建筑工程碳排放估算化研究

李 靜

(重慶交通大學(xué)管理學(xué)院，重慶 400074)

溫室氣體(GHG)的排放引起全球氣候變暖已成為國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。在中國(guó)的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，擔(dān)負(fù)著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的建筑業(yè)，在將大量投資轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖa(chǎn)品的生產(chǎn)活動(dòng)中，既消耗了大量資源和能源，也產(chǎn)生了大量的廢棄物，給環(huán)境帶來(lái)巨大影響。當(dāng)前，中國(guó)工程建設(shè)所使用的資源和材料，約占全國(guó)資源利用量的40%～50%，所消耗的能源約占全社會(huì)總能耗的30%;伴隨建設(shè)活動(dòng)所排出的廢棄物約占城市廢棄物的40%左右［1］。建筑材料、機(jī)械設(shè)備的使用和土地用途變更過(guò)程中對(duì)能源和資源的消耗及固體廢棄物的處理帶來(lái)巨大的溫室氣體排放量。如何減少建筑材料、機(jī)械設(shè)備的使用和土地用途變更過(guò)程中的CO2排放量是低碳社會(huì)對(duì)工程管理的時(shí)代要求，而實(shí)現(xiàn)從建筑單一產(chǎn)品碳排放計(jì)量到建筑工程項(xiàng)目碳排放的計(jì)量的轉(zhuǎn)換也奠定了碳減排機(jī)制的基礎(chǔ)。

一、文獻(xiàn)回顧

在CO2排放計(jì)量方面，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了初步的研究，如Darrell Cass提出用混合生命周期方法來(lái)量化關(guān)聯(lián)不同的路面設(shè)計(jì)的CO2排放量［2］。張濤提出了一種建筑材料全壽命周期CO2排放的計(jì)算方法［3］，羅智星在建筑材料消耗能源的基礎(chǔ)上，研究了建筑材料生產(chǎn)階段CO2排放計(jì)算方法［4］，汪靜在中國(guó)城市住區(qū)生命周期CO2排放量方面做出了具體計(jì)算與分析［5］。但是，目前這些研究只是單一對(duì)某一排放源從全壽命周期的角度做出計(jì)算，沒(méi)有全面地去計(jì)算各排放源的排放量。

目前，很多是從某一方面進(jìn)行定性或定量研究，對(duì)土地用途變更引起CO2排放的研究較少。因此，擬通過(guò)對(duì)前人研究方法的總結(jié)，從建筑工程定額和排放源出發(fā)，綜合比較在建筑材料、機(jī)械設(shè)備和土地用途變更三方面的計(jì)算方法，從中確定出比較適合的方法來(lái)計(jì)算各自的CO2排放量。

二、建筑過(guò)程中的碳源分析

建設(shè)工程定額是由大量建筑材料、機(jī)電產(chǎn)品通過(guò)人工和機(jī)械的消耗形成的。由于人的碳排放是不計(jì)算的，所以建設(shè)工程中的碳排放源為建筑材料、機(jī)電產(chǎn)品和機(jī)械設(shè)備。但是，土地用途的變更、利用形式的變化也會(huì)產(chǎn)生碳排放，因此建設(shè)工程中的碳源可以歸結(jié)為建筑材料、機(jī)電產(chǎn)品、施工機(jī)械設(shè)備使用和土地用途變更這4個(gè)方面。建筑材料包括建材及其構(gòu)配件在生產(chǎn)、制造、加工、搬運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的排放，以及廢棄建筑垃圾進(jìn)行焚毀、掩埋等處置時(shí)產(chǎn)生的排放;施工機(jī)械設(shè)備使用包括建材及物資的交通運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝，以及輔助材料生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的排放;機(jī)電產(chǎn)品包括供暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明等建筑設(shè)備，以及修繕時(shí)產(chǎn)生的排放;土地利用形式的變更包括施工場(chǎng)地土地利用形式變化和綠化的碳匯吸收。

三、碳排放的計(jì)量方法

(一)建筑材料CO2計(jì)量方法的確定

目前常用的CO2排放量計(jì)算方法為實(shí)測(cè)法、質(zhì)量平衡法和碳排放系數(shù)法。實(shí)測(cè)法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)收集處理與分析方法要求高，受樣品影響大;質(zhì)量平衡法在化學(xué)成分復(fù)雜時(shí)，活動(dòng)數(shù)據(jù)難以分類檢測(cè)，且分類成本過(guò)高。因此，選擇碳排放系數(shù)法計(jì)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產(chǎn)階段產(chǎn)生(建筑材料運(yùn)輸階碳排放歸于機(jī)械設(shè)備中來(lái)計(jì)算)，為此借鑒張濤的建筑材料CO2計(jì)算模型，提出以下模型［3］:

式中，QM為建筑材料的使用數(shù)量;CM為建筑材料生產(chǎn)階段CO2排放因子;ψ為建筑材料因工藝損耗等原因造成廢棄的廢棄系數(shù)。s為建筑材料的回收利用系數(shù)，目前可回收利用的建筑材料主要有鋼材和鋁材。

尚春靜在建筑生命周期碳排放核算文章中提出了一種計(jì)算方法［6］，該方法將碳排放分為材料生產(chǎn)、使用和拆除處置各階段的各類溫室氣體排放量與其全球氣候變暖影響潛能特征當(dāng)量因子相乘所得到的總和。其公式為:

式中，GWI為建筑物生命周期碳排放指數(shù)(kgCO2);Wij為建筑物生命周期內(nèi)第j階段(j=1，2，3分別為生產(chǎn)、使用和拆除處置階段)所產(chǎn)生的第i種溫室氣體的質(zhì)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);i為溫室氣體的種類代號(hào)。

式(1)僅是用來(lái)計(jì)算建筑材料CO2的排放量，而公式⑵中的溫室氣體不僅僅包括CO2，還有甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物等。因此，公式⑴和⑵所運(yùn)用的范圍不一樣，根據(jù)具體的案例來(lái)做出選擇。

(二)機(jī)械設(shè)備CO2計(jì)量方法的確定

建設(shè)工程定額具體由土石方工程、擋墻護(hù)坡、基礎(chǔ)工程、腳手架工程、砌筑工程、混凝土工程和鋼筋混凝土工程、金屬工程、門窗和木結(jié)構(gòu)、樓地面工程、屋面工程、防腐隔熱保溫工程和裝飾工程組成。機(jī)械設(shè)備的碳排放是由于消耗動(dòng)力燃料或電力而引起的。工程使用動(dòng)力燃料的設(shè)備可按照柴油和汽油分類，定額每個(gè)子項(xiàng)中所用到的具體機(jī)械設(shè)備及其使用到的燃料類型見表1，為能夠準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的二氧化碳EPA提出一個(gè)模型［7］:

式中:Af為調(diào)整系數(shù)，一般取為0.85;Lf為設(shè)備效率，取為0.59，CO2來(lái)自于EPA2004;h為工作時(shí)間，一般取為8 h;EF為排放系數(shù)。

Chijoo Lee在關(guān)于玻璃類型的高層建筑中用生命周期成本分析如何增加能源效率和減少CO2排放一文中提出了計(jì)算方法［8］，文中提出的排放量是用石油當(dāng)量(Toe)來(lái)計(jì)算，Toe是一個(gè)能源單位，1Toe=1 kcal，它相當(dāng)于燃燒一噸原油所釋放的能量。

其中，e為排放系數(shù)，TC/TOE;P為功率 ;t為時(shí)間;44/12∶CO2的相對(duì)分子質(zhì)量/C的相對(duì)原子質(zhì)量。

(注:由 IPCC 可知為0.000 215，為0.564)

式(4)的方法是通過(guò)間接轉(zhuǎn)換成TOE來(lái)確定排放量，而式(3)的方法是直接對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，為方便計(jì)算案例中采用式(3)的方法。

(三)土地用途變更產(chǎn)生CO2的計(jì)量方法

對(duì)于國(guó)家尺度土壤碳儲(chǔ)量的研究，王紹強(qiáng)等運(yùn)用中國(guó)第一次土壤普查資料結(jié)合1∶400萬(wàn)中國(guó)土壤分布圖，估算得到中國(guó)土壤碳庫(kù)存為100 Pg，南京土壤研究所史學(xué)正課題組基于1∶100萬(wàn)提出中國(guó)土壤總有機(jī)碳庫(kù)存89.1Pg的估計(jì)值。目前來(lái)看，中國(guó)土壤學(xué)家傾向于接受全國(guó)大陸土壤(100 cm 深度)有機(jī)碳庫(kù)存為 90Pg［9］。

單位建筑面積CO2固定量的增加值:由《中國(guó)綠色低碳住區(qū)減碳技術(shù)評(píng)估框架體系》可知單位建筑面積折算綠化系統(tǒng)的CO2固定量與基準(zhǔn)相比的增加值計(jì)算如下［10］:

其中，GCA為折算到單位建筑面積的綠化系統(tǒng)年CO2固定量(kg/m2);GC為單位綠地面積的綠化系統(tǒng)40年CO2固定量(kg/m2);Rg為住區(qū)綠地率;As為住區(qū)總用地面積(m2);A為住區(qū)總建筑面積(m2)。

Byungil Kim在評(píng)估韓國(guó)公路建設(shè)導(dǎo)致土地使用的改變而產(chǎn)生的溫室氣體排放量文章中提出了一種計(jì)算土地使用方式改變而導(dǎo)致碳排放量變化的方法［11］，其公式為:

其中:ΔC為土地使用轉(zhuǎn)變帶來(lái)的含碳量的改變;Aafter為植被面積;Abefore為建筑面積;Cafter為植被中所儲(chǔ)存的碳量;Cbefore為建造建筑物之前的碳儲(chǔ)存。

注:Cbefore=V×Wd×Bef×R×Ccf，其中V指單位體積的碳儲(chǔ)存量，W指木頭的密度，B指地上生物量中可轉(zhuǎn)換為碳的轉(zhuǎn)化因子，R指根管比，C指碳轉(zhuǎn)換率。

式(5)計(jì)算的是綠化系統(tǒng)CO2固定量，而公式⑹計(jì)算的是土地含碳量的改變，可根據(jù)具體案例選擇計(jì)算方法。

四、案例分析

本文選取天津市某一住宅小區(qū)，建筑面積為362 700 m2，低層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，占地面積為151 714 m2，綠地面積為53 100 m2，綠化率為35%，該小區(qū)主要種植楊樹、榆樹、松柏等(喬灌木混合種植)。本文只考慮廢棄物在拆除和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中需要消耗的能源，假定運(yùn)輸距離為30 km。

(一)數(shù)據(jù)來(lái)源

本文按照天津市建筑工程定額總結(jié)出每一個(gè)分項(xiàng)工程所使用的主要建材和主要機(jī)械設(shè)備，見表1。

表1 各分項(xiàng)工程的主要建材和機(jī)械設(shè)備及使用的動(dòng)力燃料

由表1中的主要建筑材料可總結(jié)出5種主要的建材，分別為水泥、鋼材、木材、玻璃、鋁材。材料的用量來(lái)源于工程量清單和施工方案，材料用量和碳排放清單見表2和表3，其中生產(chǎn)階段碳排放因子數(shù)據(jù)來(lái)源于IPCC和《全球氣候變化和溫室氣體清單編制方法》及綠色奧運(yùn)建筑研究課題組《綠色奧運(yùn)建筑評(píng)估體系》。根據(jù)工程結(jié)算資料得知，水泥用量為218.9 kg/m2，鋼材用量為96.6 kg/m2，木材用量為0.001 6 m3/m2，玻璃用量為 0.36kg/m2，鋁材用量為0.26 kg/m2，此用量已考慮工藝損耗和運(yùn)輸損耗，因此ψ取0。

表2 5種材料的總用量

表3 5種材料生產(chǎn)階段排放因子

機(jī)械設(shè)備有使用燃料的，有使用電力的，在施工階段和廢物處置階段其能源的消耗量是不同的。各種設(shè)備的能源消耗量及其排放系數(shù)采用政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)提出的標(biāo)準(zhǔn)，兩階段的具體消耗量見表4，能耗排放系數(shù)見表5，動(dòng)力能耗及時(shí)間見表6，其中動(dòng)力能耗及時(shí)間來(lái)自于工程結(jié)算資料。

表4 設(shè)備消耗量

表5 各種能耗的排放系數(shù)

表6 動(dòng)力能耗及工作時(shí)間

由《中國(guó)綠色低碳住區(qū)減碳技術(shù)評(píng)估框架體系》可知不同栽植方式單位面積40年CO2固定量是不同的，其固定量見表7。

表7 不同栽植方式單位面積40年CO2固定量

(二)碳排放計(jì)量

由以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出該建筑物的主要建筑材料、機(jī)械設(shè)備和由于土地用途變更產(chǎn)生的碳排放:

建筑材料單位面積排放量: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

建筑材料總排放量:362 700×330.52=119 879 604 kg

機(jī)械設(shè)備: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

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

總建筑面積的年 CO2固定量:1.83×362 700=663 741 kg/a

總面積原有的碳庫(kù)存(100 cm深度):204 814 m2×90Pg

建筑后減少的碳庫(kù)存(100 cm深度):151 714 m2×90Pg

(三)分析與討論

由以上數(shù)據(jù)可知，碳排放主要來(lái)自于建筑材料，主要建材在生產(chǎn)過(guò)程中由于消耗能源會(huì)產(chǎn)生碳排放，其工藝過(guò)程由于原料生化反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生碳排放，如水泥生產(chǎn)除了能源消耗產(chǎn)生碳排放外，其碳酸鹽礦物原料分解也產(chǎn)生大量CO2。減少碳排放的途徑有:一是減少生產(chǎn)工藝過(guò)程中碳排放較多的建材的使用;二是清潔生產(chǎn)，減少建造過(guò)程中材料的損耗。

其次，產(chǎn)生的碳排放來(lái)自于機(jī)械設(shè)備，而其原因主要是由于燃燒了大量的燃料或者使用了電力，減排途徑主要是提高機(jī)械設(shè)備的使用效率，減少能源損耗，用可再生能源代替化石燃料，以及減少設(shè)備的空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和通電時(shí)間。

關(guān)于土地用途變更方面，可以通過(guò)加大住宅區(qū)的綠化面積來(lái)提高綠化系統(tǒng)對(duì)CO2的固定量來(lái)減少碳排放。當(dāng)然還有其他減排措施，例如可以在設(shè)計(jì)時(shí)考慮相應(yīng)的節(jié)能措施，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用保溫、遮陽(yáng)、自然通風(fēng)技術(shù)等，在使用時(shí)提高居民的節(jié)能意識(shí)以便在建筑運(yùn)行階段通過(guò)減少能源損耗而減少碳排放。

五、結(jié)束語(yǔ)

文章從建筑工程定額出發(fā)分析了工程建設(shè)項(xiàng)目碳排放的來(lái)源，并對(duì)建筑材料、機(jī)械設(shè)備、土地用途變更這3個(gè)來(lái)源進(jìn)行了分析并確定了計(jì)算方法。分析結(jié)果表明，建筑材料是碳排放最大的來(lái)源，因此建筑項(xiàng)目中選擇排放量較少的材料是大勢(shì)所趨。而減少機(jī)械設(shè)備的排放量需要合理分配設(shè)備的使用，提高使用效率，減少空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。在土地方面，應(yīng)該加大綠化面積，采取相應(yīng)的節(jié)能措施來(lái)減少碳排放。由于篇幅有限，所列出的計(jì)算方法也有限，大家可以豐富計(jì)算方法并選擇最優(yōu)的來(lái)計(jì)算二氧化碳排放量，并且文中只涉及到了CO2，而溫室氣體還包括甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物等，因此豐富其他溫室氣體的計(jì)量方法也可作為未來(lái)的一個(gè)研究方向。

［1］ 尚春靜，儲(chǔ)成龍，張智慧.不同結(jié)構(gòu)建筑生命周期的碳排放比較［J］.建筑科學(xué)，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］ 張濤.建筑材料全壽命周期CO2排放量計(jì)算方法［J］.工程管理學(xué)報(bào)，2012(2):23－26.

［4］ 羅智星.建筑材料CO2排放計(jì)算方法及其減排策略研究［J］.建筑科學(xué)，2011，27(4):1 －7.

［5］ 汪靜.中國(guó)城市住區(qū)生命周期CO2排放量計(jì)算與分析［D］.北京:清華大學(xué)，2009.

［6］ 尚春靜，張智慧.建筑生命周期碳排放核算［J］.工程管理學(xué)報(bào)，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］ 賴力.中國(guó)土地利用的碳排放效應(yīng)研究［D］.南京:南京大學(xué)，2010.

［10］中國(guó)綠色低碳住區(qū)減碳技術(shù)評(píng)估框架體系［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.

(責(zé)任編輯 周江川)