郭 超，沈全鋒，韓長(zhǎng)軍，魏小平，宋躍軍

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司，北京 100120)

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2排放量迅速增加，大氣層中CO2的濃度已經(jīng)從工業(yè)革命前的280×10-6升到目前的400×10-6以上[1]。大氣CO2濃度的變化給人類的生存環(huán)境造成了嚴(yán)重影響[2]。為此各國(guó)相繼制定了限制碳排放的目標(biāo)和具體措施[3～6]。作為碳排放規(guī)模已多年位居世界第一的中國(guó)所制定的目標(biāo)為2030年碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[7]。2020年12月召開的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議已明確碳達(dá)峰、碳中和是中國(guó)2021年8項(xiàng)經(jīng)濟(jì)工作重點(diǎn)任務(wù)之一。生態(tài)環(huán)境部于2021年1月正式發(fā)布了《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》，該辦法自2月1日起正式施行[8]。同時(shí)，各行業(yè)關(guān)于碳排放的評(píng)價(jià)和核算辦法也相繼制訂并實(shí)施。中國(guó)將成為全球最大的碳排放交易市場(chǎng)，目前全國(guó)碳市場(chǎng)系統(tǒng)已基本建設(shè)完成，首批2225家電力企業(yè)已完成開戶工作，即將開始交易。后續(xù)石油、化工、建材等八大能耗重點(diǎn)行業(yè)也將陸續(xù)納入碳排放交易市場(chǎng)。因此，碳排放的核算與控制將是各行業(yè)從遠(yuǎn)景目標(biāo)制定到具體實(shí)施方案中需考慮的主要因素之一。建筑行業(yè)碳排放為全國(guó)全過(guò)程碳排放的主要來(lái)源，2018年建筑行業(yè)碳排放49.3億t CO2,占全國(guó)碳排放比重51.3%，其中包括建材生產(chǎn)階段排放27.2億t CO2，施工階段排放1億t CO2，以及運(yùn)行階段排放21.1億 t CO2[9]。目前大部分碳排放的核算方法都是基于某個(gè)行業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[10]，無(wú)法充分考慮每個(gè)項(xiàng)目的具體情況。且專門針對(duì)國(guó)內(nèi)外油氣建設(shè)行業(yè)碳排放的系統(tǒng)研究較少，特別對(duì)于碳排放量相對(duì)較高的土建專業(yè)未見針對(duì)碳排放的分析和研究。

AGPP項(xiàng)目是中俄油氣合作的標(biāo)志性項(xiàng)目，同時(shí)也是為解決國(guó)內(nèi)清潔能源供應(yīng)的重點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目共分6列裝置按5期建設(shè)投產(chǎn)，建成后年輸入國(guó)內(nèi)天然氣380億m3/a，占目前我國(guó)天然氣進(jìn)口量的1/3左右，對(duì)我國(guó)能源安全意義重大。該項(xiàng)目位于高緯度地區(qū)，年均有7個(gè)月最低溫度位于0 ℃以下，相對(duì)于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目或其它低緯度國(guó)家項(xiàng)目能耗較高，特別對(duì)于施工溫度有嚴(yán)格要求的土建等專業(yè)碳排放量較大[11]。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)大多為針對(duì)整個(gè)行業(yè)的整體要求，結(jié)合本項(xiàng)目土建冬期施工實(shí)際情況可對(duì)工程建設(shè)碳排放的因素和核算方法進(jìn)行補(bǔ)充完善，并據(jù)此采取相應(yīng)碳排放減排控制措施。

2 土建碳排放核算

若不考慮運(yùn)行和拆除階段，土建專業(yè)碳排放根據(jù)能耗來(lái)源和施工順序，可分為原材料生產(chǎn)過(guò)程、原材料運(yùn)輸過(guò)程、施工過(guò)程以及部分辦公管理等其它過(guò)程的碳排放，即：

t總=t材料+t運(yùn)輸+t施工

(1)

式(1)中，t總為總碳排放，單位tCO2e；t材料為原材料生產(chǎn)過(guò)程碳排放，單位tCO2e；t運(yùn)輸為原材料運(yùn)輸過(guò)程碳排放，單位tCO2e；t施工為施工過(guò)程碳排放，單位tCO2e。因此要計(jì)算土建施工碳排放總量需對(duì)上述各階段的碳排放分別進(jìn)行計(jì)算和匯總。

2.1 原材料生產(chǎn)過(guò)程的碳排放

土建原材料包括工程材料和施工過(guò)程的手段用料，即：

t材料=t工程材料+t施工材料

(2)

式(2)中，t材料為原材料生產(chǎn)過(guò)程碳排放，單位tCO2e；t工程材料為工程材料生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，單位tCO2e；t施工材料為施工材料生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，單位tCO2e。

2.1.1 工程材料碳排放的核算

工程原材料碳排放的測(cè)算方法有經(jīng)濟(jì)消耗測(cè)算法和實(shí)物消耗測(cè)算法，其中實(shí)物消耗測(cè)算法以主要建材消耗量和其排放因子進(jìn)行核算，準(zhǔn)確性相對(duì)更高。根據(jù)GB 51366建材生產(chǎn)階段碳排放的計(jì)算公式為[12]：

(3)

式(3)中,Mi為第i種土建材料的消耗量；Fi為第i種土建材料的碳排放因子(tCO2e/單位建材數(shù)量)。

本項(xiàng)目根據(jù)當(dāng)?shù)氐膽T例，土建專業(yè)主要范圍為挖填土方、混凝土基礎(chǔ)、混凝土路面、混凝土檢查井、鋼結(jié)構(gòu)等。本項(xiàng)目土建材料工程量及相應(yīng)碳排放量計(jì)算結(jié)果如表1所示，各類材料碳排放所占比重見圖1。由此可見，原材料中碳排放主要來(lái)源為鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋等金屬結(jié)構(gòu)，其次為混凝土結(jié)構(gòu)。剩余材料由于工程量較少或排放系數(shù)較小CO2排放量相對(duì)較少。

表1 主要土建工程材料碳排放

圖1 土建各類工程材料碳排放

2.1.2 施工手段用料碳排放的核算

工程原材料碳排放的測(cè)算方法有經(jīng)濟(jì)消耗測(cè)算法和實(shí)物消耗測(cè)算法，其中實(shí)物消耗測(cè)算法以主要建材消耗量和其排放因子進(jìn)行核算，準(zhǔn)確性相對(duì)更高(表2和圖2)。根據(jù)GB 51366建材生產(chǎn)階段碳排放的計(jì)算公式為[12]：

圖2 土建各類施工材料碳排放

表2 主要土建施工材料碳排放

(4)

施工手段用料與工程材料的區(qū)別是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況考慮了材料可重復(fù)利用系數(shù)Ui。

因此，施工過(guò)程所使用材料的總碳排放為338063.49 tCO2e，其中工程材料碳排放總量為施工材料的17倍多。

2.2 材料運(yùn)輸過(guò)程的碳排放

材料運(yùn)輸過(guò)程的碳排放也分為工程材料運(yùn)輸碳排放和施工材料運(yùn)輸碳排放兩部分：

t運(yùn)輸=t工程材料運(yùn)輸+t施工材料運(yùn)輸

(5)

式(3)中：t運(yùn)輸為原材料運(yùn)輸過(guò)程碳排放，單位tCO2e；t工程材料運(yùn)輸為工程材料生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，單位tCO2e；t施工材料運(yùn)輸為施工材料生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，單位tCO2e。

2.2.1 工程材料運(yùn)輸過(guò)程碳排放的核算

工程材料運(yùn)輸過(guò)程碳排放與材料數(shù)量、運(yùn)輸距離和不同運(yùn)輸方式的碳排放系數(shù)有關(guān)：

(6)

式(6)中：T工程材料運(yùn)輸為工程材料運(yùn)輸過(guò)程碳排放，單位tCO2e；Mi為第i種工程材料的數(shù)量，單位t；Di為第i種工程材料的運(yùn)輸距離，單位km；Ti為不同運(yùn)輸方式的單位碳排放系數(shù)，鐵路碳排放系數(shù)為0.011 kg CO2e/(t·km)，汽運(yùn)碳排放系數(shù)為0.162 kg CO2e/(t·km)(表3和圖3)。

表3 主要土建工程材料運(yùn)輸過(guò)程碳排放

圖3 土建各類工程材料運(yùn)輸碳排放

2.2.2 施工手段用料運(yùn)輸過(guò)程碳排放的核算

施工手段用料的碳排放(表4、圖4)計(jì)算公式為：

圖4 土建各類施工材料碳排放

表4 主要土建施工材料運(yùn)輸過(guò)程碳排放

(7)

式(7)中：t施工材料運(yùn)輸為工程材料運(yùn)輸過(guò)程碳排放，單位tCO2e；Ui為第i種工程材料的利用率。

為避免重復(fù)計(jì)算，挖填方土中只有外購(gòu)的1.5×105m3回填土計(jì)算原材料碳排放，其它挖填土方碳排放在施工過(guò)程碳排放中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。成品土建材料從廠家到現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸碳排放包含在材料碳排放總量中。項(xiàng)目全部材料運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的碳排放總量為10382.18 tCO2e，工程材料運(yùn)輸所產(chǎn)生的碳排放總量接近施工材料運(yùn)輸碳排放總量的14倍。

2.3 施工過(guò)程的碳排放

在部分施工過(guò)程碳排放的計(jì)算方法中以不同工序如土方開挖、墊層鋪設(shè)、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)、鋼結(jié)構(gòu)安裝等為單位分別進(jìn)行計(jì)算后累加。這種做法會(huì)將計(jì)算過(guò)程變得繁瑣，極易產(chǎn)生重復(fù)統(tǒng)計(jì)或計(jì)算遺漏，且由于參數(shù)較多，針對(duì)各個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確性難以保證。按碳排放輸出進(jìn)行分類計(jì)算則可很大程度上簡(jiǎn)化計(jì)算模型，根據(jù)實(shí)際能源消耗數(shù)據(jù)得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

除了上述已討論的材料碳排放量外土建施工過(guò)程的碳排放按照來(lái)源主要分為人力、機(jī)具兩部分，因此只需將這兩部分碳排放計(jì)算后即可得到施工過(guò)程碳排放：

t施工=t人力+t機(jī)具

(8)

2.3.1 施工過(guò)程人力的碳排放

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，人力碳排放主要由營(yíng)地生活和現(xiàn)場(chǎng)工作活動(dòng)構(gòu)成，包括考慮營(yíng)地基礎(chǔ)設(shè)施和日常衣食、能源、排污、供暖的碳排放，以及休假期間交通碳排放。由于給水、凈化、排污和供暖系統(tǒng)都通過(guò)消耗能源來(lái)提供，因此不做重復(fù)計(jì)算。據(jù)此，人力碳排放為：

t人力=t基礎(chǔ)+t能源+t交通

(9)

按1500名土建專業(yè)工作人員統(tǒng)計(jì)，人均年基礎(chǔ)碳排放為1.29 t[13]，基礎(chǔ)設(shè)施及消費(fèi)總碳排放為1939.74 t。項(xiàng)目期間生活和辦公需消耗柴油2128 t對(duì)應(yīng)碳排放6588.20 t，消耗外購(gòu)商品電2823005 kW·h對(duì)應(yīng)碳排放1129.20 t。因此能源總碳排放為7717.40 t。由于項(xiàng)目人員大多來(lái)自中亞、印度或俄羅斯西部地區(qū)，因此單程距離按從布拉戈維申斯克到莫斯科航空和300 km汽運(yùn)距離考慮。在項(xiàng)目建設(shè)7年周期內(nèi)平均每人往返現(xiàn)場(chǎng)7次，每次動(dòng)遷有20人乘同一航班，4人乘坐同一汽運(yùn)交通工具。按國(guó)際民航組織提供的工具計(jì)算的航空過(guò)程碳排放總量為408.48 t。按國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)提供的140 gCO2e/km的汽運(yùn)碳排放系數(shù)計(jì)算汽運(yùn)碳排放為220.50。因此交通碳排量合計(jì)為628.98 t。

根據(jù)上述各項(xiàng)碳排放合計(jì)土建施工人力碳排放總量為10286.12 tCO2e。

2.3.2 施工過(guò)程機(jī)具的碳排放

施工機(jī)具能量來(lái)源主要有燃油和電力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所有土建專業(yè)用燃油機(jī)具耗油量核算項(xiàng)目建設(shè)周期柴油耗油量為20025.02 t，合計(jì)碳排放量為61995.44 tCO2e。土建專業(yè)外電消耗量約為18000 MW·h，合計(jì)7200 tCO2e。施工機(jī)具碳碳排放總量為69195.44 tCO2e。因此土建施工過(guò)程總碳排放量為79481.56 tCO2e。

項(xiàng)目土建建設(shè)期間總碳排放量為427927.23 tCO2e，其中主要部分為工程材料和施工材料的碳排放，合計(jì)占80.63%。其余部分為建材運(yùn)輸過(guò)程的碳排放占2.43%，施工過(guò)程人力與機(jī)具的碳排放占18.57%。

3 降低土建施工碳排放的措施

3.1 土建材料減排措施

通過(guò)上述分析可以看出AGPP項(xiàng)目土建工作主要碳排放源為建筑材料和施工材料，因此在工程材料方面應(yīng)從設(shè)計(jì)選材開始進(jìn)行優(yōu)化，在滿足強(qiáng)度和壽命指標(biāo)的前提下盡量減少土建材料用量，在保證結(jié)構(gòu)使用性能和美觀效果的前提下盡量采用單位重量碳排放量低的無(wú)機(jī)非金屬材料代替金屬材料和高分子材料。

在施工材料的使用上，應(yīng)在項(xiàng)目前期盡早規(guī)劃籌備，在滿足使用要求的情況下盡量選擇碳排放量小的材料，如采用木跳板代替鋼制或鋁制跳板等。通過(guò)合理安排工期，減少高排放量材料的使用，如將部分冬期保溫施工調(diào)整到夏季執(zhí)行可有效降低保溫苫布的使用，從而實(shí)現(xiàn)降低碳排放的目的。通過(guò)合理優(yōu)化施工方案，通過(guò)地面預(yù)組裝減少高空作業(yè)也可降低腳手架的使用，從而降低由此產(chǎn)生的碳排放。通過(guò)對(duì)各階段和各工序銜接的合理安排以及對(duì)施工材料的有效防護(hù)提高施工材料的重復(fù)利用率也可有效降低施工材料的使用數(shù)量，同時(shí)由此產(chǎn)生的降低固體廢棄物所造成的碳排放。

3.2 材料運(yùn)輸過(guò)程的減排措施

為減少材料運(yùn)輸過(guò)程的碳排放，除了需要設(shè)計(jì)對(duì)選用材料的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化外，還需要根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)情況盡量選用項(xiàng)目所在地資源充足的材料，減少各類工程材料的運(yùn)輸距離。采購(gòu)部門需要及時(shí)搜集當(dāng)?shù)馗黝愘Y源信息，通過(guò)比價(jià)在保證采購(gòu)成本的前提下盡量通過(guò)減少運(yùn)輸距離來(lái)降低碳排放。同時(shí)增強(qiáng)工程材料運(yùn)輸?shù)慕y(tǒng)籌安排，盡量做到將散料集中選擇海運(yùn)、鐵路運(yùn)輸?shù)葐挝恢亓刻寂欧帕康偷募羞\(yùn)輸方式[14]。對(duì)于運(yùn)輸過(guò)程需要保溫的物資盡量安排在夏季運(yùn)輸，進(jìn)一步降低運(yùn)輸過(guò)程的碳排放。施工材料的選擇也應(yīng)因地制宜，在保證使用性能的前提下盡量就近采購(gòu)，通過(guò)大宗采購(gòu)避免零散運(yùn)輸造成的碳排放增加。對(duì)污水等盡量通過(guò)就地處理達(dá)到直接外排要求避免通過(guò)外運(yùn)處理而額外產(chǎn)生的運(yùn)輸排放。

3.3 施工過(guò)程的減排措施

相較于材料和運(yùn)輸，土建的施工過(guò)程具有更大的靈活性因而可采取更多有效的減排措施來(lái)降低建設(shè)項(xiàng)目的整體碳排放水平。

首先在項(xiàng)目籌劃階段就需要對(duì)營(yíng)地位置和水、電條件等進(jìn)行充分的考察和優(yōu)化，盡量縮短項(xiàng)目人員生活營(yíng)地與工作場(chǎng)所之間的距離。爭(zhēng)取正式施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)水電等資源已就位，降低人員通勤、水車運(yùn)輸、柴油發(fā)電等造成的碳排放負(fù)擔(dān)。并通過(guò)制訂科學(xué)合理的項(xiàng)目計(jì)劃將對(duì)溫度要求嚴(yán)格的工作如混凝土、油漆、防火等主要工作量安排在夏季施工，室內(nèi)工作可安排在冬季進(jìn)行。從下圖可以看出碳排放在環(huán)境溫度低的月份明顯高于氣溫低的月份，溫度最低月份的碳排放量是氣溫最高月份的碳排放量的5倍左右，這主要是冬季采暖等冬季施工措施引起的能源消耗增加。因此通過(guò)將冬季施工盡量安排在夏季完成，并減少現(xiàn)場(chǎng)冬季作業(yè)人員可以有效降低施工過(guò)程的碳排放。

圖5 2020年月均環(huán)境溫度和碳排放比較

在施工過(guò)程中通過(guò)有效的管理創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)施工組織加強(qiáng)EPC深度融合，如采用BIM軟件等手段對(duì)項(xiàng)目全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)漏碰缺問(wèn)題，減少工作返工和人員怠工造成的額外碳排放[15]。通過(guò)有效的施工組織和施工管理提高人員和機(jī)具的工作效率和有效利用率，對(duì)碳排放源進(jìn)行管控和壓縮。通過(guò)有效的QHSE管理提高施工成品的一次報(bào)驗(yàn)合格率，保障施工時(shí)機(jī)效率，避免安全質(zhì)量事故給項(xiàng)目造成額外消耗。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，例如通過(guò)積極采用撬裝化等手段加強(qiáng)部分結(jié)構(gòu)的廠家預(yù)制深度，利用廠家的專業(yè)團(tuán)隊(duì)和施工手段降低在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相同工作由于難度增加造成的碳排放。通過(guò)對(duì)低溫油漆等當(dāng)?shù)叵冗M(jìn)技術(shù)的吸收和應(yīng)用降低鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的溫度要求從而達(dá)到有效降低碳排放的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)俄羅斯AGPP項(xiàng)目土建專業(yè)施工過(guò)程碳排放進(jìn)行了分析和計(jì)算，結(jié)果表明項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程土建碳排放的主要部分為工程材料和施工材料的碳排放，合計(jì)占80.63%。其余部分為建材運(yùn)輸過(guò)程的碳排放占2.43%，施工過(guò)程人力與機(jī)具的碳排放占18.57%。其中工程材料的碳排放以鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋為主，二者碳排放之和為工程材料碳排放總量的2/3左右。施工材料中腳手架材料和固體廢棄物的碳排放占3/4左右。鋼結(jié)構(gòu)、混凝土樁和混凝土占工程材料運(yùn)輸產(chǎn)生碳排放的3/4左右，其中鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)輸1項(xiàng)占總工程材料運(yùn)輸碳排放的1/2左右。施工材料運(yùn)輸碳排放主要來(lái)自腳手架和跳板的運(yùn)輸，二者合計(jì)超過(guò)施工材料碳排放總量的80%。施工過(guò)程總碳排放量79481.56 tCO2e，其中主要為施工機(jī)具碳排放，占87.10%。

為降低土建施工階段的碳排放，需要在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段即開始選材優(yōu)化，在滿足工程要求的前提下盡量選用當(dāng)?shù)刭Y源豐富且碳排放量相對(duì)較低的材料。采購(gòu)階段應(yīng)充分調(diào)研搜集當(dāng)?shù)馗鞣N材料市場(chǎng)信息，盡量縮短運(yùn)輸距離，并根據(jù)材料溫度、濕度等要求統(tǒng)籌考慮集中采購(gòu)和運(yùn)輸，以便于采用碳排放量相對(duì)較低的運(yùn)輸方式。施工之前應(yīng)對(duì)營(yíng)地位置和當(dāng)?shù)厮姷仁┕べY源充分調(diào)研、對(duì)污水處理等合理規(guī)劃。施工過(guò)程通過(guò)管理創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)一步提高人員工作效率和機(jī)具利用率：合理安排施工計(jì)劃和工序。通過(guò)精細(xì)化管理針對(duì)各項(xiàng)工作選擇適用的施工機(jī)械設(shè)備，避免單臺(tái)盈余過(guò)大、數(shù)量過(guò)多而增加排放。嚴(yán)格QHSE控制，提高產(chǎn)品合格率，進(jìn)一步降低因返工或事故等原因造成的施工過(guò)程碳排放總量。