基于组织的温室气体排放核算及在线监测系统的设计与实现

张孝军 程银堡 吴 军 范 超

(国家城市能源计量中心(安徽)，合肥 230051)



基于组织的温室气体排放核算及在线监测系统的设计与实现

张孝军 程银堡 吴 军 范 超

(国家城市能源计量中心(安徽)，合肥 230051)

本文结合温室气体(GHG)排放量的计算方法及产生排放资源数据采集和碳排放强度在线监测技术，研究建立基于组织的GHG排放在线监测平台的方法。包括GHG排放在线监测平台的设计与实现、数据采集与监测方法、GHG排放因子测算和数据质量研究、排放数据的软件自动生成和分析；研究目标立足于解决当前GHG排放量核算难、核算不准的实际问题，具有较强的实用性和公益性。

温室气体排放清单；基于组织；在线监测

0 引言

目前，国际常用的碳排放核算标准有CDM(清洁发展机制)、GS(黄金标准)、VCS和VOS等，但这些标准都是基于项目层面的，不适用于组织(机构)层次的排放量计算。只有2006年3月发布的ISO14064-l：2006《温室气体-第一部分：在组织层面温室气体排放和移除的量化和报告指南性规范》[1]是基于组织的温室气体排放量核算标准，不过这个标准未涉及到核算的具体方法，也未能覆盖中国国情的需要。在这样的背景下，我们认为研究基于组织的温室气体排放核算方法及在线监测系统意义重大：一是可以服务于我国政府提出的单位GDP碳排放量考查的要求；二是可以为组织特别是企业建立单位产值碳排放强度记录提供依据，使企业做到心中有数，能有的放矢地采取减排措施；三是可以作为碳交易的基础工具发挥作用；本文旨在探讨建立温室气体排放在线监测平台需要解决的技术问题[2]及实现的可能性。

1 系统总体框架

利用物联网技术搭建GHG在线监测系统，可对企业或公共机构等的排放数据实现实时在线监测。物联网是指通过信息传感设备如GPRS、射频设备(RFID)等，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[3]。通常情况下，物联网系统由感知层、网络层和应用层构成[4]。感知层主要包括各种信息传感技术，进行数据的识别和采集。网络层包括互联网、3G无线网络和物联网的信息中心等。当感知层的信息传到网络层时，由网络层进行转换与处理，并储存数据以等待应用，网络层是感知层和应用层的中间环节，起着承上启下的作用。应用层将网络层所储存的数据运用到实际应用中。

本系统从底层逐级向上可分为三个层次，分别是：数据采集层、通讯网络和GHG排放在线监测平台。GHG排放在线监测平台通过通信网络与数据采集终端交换数据、发起和应答指令。在组织(机构)现场有一套或多套计量数据采集设备，计量数据采集设备具有模拟或数字输出接口或通信接口，连接到独立的计量数据采集终端，GHG排放在线监测平台通过数据采集终端实现数据交换和收发指令。系统的数据结构如图1所示。

图1 系统的总体框架

2 在线监测及排放清单编制的实现路径及方法

温室气体(GHG)排放监测及核算的目的在于编制GHG排放清单，编制清单首先要明确核算范围，《京都议定书》和ISO14064-1：2006中明确以6类气体作为温室气体核算范围，这6类气体是二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)和六氟化硫(SF6)。因此，我们首先需要采用财务控制或运营控制的方法确定应包含在组织的GHG排放核算范围内的业务，即依据ISO14064—l的相关原则确定组织边界，并在组织边界内确定主要的GHG源，同时明确其是直接排放源还是间接排放源，并因此确定监测和核算的方法。

间接排放源是指因组织活动引起但被其它组织拥有或控制的GHG源，包括因组织所消耗的外购电力、热力(蒸汽)、新水的生产和配送造成的GHG排放；组织产生的但由其它组织管理的废弃物处理的排放；组织员工公务出差的排放；外包活动、契约制造的排放；以及来自所采购原物料和初级物料的生产造成的排放。间接排放源可以通过统计的方法获得。

直接排放源是组织实际拥有或控制的GHG源，包括能源的开采生产、加工转化及输配送过程、化石燃料燃烧过程、生物质燃料燃烧过程和工业产品使用以及废弃物处理过程中产生的GHG排放。直接排放源的排放数据可以通过直接测量获得，也可根据具体设施或工艺的物质平衡或化学当量计算得到，但最普遍的做法是将通过监测获得的活动水平数据和排放因子相乘得出。实现这个功能则需要建立下文所述的具有监测能力的软、硬件系统。

2.1 硬件系统

在组织现场采集的计量数据主要是活动水平数据，活动水平数据采集使用的计量传感器种类较多，除电能表外，其他的通信协议均无相关的国家标准。我们研究一套能支持多种不同协议的活动水平数据采集终端，该采集终端拟通过模拟量、485总线、串口、以太网等接口采集各种传感器的数据，并对采集的各类参数进行存储和处理，并按安徽省地方标准DB34∕T 1812—2013《能源计量数据采集与传输通讯协议技术规范》通过GPRS把数据上传至数据中心。

在组织现场采集的另一类计量数据用于确定排放因子值。如火电行业排放因子会因为不同技术水平、不同煤质来源和区域差异而不同，有研究者利用U23多组分红外气体分析仪及TH880F烟尘分析仪对全国39台具有代表性的火力发电机组排放的CO2和N2O量进行了在线监测[5]，其检测数据就可以作为一个输入值通过GPRS把数据上传至数据中心，用于排放因子的确定。当然，排放因子的获取也可以采用权威机构提供的默认值。

同时监测系统的硬件系统应具有以下功能：

1)使用的计量仪表要具有数传功能；

2)数据存储功能。且能保证通信中断后丢失的数据在通信恢复后同步更新；

3)屏幕显示功能。可方便查看并设置参数，实时显示各个参数采样值。

为此，本系统采用ARM9微处理器平台，人机接口采用240×320液晶触摸屏接口，终端与远程监控之间通过以太网来通讯，串口的扩展采用MAX3232。以太网芯片采用比较常用的10/l00M自适应以太网接口芯片DM9000。考虑到数据存储的点数要求较高，采用32M的RAM卡进行存储。

2.2 软件设计

结合核算范围、计算方法及需要输出的总排放量、排放强度、排放变幅等关键指标的条件和要求，开发基于组织的GHG排放量在线监测系统软件。软件采用嵌入式Linux操作系统，其具有源代码公开、内核功能强大、支持多种硬件平台、网络通信功能完善、友好的GUI界面、支持多种文件系统、驱动丰富且可支持周边设备等众多优点。数据采集终端的功能模块构建于嵌入式Linux之上，采用较为成熟的Linux 2.4内核。为实现活动水平数据和排放因子采集终端的功能，软件划分为3个模块，分别负责与远程监控站的通讯，与现场仪表的通讯以及处理人机交互。

其中，与远程监控站的通讯需要实现应用层协议，协议的实现需考虑传输效率、移植和能否方便传输多种类型数据等因素。为便于管理员查询信息，系统同时提供基于浏览器/服务器模式的浏览方式。通常有两种做法：一是在数据采集终端上移植嵌入式Web服务器，管理员访问集中器上的数据库；二是将数据存储于监控站并建立Web服务器，用户通过浏览器访问监控站上的数据库。与现场仪表之间的通讯需要实现485总线通讯协议层。人机接口模块引入嵌入式图形接口MiniGUI，需要对用户界面进行移植，包括：驱动程序的编写、图形用户界面输入接口层移植，以及用户界面和界面功能的实现。人机接口开发的难点在于LCD触摸屏驱动开发和MiniGUI输入接口层的移植。

适应我国的政府和企业需求，在GHG排放清单编制中一般至少应有总排放量、排放强度和排放变幅三个指标。

同时在计算一个组织的减排量之前，要首先建立GHG排放和增加值的历史基准年。由于我国设立的减排目标是以2005年为比较基准的，因此应首选2005年作为基准年。如果无法获得2005年的数据，则使用拥有可靠GHG排放数据的最早时间点作为基准年。

而在本系统中，只需将获得的组织各个工序、设备的活动水平数据、排放因子等有关参数输入，软件将自动完成计算，获得GHG排放量化结果并对组织排放情况进行各种分析。可选择时间段、行业种类、排放种类等条件显示总排放量、排放强度、排放变幅等指标监测结果，以折线图、直方图、饼形图和表格等形式进行显示，并分别作出总排放、排放对比、单位产品排放等结果分析。

2.3 示范实施

选取列入万家企业节能减排名单的安徽企业及大型公共机构推广实施本系统，进行数据采集及软件运行测试，检验系统的运行能力，并结合示范案例，建立合适的质量管理体系，保证GHG排放量监测结果的准确性；对活动水平数据、排放因子及GHG排放量化结果进行测量不确定度分析，并使不确定度置于合理的置信区间和误差范围内。为在安徽省重点耗能企业及公共机构中推广运行积累经验。

3 结束语

本文结合ISO 14064—l中GHG计算方法及能源消耗数据和碳排放强度在线监测技术，研究和建立GHG排放在线监测平台，可以快速提供准确客观的GHG排放数据。研究内容包括GHG排放在线监测平台的设计与实现、产生GHG排放的原始资源消耗数据采集与监测方法研究、GHG排放因子测算和数据质量研究、GHG排放量计算方法研究；研究目标立足于解决当前GHG排放量核算难、核算不准的实际问题，具有较强的实用性和公益性，对于应对气候变化和落实《“十二五”控制温室气体排放工作方案》具有重要的技术支撑作用。

[1] ISO 14064-1：2006 温室气体 第一部分 组织层次上对温室气体排放和清除的量化和报告的规范及指南

[2] 程银宝.基于物联网的能耗数据采集系统的研究.黑龙江大学工程学报，2012(3)

[3] 陶冶，殷振华.物联网在工业中的应用[J].科学之友，2010(12)

[4] 朱铭杰.基于物联网技术的监控应用[J].信息与电脑，2011(6)

[5] 火电行业温室气体排放因子测算与排放量估算及减排对策[D].南京信息工程大学，2010

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.12