建筑工程碳排放估算化研究

李 靜

(重慶交通大學管理學院，重慶 400074)

溫室氣體(GHG)的排放引起全球氣候變暖已成為國際社會普遍關注的焦點問題。在中國的工業化和城鎮化進程中，擔負著國家基礎建設的建筑業，在將大量投資轉變為建筑產品的生產活動中，既消耗了大量資源和能源，也產生了大量的廢棄物，給環境帶來巨大影響。當前，中國工程建設所使用的資源和材料，約占全國資源利用量的40%～50%，所消耗的能源約占全社會總能耗的30%;伴隨建設活動所排出的廢棄物約占城市廢棄物的40%左右［1］。建筑材料、機械設備的使用和土地用途變更過程中對能源和資源的消耗及固體廢棄物的處理帶來巨大的溫室氣體排放量。如何減少建筑材料、機械設備的使用和土地用途變更過程中的CO2排放量是低碳社會對工程管理的時代要求，而實現從建筑單一產品碳排放計量到建筑工程項目碳排放的計量的轉換也奠定了碳減排機制的基礎。

一、文獻回顧

在CO2排放計量方面，國內外的一些學者對其進行了初步的研究，如Darrell Cass提出用混合生命周期方法來量化關聯不同的路面設計的CO2排放量［2］。張濤提出了一種建筑材料全壽命周期CO2排放的計算方法［3］，羅智星在建筑材料消耗能源的基礎上，研究了建筑材料生產階段CO2排放計算方法［4］，汪靜在中國城市住區生命周期CO2排放量方面做出了具體計算與分析［5］。但是，目前這些研究只是單一對某一排放源從全壽命周期的角度做出計算，沒有全面地去計算各排放源的排放量。

目前，很多是從某一方面進行定性或定量研究，對土地用途變更引起CO2排放的研究較少。因此，擬通過對前人研究方法的總結，從建筑工程定額和排放源出發，綜合比較在建筑材料、機械設備和土地用途變更三方面的計算方法，從中確定出比較適合的方法來計算各自的CO2排放量。

二、建筑過程中的碳源分析

建設工程定額是由大量建筑材料、機電產品通過人工和機械的消耗形成的。由于人的碳排放是不計算的，所以建設工程中的碳排放源為建筑材料、機電產品和機械設備。但是，土地用途的變更、利用形式的變化也會產生碳排放，因此建設工程中的碳源可以歸結為建筑材料、機電產品、施工機械設備使用和土地用途變更這4個方面。建筑材料包括建材及其構配件在生產、制造、加工、搬運過程中產生的排放，以及廢棄建筑垃圾進行焚毀、掩埋等處置時產生的排放;施工機械設備使用包括建材及物資的交通運輸、現場安裝，以及輔助材料生產時產生的排放;機電產品包括供暖、通風、空調、照明等建筑設備，以及修繕時產生的排放;土地利用形式的變更包括施工場地土地利用形式變化和綠化的碳匯吸收。

三、碳排放的計量方法

(一)建筑材料CO2計量方法的確定

目前常用的CO2排放量計算方法為實測法、質量平衡法和碳排放系數法。實測法對實驗條件及數據收集處理與分析方法要求高，受樣品影響大;質量平衡法在化學成分復雜時，活動數據難以分類檢測，且分類成本過高。因此，選擇碳排放系數法計算建筑材料CO2排放量。建筑材料碳排放主要是在建筑材料生產階段產生(建筑材料運輸階碳排放歸于機械設備中來計算)，為此借鑒張濤的建筑材料CO2計算模型，提出以下模型［3］:

式中，QM為建筑材料的使用數量;CM為建筑材料生產階段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。s為建筑材料的回收利用系數，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算方法［6］，該方法將碳排放分為材料生產、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(kgCO2);Wij為建筑物生命周期內第j階段(j=1，2，3分別為生產、使用和拆除處置階段)所產生的第i種溫室氣體的質量(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。

式(1)僅是用來計算建筑材料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所運用的范圍不一樣，根據具體的案例來做出選擇。

(二)機械設備CO2計量方法的確定

建設工程定額具體由土石方工程、擋墻護坡、基礎工程、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、門窗和木結構、樓地面工程、屋面工程、防腐隔熱保溫工程和裝飾工程組成。機械設備的碳排放是由于消耗動力燃料或電力而引起的。工程使用動力燃料的設備可按照柴油和汽油分類，定額每個子項中所用到的具體機械設備及其使用到的燃料類型見表1，為能夠準確評估機械設備產生的二氧化碳EPA提出一個模型［7］:

式中:Af為調整系數，一般取為0.85;Lf為設備效率，取為0.59，CO2來自于EPA2004;h為工作時間，一般取為8 h;EF為排放系數。

Chijoo Lee在關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算方法［8］，文中提出的排放量是用石油當量(Toe)來計算，Toe是一個能源單位，1Toe=1 kcal，它相當于燃燒一噸原油所釋放的能量。

其中，e為排放系數，TC/TOE;P為功率 ;t為時間;44/12∶CO2的相對分子質量/C的相對原子質量。

(注:由 IPCC 可知為0.000 215，為0.564)

式(4)的方法是通過間接轉換成TOE來確定排放量，而式(3)的方法是直接對其進行計算，為方便計算案例中采用式(3)的方法。

(三)土地用途變更產生CO2的計量方法

對于國家尺度土壤碳儲量的研究，王紹強等運用中國第一次土壤普查資料結合1∶400萬中國土壤分布圖，估算得到中國土壤碳庫存為100 Pg，南京土壤研究所史學正課題組基于1∶100萬提出中國土壤總有機碳庫存89.1Pg的估計值。目前來看，中國土壤學家傾向于接受全國大陸土壤(100 cm 深度)有機碳庫存為 90Pg［9］。

單位建筑面積CO2固定量的增加值:由《中國綠色低碳住區減碳技術評估框架體系》可知單位建筑面積折算綠化系統的CO2固定量與基準相比的增加值計算如下［10］:

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

Byungil Kim在評估韓國公路建設導致土地使用的改變而產生的溫室氣體排放量文章中提出了一種計算土地使用方式改變而導致碳排放量變化的方法［11］，其公式為:

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

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

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

四、案例分析

本文選取天津市某一住宅小區，建筑面積為362 700 m2，低層鋼筋混凝土結構，占地面積為151 714 m2，綠地面積為53 100 m2，綠化率為35%，該小區主要種植楊樹、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運過程中需要消耗的能源，假定運輸距離為30 km。

(一)數據來源

本文按照天津市建筑工程定額總結出每一個分項工程所使用的主要建材和主要機械設備，見表1。

表1 各分項工程的主要建材和機械設備及使用的動力燃料

由表1中的主要建筑材料可總結出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，其中生產階段碳排放因子數據來源于IPCC和《全球氣候變化和溫室氣體清單編制方法》及綠色奧運建筑研究課題組《綠色奧運建筑評估體系》。根據工程結算資料得知，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種材料生產階段排放因子

機械設備有使用燃料的，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。各種設備的能源消耗量及其排放系數采用政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提出的標準，兩階段的具體消耗量見表4，能耗排放系數見表5，動力能耗及時間見表6，其中動力能耗及時間來自于工程結算資料。

表4 設備消耗量

表5 各種能耗的排放系數

表6 動力能耗及工作時間

由《中國綠色低碳住區減碳技術評估框架體系》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)碳排放計量

由以上數據可以計算出該建筑物的主要建筑材料、機械設備和由于土地用途變更產生的碳排放:

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

機械設備: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

總面積原有的碳庫存(100 cm深度):204 814 m2×90Pg

建筑后減少的碳庫存(100 cm深度):151 714 m2×90Pg

(三)分析與討論

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

其次，產生的碳排放來自于機械設備，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械設備的使用效率，減少能源損耗，用可再生能源代替化石燃料，以及減少設備的空運轉時間和通電時間。

關于土地用途變更方面，可以通過加大住宅區的綠化面積來提高綠化系統對CO2的固定量來減少碳排放。當然還有其他減排措施，例如可以在設計時考慮相應的節能措施，如圍護結構采用保溫、遮陽、自然通風技術等，在使用時提高居民的節能意識以便在建筑運行階段通過減少能源損耗而減少碳排放。

五、結束語

文章從建筑工程定額出發分析了工程建設項目碳排放的來源，并對建筑材料、機械設備、土地用途變更這3個來源進行了分析并確定了計算方法。分析結果表明，建筑材料是碳排放最大的來源，因此建筑項目中選擇排放量較少的材料是大勢所趨。而減少機械設備的排放量需要合理分配設備的使用，提高使用效率，減少空運轉時間。在土地方面，應該加大綠化面積，采取相應的節能措施來減少碳排放。由于篇幅有限，所列出的計算方法也有限，大家可以豐富計算方法并選擇最優的來計算二氧化碳排放量，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量方法也可作為未來的一個研究方向。

［1］ 尚春靜，儲成龍，張智慧.不同結構建筑生命周期的碳排放比較［J］.建筑科學，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排放量計算方法［J］.工程管理學報，2012(2):23－26.

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

［5］ 汪靜.中國城市住區生命周期CO2排放量計算與分析［D］.北京:清華大學，2009.

［6］ 尚春靜，張智慧.建筑生命周期碳排放核算［J］.工程管理學報，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.中國土地利用的碳排放效應研究［D］.南京:南京大學，2010.

［10］中國綠色低碳住區減碳技術評估框架體系［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.

(責任編輯 周江川)