基于GHGP标准体系的输变电工程建设碳排放量化分析

引文：张峰, 姜继双, 李超, 等. 基于GHGP标准体系的输变电工程建设碳排放量化分析[J]. 中国电力, 2025, 58(4): 205-215.

编者按

输变电工程建设过程的能源消耗与建材消耗所引起的碳排放是电力基建领域的主要排放源之一。在“双碳”目标背景下，推动输变电工程建设领域绿色低碳转型升级，减少输变电工程建设碳排放及其环境影响，实现低碳发展，是电力基建领域的必然选择。目前，国内外研究机构对水泥、煤电以及园区的碳排放量化进行了深入研究，对建筑运维场景碳排放特性进行了大量的量化分析研究，为建筑工程低碳实施提供了良好的基础。

（文章来源 微信公众号：中国电力）

《中国电力》2025年第4期刊发了张峰等撰写的《基于GHGP标准体系的输变电工程建设碳排放量化分析》一文。文章依据温室气体核算体系（greenhouse gas protocol，GHGP）标准系列碳排放量化原则与规则，结合输变电工程建设过程特征，构建输变电工程建设碳排放通用量化方法与模型，并在此基础上，以某500 kV输变电工程建设项目为例，对输变电工程建设过程碳排放分布特性进行量化研究，对碳排放计算边界进行优化，厘清输变电工程建设过程碳排放关键环节与排放类型，并在此基础上对不同低碳优化情景下减排潜力进行量化分析。

摘要

输变电工程建设碳排放量化分析是输变电工程建设绿色低碳实施的前提与基础。基于GHGP标准计算框架与数据处理方法，构建输变电工程建设多层级碳排放通用量化模型与边界优化模型，并以某500 kV变电站工程建设为例，围绕输变电工程建设各分部分项工程、物质流及能量流活动对输变电工程建设碳排放进行分层级量化分析与优化。结果显示，通过该量化模型可获得输变电工程建设全尺度碳排放分布特性，建构筑工程碳排放在输变电工程建设碳排放总量中占比达93.02%，相对能量流，物质流碳排放在总排放量中占比达到90.28%，在物质流碳排放中水泥及其制品类与钢材类消耗性材料碳排放占比达81%。将输变电工程建设碳排放显著性阈值设定为总排放量的0.002%~0.018%时，输变电工程建设90%的单元数据流可被排除在计算边界之外。当在输变电工程建设中使用可再生混凝土与再生钢材时，可产生显著的减排效益。

01

研究方法

本文基于GHGP标准《企业价值链核算与报告标准》与《产品全生命周期核算与报告标准》中碳排放核算框架及其计算边界厘定原则、不同类型活动碳排放计算规则、不同类型数据处理方法，构建量化模型对输变电工程建设碳排放进行量化分析，流程如图1所示。

图1  基于GHGP标准体系的输变电工程建设碳排放量化流程

Fig.1  Quantification process of carbon emission from power transmission and transformation construction based on GHGP

1.1  输变电工程建设碳排放源范围

输变电工程建设碳排放主要由输变电工程建设过程的能量流活动与消耗性物质流活动所引起。能量流由电力与燃料（柴油与汽油）两部分组成，主要是由输变电工程建设过程中泵类机械、运输机械等机械台班的燃料消耗与电力消耗所产生。消耗性物质流主要是由输变电工程建设所使用的各类消耗性材料组成，相对能量流，物质流所涉及的消耗性材料种类范围更为广泛，本文将围绕这些物质流与能量流对输变电工程建设碳排放进行量化分析研究。

1.2  输变电工程建设碳排放边界厘定方法

根据输变电工程建设流程特点，从4个层级尺度对输变电工程建构筑工程与安装工程的消耗性物质流活动、能量流活动进行梳理，并基于能量流（燃料与电力）单元数据流与消耗性物质流单元数据流对分项工程、子分部工程与分部工程的碳排放特性进行量化，实现输变电工程建构筑工程与安装工程多层级全尺度的碳排放量化分析，厘清输变电工程建设碳排放分布特性，输变电工程建设碳排放计算边界架构如图2所示。

图2  输变电工程建设工程碳排放计算边界架构

Fig.2  Quantification boundary of carbon emission from power transmission and transformation construction

1.3  输变电工程建设多层级全尺度碳排放量化模型

输变电工程建构筑工程与安装工程4个层级尺度的碳排放系统模型如图3所示，由于消耗性材料物质流涉及材料种类众多，本文根据消耗性材料属性与功能特点，对消耗性材料的单元数据流进行聚类分析，消耗性材料种类分布如表1所示。

图3  输变电工程建设碳排放系统模型

Fig.3  Quantification model of carbon emission from power transmission and transformation construction

表1  输变电工程建设消耗性材料类别分布

Table 1  Distribution of consumable material categories in power transmission and transformation engineering construction

输变电工程建设碳排放量化模型可以表示为

式中：F_Bd为输变电工程建设碳排放量；F_i为输变电工程建设建构筑工程或安装工程碳排放量。

根据图3，建构筑工程或安装工程碳排放量化模型可表示为

式中： F_ek,j,z为建构筑工程或安装工程分部工程k中子分部工程j分项工程z的第e类燃料消耗所产生碳排放量；F_Mk,j,z为建构筑工程或安装工程分部工程k中子分部工程j分项工程z的第M种消费性材料消耗所引起的碳排放量；F_k,j,z为建构筑工程或安装工程分部工程k中子分部工程j中分项工程z的电能消耗碳排放量。

本文采用碳排放系数法计算各单元数据流的碳排放量，即通过使用物质流或能流量单元数据流所表征的活动水平数据与其对应的碳排放因子数据来计算获得单元数据流的碳排放水平。根据GHGP标准体系，碳排放系数法包括具体供应商法、混合方法、平均数据法与基于支出法。

在分项工程层面，F_ek,j,z、F_Mk,j,z、F_k,j,z可分别表示为

式中：e_r为分项工程燃料单元数据流r的活动水平数据；f_er为对应的碳排放因子；M_s为分项工程消耗性材料单元数据流s的活动水平数据；f_Ms为对应的碳排放因子；E_t为分项工程电力单元数据流t的活动水平数据；f_Et为对应的碳排放因子。

1.4  输变电工程建设碳排放量化边界优化模型

基于GHGP标准体系，输变电工程建设碳排放计算边界优化模型通过设置显著性阈值表征单个单元数据流对输变电工程建设碳排放量化结果的贡献，并认为低于显著性阈值的单元数据流对输变电工程建设碳排放贡献度较低，可以将其排除在计算边界之外。同时对排除在计算边界之外的所有单元数据流的累积排放量进行表征，并设置临界排放比（为满足计量结果的准确性要求，排除在计算边界之外的所有单元数据流累积排放量与碳排放总量比值所能允许的最大值）。为保证计算结果的准确性，应确保排除在计算边界之外的所有单元数据流的碳排放总量与输变电工程建设碳排放总量之比低于临界排放比。在实际优化过程中，可根据对量化结果准确性的要求，通过设置或调整该模型中的显著性阈值与临界排放比，对输变电工程建设碳排放计算边界进行优化。

式中：x_i为排除在计算边界之外的能量流或物质流单元数据流；G(x_i)为排除在计算边界之外的单元数据流x_i的碳排放；a为显著性阈值；b为排除在计算边界之外单元数据流的累计排放量与碳排放总量G_t之比；c为临界排放比。

1.5  输变电工程建设碳排放量化数据处理方法

相对于能量流数据，消耗性材料物质流活动数据类型更为复杂，本文对消耗性材料进行了聚类分析，分析结果如表1所示，输变电工程建设消耗性材料物质流可分为23大类，每一大类包含若干子类。本文采用的碳排放因子主要来自中国产品全生命周期温室气体排放系数库、GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》以及公开的报告资料等。对于无法从具体供应商、国家与地方政府报告、行业报告以及学术文献中获取对应排放因子的物质流活动，可参照GHGP标准体系中数据处理指导要求，并根据表1中消耗性物质流大类与子类进行分类处理。

对于难以获得碳排放因子的单一组分消耗性材料，如表1中耐火保温材料、橡胶/塑料制品、油料/化学制品、防腐材料等消耗性材料，可采用与该消耗性材料材质类似并且生产工艺相似的材料的数据作为替代数据。

混合性材料中某种组分含量远远高于其他组分的材料，如表1中阀门、非标加工件、装饰材料、铝合金材料、焊接材料等消耗性材料类别，可根据主要成分数据替代该混合材料数据进行计算。

混合性材料中具有多种材质组分并且这些组分比例相当的材料，如水泥及其制品等消耗性材料类别，根据混合材料与部件中各组分材质种类与比例，计算获得这些混合性消耗性材料的碳排放因子，以实现碳排放量计算。

02

案例分析

以某500 kV变电站建设工程为例，对其碳排放特性进行量化分析，该变电站工程建构筑工程与安装工程碳排放计算边界如图4~5所示，依据1.2节输变电工程建设碳排放边界厘定方法，从分部工程、子分部工程与分项工程3个层级对变电站工程建设建构筑工程与安装工程碳排放计算边界进行分层级梳理，其中对于安装工程而言，其分部工程只包含主要生产工程。

图4  500 kV变电站工程建构筑工程施工系统

Fig.4  System diagram of civil and architectural engineering works of power transmission and transformation construction

图5  500 kV变电站工程安装工程施工系统

Fig.5  System diagram of installation engineering works of power transmission and transformation construction

分项工程层级之下即为变电站建设碳排放量化的最低层级——单元数据流，该500 kV变电站工程建设碳排放单元数据流共计约余条，其中物质流单元数据流约余条，能量流单元数据流约余条。依据1.3节中输变电工程建设过程多层级碳排放量化模型对不同层级尺度的碳排放进行量化分析，并根据碳排放计算边界优化模型对变电站工程建设碳排放计算边界进行优化，同时针对识别的主要碳排放环节设置典型减排情景，对减排情景的减排效果进行量化评估。

2.1  建构筑工程碳排放量化分析

该500 kV变电站工程建构筑工程子分部工程及其对应分项工程碳排放量分布如图6所示，在其子分部层级，配电装置建筑与地基处理碳排放水平最高，分别达到t与t；其次为主要生产建筑、站区性建筑与消防系统，其碳排放量分别达到、833、373 t；临时设施与供水系统建筑的碳排放量并远低于其他子分部工程。

图6  建构筑工程各分项工程碳排放量

Fig.6  Carbon emission from items of sub-divisions projects of civil and architectural engineering works

在分项工程层级上，配电装置建筑中构架与设备基础的碳排放量最高，达t，主要是由于结构与设备基础分项工程中型钢与混凝土的使用量较大，主控通信楼、继电器室、主变压器系统以及站区道路与广场的碳排放量水平相当，为527~585 t，站区排水、站用配电装置与站区排水的碳排放量分别为401、204、282 t，低压电容器与消防水池的排放量水平分别为152 t与180 t，其余分项工程碳排放水平均在100 t以下。这些分项工程碳排放主要是由型钢等钢材类以及混凝土等水泥及其制品类消耗性材料的使用所导致。

2.2  安装工程碳排放量化分析

该500 kV变电站工程建设安装工程碳排放量核算结果约868 t，各子分部工程及其分项工程碳排放分布如图7所示，在子分部工程层级，配电装置、全站调试、电缆接地与站用电系统碳排放水平较高，分别为221、210、196、149 t，其中配电装置碳排放主要是由于施工过程中的交流电焊机、载重汽车等机械台班的油耗以及电焊条等消耗性材料使用所引起。相对而言，无功补偿、控制及直流系统、通信及远动系统碳排放水平极低，这主要是因为这些分部工程不涉及高排放材料的使用，且使用的消耗性材料与机械台班数量较少，物质流与能量流的活动水平数据较低。

图7  安装工程各分项工程碳排放量

Fig.7  Carbon emission from items of sub-divisions projects of installation engineering works

在分项工程层级，屋外配电装置、特殊项目调试、全站电缆与站用配电装置的碳排放量水平最高，分别为221、210、165、131 t，其余的分项工程碳排放量水平均在100 t以下。这些碳排放源主要由于燃料气、电缆配件等消耗性材料以及交流电焊机等机械台班能源消耗所引起。

2.3  变电站工程建设碳排放总量分析

根据上述子分部工程和分项工程碳排放核算结果对建构筑工程与安装工程碳排放总量进行量化分析，该500 kV变电站工程建设的碳排放总量约为1.24万t，如图8所示，其中建构筑工程碳排放量为1.16万t，占建设工程总排放量的93.55%，安装工程碳排放量为0.09万t。从分部工程层级来看，建构筑工程主要生产工程的碳排放量为t，在建构筑工程碳排放量中占比最高，其次是与站址有关的单项工程的碳排放量为t，辅助生产工程碳排放为833 t。

图8  500 kV变电站建设工程碳排放量

Fig.8  Total carbon emission from a certain 500 kV power transmission and transformation construction

该500 kV变电站工程建设物质流活动与能量流活动的碳排放分布如图9所示，其中能量流活动碳排放量为0.12 t，而物质流活动碳排放量为1.12万t，消耗性材料对碳排放总量贡献度达90.28%，远远高于能量流活动碳排放量。

图9  物质流活动与能量流活动碳排放

Fig.9  Respective carbon emission from material flow and energy flow

对于能量流，该工程机械台班消耗的能源类型为电力与燃料，其中燃料以柴油为主，主要由桩工机械、水平运输机械、起重机械台班的使用所导致。对变电站工程机械台班按能源类型进行汇总分析，机械台班的总耗电量为kgce，总耗油（柴油与汽油）量为kgce，机械台班油电比为5.10∶1，不同类别机械台班的碳排放量分布如图10所示，桩工机械的碳排放最高，为581 t，远高于其他机械台班，其次为水平运输机械、焊接机械、起重机械碳排放量，分别为189、153、124 t。从能量流来看，燃料碳排放量为960 t，电力碳排放为221 t，燃料碳排放与电力碳排放之比为4.35∶1，燃料对能量流活动的碳排放贡献度远高于电力。

图10  机械台班碳排放量分布

Fig.10  The distribution behavior on carbon emission from machine-teams

对于物质流，不同类别消耗性材料的碳排放占消耗性材料总排放量比例如图11所示，水泥及其制品（水泥、混凝土、水泥砂浆等）类消耗性材料的排放量占比最高，达到51%，其次为钢材（型钢、钢板等）类消耗性材料，碳排放量占比为30%，这两类消耗性材料碳排放量占比合计达81%，其他21种类别（见表1）的消耗性材料碳排放量累计占比仅为19%，远低于水泥及其制品类与钢材类消耗性材料。在变电站工程建设碳排放量化分析中，若为简化计算，仅将物质流中水泥及其制品类以及钢材类消耗性材料纳入计算边界，会将占总排放量17.2%的碳排放排除在计算边界之外，导致整体计算结果偏低，从而产生“碳泄漏”，因此，对于变电站工程建设碳排放量化分析时，需要对变电站工程建设碳排放量化边界进行系统梳理。

图11  消耗性材料类别碳排放占比

Fig.11  The percentage of carbon emission from consumable material categories

相对于水泥及其制品类与钢材类消耗性材料而言，油料/化学制品类、砖瓦/沙石/沥青/玻璃类、周转及易耗材料类以及橡胶/塑料制品类消耗性材料碳排放占比分别仅为5%、4%、3%与2%，其他剩余类别消耗性材料的碳排放量合计为5%，并且在其他剩余类别中，任何单一类别消耗性材料的碳排放量占比均不超过1%。虽然这些消耗性材料在碳排放总量中占比很低，但这些消耗性材料类别所包含的单元数据流数量占物质流数据流数量的83.3%，如图12所示，而水泥及其制品类与钢材类消耗性材料的单元数据流仅占物质流数据流的16.7%，可见，物质流单元数据流中存在大量对变电站工程建构筑工程与安装工程碳排放贡献度较低的单元数据流。

图12  消耗性材料物质流单元数据流数量分布

Fig.12  The percentage of quantity of material flows of consumable material categories

2.4  变电站工程建设碳排放计算边界优化

基于上述分析，依据本文1.4节碳排放量化边界优化模型，针对该500 kV变电站工程建设能量流与物质流单元数据流，根据单个单元数据流碳排放量在变电站工程建设碳排放总量中的占比水平设置显著性阈值，从微观层面对该工程碳排放计算边界进行优化，同时通过控制临界排放比，从整体上对该工程排除在计算边界之外的单元数据流的累积排放量进行限制，在计算边界优化的同时确保该工程建设碳排放计算结果的准确性。

显著性阈值对该工程计算边界内碳排放量以及单元数据流数量的影响特性如图13所示。当显著性阈值设定为变电站工程建设总排放量水平的0.002%时，计算边界内保留的单元数据流数量由余条下降到条左右，另外余条单元数据流因对变电站工程建设碳排放贡献度较低而被排除在碳排放计算边界之外，此时排除在计算边界外的物质流与能量流单元数据流的累计排放量仅为总排放量的0.9%。可见在保持一定准确度的前提下，通过设置显著性阈值可大大简化变电站工程的数据分析处理量。当显著性阈值增加到0.018%，保留在计算边界内的单元数据流减少到350条左右，此时排除在计算边界之外的累计碳排放量可达总排放量的5%。持续提高显著性阈值，虽然可进一步减少计算边界内的单元数据流，简化数据处理与计算过程，但是同时会导致排除在计算边界之外的累计排放量过高，从而影响变电站工程建设碳排放量化结果的准确性，此时可根据碳排放量化结果具体使用场景，合理设置碳排放计算边界优化模型中临界排放比c的参数值，避免排除在计算边界之外的累积排放量过高而影响准确性。

图13  显著性阈值对碳排放量与数据流影响分析

Fig.13  The impact of significance threshold on the carbon emission and the data flow

2.5  变电站工程建设碳减排潜力分析

为推动工程建设领域绿色低碳发展，国家先后出台系列政策。2022年3月，住建部发布《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》推广新型绿色建造方式，促进绿色建材推广应用。2023年12月，工信部等印发《绿色建材产业高质量发展实施方案》，要求提升固体废弃物利用水平，逐步扩大工业废弃物在绿色建材中的使用范围。2024年2月，国务院办公厅公布《关于加快构建废弃物循环利用体系的意见》，要求提升固体废弃物利用水平，逐步扩大工业废弃物在绿色建材中的使用范围，加强综合利用产品在工程建设领域的推广应用，鼓励废钢铁、废有色金属等再生资源精深加工产业链合理延伸。可见，将固体废弃物循环利用制备绿色建材未来在工程建设绿色低碳转型升级中将会扮演重要角色。同时，《“十四五”现代能源体系规划》提出，大力发展生物柴油、生物航空煤油等非粮生物燃料，开展生物柴油推广应用试点示范创建，拓展国内生物柴油的应用场景。

通过对废旧混凝土与废旧钢材进行回收获得再生骨料与再生钢材，来代替天然骨料与钢材，是废旧混凝土与废弃钢材实现资源化循环利用的主要途径之一，可有效降低传统水泥与钢材的使用量。同时使用生物柴油替代传统化石燃料作为建设施工机械能源，不仅可为生物柴油等绿色燃料提供应用场景，也是建设施工机械减少碳排放的关键措施。以选定的500 kV变电站工程建设碳排放水平为基准情景，采用情景分析法，对不同情景下变电站工程建设碳减排潜力进行量化分析，具体情景参数设置如表2所示。

表2  情景分析参数设置

Table 2  The setting of scenario parameters

由于再生混凝土与再生钢材在生产过程中分别使用了再生骨料与废弃钢材，导致这2种消耗性材料在生产过程中碳排放更低，使其拥有更低的排放因子。此外，与常规柴油相比，生物柴油全生命周期碳排放因子更低。再生混凝土与再生中小型钢与生物柴油的碳排放因子如表3所示，再生建材的碳排放因子来自文献[27]，生物柴油碳排放因子来自中国产品全生命周期温室气体排放系数库。

表3  再生建材与生物柴油碳排放因子

Table 3  Carbon emission factors of recycled building materials and biodiesel

依照表2中的情景参数以及表3中所设定的碳排放因子，基于本文的碳排放量化模型对不同情景下的变电站工程建设碳排放水平进行量化分析。情景1与情景2下的变电站工程建设碳减排特性如图14所示。情景1中，通过使用可再生混凝土与再生钢材，可在消耗性材料方面减少物质流活动碳排放588 t；通过采用生物柴油，可减少机械台班能量流活动碳排放量68 t，减排比例为5.26%。情景2中，随着在变电站工程中提高再生混凝土、再生钢材与生物柴油的使用比例，可减少物质流活动碳排放量t，减少能量流活动碳排放量136 t，减排比例为10.53%。可见，通过采用再生绿色建筑材料与生物柴油，可有效降低变电站工程建设的碳排放量。相较于采用生物柴油，在变电站工程中使用再生混凝土与再生钢材等再生消耗性材料产生的减排效果更为显著。

图14  不同情景下变电站工程建设碳减排量

Fig.14  Carbon emission reduction of power transmission and transformation projects under different scenarios

03

结论

本研究通过构建输变电工程建设多层级全尺度碳排放量化方法、通用量化模型与边界优化模型，并以某500 kV变电站工程建设为例，对变电站工程建设建构筑工程与安装工程计算边界内物质流与能量流活动的碳排放进行量化分析，主要结论如下。

1）500 kV变电站工程建设碳排放总量为1.24万t左右，建构筑工程碳排放对变电站工程建设碳排放的贡献度水平最高，达到93.02%，在物质流与能量流方面，消耗性材料物质流的碳排放占总排放量的90.28%，并获得了建构筑工程与安装工程分部工程、子分部工程、分项工程等层级尺度的碳排放分布特性。

2） 当显著性阈值范围在0.002%~0.018%之间时，最多可将90%的单元数据流排除在碳排放计算边界之外，并且排除在计算边界之外的累积排放量不超过总排放量的5%，可通过设置临时排放比在保证碳排放量化准确度的前提下对变电站工程建设碳排放计算边界进行优化，简化数据处理。

3）在变电站工程建设中采用再生建材（再生混凝土与再生钢材）替代常规混凝土与钢材等消耗性材料，并在机械台班中推广使用生物柴油情景下，变电站工程建设的碳排量可减少10.53%，变电站工程建设在水泥及其制品与钢材等消耗性材料方面的碳减排潜力显著。