公路工程绿色低碳施工方案评价——基于“碳中和”与造价双目标

李红镝,周韵梓

(重庆交通大学 经济与管理学院,重庆 40074)

0 引 言

“碳中和”是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内,直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量通过植树造林、节能减排等形式,抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。我国提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现“碳中和”。

我国公路工程项目建设规模较大、建设以及使用周期长,在建设和使用过程中会消耗大量的资源以及能源,导致大量温室气体排放。目前针对“碳中和”的研究主要是定性研究,分为对“碳中和”理念的解读[1-2]与分析国家相关政策[3-5],相关定量研究较少,集中于单一测算某项建设工程项目的碳排放量[6-8],缺少直接运用定量方法将建设工程项目与“碳中和”理念进行结合研究的文献。

在实际施工过程中,某一单位工程的施工无法完全实现碳排放与碳吸收相抵,但可以遵循“碳中和”理念,在造价合理的情况下不断完善绿色施工方案。

笔者绿色低碳的施工方案评价以公路工程为研究对象,对施工方案从碳中和以及造价成本双目标进行评价。

1 基于碳中和理念的公路工程绿色低碳施工系统正负熵模型

1.1 公路工程施工系统与熵理论结合

熵是物理学中热力学第二定律的概念,用于度量系统的混乱程度。熵又分为熵增、熵减以及负熵3种形态,其中熵增代表着系统功能性减弱,相反熵减代表着系统功能性增强,负熵则可带来熵减即系统功能性增强的活性因子。熵的定义实际上是一个随机变量的不确定性,熵增越大,随机变量不确定性越大,反之亦然。耗散结构是熵值理论的进一步发展,公路工程施工系统符合耗散结构的典型特征,即开放系统且非线性,因此可以将公路工程施工系统类比为一个耗散系统[9]。

公路工程施工方案从“碳中和”的角度,有碳排放的施工内容,比如材料运输、施工机械等,也有碳吸收的施工内容,包括使用可再生能源输出的碳吸收量等;碳排放可以视为公路工程施工系统中的熵增,碳吸收则可以视为熵减。增加碳吸收技术导致施工系统的造价成本升高,即造价成本也视为公路工程施工系统的熵增。通过熵理论与公路工程施工系统的结合,引出正负熵值模型。

1.2 正负熵值模型

正负熵值模型利用熵值理论,以公路工程施工系统为背景,将碳排放量、碳吸收量以及造价成本这3个不同量纲单位的指标转化成同一个计量指标进行定量计算。

引入詹姆士(E.T.JAYNES)信息熵公式,并以此公式为基础构建正负熵值模型。詹姆士提出了最大熵原理,并将信息熵模型与统计物理学结合,定义了信息熵公式[10]:

(1)

式中:S为詹姆士信息熵值;k为根据耗散系统而设定的玻尔兹曼系数;Pi为耗散系统中某个因素出现的概率,也是在系统中的权重。

式(1)可将不同类型的定量指标转化到同一个耗散结构中以熵值的形式存在,即熵值越大耗散结构混乱程度越大,熵值越小系统越趋于稳定[10]。

公路工程施工系统符合耗散系统的定义,比对詹姆士最大熵值公式构建正负熵值模型,定义正负熵值模型中的正负熵值公式,该公式将公路工程施工方案中的碳排放因素以及造价成本因素换算为熵值,如式(2)～式(4):

(2)

(3)

S=S1×i1+S2×i2

(4)

式(2)为正熵公式,代表了公路工程施工耗散系统过程中的熵增过程。式(3)为负熵公式,代表了公路工程施工耗散系统过程中的熵减过程。式(4)为施工总熵公式,即正熵值与负熵值的累加值。其中,S1、S2分别为施工系统正熵值与负熵值;KB为使用某种施工方案的碳排放量,由碳排放量因子计算所得;KC为某项施工工艺在公路工程寿命期内带来的环保收益或者花费;I为吸收每单位的二氧化碳所需要的花费换算系数,I的单位与KB保持一致;KA为使用某种施工方案下该工艺的每公里平均造价;x1、x2分别为影响碳排放和造价成本的某种因素;x3为影响施工系统负熵的某种因素;Px1、Px2分别为施工系统正熵值中碳排放和造价成本的影响因子权重;当施工系统成功引入了负熵流时,Lx3为该负熵流根据指标体系中的环保技术以及碳吸收方面所确定的权重,当施工系统并没有负熵流发生时,Lx3等于施工正熵中的Px1值;i1为施工系统正熵值的权重;i2为施工系统负熵值的权重。S越小,代表公路工程施工方案在碳中和目标以及造价成本目标双目标越占优,越贴合碳中和绿色低碳施工理念。

2 权重参数确定

2.1 公路工程绿色低碳指标评价体系

正负熵值模型的计算需要各影响因素的权重来,所以需要构建指标评价体得出指标权重。

公路工程施工系统可以类比为一个耗散系统,在这个耗散系统中各种影响因素可以在熵值理论中使用压力-状态-响应(PSR)模型[11]在压力、状态、响应这3个方面与熵增、熵减、负熵流3个形态对应,模型区分了这3类指标:①压力指标表现了人类活动对环境的影响,对应着熵值理论中的熵增过程;②状态指标表现了特定时间阶段的环境状态和其情况,对应了耗散过程中引入负熵流后系统的状态,即熵减过程;③响应指标是人类有意识的行动来减轻、阻止、恢复和预防人类活动对环境的负面影响,对应了耗散过程中的负熵流,即熵值理论中的负熵。

运用PSR模型和熵值理论结合的方法构建评价体系,可减轻传统方法(调查研究法、目标分解法、多元统计法等)指标之间缺乏必要联系,指标取舍具有较强主观性和随意性的影响,可构建基于碳中和理念的公路工程低碳绿色施工评价体系。

在公路工程施工系统中,施工过程中的碳排放以及施工过程的造价成本升高都对应熵值过程;施工环保技术代表绿色低碳施工技术程度,映射着生态环境的状态;碳吸收是施工系统耗散结构中引入的负熵流,代表熵减过程。

碳排放、造价成本、碳吸收以及环保技术4者之间的关系如图1。根据碳吸收、碳排放、环保技术3个方面构建公路工程低碳绿色施工评价指标体系,评价指标体系构建过程如图2。

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

在公路工程施工过程中,碳排放主要表现为原材料活动和施工影响的碳排放;造价成本主要表现为施工成本以及其他成本;碳吸收主要表现为项目的绿化建设以及碳抵消;环保技术为在施工现场中对绿色施工的管理以及施工机械设备的使用等。细化这4个方面的指标,构建了基于碳中和理念的公路工程低碳绿色施工评价指标体系如表1。

表1 基于碳中和理念的公路工程低碳绿色施工指标体系Table 1 Low carbon green construction index system of highway engineering based on carbon neutralization concept

2.2 确定权重

构建了评价指标体系后,对不同的指标赋予权重,表示其重要程度。由于构建的评价体系指标较多,传统的层次分析法计算过程复杂,序关系分析法是一种不需要构建判断矩阵、无需矩阵一次性检验、计算量较少且对同一级指标个数无明显限制,所以采用序关系分析法来确定指标的权重。

基于碳中和理念的公路工程低碳绿色施工指标体系一级指标,构建成了一个指标集A={a1,a2,a3,a4},其中a1、a2、a3、a4分别代表着环保技术、碳排放、造价成本、碳吸收。基于德尔菲赋权法,请专家对指标集中指标的重要程度进行排序,得出a3>a1>a2>a4,组成了序关系。

序关系赋值规定1.0、1.2、1.4、1.6、1.8分别对应后者比前者同样、稍微、明显、强烈、极端重要。据此得到r1、r2、r3、r4,分别对应着指标a1,a2,a3,a4的权重,其中r1=1.0,r2=1.2,r3=1.4、r4=1.6。

再由式(5)、式(6)计算得出一级指标的权重系数为: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代表各指标的权重系数,n=1～4,在n=4时按式(5)计算,其余情况按式(6)计算。

因此得到一级指标权重向量:

w=(0.36,0.30,0.21,0.13)T。

采用同样的计算方法得到二级指标和三级指标的权重,结果如表3。

由表2可以得出Lx2、Lx3,Px1、Px2,其分别由评价指标体系中碳排放以及造价成本的权重加权计算所得。

表2 指标体系权重Table 2 Weight of index system

式(4)中的i1以及i2则是由正熵和负熵在总指标体系中所占比重得出,由表1可以确定正熵权重为0.43,负熵权重为0.21.

3 施工方案评价方法

设置了3个情景来使用正负熵值模型对该公路工程施工方案进行评价。

仅考虑造价成本因素(情景1),所得的施工系统熵值将比较不同施工方案在造价成本方面的优劣程度,验证模型所得熵值是否符合实际施工中低碳绿色施工方案造价成本高的情况。

情景1中,式(2)、式(4)调整为:

(7)

(8)

仅考虑碳中和因素(情景2),所得的施工系统熵值将比较不同施工方案在碳中和理念方面的优劣程度,查看施工方案是否引进了负熵流。

情景2中,式(2)～式(4)调整为:

(9)

(10)

(11)

综合考虑碳中和、造价成本因素(情景3),所得的施工系统熵值即为一般情况下正负熵值模型的计算结果,计算公式同式(2)～式(4)。

4 实际案例应用

4.1 案例简述

G352务川道角至藕塘公路扩建工程位于遵义市务川境内,以此工程的二级公路段为例,验证正负熵值模型在基于碳中和理念的公路工程低碳绿色施工体系评价的可行性。

可选取任意一组施工方案进行研究评价,笔者选取G352务川道角至藕塘公路扩建工程的排水防护施工方案为研究对象。根据工程量清单可知,该公路扩建工程的排水防护采用的是传统混凝土预制件,虽然有节约施工时间的优点,但预制件在预制过程中仍然会释放大量的碳元素。可以采用生态砌块预制件作为排水防护,在保证预制件强度的情况下,充分利用石场废料、石屑等固体废料进行加工,可以提高生产效率,实现工厂化施工。生态砌块预制件和传统的混凝土预制件相比,可以节约资源、提高石材利用率、减少对环境的污染,但在造价方面成本,生态砌块预制件略高于传统的混凝土预制件。

4.2 正负熵值模型的案例运用

根据所建立的正负熵值模型以及施工方案评价方法,计算G352务川道角至藕塘公路扩建工程项目的一组排水防护的施工方案的基于碳中和理念的低碳绿色施工总熵值大小,并分析提出的新低碳环保施工技术是否使总熵值减少,即提高项目贯彻碳中和理念的程度。

查看该工程的工程量清单可知,若排水防护使用传统混凝土预制件,每公里造价为239 165.8元,占总造价的比重为0.53%,公路采用该施工方式每公里造价为45 125 614.3元;使用生态砌块预制件,每公里造价为291 279.3元,占总造价比重为0.64%,公路采用该施工方式每公里造价为45 512 346.8元。

依照GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》和《国家温室气体清单指南》所规定的施工阶段各项机械以及所使用能源的碳排放因子及建设项目阶段碳排放计量公式,计算出模型公式各部分中KB值。采用传统混凝土预制件排水防护施工方案的KB=34,采用生态砌块预制件排水防护施工方案的KB=67。

一年内每平方米树木可吸收污染气体和悬浮颗粒物为373 kg,可吸收的二氧化碳为67 kg[12],该公路设计年限为20年,在这期间每平方米树木可吸收二氧化碳为1 340 kg;2012年北京市林业局测算植树造林成本为每亩3万元,经估算当下植树造林成本为每亩6.6万元;现将I统一使用该地区吸收每单位的二氧化碳所需要植树造林的花费来计算[12],得到I=410.96。

传统混凝土预制件在施工过程中涉及到了原材料活动的碳排放、施工的影响的碳排放,在施工完成后需要返修维护,增加了施工管理。传统预制件的Px1=0.73,Px2=0.77。

生态砌块预制件施工方式涉及原材料活动的碳排放、施工的影响的碳排放,增加了人工成本、施工机械成本,还涉及到了环保技术中的材料节约利用和资源能源回收利用,因此生态砌块预制件的Px1=0.57,Px2=0.62,Lx3=0.57。

根据有关学者对空气污染造成的经济损失的论文研究中[12-13]提出的空气污染产生的经济损失可以达到该地区国民收入的3%～10%,可以计算出一年每m2的植被吸收有害气体带的经济效益为 136元/年。以该二级公路设计年限 20年计算,该扩建公路工程生态砌块排水防护带来的经济效益大概为179 864.4元。

使用第3节的施工方案评价方法开展模型计算,由式(2)～式(4),以及其变式(7)～式(11)计算3种情景下2种施工方案的施工熵值,计算结果如表3。

表3 计算结果Table 3 Calculation results

由表3可知:

1)在情景1时,把2种方案的造价通过正负熵值模型转化为熵值,传统混凝土预制件施工方案要略微优于生态砌块预制件施工方案。

2)在情景2时,生态砌块预制件施工方案的施工系统熵值小于0,证明在施工系统中引入了负熵流。传统混凝土预制件并没有引入负熵流,使得在碳排放方面生态砌块预制件占优。

3)在情景3时,生态砌块排水防护的施工熵值小于使用传统预制件的排水防护施工熵值。

综合3种情景的计算结果,在施工过程中采用生态砌块排水防护施工方案付出造价成本比使用传统预制件高,但在整个寿命期内,前者产生了环保效益,引入了负熵流,且产生的环保效益在造价成本可控的范围内,使得施工总熵值减少;若进一步的降低生态砌块排水防护施工方案的造价成本,或者提高碳吸收量,施工系统总熵值会进一步降低,施工方案得到优化,同理,若降低传统预制块施工方案的碳排放量,也会得到同样的结果。未来施工技术的发展可以从进一步改善低碳施工技术的造价成本、在造价可控的范围内提高绿色低碳程度入手。

综上,确定生态砌块排水防护比传统预制件防护要更贴合“碳中和”理念以及造价双目标,符合可持续发展要求。同理可以运用以上模型计算公路工程施工系统中其他施工方案的施工熵值,通过比较熵值大小确定更加贴合“碳中和”理念与造价双目标的施工方案。

5 结 语

笔者通过定义基于“碳中和”理念和造价成本双目标的公路工程绿色低碳施工方案,建立正负熵值模型,将公路工程施工过程中的碳中和理念和造价成本引入进熵值理论中,利用正负熵值模型对公路工程的施工方案进行比较分析,为公路工程贯彻落实“碳中和”理念提供了一条可行的思路,通过这个模型,计算得出生态砌块排水防护施工方案的施工总熵值为26 944.7,使用传统预制件防护的施工总熵值为29 447.6,前者小于后者,证明生态砌块排水防护施工方案在“碳中和”理念以及造价双目标下更为占优。即可以计算对比不同施工方案的施工熵值,若环保方案的施工熵值较小,则该环保方案可以较为广泛地使用,不会过多影响到公路项目的成本;若环保方案的施工熵值较大,则说明该环保方案的施工工艺还不够成熟,需要进一步地改进,若推行该环保方案则有可能会影响到公路工程项目的建设;也指出了未来施工技术的发展可以从进一步改善低碳施工技术的造价成本、在造价可控的范围内提高绿色低碳程度入手。