工程施工阶段机械设备耗能碳排放计算*

.福建农林大学交通与土木工程学院 .福建省交通综合行政执法总队 .福建建融工程咨询有限公司吴淑艺赖芨宇魏秀萍孙晓丹余 蕾



工程施工阶段机械设备耗能碳排放计算*

1.福建农林大学交通与土木工程学院 2.福建省交通综合行政执法总队 3.福建建融工程咨询有限公司
吴淑艺1赖芨宇1魏秀萍2孙晓丹3余 蕾3

[摘要]工程中使用的机械设备是施工阶段碳排放的主要来源，研究该阶段的碳排放有助于建筑企业实施可行、有效的减排对策。该文基于PAS2050规范，确定住宅工程施工阶段的碳排放源、排放边界、计算模型，并以中国生命周期参考数据库确定机电设备的碳排放因子，通过现有住宅工程的清单量实现碳总量的便捷计算与分析。该数据库确定的机电设备单位台班碳排放因子能为建筑企业选用机电设备规格与型号提供参考，简便的计算方法为其碳排放预算、结算、审计等提供数据支持。

[关键词]PAS2050规范 工程量清单 住宅工程 机电耗能 碳排放

伴随国内建筑行业的发展，尤其是住宅建筑供给量和需求量的不断增长，耗用了大量资源和能源。“十一五”期间，住宅建筑面积平均每年以接近12%的速度增长，材料、能源的使用也呈现了较大幅度的增长趋势。研究住宅工程的碳减排对当前生态文明建设决策具有重要的指导意义。

目前针对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，运用国际组织或国外机构现有的基础数据计算碳排放总量[1]。该研究成果只能表征建筑项目总体碳排放情况，而建筑全生命周期各个阶段的碳排放存在差异，尤其是施工阶段，由于使用大量的机械设备，消耗柴油、汽油、电等能源，其排放具有短时量大的特点[2]。建筑行业的碳排放因子主要为建材碳排放因子与能源碳排放因子（煤、石油、天然气、电力等）。目前已有国际组织公布了能源碳排放因子，而四川大学建立的“中国生命周期基础数据库”（Chinese Life Cycle Database，CLCD）是国内仅有的较系统、全面的数据库[3]。由于国内的碳排放因子资料库相对缺乏，该数据库的基础参数部分来源于国标组织IPCC提供的清单数据。施工阶段碳排放研究成果将助于指导施工企业制定切实可行的减排对策，具有一定的理论意义和应用价值。

1 碳排放核算体系比较与选择

对建筑产品机械设备耗能的碳排放计算，应依据国际上通用的核算标准并考虑国内能源使用的特殊性。目前，国际上依据不一样的核算主体，碳排放的核算标准分为企业/组织、产品/服务碳排放，较为主流的主要有四种，详见表1。

表1 碳排放核算体系对比

通过对碳排放标准进行分析，结合住宅工程项目的施工特点，主要从以下三方面证实并选择PAS 2050规范作为施工阶段碳排放计算标准：

（1）建筑产品属于一类特殊的产品，三种核算碳排放的标准中仅PAS 2050规范的应用范围是产品或服务，其余核算标准主要针对企业与组织。

（2）以生命周期评价为方法论的PAS 2050规范，需要追溯至原材料开采、制造，及最终废弃处理阶段，而不仅仅只是产品的某个阶段[7]，其所得到的温室气体排放同样适用于产品在生命周期内的部分阶段，本文所计算的施工阶段碳排放仅为建筑产品全生命周期的部分阶段。

（3）建筑产品从无到有经历的建设过程，与产品的活动过程有一定关联，可参照PAS 2050规范对住宅工程施工阶段的碳排放边界与碳排放源进行进一步的确定。

2 基于PAS 2050规范的核算流程

本文的计算流程与PAS 2050规范的计算流程大致相同，包含目标设定、碳排放边界确定、碳排放源分类以及碳排放计算四个方面。目标设定即为本文的研究目标；碳排放边界的确定参照PAS 2050规范, 对过程图进行绘制，并确定系统边界；碳排放源分类上，结合计算对象的系统构成、建设过程以及国际标准中三大排放的碳源分类进行划分；碳排放计算则需确定适宜的碳排放计算方法，构建计算模型，在收集数据并确定各参数的基础之上进行计算。

2.1 目标设定

这一环节旨在通过碳排放计算，得到建筑产品的量化指标，以定量数据及结果分析，对施工阶段机械设备的选用与碳减排措施的提出提供数据支持。

2.2 碳排放边界确定

根据建筑产品全生命周期的定义，可将全过程划分建筑材料生产、建筑材料运输、施工、运营、拆除处置阶段。本文主要研究施工阶段的机械设备碳排放，施工阶段指建筑产品的建造过程，即把设计图纸上的各类线条在指定的位置变成实物的过程。对于建筑工程而言，范围和排放路径都已比较明确，按照分部分项及项目工程量计算方法的划分，将建筑工程分为桩基、土石方、一般土建及装饰工程，每个工程再次细分，分为桩基工程、混凝土工程、钢筋工程、垂直运输工程、门窗安装、外墙装饰等，如图1所示。

图1 基于PAS2050规范的碳排放边界

2.3 碳排放源分类

建筑产品按照分项工程划分为土石方工程、桩基工程、主体工程及装饰工程等。分项工程又按照消耗资源类别划分为柴油、汽油、煤、电等。土石方工程使用的机械碳排放主要源于柴油的消耗。桩基工程是基础工程（分部工程）的子分部工程，使用的机械设备碳排放主要源于汽油的消耗。一般土建工程，则主要包含主体工程的钢筋、混凝土、模板、砌筑工程施工等，是建筑工程的核心，使用的机械设备种类多，涉及电力、柴油、汽油能源的使用，消耗量大，碳排放总量大。装饰工程则主要包含楼地面、内外墙、天棚等装饰，机械设备消耗台班较小，碳排放较少。但该阶段综合使用了水平、垂直运输机械、混凝土机械、泵类机械、加工机械等，种类较多，碳排放源较多。

2.4 碳排放计算

基于PAS2050规范的碳排放边界，结合现阶段研究领域通用的计算公式，确定以下三阶段模型[8-9]：

其中，GWI为建筑产品生命周期碳排放指数（Wij为建筑物生命周期内第 j 阶段（j=1，2，3，分别为土石方桩基工程、一般土建工程和装饰工程阶段）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））。

根据碳排放能源消耗分类：

Cd柴油碳排放因子，单位：kgCO2/kg；Co汽油碳排放因子，单位：kgCO2/kg；

Ce电力碳排放因子，单位：kgCO2/kwh；M1、M2、M3分别为相应的能源消耗量。

由于机械设备的碳排放源于柴油、汽油、电力消耗，因此通过单位台班的能源消耗量及能源碳排放因子，可确定各种机械设备的台班碳排放因子。

其中Ci为机械设备的碳排放因子，Mi为相应的机械台班消耗量。

3 参数确定

3.1 活动数据的确定

活动数据即为机械设备的台班消耗量，是指在节约和合理使用前提下，建设单位为了完成施工过程，因为使用了机械设备而耗费的各能源数量，包括净用量和损耗量。

由于现场能耗统计具有一定的困难，很少有施工队在施工阶段会统计各项能源消耗记录，所能收集到的数据有限。目前工程预算、结算、决算通常采用造价管理软件，软件中已包含材料消耗定额和施工机械台班消耗定额中的损耗系数，因此，从软件中得到的是含损耗的材料用量，本文根据这些数据来推算建造施工阶段的能耗，通过常用的计价软件计算实现。

3.2 碳排放因子的确定

根据IPCC清单指南，碳排放因子是指各单位能源的排放水平[10]。对于碳排放因子，国外一些组织、机构进行了很多研究，累积了丰富的基础数据。本文主要研究因使用机械设备而消耗能源（柴油、汽油、电等）产生的碳排放。能源碳排放因子主要由三部分构成：能源的生产、能源的运输和能源的消耗[11]。能源是机械设备的动力来源，也是材料生产时的必要条件，其碳排放水平对所有的材料生产和施工建造活动均具有极其重要的影响。针对施工阶段使用的机械设备，本文重点考察了煤炭、汽油、柴油和电力四种最主要的能源的碳排放情况，并对其碳排放水平进行了对比分析。

根据碳足迹的概念，各能源的碳排放均有生产、运输和燃烧而产生碳排放。本文中能源生产的基础数据，考虑到地域差异的影响，主要引自四川大学研发的中国生命周期基础数据库（CLCD）。化石能源燃烧产生的直接排放数据地域差异很小，因此采用 IPCC 报告公布的缺省值。而在能源的生产和运输阶段，CLCD数据库中有相应的排放数据，因而引用CLCD的生产和运输阶段碳排放数据。

国际上所使用的各燃料源的CO2、N2O、CH4的碳排放因子可以从2006年IPCC国家温室气体的清单指南[12]中得到，燃料的低位发热值可以从《2008年综合能耗计算通则》中获得，对上述温室气体的全球变暖潜势值（本文选取跨度为100年的GWP值进行计算）进行综合考虑后，获得各种燃料的碳排放因子[13]。能源碳排放因子由生产、运输、燃烧三阶段排放综合获得，通过汇总计算得到原煤、原油、汽油、柴油、燃料油、炼厂干气、电力等碳排放因子：

表2 能源碳排放因子汇总表

根据前述确定的能源碳排放因子，结合《全国统一施工机械台班费用定额(2013)》[14]，从而确定各机器设备的单位碳排放。各机械设备台班费用组成记为S，单位台班的能源消耗量记为Mi，Ci为机械设备的碳排放因子，则机械设备碳排放因子记为：

通过计算，获得各型号各类别机械设备的碳排放因子，由于文章篇幅所限，仅列出常用的且排放因子较大的几种，如表3所示。

表3 机械设备的碳排放因子汇总表

4 碳排放计算

我们通过调研，在收集的大量案例中选取了5个住宅建筑物作为研究对象，计算其施工阶段的碳排放，案例为框架剪力墙结构的结算文件。

根据前述碳排放计算方法，通过自制的机械设备碳排放清单，结合清单计价软件计算各项工程的碳排放。对一个项目施工阶段进行碳排放计算，结合各案例结算文件内的工程量清单，获取施工各阶段机械设备使用台班数量，将对应的碳排放因子套入计价软件，替换市场单价，汇总计算得到各单位工程的碳排放总量。针对框架剪力墙结构，按照分项工程汇总计算，结果见表4。

表4 案例工程碳排放总量及分项工程碳排放分布表

从分项工程碳排放的比例分析看，垂直运输工程因使用机械设备排放的碳量占62%，混凝土结构工程占21%，钢筋工程占12%，三者的碳总量达95%，装饰工程为3%，脚手架及其他工程为2%。其中泵类机械、运输机械及起重机械为施工阶段碳排放的主要来源；从碳排放的能源类别看，电力机械产生的碳排放占93.82%，柴油为5.17%，而汽油为1.01%，可见使用电力机械而产生的碳排放占主要部分。

5 结论

本文提出了基于PAS2050规范计算碳排放的方法，以我国能源资源使用为前提，计算并获得施工阶段机械设备的碳排放因子。按《全国统一施工机械台班费用定额(2013)》，通过研究对比，同类机械设备其规格型号越高，所耗费的动力燃料在进程中使用的越多，则单位碳排放越大。在符合使用要求条件的机械设备中选择时，施工单位宜优先选取机型和规格较小的设备，从而在保证工作效率的同时适当降低施工阶段的碳排放[13]。通过选取案例计算，获取住宅建设项目施工过程的碳排放总量，为提出相应的减排措施提供参考。

PAS 2050核算体系在选用时进行了充分论证，在国内具有很好的适用性，计算获得的机械设备碳排放因子同样适用于其余的建筑类型，可作为相关人员进行碳排放计算的工作参考。然而，该领域的研究应深入不同结构类型的建筑进行碳排放计算与统计分析，确定碳排放指标（如单位造价碳排放、单位面积碳排放等），通过统计分析软件对其碳排放规律进行回归分析，以进一步指导相关企业进行碳减排对策的实施。

参考文献：

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[2] 杜书廷，张献梅.不同结构住宅建筑物化阶段碳排放对比分析[J].建筑经济，2013（8）：105-108.

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[11] 晏永刚，任宏，况明玥.区域碳排放变化的驱动因素、分解模型与实证研究[J].重庆大学学报（社会科学版），2011, 17(4):19-24.

[12] IPCC. Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis, Direct Global Warming Potentials[EB/OL]. http://www.ipcc.ch/publications _and_data/ar4/wg1/en/ch2s2-10-2.html#table-2-14.

[13] 魏秀萍，赖芨宇，李晓娟. 施工阶段住宅工程机电耗能的碳排放计算[J].北华大学学报（自然科学版），2013，14（4）：473-477.

[14] 天津市城乡建设管理委员会.全国统一施工机械台班费用定额(2013)[M].天津:中国建筑工业出版社, 2012.

* 基金项目：福建省科技厅软科学项目（2014R0015）。