基于CPS的高等学府施工现场碳排放监测系统

基于CPS的高等学府施工现场碳排放监测系统

马俊孙鹏贵谷立刘昌余蓄

（中国建筑第八工程局有限公司南方分公司，深圳 518000）

摘要：随着温室效应愈发严重，全球已经进入“沸腾时代”，降低建筑工程碳排放已成为重要课题。而对施工现场生产过程中机械设备产生的碳排放进行实时监测计算，对降节能减排的意义重大。为了更好的解决监测和计算问题，查阅了大量文献并对现有的计算方法进行了梳理总结，结合高等学府项目施工现场的特点提出了基于信息物理系统（CPS）技术的碳排放实施监测系统，并将其应用于中山大学Ⅱ标项目。将施工现场碳排放主要分为垂直运输机械和水平运输机械2部分，分别定义了计算边界并建立了计算模型。并搭建了CPS系统的框架，实现了对高等学府施工现场碳排放的实时监测和分析。

关键词：高等学府，建筑结构施工现场，碳排放，信息物理系统

* 中国建筑第八工程局科技研发项目（2022-4-06）

0引言

2023年7月联合国秘书长古特雷斯用“沸腾时代”这个新名词对全球气候变暖发出了新的警告，全球变暖已到了人们不得不重视的程度。据《中国建筑能 耗与碳排放研究报告》，2019年我国建筑全过程碳 排量为49.97亿吨二氧化碳，占全国碳排放的 50.6％[1]。 “十四五”规划指出，推动能源清洁低碳安全高效利用，深入推进工业、建筑、交通等领域低碳转型。因此，碳排放控制已成为我国乃至全人类所面临的重大课题。近年来，深圳地区积极发展高新科技，创建了多处大学城，而高等学府往往要求满足低碳、绿色建造要求，因此亟需对高等学府建设过程的碳排放进行过程监测。

为了应对温室气体排放过多，寻求解决办法，已有大量学者从各个方向开展碳排放定额计算的研究，也产生了一部分成果。但是目前的计算方法依旧存在较大不足，比如采用生命周期法建立模型时，建筑结构往往设计年限较长，经常会有收集数据困难、边界定义模糊的问题[2]。过程分析法则需要消耗大量的人力物力，收集大量碳排放数据进行计算[3]。目前得到研究主要集中在运营阶段，对施工阶段的研究较少。因此本文引入信息物理系统（CPS）技术，以此来辅助建立施工阶段的碳排放检测系统，降低人力的同时使收集数据更加精准。

1碳排放计算方法和CPS技术概述

1.1碳排放计算方法概述

目前国内外常用的碳排放评估与计算方法可以分为四类，包括排放系数法、 物料衡算法、实测法以及生命周期评价法（LCA）。其中，生命周期评价法包括基 于过程评价法、投入产出评价法、混合方法以及基于 LCA 的智能化方法。

排放系数法也被称为碳排放因子法或过程分析法，该方法通过生产单位建筑产品产生的碳排放的统计平均值来计算总碳排放[4]。目前，排放系数法主要运用于施工现场直接碳排放的计算。国家发改委能源研究所等各科研院机构根据各国实际情况测定了各种化石能源的二氧化碳排放因子，为排放系数法的运用奠定了基础[5]。排放系数法主要通过统计施工现场机械的能源消耗实现碳排放的计算，其结果相对来说较为真实。但是该方法数据获取难度较大，且在不同的施工工艺条件下，生产每单位建筑产品的机械设备使用类型及能源消耗情况不尽相同，没有代表性，也难以得到稳定的结果。

物料平衡法的核心是物质守恒定律，根据材料生产加工前后不变的特性，来推算碳排放量[6]。其计算结果较为精确，但是同样存在数据男获取的问题，同时因为计算过程需要考虑建筑全流程的投入与产出，所以计算量大，过程繁琐。

实测法是指利用监测工具或者国家认定的相关设施，通过对样本气体的流量、浓度以及流速等各项指标进行识别与测量，从而进一步计算出目标气体总排放量的方法[7]。理论上是最可靠的计算方法，但是现场施工监测时很难达到方法要求的条件，不具备可操作性。

生命周期法（Life Cycle Assessment，简称LCA）是目前建筑业使用最为广泛的评估方法，该方法是从建筑的“出生”到“坟墓”全过程对环境影响的评估，已经广泛应用于到建材、机械甚至整个建筑的碳排放计算中。根据不同的原理、系统边界和适用范围，LCA又可进一步分为基于过程的生命周期法（（Process-based LCA, 简称 PLCA）、投入产出分析法 （Input-Output LCA, 简称 I-O LCA）以及混合分析法（（Hybrid Analysis, 简称 HA）[8]。其中，PLCA是微观层面的自下而上的计算方法，需要详细的过程数据来计算碳排放，通过定义每个建筑活动过程所需的能源及材料消耗以及对应的碳排放因子来计算每个过程的环境影响［9］。I-O LCA 是自上而下的计算方法，基于投入等于产出的原则，总结出每个建筑活动过程涉及的相关经济部门的单位货币碳排放强度，并将施工过程中的材料等消耗转化为货币形式，进而计算出碳排放［10］。而ＨＡ方法结合了PLCA 的计算过程可靠性与I-O LCA 的研究边界完整性，为碳排放计算提供了更可靠的手段

［11］。但是，这些方法大都是在项目施工前或者施工后从不同的维度 对碳排放进行模拟和预测，而不是在施工现场阶段进行实时监测，真实性和有效性难以保证。

1.2 CPS技术概述

近几年信息技术的发展突飞猛进，基于通信网络的各种软件层出不穷，产生了各种智能监测方法，其中就信息物理系统（Cyber-Physical-System简称CPS）。CPS最早是由美国国家航天局于 1992 年提出的，作为世界产业变革的新引擎，是一个集计算功能、网络传输与物理环境于一体的复杂系统，具有实时性、分布式、高可靠性、强安全性以及自治性等特征[12]。各项无线传感技术、物联网技术等新兴技术的发展以及人们对智能化系统的需求促进了CPS 技术的发展。CPS技术是拥有计算、通信与控制功能的智能技术，它通过反馈循环机制实现了物理世界与信息世界的深度融合 与实时交互，从而能够拓展新功能，并以高效、可靠和实时的方式对物理世界进行监测或控制。

目前，CPS已经在智能电网、交通运输、医疗产业及制造业等领域中得到了广泛应用，实现了智能监测与控制。而在建筑业中，CPS 已经被运用在临时结构监控和项目交付中，运用过程中涉及到大量数据信息的 获取、传输、储存与处理。因此，对于施工现场碳排放数据的实时监测与可视化，CPS 也具有良好的可行性。并且，目前很少有学者使用 CPS 对施工现场的碳排放进行实时监测。因此，CPS 技术在本文的碳排放实时监测系 统开发过程中不仅具有良好的适用性，还具有一定的创新性。

2CPS系统的框架搭建

CPS一般由3部分构成，即物理层、计算层和交互层。物理层主要是用于感知和获取外部师姐参数变化的设备。计算层包括但不限于远程服务器等，通过物理层感知到的数据传递给计层，进行数据处理和存储，并传递到交互层实现用户的访问，交互层一般是便携式的电子设备。系统框架图如图1所示。

图1 CPS系统框架

3 碳排放计算边界和计算逻辑

3.1计算边界

在进行系统开发前，应当对施工现场进行碳排放定量计算进行边界定义。目前的研究中，有学者把施工阶段的碳排放分为建材生产、建筑运输和现场施工三部分[13]，本文仅针对现场施工生产部分涉及的碳排放进行监测。

在施工现场中，大型施工机械的碳排放占比最高，对其进行监测更具有节能减排的效率。在高校建设过程中，最为频繁使用的是各种材料吊装上楼的垂直运输设备，以及材料转运的水平运输设备。垂直运输以塔吊和施工电梯最为主要，水平运输则包括但不限于挖机、吊车、挂车等。因此本文中的碳排放边界选取垂直运输设备和水平运输设备进行研究。

3.2计算逻辑

通过监测两种设备的使用时间来计算设备的碳排放量。通过计算两种设备的碳排放量，就可以得到总的排放量C。

           （1）

式中:：为高等学府施工过程中碳排放总量，；

为垂直运输机械的碳排放量，；

为水平运输机械的碳排放量，。

再分别建立垂直运输机械和水平运输设备的计算模型：

（1）垂直机械一般为耗电型机械，不同型号的垂直运输机械往往由不同的功率，将所有类型的所有机械碳排放量求和即可得到垂直运输机械碳排放总量：

    （2）

式中：为垂直运输机械的碳排放量，；

为第类垂直运输机械第台设备的额定功率，；

为第类垂直运输机械第台设备的监测使用时间，。

为第类垂直运输机械消耗能源类型的碳排放因子，。

（2）水平运输机械一般为耗油型机械，将所有类型的所有设备碳排放量求和即可得到水平运输机械碳排放总量：

    （3）

式中：为水平运输机械的碳排放量，；

为第类水平运输机械第台设备单位台班油耗，；

为第类水平运输机械第台设备的监测使用时间，台班，时长根据现场确定。

为第类水平运输机械消耗能源类型的碳排放因子，。

（3）碳排放因子

碳排放本身并不是统计二氧化碳本身，而是温室气体通过全球变暖潜能值（GWP）转化为当量二氧化碳进行计算一般记作。温室气体包括但不限于等气体，甚至熟知的水蒸汽和臭氧也是温室气体。

而碳排放因子作为碳排放计算的重要一环，一般由政府部门发布或者通过查阅已发表的文献查得，通过查阅文献可得所需的当量碳排放因子如下表所示。

表1 电力和燃油碳排放因子[14-15]

4结语

本文对已有的碳排放计算方法的优劣势进行了较为详细的分析，并提出了结合CPS技术进行碳排放的实时监控。结合高等学府施工现场的特点，梳理了施工现场的太排放来源并定义了碳排放量的计算边界，同时并分别建立了垂直和水平运输机械的计算逻辑，并搭建了CPS系统框架。开发机械碳排放实时监测系统有利于管理人员更加直观的了解施工现场碳排放情况，进而分析碳排放规律并作出相应的措施及时调整，大大提高了工作效率。

参考文献

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