裝配式建筑物化階段碳排放計量研究

劉 瑩

（煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264003）

在全球氣候變化的背景下，世界各國先后發(fā)表了《能源政策法》《低碳經濟法案》《國家可再生能源政策》《中國二氧化碳減排方案》等政策為國家節(jié)能減排提供規(guī)范依據。中國作為化石能源消耗大國，承諾將在2030 年實現(xiàn)單位國內生產總值碳排放比2005 年降低60%～65%。建筑業(yè)每年碳排放量占我國社會總碳排放量的30%[1]，建筑業(yè)成為我國二氧化碳排放重點管控行業(yè)之一。

住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《綠色建筑行動方案》中明確提出要積極推動綠色建筑及建筑工業(yè)化發(fā)展，裝配式建筑的發(fā)展實現(xiàn)了建造方式從粗放、低效、高能耗形式向集約、高效、節(jié)能模式的改變。既滿足建筑領域可持續(xù)發(fā)展的需求，又加快建筑工業(yè)化轉型的速度。因此，研究裝配式建筑的減排潛力并進行量化分析具有重要意義。

建筑碳排放的量化方式具有多樣性，鄭曉云利用生命周期評價法（LCA）進行了裝配式建筑全生命周期的碳排計算，結果表明重視廢棄階段的回收利用率對于降低環(huán)境影響具有重要意義[2]。華虹利用BIM 數(shù)據庫構建了公共建筑碳排放計量清單，并分階段測算碳排放貢獻比[3]。孫艷麗根據層次模糊綜合評價法制定了裝配式建筑碳排放評價指標體系[4]。劉菁以系統(tǒng)動力學模型為基礎，設置不同情景進行建筑業(yè)碳排放趨勢預測分析[5]。其中，生命周期評價法在研究建筑碳排放中具有廣泛的應用[6-8]。高宇建立了裝配式建筑的生命周期評價模型，核算結果表明生產階段是預制構件減排的重點階段[9]。劉燕從國內外綠色建筑評價指標設置入手，分析我國低碳建筑評價體系的合理性與完整性[10]。黃志甲著重分析住宅建筑的碳排放核算方式，提出活動因子結合排放系數(shù)的計算方式使得核算結果更加精確[11]。

本文在梳理裝配式建筑碳排放源的基礎上，以生命周期評價法為理論依據，提出完整的裝配式建筑物化階段碳排放計量模型。

1 裝配式建筑碳排放模型

1.1 碳排放路徑及碳源分析

裝配式建筑是指將構件在工廠預制生產后，再到施工現(xiàn)場通過吊裝、連接、現(xiàn)澆等方式裝配而成的建筑。對比傳統(tǒng)建筑，裝配式施工能夠有效縮短工期、降低作業(yè)量、減少現(xiàn)澆濕作業(yè)產生的碳排放量。為了定性分析裝配式建筑的節(jié)能減排效果，本文提出了裝配式建筑碳排放計量模型，計量模型如圖1 所示?？紤]到數(shù)據的可得性及碳排放的集中性，本文主要研究裝配式建筑的物化階段、預制構件生產加工階段、物流運輸階段及現(xiàn)場施工安裝階段的碳排放效果，其碳排放路徑如圖2 所示。

裝配式建筑物化階段的碳排放主要來自構件生產階段的建材消耗、機械設備的能源消耗、構件運輸階段的機械能耗、裝配施工階段的能源消耗及整個過程中的人工消耗，碳排放影響因素及碳排放源見表1。物化階段影響因素多，量化難度大，表中主要考慮對建筑碳排放量化有直接影響的因素。

1.2 碳排放計量公式

表1 物化階段碳排放源

分階段進行物化時的碳排放量計算，預制構件生產階段主要包括預拌混凝土、綁扎鋼筋、放置預埋件、澆筑振搗、蒸汽養(yǎng)護、構件脫模等工作。依據構件生產流程，生產階段的碳排放計量分為建材的使用耗損、機械運行的化石燃料能耗及工人的人員碳排放。計算公式為式（1）～式（3）。

式（1）中：Qm1為建筑材料碳排放量，kg；i 為建筑材料種類；pi 為第i 種建材使用量；ei 為第i 種建材碳排放系數(shù)；ai 為第i 種建材回收系數(shù)。考慮到部分建材不是一次性生產所得，在進行建材碳排放計算時結合回收利用系數(shù)進行相應折減，系數(shù)值見表2。

式（2）中：Qm2為預制構件生產加工時機械產生的碳排放量，kg；t 代表預制構件種類；Ftd，F(xiàn)tx，F(xiàn)tg，F(xiàn)tw分別為構件 t 生產時的柴油（kg）、汽油（kg）、電力（kW·h）、水（m3）的消耗量；Md，Mx，Mg，Mw分別為柴油（kg－CO2/kg）、汽油（kgCO2/kg）、電力（kgCO2/kW·h）、水（kgCO2/m3）對應的碳排放因子。

表2 建材回收利用系數(shù)

式（3）中：Qm3為預制構件生產階段人工碳排放量，kg；E 為人工碳排放影響因子，kgCO2/人·工日；N 為人工工日數(shù)，工日。

運輸階段分為進行裝、卸的垂直運輸與水平運輸，碳排放計算既要考慮不同運距、重量及工具的化石燃料消耗，又要考慮構件裝、卸過程中使用的吊車、叉車等機械設備電力消耗，計算公式為式（4）。

式（4）中：Qc為物流運輸階段排出二氧化碳量，kg；Gt為第t 種預制構件的運輸重量，t；Tt為運輸距離，km；Eh為第 h 種運輸方式的碳排放因子，kgCO2/t·km；Fcg是構件裝、卸過程中的電力消耗量，kW·h；Mg為電力碳排放因子，kgCO2/kW·h。

施工階段的考慮范圍為吊裝連接和現(xiàn)澆施工過程中產生的人、材、機消耗，計算公式為式（5）。

式（5）中：Fj為施工安裝機械臺班消耗量，臺班；Mj為機械碳排放因子，kgCO2/臺班。

裝配式建筑物化階段碳排放總量為：

1.3 碳排放因子確定

碳排放因子是指每消耗單位碳源所產生的二氧化碳，由于國內暫未形成權威且統(tǒng)一的碳排放因子數(shù)據庫，本文研究并整理了《IPCC 國家溫室氣體清單編制指南》、中國生命周期基礎數(shù)據庫、中國工程院等權威數(shù)據庫碳排放因子，利用式（7）將單位轉換為國內常用單位，得到因子轉換結果見表3。

表3 主要碳排放因子匯總表

表4 碳排放量對比

2 案例分析

山東省某高層剪力墻結構建筑，其中2#，3#為預制率為19%的裝配式建筑，5#，6#，7#為傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，面積均為13 886.78m2，地上31 層?，F(xiàn)選取2#與5#建筑碳排放量進行對比，對比結果見表4。

結果表明，裝配式建筑相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑碳排放量節(jié)約27%，減排效果顯著。

3 結語

結合本文提出的裝配式建筑物化階段碳排放計算模型及建造過程獲取的數(shù)據，能夠得到準確的碳排放強度值。既能對比分析裝配式建筑較傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑在生態(tài)環(huán)境效益中的優(yōu)異性，又能了解裝配式建筑的碳排放分布特性，針對性提出減排措施。根據裝配式建筑物化階段碳排放計量公式，提出以下減排建議。

1）減少建材用量

在裝配式建筑設計過程中，建筑結構合理化是有效減少建材用量及碳排放量的方法。合理且經濟的設計能夠在預制構件生產階段減少模塊種類、減少異型構件數(shù)量、增加重復利用率，從而達到節(jié)材效果。另外，增加綠色建材和3R（Recycle，Reuse，Reduce）建材的投入使用量，對于大幅減少建材在全生命期的碳排放有重要意義。

2）優(yōu)化運輸方案

運輸過程包含2 次垂直運輸和1 次水平運輸。水平運輸應綜合考慮運輸方式、運輸線路、運輸時間等因素，合理設計方案，避免不必要的二次運輸。垂直運輸應該合理安排運輸機械、縮短吊裝時間、優(yōu)化吊具安排。

3）低碳施工

施工階段碳排放影響因素種類多、管理難度大，低碳施工可從以下幾個方面進行考慮：①采取封閉施工形式，有效管控施工揚塵帶來的污染問題，最大程度降低對周邊居民的影響；②改善施工工藝，簡化施工工序，提高模板周轉次數(shù)，減少建材損耗量；③加強施工現(xiàn)場管理，完善監(jiān)管制度，提高管理人員和施工人員的節(jié)能環(huán)保意識；④引進BIM技術，集成施工現(xiàn)場信息管理。BIM 技術能夠實現(xiàn)施工方案模擬及碰撞點檢查，有效實現(xiàn)事前控制，減少返工事件造成的材料、人員、時間損失。同時，BIM 技術根據施工進度實施更新材料進場計劃，優(yōu)化施工機械配置，避免預制構件堆積，減少資源浪費及二氧化碳排放。