建筑工程施工機械碳排放研究*

吳文伶，劉 星，馮建華，石敬斌，耿冬青，周 輝

(1. 中建工程產業技術研究院有限公司，北京 101320；2. 中國建筑土木建設有限公司，北京 100073)

0 引言

在過去的一個世紀里，人類活動，特別是化石燃料燃燒產生的二氧化碳(CO2)以驚人的速度導致地球變暖[1]。氣候變化導致人類生存環境嚴重惡化，被認為是未來人類面臨的最重大挑戰之一[2]。為了緩解氣候變化的影響，世界上許多國家都在努力減少CO2的排放。2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[3]。”

許多研究得出結論，建筑業是CO2排放的主要貢獻者[4-6]。例如，在美國，建筑在整個生命周期內排放的CO2占全國的43%[7]，而在中國，這一比例超過了50%[8]。因此，減少建筑中的CO2排放已被廣泛認為是消除氣候變化負面影響的最重要和最有效的途徑之一[9-10]。雖然已經提出許多政策來促進綠色建筑或建筑節能的發展，但仍主要集中在建筑運行階段的運行能耗和相應的CO2排放，如空調、照明、供暖等的能耗[11-12]。然而，不應忽視施工過程中排放的CO2，一些研究人員發現，與施工活動相關的環境影響被低估了[13-14]。對于運營階段的研究，通常引用50年的長期期限，而對于建筑物的建造，一般來說，這一期限約為2年。以年為比較基準，建筑施工的CO2排放量相對于運營階段會顯著增加。

由于建筑工程的施工過程由成百或數千個單元工藝組成，收集所有必要的現場特定數據將耗費大量時間和成本，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，該研究基于國家統計數據，不依賴現場數據調查[15-16]。然而，這種宏觀范圍方法通常無法得到CO2排放的詳細來源。因此，本文建立了一種基于施工定額的CO2排放計算方法，用以分析不同施工機械、不同分部分項工程的碳排放量。

1 模型與方法

1.1 施工機械碳排放因子計算

施工機械操作是現場作業最主要的碳排放源，本文研究了大型工程機械的CO2排放，計算公式如下：

(1)

式中：CEi是i機械1個臺班的CO2排放量(即施工機械的碳排放因子，kgCO2e/臺班)；Mj是i機械1個臺班的j型能源消耗量；EFj是j型能源的排放系數。通常使用的能源有3種，分別是柴油、汽油和電力。根據國家發展和改革委員會氣候變化司2005年頒布的《中國溫室氣體清單研究》數據計算，中國柴油和汽油的排放因子分別為3.145 1kgCO2e/kg和3.042 5kgCO2e/kg。電力排放系數為0.610 1kgCO2e/kWh，為2015年中國的平均水平。

1.2 基于定額的施工碳排放計算

一個工程使用的所有機械在施工過程的CO2排放總量按式(2)計算：

(2)

式中：CET為施工過程總的CO2排放量(kgCO2)；CEi為i機械的碳排放因子(kgCO2e/臺班)；MCi為i機械的消耗量(臺班)；m為施工過程中使用的機械數量。

MCi=UMCi×qi

(3)

式中:MCi為i機械消耗量(臺班)；qi為工程消耗量；UMCi為i機械單位工程量的機械消耗量，以定額編號為5-100的定額為例，生產安裝1t鋼筋需要1臺鋼筋切割機、1臺鋼筋彎曲機分別工作0.095和0.137md(臺班)。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的單位工程量機械消耗定額。

2 不同施工機械的碳排放因子

為了計算各種施工機械的CO2排放量，收集了工作表，并對每臺機械的單位臺班能耗類型和消耗量進行了調查。以單斗履帶挖掘機為例，其能量類型為柴油，能耗63.00kg/md，故單斗履帶挖掘機的CO2排放量為198.14kgCO2/md，由式(1)計算。以軌道式柴油打樁機為例，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，由此計算軌道式柴油打樁機CO2排放量為283.28kgCO2/md。

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

表1 不同施工機械的CO2排放狀況

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

圖1 各種施工機械的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個案例，案例1為內蒙古1棟5層商業建筑，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

根據第2.1節所述的建筑工程施工CO2排放量計算方法，計算了2個案例的CO2排放量，并在表2中列出。2個案例的施工CO2排放總量分別為1.27×106kgCO2和1.86×105kgCO2。2個案例的單位面積CO2排放量分別為11.5kgCO2e/m2和11.6kgCO2e/m2。結果表明，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排放強度值與其他研究類似。對1棟4層教學樓的CO2排放進行了研究，發現該教學樓的建筑的CO2排放強度為3.53kgCO2e/m2[17]。

3.2 各分部分項工程碳排放量

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、措施項目8個分部分項工程。各分部工程二氧化碳排放情況如圖2所示。樁基工程和措施項目是CO2排放量最多的分部工程，可貢獻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 各分部分項工程CO2 排放

3.3 各施工機械碳排放量

施工過程中需要約30種機械。圖3給出了2個案例CO2排放量最多的前10種施工機械及其相應的CO2排放比例。這10種機械的CO2排放可以占到排放總量的約90%(見圖3)。案例1，CO2排放量最大的機械為塔式起重機。在案例2中，因為該建筑面積小和樓高較低，所以未使用塔式起重機，而采用汽車起重機和履帶式起重機作為起重機械。案例2中，由于有更多的鋼筋工程，電焊機排放的CO2最多(見圖3)。事實上，案例1的建筑消耗了58.9kg/m2鋼筋，而案例2作為教學樓安全性要求更高，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械的選擇，進而影響施工碳排放量。

圖3 各施工機械CO2 排放

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

此外，汽車的CO2排放量也很高(案例1為11.89%，案例2為17.13%)，因為土方、腳手架、模板等的運輸都需要載重汽車。混凝土泵車也有相當大的CO2排放量(見圖3)，因為大多數項目的施工都有大量的混凝土需要泵送。

4 結語

本文建立了1種基于定額的建筑工程施工現場碳排放計算方法，并應用于2個工程案例，計算了2個案例施工過程的CO2排放量,主要結論如下。

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

2)以商業建筑和學校建筑為例，對建筑工程施工碳排放進行了計算，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)一些機械具有高CO2排放特性，并且在施工過程中經常使用，因此CO2排放很高，例如塔式起重機、電焊機、鉆機、打樁機、載重汽車等。排在前10位的施工機械大約占CO2排放總量的90%。