排放，首先需要选择和收集GHG活动数据。一个组织（企业或机关）可以利用财务审核和物料平衡相结合的方法获得组织的活动水平数据，这种事后审计的方法现在使用较多，但存在审计深度不够时，获得的数据准确度和可信性较差的问题。建议使用温室气体排放在线监测系统获得组织的主要活动水平数据。

获得活动水平数据后，还要选择和确定合理的排放因子。一般排放因子的确定按可靠等级依次提高排序有三种方法可选：方法一：IPCC国家温室气体清单指南提供的默认值；方法二：国家或行业机构提供的特定值；方法三：组织在GHG排放现场的自测值。三种方法其可靠等级是依次提高的。对于多数组织而言，一般首先采用国家或IPCC公布的排放因子。必要时，也可采用多种数据来源相结合的方法确定排放因子。但如果有具体排放源或设施的排放因子则应优先使用。另外在可以获得足够的国家或行业数据时，则使用方法二。而煤的开采、石油、天然气的生产和运输、消耗外购热力、蒸汽等活动，由于涉及的过程复杂，应主要采用方法三确定排放因子。

1.2.2 对组织活动的温室气体清除量计算

组织可以采用特定的技术手段对组织活动排放进行收集和消除；如对排放的CH4进行回收并火炬燃烧，对排放的N2O回收销毁等都可以根据GHG的回收量和消除效率计算得到清除量。组织也可以通过植树造林，根据造林和再造林清洁发展机制（CDM）项目规则计算得到GHG清除量。

1.3 核算中需关注的主要技术指标

结合我国的政府和企业需求，在GHG排放清单编制中一般至少应有总排放量、排放强度、排放变幅三个指标。 其中排放强度是指在统计报告期内，组织的GHG排放量与增加值的比值。该指标用于考查单位增加值下温室气体的排放量，与我国的碳减排目标相适应。排放量变幅是组织在统计报告期内（通常为1 a）的排放量或排放强度与基准年相比变化的幅度，以质量单位的二氧化碳当量表示。变幅是反映组织排放状况的重要指标，也是政府监督、控制、考核组织排放情况的重要依据。

在计算一个组织的减排量之前，要首先建立GHG排放和增加值的历史基准年。由于我国设立的减排目标是以2005年为比较基准的，因此应首选2005年作为基准年。如果无法获得2005年的数据，则使用拥有可靠GHG排放数据的最早时间点作为基准年。

当一个组织在报告期内的排放强度相对于基准年减少时，计算所得的GHG排放强度变幅应为正值；相反，当组织在统计报告期内的排放强度相对于基准年增加时，变幅为负值。

2 利用物联网技术对温室气体排放进行在线监测的设计

2.1 搭建系统

利用物联网技术搭建GHG在线监测系统，可对企业或公共机构等组织排放数据实现实时在线监测。物联网是指通过信息传感设备如GPRS、射频设备（RFID）等，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[3]。通常情况下，物联网系统由感知层、网络层和应用层构成[4]。感知层主要包括各种信息传感技术，进行数据的识别和采集。网络层包括互联网、3G无线网络和物联网的信息中心等。当感知层的信息传到网络层时，由网络层进行转换与处理，并储存数据以等待应用。网络层是感知层和应用层的中间环节，起着承上启下的作用。应用层将网络层所储存的数据运用到实际应用中。

系统从底层逐级向上可分为三个层次，分别是：数据采集层、通信网络和GHG排放在线监测平台。GHG排放在线监测平台通过通信网络与数据采集终端交换数据、发起和应答指令。在组织现场有一套或多套计量数据采集设备，计量数据采集设备具有模拟或数字输出接口或通信接口，连接到独立的计量数据采集终端，GHG排放在线监测平台通过数据采集终端实现数据交换和收发指令。系统的数据结构如图1所示。

2.2 数据采集

在组织现场采集的计量数据主要是活动水平数据，活动水平数据采集使用的计量传感器种类较多，除电表外，其他的通信协议均无相关的国家标准。研究一套能支持多种不同协议的活动水平数据采集终端，该采集终端拟通过模拟量、485、串口、以太网等接口采集各种传感器的数据，对采集的各类参数进行存储和处理，并按安徽省地方标准DB34/T 1812-2013《能源计量数据采集与传输通讯协议技术规范》通过GPRS把数据上传至数据中心

图1 系统的总体框架

在组织现场采集的另一类计量数据用于确定排放因子值，按照前述，排放因子的确定有三种方法，第三种方法即是组织在GHG排放现场进行自测。如火电行业排放因子会因为不同技术水平、不同煤质来源和区域差异而不同，有研究者利用U23多组分红外气体分析仪及TH880F烟尘分析仪对全国39台具有代表性的火力发电机组排放的CO2和N2O量进行了在线监测[5]，其检测数据同样可以作为一个输入值通过GPRS把数据上传至数据中心用于排放因子的确定和GHG排放值的计算。

2.3 软件开发

结合核算范围、计算方法及需要输出的总排放量、排放强度、排放变幅等关键指标的条件和要求，开发基于组织的GHG排放量在线监测系统软件。系统只需将获得的组织各个工序、设备的活动水平数据、排放因子等有关参数输入，软件将自动完成计算，获得GHG排放量化结果并对组织排放情况进行各种分析。可选择时间段、行业种类、排放种类等条件显示总排放量、排放强度、排放变幅等指标监测结果，以折线图、直方图、饼形图和表格等形式进行显示，并分别作出总排放、排放对比、单位产品排放等结果分析。

2.4 试点运行

选取典型单位，进行数据采集及软件运行测试，检验系统的运行能力，并结合示范案例，建立合适的质量管理体系，保证GHG排放量监测结果的准确性；对活动水平数据、排放因子及GHG排放量化结果进行测量不确定度分析，并使不确定度置于合理的置信区间和误差范围内。为在安徽省重点耗能企业及公共机构中推广运行积累经验。

2.5 推广运用 形成数据库

在列入万家企业节能减排名单的企业及大型公共机构中推广实施本系统，切实为实现GHG减排和完善碳交易市场服务。

3 结语

本文结合ISO 14064-1：2006中GHG计算方法及物联网在线监测技术，建立GHG排放在线监测平台，快速准确客观地获取GHG排放数据。研究内容包括GHG排放在线监测平台的设计与实现、GHG源数据采集方法、GHG排放因子测算和数据质量分析；研究目标立足于解决当前GHG排放量核算难、核算不准的实际问题，对于应对气候变化和落实《“十二五”控制温室气体排放工作方案》具有重要的技术支撑作用。

[1]International Organization for Standardization. ISO 14064-1：2006[S]. Geneva： 2006.

[2]程银宝. 基于物联网的能耗数据采集系统的研究[J]. 黑龙江大学工程学报，2012（3）：92-97.

[3]陶冶，殷振华. 物联网在工业中的应用[J]. 科学之友，2010 (12)：1-2.

[4]朱铭杰. 基于物联网技术的监控应用[J]. 信息与电脑，2011 (6)：151-152.

[5]吴晓蔚. 火电行业温室气体排放因子测算与排放量估算及减排对策[D]. 南京信息工程大学，2010.