李紅鏑,周韻梓

(重慶交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,重慶 40074)

0 引 言

“碳中和”是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動(dòng)或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi),直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量通過植樹造林、節(jié)能減排等形式,抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放量,實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消,達(dá)到相對“零排放”。我國提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

我國公路工程項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模較大、建設(shè)以及使用周期長,在建設(shè)和使用過程中會(huì)消耗大量的資源以及能源,導(dǎo)致大量溫室氣體排放。目前針對“碳中和”的研究主要是定性研究,分為對“碳中和”理念的解讀[1-2]與分析國家相關(guān)政策[3-5],相關(guān)定量研究較少,集中于單一測算某項(xiàng)建設(shè)工程項(xiàng)目的碳排放量[6-8],缺少直接運(yùn)用定量方法將建設(shè)工程項(xiàng)目與“碳中和”理念進(jìn)行結(jié)合研究的文獻(xiàn)。

在實(shí)際施工過程中,某一單位工程的施工無法完全實(shí)現(xiàn)碳排放與碳吸收相抵,但可以遵循“碳中和”理念,在造價(jià)合理的情況下不斷完善綠色施工方案。

筆者綠色低碳的施工方案評價(jià)以公路工程為研究對象,對施工方案從碳中和以及造價(jià)成本雙目標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。

1 基于碳中和理念的公路工程綠色低碳施工系統(tǒng)正負(fù)熵模型

1.1 公路工程施工系統(tǒng)與熵理論結(jié)合

熵是物理學(xué)中熱力學(xué)第二定律的概念,用于度量系統(tǒng)的混亂程度。熵又分為熵增、熵減以及負(fù)熵3種形態(tài),其中熵增代表著系統(tǒng)功能性減弱,相反熵減代表著系統(tǒng)功能性增強(qiáng),負(fù)熵則可帶來熵減即系統(tǒng)功能性增強(qiáng)的活性因子。熵的定義實(shí)際上是一個(gè)隨機(jī)變量的不確定性,熵增越大,隨機(jī)變量不確定性越大,反之亦然。耗散結(jié)構(gòu)是熵值理論的進(jìn)一步發(fā)展,公路工程施工系統(tǒng)符合耗散結(jié)構(gòu)的典型特征,即開放系統(tǒng)且非線性,因此可以將公路工程施工系統(tǒng)類比為一個(gè)耗散系統(tǒng)[9]。

公路工程施工方案從“碳中和”的角度,有碳排放的施工內(nèi)容,比如材料運(yùn)輸、施工機(jī)械等,也有碳吸收的施工內(nèi)容,包括使用可再生能源輸出的碳吸收量等;碳排放可以視為公路工程施工系統(tǒng)中的熵增,碳吸收則可以視為熵減。增加碳吸收技術(shù)導(dǎo)致施工系統(tǒng)的造價(jià)成本升高,即造價(jià)成本也視為公路工程施工系統(tǒng)的熵增。通過熵理論與公路工程施工系統(tǒng)的結(jié)合,引出正負(fù)熵值模型。

1.2 正負(fù)熵值模型

正負(fù)熵值模型利用熵值理論,以公路工程施工系統(tǒng)為背景,將碳排放量、碳吸收量以及造價(jià)成本這3個(gè)不同量綱單位的指標(biāo)轉(zhuǎn)化成同一個(gè)計(jì)量指標(biāo)進(jìn)行定量計(jì)算。

引入詹姆士(E.T.JAYNES)信息熵公式,并以此公式為基礎(chǔ)構(gòu)建正負(fù)熵值模型。詹姆士提出了最大熵原理,并將信息熵模型與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)結(jié)合,定義了信息熵公式[10]:

(1)

式中:S為詹姆士信息熵值;k為根據(jù)耗散系統(tǒng)而設(shè)定的玻爾茲曼系數(shù);Pi為耗散系統(tǒng)中某個(gè)因素出現(xiàn)的概率,也是在系統(tǒng)中的權(quán)重。

式(1)可將不同類型的定量指標(biāo)轉(zhuǎn)化到同一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)中以熵值的形式存在,即熵值越大耗散結(jié)構(gòu)混亂程度越大,熵值越小系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定[10]。

公路工程施工系統(tǒng)符合耗散系統(tǒng)的定義,比對詹姆士最大熵值公式構(gòu)建正負(fù)熵值模型,定義正負(fù)熵值模型中的正負(fù)熵值公式,該公式將公路工程施工方案中的碳排放因素以及造價(jià)成本因素?fù)Q算為熵值,如式(2)～式(4):

(2)

(3)

S=S1×i1+S2×i2

(4)

式(2)為正熵公式,代表了公路工程施工耗散系統(tǒng)過程中的熵增過程。式(3)為負(fù)熵公式,代表了公路工程施工耗散系統(tǒng)過程中的熵減過程。式(4)為施工總熵公式,即正熵值與負(fù)熵值的累加值。其中,S1、S2分別為施工系統(tǒng)正熵值與負(fù)熵值;KB為使用某種施工方案的碳排放量,由碳排放量因子計(jì)算所得;KC為某項(xiàng)施工工藝在公路工程壽命期內(nèi)帶來的環(huán)保收益或者花費(fèi);I為吸收每單位的二氧化碳所需要的花費(fèi)換算系數(shù),I的單位與KB保持一致;KA為使用某種施工方案下該工藝的每公里平均造價(jià);x1、x2分別為影響碳排放和造價(jià)成本的某種因素;x3為影響施工系統(tǒng)負(fù)熵的某種因素;Px1、Px2分別為施工系統(tǒng)正熵值中碳排放和造價(jià)成本的影響因子權(quán)重;當(dāng)施工系統(tǒng)成功引入了負(fù)熵流時(shí),Lx3為該負(fù)熵流根據(jù)指標(biāo)體系中的環(huán)保技術(shù)以及碳吸收方面所確定的權(quán)重,當(dāng)施工系統(tǒng)并沒有負(fù)熵流發(fā)生時(shí),Lx3等于施工正熵中的Px1值;i1為施工系統(tǒng)正熵值的權(quán)重;i2為施工系統(tǒng)負(fù)熵值的權(quán)重。S越小,代表公路工程施工方案在碳中和目標(biāo)以及造價(jià)成本目標(biāo)雙目標(biāo)越占優(yōu),越貼合碳中和綠色低碳施工理念。

2 權(quán)重參數(shù)確定

2.1 公路工程綠色低碳指標(biāo)評價(jià)體系

正負(fù)熵值模型的計(jì)算需要各影響因素的權(quán)重來,所以需要構(gòu)建指標(biāo)評價(jià)體得出指標(biāo)權(quán)重。

公路工程施工系統(tǒng)可以類比為一個(gè)耗散系統(tǒng),在這個(gè)耗散系統(tǒng)中各種影響因素可以在熵值理論中使用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型[11]在壓力、狀態(tài)、響應(yīng)這3個(gè)方面與熵增、熵減、負(fù)熵流3個(gè)形態(tài)對應(yīng),模型區(qū)分了這3類指標(biāo):①壓力指標(biāo)表現(xiàn)了人類活動(dòng)對環(huán)境的影響,對應(yīng)著熵值理論中的熵增過程;②狀態(tài)指標(biāo)表現(xiàn)了特定時(shí)間階段的環(huán)境狀態(tài)和其情況,對應(yīng)了耗散過程中引入負(fù)熵流后系統(tǒng)的狀態(tài),即熵減過程;③響應(yīng)指標(biāo)是人類有意識的行動(dòng)來減輕、阻止、恢復(fù)和預(yù)防人類活動(dòng)對環(huán)境的負(fù)面影響,對應(yīng)了耗散過程中的負(fù)熵流,即熵值理論中的負(fù)熵。

運(yùn)用PSR模型和熵值理論結(jié)合的方法構(gòu)建評價(jià)體系,可減輕傳統(tǒng)方法(調(diào)查研究法、目標(biāo)分解法、多元統(tǒng)計(jì)法等)指標(biāo)之間缺乏必要聯(lián)系,指標(biāo)取舍具有較強(qiáng)主觀性和隨意性的影響,可構(gòu)建基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工評價(jià)體系。

在公路工程施工系統(tǒng)中,施工過程中的碳排放以及施工過程的造價(jià)成本升高都對應(yīng)熵值過程;施工環(huán)保技術(shù)代表綠色低碳施工技術(shù)程度,映射著生態(tài)環(huán)境的狀態(tài);碳吸收是施工系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)中引入的負(fù)熵流,代表熵減過程。

碳排放、造價(jià)成本、碳吸收以及環(huán)保技術(shù)4者之間的關(guān)系如圖1。根據(jù)碳吸收、碳排放、環(huán)保技術(shù)3個(gè)方面構(gòu)建公路工程低碳綠色施工評價(jià)指標(biāo)體系,評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建過程如圖2。

圖1 基于碳中和理念的公路工程綠色低碳PSR模型Fig. 1 Green and low carbon PSR model of highway engineering based on carbon neutralization concept

在公路工程施工過程中,碳排放主要表現(xiàn)為原材料活動(dòng)和施工影響的碳排放;造價(jià)成本主要表現(xiàn)為施工成本以及其他成本;碳吸收主要表現(xiàn)為項(xiàng)目的綠化建設(shè)以及碳抵消;環(huán)保技術(shù)為在施工現(xiàn)場中對綠色施工的管理以及施工機(jī)械設(shè)備的使用等。細(xì)化這4個(gè)方面的指標(biāo),構(gòu)建了基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工評價(jià)指標(biāo)體系如表1。

表1 基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工指標(biāo)體系Table 1 Low carbon green construction index system of highway engineering based on carbon neutralization concept

2.2 確定權(quán)重

構(gòu)建了評價(jià)指標(biāo)體系后,對不同的指標(biāo)賦予權(quán)重,表示其重要程度。由于構(gòu)建的評價(jià)體系指標(biāo)較多,傳統(tǒng)的層次分析法計(jì)算過程復(fù)雜,序關(guān)系分析法是一種不需要構(gòu)建判斷矩陣、無需矩陣一次性檢驗(yàn)、計(jì)算量較少且對同一級指標(biāo)個(gè)數(shù)無明顯限制,所以采用序關(guān)系分析法來確定指標(biāo)的權(quán)重。

基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工指標(biāo)體系一級指標(biāo),構(gòu)建成了一個(gè)指標(biāo)集A={a1,a2,a3,a4},其中a1、a2、a3、a4分別代表著環(huán)保技術(shù)、碳排放、造價(jià)成本、碳吸收?；诘聽柗瀑x權(quán)法,請專家對指標(biāo)集中指標(biāo)的重要程度進(jìn)行排序,得出a3>a1>a2>a4,組成了序關(guān)系。

序關(guān)系賦值規(guī)定1.0、1.2、1.4、1.6、1.8分別對應(yīng)后者比前者同樣、稍微、明顯、強(qiáng)烈、極端重要。據(jù)此得到r1、r2、r3、r4,分別對應(yīng)著指標(biāo)a1,a2,a3,a4的權(quán)重,其中r1=1.0,r2=1.2,r3=1.4、r4=1.6。

再由式(5)、式(6)計(jì)算得出一級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為:w4=0.13,w3=0.21,w2=0.30,w1=0.36。

(5)

wn-1=rkwk,k=m,m-1,…,2

(6)

式中:wn代表各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),n=1～4,在n=4時(shí)按式(5)計(jì)算,其余情況按式(6)計(jì)算。

因此得到一級指標(biāo)權(quán)重向量:

w=(0.36,0.30,0.21,0.13)T。

采用同樣的計(jì)算方法得到二級指標(biāo)和三級指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)果如表3。

由表2可以得出Lx2、Lx3,Px1、Px2,其分別由評價(jià)指標(biāo)體系中碳排放以及造價(jià)成本的權(quán)重加權(quán)計(jì)算所得。

表2 指標(biāo)體系權(quán)重Table 2 Weight of index system

式(4)中的i1以及i2則是由正熵和負(fù)熵在總指標(biāo)體系中所占比重得出,由表1可以確定正熵權(quán)重為0.43,負(fù)熵權(quán)重為0.21.

3 施工方案評價(jià)方法

設(shè)置了3個(gè)情景來使用正負(fù)熵值模型對該公路工程施工方案進(jìn)行評價(jià)。

僅考慮造價(jià)成本因素(情景1),所得的施工系統(tǒng)熵值將比較不同施工方案在造價(jià)成本方面的優(yōu)劣程度,驗(yàn)證模型所得熵值是否符合實(shí)際施工中低碳綠色施工方案造價(jià)成本高的情況。

情景1中,式(2)、式(4)調(diào)整為:

(7)

(8)

僅考慮碳中和因素(情景2),所得的施工系統(tǒng)熵值將比較不同施工方案在碳中和理念方面的優(yōu)劣程度,查看施工方案是否引進(jìn)了負(fù)熵流。

情景2中,式(2)～式(4)調(diào)整為:

(9)

(10)

(11)

綜合考慮碳中和、造價(jià)成本因素(情景3),所得的施工系統(tǒng)熵值即為一般情況下正負(fù)熵值模型的計(jì)算結(jié)果,計(jì)算公式同式(2)～式(4)。

4 實(shí)際案例應(yīng)用

4.1 案例簡述

G352務(wù)川道角至藕塘公路擴(kuò)建工程位于遵義市務(wù)川境內(nèi),以此工程的二級公路段為例,驗(yàn)證正負(fù)熵值模型在基于碳中和理念的公路工程低碳綠色施工體系評價(jià)的可行性。

可選取任意一組施工方案進(jìn)行研究評價(jià),筆者選取G352務(wù)川道角至藕塘公路擴(kuò)建工程的排水防護(hù)施工方案為研究對象。根據(jù)工程量清單可知,該公路擴(kuò)建工程的排水防護(hù)采用的是傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件,雖然有節(jié)約施工時(shí)間的優(yōu)點(diǎn),但預(yù)制件在預(yù)制過程中仍然會(huì)釋放大量的碳元素?？梢圆捎蒙鷳B(tài)砌塊預(yù)制件作為排水防護(hù),在保證預(yù)制件強(qiáng)度的情況下,充分利用石場廢料、石屑等固體廢料進(jìn)行加工,可以提高生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)工廠化施工。生態(tài)砌塊預(yù)制件和傳統(tǒng)的混凝土預(yù)制件相比,可以節(jié)約資源、提高石材利用率、減少對環(huán)境的污染,但在造價(jià)方面成本,生態(tài)砌塊預(yù)制件略高于傳統(tǒng)的混凝土預(yù)制件。

4.2 正負(fù)熵值模型的案例運(yùn)用

根據(jù)所建立的正負(fù)熵值模型以及施工方案評價(jià)方法,計(jì)算G352務(wù)川道角至藕塘公路擴(kuò)建工程項(xiàng)目的一組排水防護(hù)的施工方案的基于碳中和理念的低碳綠色施工總熵值大小,并分析提出的新低碳環(huán)保施工技術(shù)是否使總熵值減少,即提高項(xiàng)目貫徹碳中和理念的程度。

查看該工程的工程量清單可知,若排水防護(hù)使用傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件,每公里造價(jià)為239 165.8元,占總造價(jià)的比重為0.53%,公路采用該施工方式每公里造價(jià)為45 125 614.3元;使用生態(tài)砌塊預(yù)制件,每公里造價(jià)為291 279.3元,占總造價(jià)比重為0.64%,公路采用該施工方式每公里造價(jià)為45 512 346.8元。

依照GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》和《國家溫室氣體清單指南》所規(guī)定的施工階段各項(xiàng)機(jī)械以及所使用能源的碳排放因子及建設(shè)項(xiàng)目階段碳排放計(jì)量公式,計(jì)算出模型公式各部分中KB值。采用傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件排水防護(hù)施工方案的KB=34,采用生態(tài)砌塊預(yù)制件排水防護(hù)施工方案的KB=67。

一年內(nèi)每平方米樹木可吸收污染氣體和懸浮顆粒物為373 kg,可吸收的二氧化碳為67 kg[12],該公路設(shè)計(jì)年限為20年,在這期間每平方米樹木可吸收二氧化碳為1 340 kg;2012年北京市林業(yè)局測算植樹造林成本為每畝3萬元,經(jīng)估算當(dāng)下植樹造林成本為每畝6.6萬元;現(xiàn)將I統(tǒng)一使用該地區(qū)吸收每單位的二氧化碳所需要植樹造林的花費(fèi)來計(jì)算[12],得到I=410.96。

傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件在施工過程中涉及到了原材料活動(dòng)的碳排放、施工的影響的碳排放,在施工完成后需要返修維護(hù),增加了施工管理。傳統(tǒng)預(yù)制件的Px1=0.73,Px2=0.77。

生態(tài)砌塊預(yù)制件施工方式涉及原材料活動(dòng)的碳排放、施工的影響的碳排放,增加了人工成本、施工機(jī)械成本,還涉及到了環(huán)保技術(shù)中的材料節(jié)約利用和資源能源回收利用,因此生態(tài)砌塊預(yù)制件的Px1=0.57,Px2=0.62,Lx3=0.57。

根據(jù)有關(guān)學(xué)者對空氣污染造成的經(jīng)濟(jì)損失的論文研究中[12-13]提出的空氣污染產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失可以達(dá)到該地區(qū)國民收入的3%～10%,可以計(jì)算出一年每m2的植被吸收有害氣體帶的經(jīng)濟(jì)效益為 136元/年。以該二級公路設(shè)計(jì)年限 20年計(jì)算,該擴(kuò)建公路工程生態(tài)砌塊排水防護(hù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益大概為179 864.4元。

使用第3節(jié)的施工方案評價(jià)方法開展模型計(jì)算,由式(2)～式(4),以及其變式(7)～式(11)計(jì)算3種情景下2種施工方案的施工熵值,計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results

由表3可知:

1)在情景1時(shí),把2種方案的造價(jià)通過正負(fù)熵值模型轉(zhuǎn)化為熵值,傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件施工方案要略微優(yōu)于生態(tài)砌塊預(yù)制件施工方案。

2)在情景2時(shí),生態(tài)砌塊預(yù)制件施工方案的施工系統(tǒng)熵值小于0,證明在施工系統(tǒng)中引入了負(fù)熵流。傳統(tǒng)混凝土預(yù)制件并沒有引入負(fù)熵流,使得在碳排放方面生態(tài)砌塊預(yù)制件占優(yōu)。

3)在情景3時(shí),生態(tài)砌塊排水防護(hù)的施工熵值小于使用傳統(tǒng)預(yù)制件的排水防護(hù)施工熵值。

綜合3種情景的計(jì)算結(jié)果,在施工過程中采用生態(tài)砌塊排水防護(hù)施工方案付出造價(jià)成本比使用傳統(tǒng)預(yù)制件高,但在整個(gè)壽命期內(nèi),前者產(chǎn)生了環(huán)保效益,引入了負(fù)熵流,且產(chǎn)生的環(huán)保效益在造價(jià)成本可控的范圍內(nèi),使得施工總熵值減少;若進(jìn)一步的降低生態(tài)砌塊排水防護(hù)施工方案的造價(jià)成本,或者提高碳吸收量,施工系統(tǒng)總熵值會(huì)進(jìn)一步降低,施工方案得到優(yōu)化,同理,若降低傳統(tǒng)預(yù)制塊施工方案的碳排放量,也會(huì)得到同樣的結(jié)果。未來施工技術(shù)的發(fā)展可以從進(jìn)一步改善低碳施工技術(shù)的造價(jià)成本、在造價(jià)可控的范圍內(nèi)提高綠色低碳程度入手。

綜上,確定生態(tài)砌塊排水防護(hù)比傳統(tǒng)預(yù)制件防護(hù)要更貼合“碳中和”理念以及造價(jià)雙目標(biāo),符合可持續(xù)發(fā)展要求。同理可以運(yùn)用以上模型計(jì)算公路工程施工系統(tǒng)中其他施工方案的施工熵值,通過比較熵值大小確定更加貼合“碳中和”理念與造價(jià)雙目標(biāo)的施工方案。

5 結(jié) 語

筆者通過定義基于“碳中和”理念和造價(jià)成本雙目標(biāo)的公路工程綠色低碳施工方案,建立正負(fù)熵值模型,將公路工程施工過程中的碳中和理念和造價(jià)成本引入進(jìn)熵值理論中,利用正負(fù)熵值模型對公路工程的施工方案進(jìn)行比較分析,為公路工程貫徹落實(shí)“碳中和”理念提供了一條可行的思路,通過這個(gè)模型,計(jì)算得出生態(tài)砌塊排水防護(hù)施工方案的施工總熵值為26 944.7,使用傳統(tǒng)預(yù)制件防護(hù)的施工總熵值為29 447.6,前者小于后者,證明生態(tài)砌塊排水防護(hù)施工方案在“碳中和”理念以及造價(jià)雙目標(biāo)下更為占優(yōu)。即可以計(jì)算對比不同施工方案的施工熵值,若環(huán)保方案的施工熵值較小,則該環(huán)保方案可以較為廣泛地使用,不會(huì)過多影響到公路項(xiàng)目的成本;若環(huán)保方案的施工熵值較大,則說明該環(huán)保方案的施工工藝還不夠成熟,需要進(jìn)一步地改進(jìn),若推行該環(huán)保方案則有可能會(huì)影響到公路工程項(xiàng)目的建設(shè);也指出了未來施工技術(shù)的發(fā)展可以從進(jìn)一步改善低碳施工技術(shù)的造價(jià)成本、在造價(jià)可控的范圍內(nèi)提高綠色低碳程度入手。