建筑工程碳排放估算化研究

李 静

(重庆交通大学管理学院，重庆 400074)

温室气体(GHG)的排放引起全球气候变暖已成为国际社会普遍关注的焦点问题。在中国的工业化和城镇化进程中，担负着国家基础建设的建筑业，在将大量投资转变为建筑产品的生产活动中，既消耗了大量资源和能源，也产生了大量的废弃物，给环境带来巨大影响。当前，中国工程建设所使用的资源和材料，约占全国资源利用量的40%～50%，所消耗的能源约占全社会总能耗的30%;伴随建设活动所排出的废弃物约占城市废弃物的40%左右［1］。建筑材料、机械设备的使用和土地用途变更过程中对能源和资源的消耗及固体废弃物的处理带来巨大的温室气体排放量。如何减少建筑材料、机械设备的使用和土地用途变更过程中的CO2排放量是低碳社会对工程管理的时代要求，而实现从建筑单一产品碳排放计量到建筑工程项目碳排放的计量的转换也奠定了碳减排机制的基础。

一、文献回顾

在CO2排放计量方面，国内外的一些学者对其进行了初步的研究，如Darrell Cass提出用混合生命周期方法来量化关联不同的路面设计的CO2排放量［2］。张涛提出了一种建筑材料全寿命周期CO2排放的计算方法［3］，罗智星在建筑材料消耗能源的基础上，研究了建筑材料生产阶段CO2排放计算方法［4］，汪静在中国城市住区生命周期CO2排放量方面做出了具体计算与分析［5］。但是，目前这些研究只是单一对某一排放源从全寿命周期的角度做出计算，没有全面地去计算各排放源的排放量。

目前，很多是从某一方面进行定性或定量研究，对土地用途变更引起CO2排放的研究较少。因此，拟通过对前人研究方法的总结，从建筑工程定额和排放源出发，综合比较在建筑材料、机械设备和土地用途变更三方面的计算方法，从中确定出比较适合的方法来计算各自的CO2排放量。

二、建筑过程中的碳源分析

建设工程定额是由大量建筑材料、机电产品通过人工和机械的消耗形成的。由于人的碳排放是不计算的，所以建设工程中的碳排放源为建筑材料、机电产品和机械设备。但是，土地用途的变更、利用形式的变化也会产生碳排放，因此建设工程中的碳源可以归结为建筑材料、机电产品、施工机械设备使用和土地用途变更这4个方面。建筑材料包括建材及其构配件在生产、制造、加工、搬运过程中产生的排放，以及废弃建筑垃圾进行焚毁、掩埋等处置时产生的排放;施工机械设备使用包括建材及物资的交通运输、现场安装，以及辅助材料生产时产生的排放;机电产品包括供暖、通风、空调、照明等建筑设备，以及修缮时产生的排放;土地利用形式的变更包括施工场地土地利用形式变化和绿化的碳汇吸收。

三、碳排放的计量方法

(一)建筑材料CO2计量方法的确定

目前常用的CO2排放量计算方法为实测法、质量平衡法和碳排放系数法。实测法对实验条件及数据收集处理与分析方法要求高，受样品影响大;质量平衡法在化学成分复杂时，活动数据难以分类检测，且分类成本过高。因此，选择碳排放系数法计算建筑材料CO2排放量。建筑材料碳排放主要是在建筑材料生产阶段产生(建筑材料运输阶碳排放归于机械设备中来计算)，为此借鉴张涛的建筑材料CO2计算模型，提出以下模型［3］:

式中，QM为建筑材料的使用数量;CM为建筑材料生产阶段CO2排放因子;ψ为建筑材料因工艺损耗等原因造成废弃的废弃系数。s为建筑材料的回收利用系数，目前可回收利用的建筑材料主要有钢材和铝材。

尚春静在建筑生命周期碳排放核算文章中提出了一种计算方法［6］，该方法将碳排放分为材料生产、使用和拆除处置各阶段的各类温室气体排放量与其全球气候变暖影响潜能特征当量因子相乘所得到的总和。其公式为:

式中，GWI为建筑物生命周期碳排放指数(kgCO2);Wij为建筑物生命周期内第j阶段(j=1，2，3分别为生产、使用和拆除处置阶段)所产生的第i种温室气体的质量(kg);GWPi为第i种温室气体的全球变暖影响潜能值(kgCO2/kg温室气体);i为温室气体的种类代号。

式(1)仅是用来计算建筑材料CO2的排放量，而公式⑵中的温室气体不仅仅包括CO2，还有甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物等。因此，公式⑴和⑵所运用的范围不一样，根据具体的案例来做出选择。

(二)机械设备CO2计量方法的确定

建设工程定额具体由土石方工程、挡墙护坡、基础工程、脚手架工程、砌筑工程、混凝土工程和钢筋混凝土工程、金属工程、门窗和木结构、楼地面工程、屋面工程、防腐隔热保温工程和装饰工程组成。机械设备的碳排放是由于消耗动力燃料或电力而引起的。工程使用动力燃料的设备可按照柴油和汽油分类，定额每个子项中所用到的具体机械设备及其使用到的燃料类型见表1，为能够准确评估机械设备产生的二氧化碳EPA提出一个模型［7］:

式中:Af为调整系数，一般取为0.85;Lf为设备效率，取为0.59，CO2来自于EPA2004;h为工作时间，一般取为8 h;EF为排放系数。

Chijoo Lee在关于玻璃类型的高层建筑中用生命周期成本分析如何增加能源效率和减少CO2排放一文中提出了计算方法［8］，文中提出的排放量是用石油当量(Toe)来计算，Toe是一个能源单位，1Toe=1 kcal，它相当于燃烧一吨原油所释放的能量。

其中，e为排放系数，TC/TOE;P为功率 ;t为时间;44/12∶CO2的相对分子质量/C的相对原子质量。

(注:由 IPCC 可知为0.000 215，为0.564)

式(4)的方法是通过间接转换成TOE来确定排放量，而式(3)的方法是直接对其进行计算，为方便计算案例中采用式(3)的方法。

(三)土地用途变更产生CO2的计量方法

对于国家尺度土壤碳储量的研究，王绍强等运用中国第一次土壤普查资料结合1∶400万中国土壤分布图，估算得到中国土壤碳库存为100 Pg，南京土壤研究所史学正课题组基于1∶100万提出中国土壤总有机碳库存89.1Pg的估计值。目前来看，中国土壤学家倾向于接受全国大陆土壤(100 cm 深度)有机碳库存为 90Pg［9］。

单位建筑面积CO2固定量的增加值:由《中国绿色低碳住区减碳技术评估框架体系》可知单位建筑面积折算绿化系统的CO2固定量与基准相比的增加值计算如下［10］:

其中，GCA为折算到单位建筑面积的绿化系统年CO2固定量(kg/m2);GC为单位绿地面积的绿化系统40年CO2固定量(kg/m2);Rg为住区绿地率;As为住区总用地面积(m2);A为住区总建筑面积(m2)。

Byungil Kim在评估韩国公路建设导致土地使用的改变而产生的温室气体排放量文章中提出了一种计算土地使用方式改变而导致碳排放量变化的方法［11］，其公式为:

其中:ΔC为土地使用转变带来的含碳量的改变;Aafter为植被面积;Abefore为建筑面积;Cafter为植被中所储存的碳量;Cbefore为建造建筑物之前的碳储存。

注:Cbefore=V×Wd×Bef×R×Ccf，其中V指单位体积的碳储存量，W指木头的密度，B指地上生物量中可转换为碳的转化因子，R指根管比，C指碳转换率。

式(5)计算的是绿化系统CO2固定量，而公式⑹计算的是土地含碳量的改变，可根据具体案例选择计算方法。

四、案例分析

本文选取天津市某一住宅小区，建筑面积为362 700 m2，低层钢筋混凝土结构，占地面积为151 714 m2，绿地面积为53 100 m2，绿化率为35%，该小区主要种植杨树、榆树、松柏等(乔灌木混合种植)。本文只考虑废弃物在拆除和转运过程中需要消耗的能源，假定运输距离为30 km。

(一)数据来源

本文按照天津市建筑工程定额总结出每一个分项工程所使用的主要建材和主要机械设备，见表1。

表1 各分项工程的主要建材和机械设备及使用的动力燃料

由表1中的主要建筑材料可总结出5种主要的建材，分别为水泥、钢材、木材、玻璃、铝材。材料的用量来源于工程量清单和施工方案，材料用量和碳排放清单见表2和表3，其中生产阶段碳排放因子数据来源于IPCC和《全球气候变化和温室气体清单编制方法》及绿色奥运建筑研究课题组《绿色奥运建筑评估体系》。根据工程结算资料得知，水泥用量为218.9 kg/m2，钢材用量为96.6 kg/m2，木材用量为0.001 6 m3/m2，玻璃用量为 0.36kg/m2，铝材用量为0.26 kg/m2，此用量已考虑工艺损耗和运输损耗，因此ψ取0。

表2 5种材料的总用量

表3 5种材料生产阶段排放因子

机械设备有使用燃料的，有使用电力的，在施工阶段和废物处置阶段其能源的消耗量是不同的。各种设备的能源消耗量及其排放系数采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出的标准，两阶段的具体消耗量见表4，能耗排放系数见表5，动力能耗及时间见表6，其中动力能耗及时间来自于工程结算资料。

表4 设备消耗量

表5 各种能耗的排放系数

表6 动力能耗及工作时间

由《中国绿色低碳住区减碳技术评估框架体系》可知不同栽植方式单位面积40年CO2固定量是不同的，其固定量见表7。

表7 不同栽植方式单位面积40年CO2固定量

(二)碳排放计量

由以上数据可以计算出该建筑物的主要建筑材料、机械设备和由于土地用途变更产生的碳排放:

建筑材料单位面积排放量:M=218.9 kg/m2×800 kg/t+96.6 kg/m2×2 000 kg/t × (1 －0.2)+0.001 6 m3/m2× 200 kg/t+0.36 kg/m2×1 400kg/t+0.26kg/m2×1 600 kg/t ×(1 －0.2)=330.52 kg/m2

建筑材料总排放量:362 700×330.52=119 879 604 kg

机械设备:M=0.85 ×160×0.59 ×3.064×426.55+0.85 ×160 ×0.59 ×3.179 ×401.38+0.85 ×1 080 ×0.59×0.96 ×15 674=8 376 746 kg

土地用途变更:GCA=(1 100－600)×151 714×0.35/(40 ×362 700)=1.83kg/(m2·a)

总建筑面积的年 CO2固定量:1.83×362 700=663 741 kg/a

总面积原有的碳库存(100 cm深度):204 814 m2×90Pg

建筑后减少的碳库存(100 cm深度):151 714 m2×90Pg

(三)分析与讨论

由以上数据可知，碳排放主要来自于建筑材料，主要建材在生产过程中由于消耗能源会产生碳排放，其工艺过程由于原料生化反应也会产生碳排放，如水泥生产除了能源消耗产生碳排放外，其碳酸盐矿物原料分解也产生大量CO2。减少碳排放的途径有:一是减少生产工艺过程中碳排放较多的建材的使用;二是清洁生产，减少建造过程中材料的损耗。

其次，产生的碳排放来自于机械设备，而其原因主要是由于燃烧了大量的燃料或者使用了电力，减排途径主要是提高机械设备的使用效率，减少能源损耗，用可再生能源代替化石燃料，以及减少设备的空运转时间和通电时间。

关于土地用途变更方面，可以通过加大住宅区的绿化面积来提高绿化系统对CO2的固定量来减少碳排放。当然还有其他减排措施，例如可以在设计时考虑相应的节能措施，如围护结构采用保温、遮阳、自然通风技术等，在使用时提高居民的节能意识以便在建筑运行阶段通过减少能源损耗而减少碳排放。

五、结束语

文章从建筑工程定额出发分析了工程建设项目碳排放的来源，并对建筑材料、机械设备、土地用途变更这3个来源进行了分析并确定了计算方法。分析结果表明，建筑材料是碳排放最大的来源，因此建筑项目中选择排放量较少的材料是大势所趋。而减少机械设备的排放量需要合理分配设备的使用，提高使用效率，减少空运转时间。在土地方面，应该加大绿化面积，采取相应的节能措施来减少碳排放。由于篇幅有限，所列出的计算方法也有限，大家可以丰富计算方法并选择最优的来计算二氧化碳排放量，并且文中只涉及到了CO2，而温室气体还包括甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物等，因此丰富其他温室气体的计量方法也可作为未来的一个研究方向。

［1］ 尚春静，储成龙，张智慧.不同结构建筑生命周期的碳排放比较［J］.建筑科学，2011(12):66－71.

［2］ Darrell Cass，Amlan Mukherjee.Calculation of Greenhouse Gas Emissions for Highway Construction Operations by Using a Hybrid Life-Cycle Assessment Approach:Case Study for Pavement Operations［J］.Journal Of Construction Engineering And Management，2011(11):1215－1225.

［3］ 张涛.建筑材料全寿命周期CO2排放量计算方法［J］.工程管理学报，2012(2):23－26.

［4］ 罗智星.建筑材料CO2排放计算方法及其减排策略研究［J］.建筑科学，2011，27(4):1 －7.

［5］ 汪静.中国城市住区生命周期CO2排放量计算与分析［D］.北京:清华大学，2009.

［6］ 尚春静，张智慧.建筑生命周期碳排放核算［J］.工程管理学报，2010，24(1):7 －12.

［7］ Hakob G.Avetisyan，Elise Miller-Hooks，Suvish Melanta.Decision Models to Support Greenhouse Gas Emissions Reduction from Transportation Construction Projects.Journal Of Construction Engineering And Management［J］.2012(5):631－641.

［8］ Chijoo Lee，Taehoon Hong，Ghang Lee.Life-Cycle Cost A-nalysis on Glass Type of High-RiseBuildings for Increasing Energy Efficiency and Reducing CO2Emissions in Korea［J］.Journal Of Construction Engineering And Management，2012(7):897 －904.

［9］ 赖力.中国土地利用的碳排放效应研究［D］.南京:南京大学，2010.

［10］中国绿色低碳住区减碳技术评估框架体系［EB/OL］.［2013 －11 －23］.http://www.chinahouse.info.

［11］ Byungil Kim，Hyounkyu Lee.Hyungbae Park Estimation of Greenhouse Gas Emissions from Land-Use Changes Due to Road Construction in the Republic of Korea［J］.Journal of Construction Engineering And Management，2012(7):1－33.

(责任编辑 周江川)