建筑工程施工机械碳排放研究*

吴文伶，刘 星，冯建华，石敬斌，耿冬青，周 辉

(1. 中建工程产业技术研究院有限公司，北京 101320；2. 中国建筑土木建设有限公司，北京 100073)

0 引言

在过去的一个世纪里，人类活动，特别是化石燃料燃烧产生的二氧化碳(CO2)以惊人的速度导致地球变暖[1]。气候变化导致人类生存环境严重恶化，被认为是未来人类面临的最重大挑战之一[2]。为了缓解气候变化的影响，世界上许多国家都在努力减少CO2的排放。2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[3]。”

许多研究得出结论，建筑业是CO2排放的主要贡献者[4-6]。例如，在美国，建筑在整个生命周期内排放的CO2占全国的43%[7]，而在中国，这一比例超过了50%[8]。因此，减少建筑中的CO2排放已被广泛认为是消除气候变化负面影响的最重要和最有效的途径之一[9-10]。虽然已经提出许多政策来促进绿色建筑或建筑节能的发展，但仍主要集中在建筑运行阶段的运行能耗和相应的CO2排放，如空调、照明、供暖等的能耗[11-12]。然而，不应忽视施工过程中排放的CO2，一些研究人员发现，与施工活动相关的环境影响被低估了[13-14]。对于运营阶段的研究，通常引用50年的长期期限，而对于建筑物的建造，一般来说，这一期限约为2年。以年为比较基准，建筑施工的CO2排放量相对于运营阶段会显著增加。

由于建筑工程的施工过程由成百或数千个单元工艺组成，收集所有必要的现场特定数据将耗费大量时间和成本，因此，许多研究者从宏观角度研究了建筑施工过程中的CO2排放，该研究基于国家统计数据，不依赖现场数据调查[15-16]。然而，这种宏观范围方法通常无法得到CO2排放的详细来源。因此，本文建立了一种基于施工定额的CO2排放计算方法，用以分析不同施工机械、不同分部分项工程的碳排放量。

1 模型与方法

1.1 施工机械碳排放因子计算

施工机械操作是现场作业最主要的碳排放源，本文研究了大型工程机械的CO2排放，计算公式如下：

(1)

式中：CEi是i机械1个台班的CO2排放量(即施工机械的碳排放因子，kgCO2e/台班)；Mj是i机械1个台班的j型能源消耗量；EFj是j型能源的排放系数。通常使用的能源有3种，分别是柴油、汽油和电力。根据国家发展和改革委员会气候变化司2005年颁布的《中国温室气体清单研究》数据计算，中国柴油和汽油的排放因子分别为3.145 1kgCO2e/kg和3.042 5kgCO2e/kg。电力排放系数为0.610 1kgCO2e/kWh，为2015年中国的平均水平。

1.2 基于定额的施工碳排放计算

一个工程使用的所有机械在施工过程的CO2排放总量按式(2)计算：

(2)

式中：CET为施工过程总的CO2排放量(kgCO2)；CEi为i机械的碳排放因子(kgCO2e/台班)；MCi为i机械的消耗量(台班)；m为施工过程中使用的机械数量。

MCi=UMCi×qi

(3)

式中:MCi为i机械消耗量(台班)；qi为工程消耗量；UMCi为i机械单位工程量的机械消耗量，以定额编号为5-100的定额为例，生产安装1t钢筋需要1台钢筋切割机、1台钢筋弯曲机分别工作0.095和0.137md(台班)。TY01—31—2015《房屋建筑与装饰工程消耗量定额》列出了各种施工活动的单位工程量机械消耗定额。

2 不同施工机械的碳排放因子

为了计算各种施工机械的CO2排放量，收集了工作表，并对每台机械的单位台班能耗类型和消耗量进行了调查。以单斗履带挖掘机为例，其能量类型为柴油，能耗63.00kg/md，故单斗履带挖掘机的CO2排放量为198.14kgCO2/md，由式(1)计算。以轨道式柴油打桩机为例，其能源类型为柴油和电力，柴油能耗56.9kg/md，用电能耗171.00kWh/md，由此计算轨道式柴油打桩机CO2排放量为283.28kgCO2/md。

本研究总结了30种常用的建筑机械及其相应的CO2排放量(见表1)。8种CO2排放较多的机械为履带式推土机、单斗履带式挖掘机、轮胎装载机、履带式柴油打桩机、静压打桩机、汽车钻机、混凝土泵车、自升式塔式起重机，CO2排放量均超过150kgCO2/md(见图1)。9种中等强度CO2排放机械分别为混凝土振动台、对焊机、履带起重机、汽车起重机、自卸汽车、洒水车、泥浆运输车、电动多级离心水泵、污泥泵，CO2排放量在50～150kgCO2/md(见图1)。其他13种机械的CO2排放量相对较低(<50kgCO2/md)。13种低CO2排放机械设备包括：电动打夯机、电动灌浆机、砂浆搅拌机、混凝土搅拌机、混凝土切割机、混凝土分切机、钢筋切割机、钢筋弯曲机、钢筋拉直机、木工圆锯机、直流弧焊机、电动单管慢速卷扬机、双笼施工电梯。可见，CO2排放量较低的施工机械，全部采用电能作为能源供给形式，由于风力发电和太阳能发电的应用，我国发电的碳排放逐渐减少，因此以电为能源的机械碳排放相对低于以柴油为能源的机械。

表1 不同施工机械的CO2排放状况

根据机械的功能不同，将30种常用的施工机械分为7类，包括土方机械、打桩机械、混凝土和砂浆机械、加工机械、焊接机械、起重运输机械、泵送机械(见表1、图1)。结果表明，土石方机械和打桩机械是CO2排放最高的机械。除电动打夯机和电动灌浆机外，这2组机械的CO2排放量都达到150kgCO2/md以上(见图1)。对于焊接机械、起重运输机械和泵送机械，12种机械中有10种具有中等CO2排放量，因此这3类机械为中等CO2排放量机械(见图1)。加工机械类中的所有机械CO2排放都较低(见图1)。对于混凝土和砂浆类机械，有些机械CO2排放量高，如混凝土泵车；有些机械CO2排放量中等，如混凝土振动台；而有些机械CO2排放量低，如砂浆搅拌机、混凝土分切机等(见图1)。

图1 各种施工机械的CO2排放状况(kgCO2·md-1)

3 案例分析

3.1 施工碳排放总量

本文研究了2个案例，案例1为内蒙古1栋5层商业建筑，建筑面积为1.1×105m2，案例2是江苏1座1.6×104m2的3层教学楼，案例的基本情况如表2所示。

表2 案例的基本情况及CO2排放量

根据第2.1节所述的建筑工程施工CO2排放量计算方法，计算了2个案例的CO2排放量，并在表2中列出。2个案例的施工CO2排放总量分别为1.27×106kgCO2和1.86×105kgCO2。2个案例的单位面积CO2排放量分别为11.5kgCO2e/m2和11.6kgCO2e/m2。结果表明，虽然建筑类型、建筑面积和位置不同，但单位面积CO2排放量很接近。此外，本研究中的CO2排放强度值与其他研究类似。对1栋4层教学楼的CO2排放进行了研究，发现该教学楼的建筑的CO2排放强度为3.53kgCO2e/m2[17]。

3.2 各分部分项工程碳排放量

施工过程分为土方工程、桩基工程、砌筑工程、混凝土工程、钢筋工程、模板工程、装饰工程、措施项目8个分部分项工程。各分部工程二氧化碳排放情况如图2所示。桩基工程和措施项目是CO2排放量最多的分部工程，可贡献CO2排放量的一半以上。其次为钢筋工程和混凝土工程，其CO2排放量分别超过10%。土方工程和装饰工程可分别贡献约5%的CO2排放量，砌筑工程和模板工程排放的CO2很少，不到1%。

图2 各分部分项工程CO2 排放

3.3 各施工机械碳排放量

施工过程中需要约30种机械。图3给出了2个案例CO2排放量最多的前10种施工机械及其相应的CO2排放比例。这10种机械的CO2排放可以占到排放总量的约90%(见图3)。案例1，CO2排放量最大的机械为塔式起重机。在案例2中，因为该建筑面积小和楼高较低，所以未使用塔式起重机，而采用汽车起重机和履带式起重机作为起重机械。案例2中，由于有更多的钢筋工程，电焊机排放的CO2最多(见图3)。事实上，案例1的建筑消耗了58.9kg/m2钢筋，而案例2作为教学楼安全性要求更高，因而消耗了更多的钢筋量(94.8kg/m2)。由此可见，建筑类型、建筑高度都影响施工机械的选择，进而影响施工碳排放量。

图3 各施工机械CO2 排放

对于案例1，CO2排放量位于第2名的机械为长螺杆钻机；对于案例2，CO2排放量位于第2名的机械为柴油打桩机。这两种机械都用于桩基础工程，但不属于同一桩型。预制桩采用柴油打桩机，灌注桩采用钻机。由此可见，不管是哪种桩型，采用哪种打桩机械，桩基工程都是碳排放量非常高的分部分项工程。

此外，汽车的CO2排放量也很高(案例1为11.89%，案例2为17.13%)，因为土方、脚手架、模板等的运输都需要载重汽车。混凝土泵车也有相当大的CO2排放量(见图3)，因为大多数项目的施工都有大量的混凝土需要泵送。

4 结语

本文建立了1种基于定额的建筑工程施工现场碳排放计算方法，并应用于2个工程案例，计算了2个案例施工过程的CO2排放量,主要结论如下。

1)本文调研计算了30种常用施工机械的碳排放因子，其中履带式推土机、单斗履带式挖掘机等8种机械碳排放较高，均大于150kgCO2/md；对焊机、履带起重机等9种机械碳排放因子中等，介于50～150kgCO2/md；电动打夯机、电动灌浆机等13种机械的二氧化碳排放量相对较低(<50kgCO2/md)。

2)以商业建筑和学校建筑为例，对建筑工程施工碳排放进行了计算，单位面积施工碳排放量分别为11.5kgCO2/m2和11.6kgCO2/m2。桩基工程和措施项目是主要的CO2排放源，其次是混凝土工程和钢筋工程，而模板和砌筑工程的CO2排放很少。

3)一些机械具有高CO2排放特性，并且在施工过程中经常使用，因此CO2排放很高，例如塔式起重机、电焊机、钻机、打桩机、载重汽车等。排在前10位的施工机械大约占CO2排放总量的90%。