建筑工程施工機(jī)械碳排放研究*

吳文伶，劉 星，馮建華，石敬斌，耿冬青，周 輝

(1. 中建工程產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，北京 101320；2. 中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100073)

0 引言

在過去的一個(gè)世紀(jì)里，人類活動(dòng)，特別是化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)以驚人的速度導(dǎo)致地球變暖[1]。氣候變化導(dǎo)致人類生存環(huán)境嚴(yán)重惡化，被認(rèn)為是未來人類面臨的最重大挑戰(zhàn)之一[2]。為了緩解氣候變化的影響，世界上許多國(guó)家都在努力減少CO2的排放。2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]?！?/p>

許多研究得出結(jié)論，建筑業(yè)是CO2排放的主要貢獻(xiàn)者[4-6]。例如，在美國(guó)，建筑在整個(gè)生命周期內(nèi)排放的CO2占全國(guó)的43%[7]，而在中國(guó)，這一比例超過了50%[8]。因此，減少建筑中的CO2排放已被廣泛認(rèn)為是消除氣候變化負(fù)面影響的最重要和最有效的途徑之一[9-10]。雖然已經(jīng)提出許多政策來促進(jìn)綠色建筑或建筑節(jié)能的發(fā)展，但仍主要集中在建筑運(yùn)行階段的運(yùn)行能耗和相應(yīng)的CO2排放，如空調(diào)、照明、供暖等的能耗[11-12]。然而，不應(yīng)忽視施工過程中排放的CO2，一些研究人員發(fā)現(xiàn)，與施工活動(dòng)相關(guān)的環(huán)境影響被低估了[13-14]。對(duì)于運(yùn)營(yíng)階段的研究，通常引用50年的長(zhǎng)期期限，而對(duì)于建筑物的建造，一般來說，這一期限約為2年。以年為比較基準(zhǔn)，建筑施工的CO2排放量相對(duì)于運(yùn)營(yíng)階段會(huì)顯著增加。

由于建筑工程的施工過程由成百或數(shù)千個(gè)單元工藝組成，收集所有必要的現(xiàn)場(chǎng)特定數(shù)據(jù)將耗費(fèi)大量時(shí)間和成本，因此，許多研究者從宏觀角度研究了建筑施工過程中的CO2排放，該研究基于國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不依賴現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)查[15-16]。然而，這種宏觀范圍方法通常無法得到CO2排放的詳細(xì)來源。因此，本文建立了一種基于施工定額的CO2排放計(jì)算方法，用以分析不同施工機(jī)械、不同分部分項(xiàng)工程的碳排放量。

1 模型與方法

1.1 施工機(jī)械碳排放因子計(jì)算

施工機(jī)械操作是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)最主要的碳排放源，本文研究了大型工程機(jī)械的CO2排放，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：CEi是i機(jī)械1個(gè)臺(tái)班的CO2排放量(即施工機(jī)械的碳排放因子，kgCO2e/臺(tái)班)；Mj是i機(jī)械1個(gè)臺(tái)班的j型能源消耗量；EFj是j型能源的排放系數(shù)。通常使用的能源有3種，分別是柴油、汽油和電力。根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)氣候變化司2005年頒布的《中國(guó)溫室氣體清單研究》數(shù)據(jù)計(jì)算，中國(guó)柴油和汽油的排放因子分別為3.145 1kgCO2e/kg和3.042 5kgCO2e/kg。電力排放系數(shù)為0.610 1kgCO2e/kWh，為2015年中國(guó)的平均水平。

1.2 基于定額的施工碳排放計(jì)算

一個(gè)工程使用的所有機(jī)械在施工過程的CO2排放總量按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：CET為施工過程總的CO2排放量(kgCO2)；CEi為i機(jī)械的碳排放因子(kgCO2e/臺(tái)班)；MCi為i機(jī)械的消耗量(臺(tái)班)；m為施工過程中使用的機(jī)械數(shù)量。

MCi=UMCi×qi

(3)

式中:MCi為i機(jī)械消耗量(臺(tái)班)；qi為工程消耗量；UMCi為i機(jī)械單位工程量的機(jī)械消耗量，以定額編號(hào)為5-100的定額為例，生產(chǎn)安裝1t鋼筋需要1臺(tái)鋼筋切割機(jī)、1臺(tái)鋼筋彎曲機(jī)分別工作0.095和0.137md(臺(tái)班)。TY01—31—2015《房屋建筑與裝飾工程消耗量定額》列出了各種施工活動(dòng)的單位工程量機(jī)械消耗定額。

2 不同施工機(jī)械的碳排放因子

為了計(jì)算各種施工機(jī)械的CO2排放量，收集了工作表，并對(duì)每臺(tái)機(jī)械的單位臺(tái)班能耗類型和消耗量進(jìn)行了調(diào)查。以單斗履帶挖掘機(jī)為例，其能量類型為柴油，能耗63.00kg/md，故單斗履帶挖掘機(jī)的CO2排放量為198.14kgCO2/md，由式(1)計(jì)算。以軌道式柴油打樁機(jī)為例，其能源類型為柴油和電力，柴油能耗56.9kg/md，用電能耗171.00kWh/md，由此計(jì)算軌道式柴油打樁機(jī)CO2排放量為283.28kgCO2/md。

本研究總結(jié)了30種常用的建筑機(jī)械及其相應(yīng)的CO2排放量(見表1)。8種CO2排放較多的機(jī)械為履帶式推土機(jī)、單斗履帶式挖掘機(jī)、輪胎裝載機(jī)、履帶式柴油打樁機(jī)、靜壓打樁機(jī)、汽車鉆機(jī)、混凝土泵車、自升式塔式起重機(jī)，CO2排放量均超過150kgCO2/md(見圖1)。9種中等強(qiáng)度CO2排放機(jī)械分別為混凝土振動(dòng)臺(tái)、對(duì)焊機(jī)、履帶起重機(jī)、汽車起重機(jī)、自卸汽車、灑水車、泥漿運(yùn)輸車、電動(dòng)多級(jí)離心水泵、污泥泵，CO2排放量在50～150kgCO2/md(見圖1)。其他13種機(jī)械的CO2排放量相對(duì)較低(<50kgCO2/md)。13種低CO2排放機(jī)械設(shè)備包括：電動(dòng)打夯機(jī)、電動(dòng)灌漿機(jī)、砂漿攪拌機(jī)、混凝土攪拌機(jī)、混凝土切割機(jī)、混凝土分切機(jī)、鋼筋切割機(jī)、鋼筋彎曲機(jī)、鋼筋拉直機(jī)、木工圓鋸機(jī)、直流弧焊機(jī)、電動(dòng)單管慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)、雙籠施工電梯。可見，CO2排放量較低的施工機(jī)械，全部采用電能作為能源供給形式，由于風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用，我國(guó)發(fā)電的碳排放逐漸減少，因此以電為能源的機(jī)械碳排放相對(duì)低于以柴油為能源的機(jī)械。

表1 不同施工機(jī)械的CO2排放狀況

根據(jù)機(jī)械的功能不同，將30種常用的施工機(jī)械分為7類，包括土方機(jī)械、打樁機(jī)械、混凝土和砂漿機(jī)械、加工機(jī)械、焊接機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、泵送機(jī)械(見表1、圖1)。結(jié)果表明，土石方機(jī)械和打樁機(jī)械是CO2排放最高的機(jī)械。除電動(dòng)打夯機(jī)和電動(dòng)灌漿機(jī)外，這2組機(jī)械的CO2排放量都達(dá)到150kgCO2/md以上(見圖1)。對(duì)于焊接機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械和泵送機(jī)械，12種機(jī)械中有10種具有中等CO2排放量，因此這3類機(jī)械為中等CO2排放量機(jī)械(見圖1)。加工機(jī)械類中的所有機(jī)械CO2排放都較低(見圖1)。對(duì)于混凝土和砂漿類機(jī)械，有些機(jī)械CO2排放量高，如混凝土泵車；有些機(jī)械CO2排放量中等，如混凝土振動(dòng)臺(tái)；而有些機(jī)械CO2排放量低，如砂漿攪拌機(jī)、混凝土分切機(jī)等(見圖1)。

圖1 各種施工機(jī)械的CO2排放狀況(kgCO2·md-1)

3 案例分析

3.1 施工碳排放總量

本文研究了2個(gè)案例，案例1為內(nèi)蒙古1棟5層商業(yè)建筑，建筑面積為1.1×105m2，案例2是江蘇1座1.6×104m2的3層教學(xué)樓，案例的基本情況如表2所示。

表2 案例的基本情況及CO2排放量

根據(jù)第2.1節(jié)所述的建筑工程施工CO2排放量計(jì)算方法，計(jì)算了2個(gè)案例的CO2排放量，并在表2中列出。2個(gè)案例的施工CO2排放總量分別為1.27×106kgCO2和1.86×105kgCO2。2個(gè)案例的單位面積CO2排放量分別為11.5kgCO2e/m2和11.6kgCO2e/m2。結(jié)果表明，雖然建筑類型、建筑面積和位置不同，但單位面積CO2排放量很接近。此外，本研究中的CO2排放強(qiáng)度值與其他研究類似。對(duì)1棟4層教學(xué)樓的CO2排放進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該教學(xué)樓的建筑的CO2排放強(qiáng)度為3.53kgCO2e/m2[17]。

3.2 各分部分項(xiàng)工程碳排放量

施工過程分為土方工程、樁基工程、砌筑工程、混凝土工程、鋼筋工程、模板工程、裝飾工程、措施項(xiàng)目8個(gè)分部分項(xiàng)工程。各分部工程二氧化碳排放情況如圖2所示。樁基工程和措施項(xiàng)目是CO2排放量最多的分部工程，可貢獻(xiàn)CO2排放量的一半以上。其次為鋼筋工程和混凝土工程，其CO2排放量分別超過10%。土方工程和裝飾工程可分別貢獻(xiàn)約5%的CO2排放量，砌筑工程和模板工程排放的CO2很少，不到1%。

圖2 各分部分項(xiàng)工程CO2 排放

3.3 各施工機(jī)械碳排放量

施工過程中需要約30種機(jī)械。圖3給出了2個(gè)案例CO2排放量最多的前10種施工機(jī)械及其相應(yīng)的CO2排放比例。這10種機(jī)械的CO2排放可以占到排放總量的約90%(見圖3)。案例1，CO2排放量最大的機(jī)械為塔式起重機(jī)。在案例2中，因?yàn)樵摻ㄖ娣e小和樓高較低，所以未使用塔式起重機(jī)，而采用汽車起重機(jī)和履帶式起重機(jī)作為起重機(jī)械。案例2中，由于有更多的鋼筋工程，電焊機(jī)排放的CO2最多(見圖3)。事實(shí)上，案例1的建筑消耗了58.9kg/m2鋼筋，而案例2作為教學(xué)樓安全性要求更高，因而消耗了更多的鋼筋量(94.8kg/m2)。由此可見，建筑類型、建筑高度都影響施工機(jī)械的選擇，進(jìn)而影響施工碳排放量。

圖3 各施工機(jī)械CO2 排放

對(duì)于案例1，CO2排放量位于第2名的機(jī)械為長(zhǎng)螺桿鉆機(jī)；對(duì)于案例2，CO2排放量位于第2名的機(jī)械為柴油打樁機(jī)。這兩種機(jī)械都用于樁基礎(chǔ)工程，但不屬于同一樁型。預(yù)制樁采用柴油打樁機(jī)，灌注樁采用鉆機(jī)。由此可見，不管是哪種樁型，采用哪種打樁機(jī)械，樁基工程都是碳排放量非常高的分部分項(xiàng)工程。

此外，汽車的CO2排放量也很高(案例1為11.89%，案例2為17.13%)，因?yàn)橥练健⒛_手架、模板等的運(yùn)輸都需要載重汽車?；炷帘密囈灿邢喈?dāng)大的CO2排放量(見圖3)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)項(xiàng)目的施工都有大量的混凝土需要泵送。

4 結(jié)語

本文建立了1種基于定額的建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)碳排放計(jì)算方法，并應(yīng)用于2個(gè)工程案例，計(jì)算了2個(gè)案例施工過程的CO2排放量,主要結(jié)論如下。

1)本文調(diào)研計(jì)算了30種常用施工機(jī)械的碳排放因子，其中履帶式推土機(jī)、單斗履帶式挖掘機(jī)等8種機(jī)械碳排放較高，均大于150kgCO2/md；對(duì)焊機(jī)、履帶起重機(jī)等9種機(jī)械碳排放因子中等，介于50～150kgCO2/md；電動(dòng)打夯機(jī)、電動(dòng)灌漿機(jī)等13種機(jī)械的二氧化碳排放量相對(duì)較低(<50kgCO2/md)。

2)以商業(yè)建筑和學(xué)校建筑為例，對(duì)建筑工程施工碳排放進(jìn)行了計(jì)算，單位面積施工碳排放量分別為11.5kgCO2/m2和11.6kgCO2/m2。樁基工程和措施項(xiàng)目是主要的CO2排放源，其次是混凝土工程和鋼筋工程，而模板和砌筑工程的CO2排放很少。

3)一些機(jī)械具有高CO2排放特性，并且在施工過程中經(jīng)常使用，因此CO2排放很高，例如塔式起重機(jī)、電焊機(jī)、鉆機(jī)、打樁機(jī)、載重汽車等。排在前10位的施工機(jī)械大約占CO2排放總量的90%。