裝配式鋼-混組合結(jié)構(gòu)建筑碳排放計(jì)算及減排優(yōu)化策略*

婁 峰，劉亮俊，覃祚威，劉 寧

(1.浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313071；2.中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，浙江 嘉興 314000；3.上海禾筑數(shù)字科技有限公司，上海 200000)

0 引言

近年來(lái)氣候變暖、環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，碳排放成為全球普遍關(guān)注的問(wèn)題[1]。2019年我國(guó)全年碳排放總量達(dá)101.7億t，占全球總量的28%，躍居全球排放量首位[2]。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年我國(guó)人均碳排放量還會(huì)大幅持續(xù)增加，給我國(guó)節(jié)能減排工作帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。建筑領(lǐng)域能耗高、比例大且長(zhǎng)期增長(zhǎng)的趨勢(shì)明顯，同時(shí)建筑減排成本相對(duì)較低，蘊(yùn)含較大的節(jié)能潛力[3]。減少建筑業(yè)碳排放量成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的突破點(diǎn)。因此，定量核算建筑全生命周期各階段碳排放量是減少建筑物碳排、促進(jìn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的條件。

裝配式建筑作為我國(guó)未來(lái)建筑的發(fā)展趨勢(shì)，近年來(lái)在各地區(qū)被大力推廣，而國(guó)內(nèi)針對(duì)其節(jié)能減排的研究還不充分[4]。

1 裝配式建筑全生命周期碳排放研究方法

1.1 裝配式鋼-混組合結(jié)構(gòu)建筑

新型裝配式部分包覆鋼-混組合結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)核心由部分包覆鋼-混組合結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱(chēng)PEC 構(gòu)件)、裝配整體式預(yù)制局部疊合板樓(屋)面系統(tǒng)及輕質(zhì)混凝土外墻系統(tǒng)組成。PEC 構(gòu)件是由型鋼或焊接組合截面鋼翼緣間填筑鋼筋混凝土形成的鋼-混組合構(gòu)件。PEC結(jié)構(gòu)體系在歐洲已有成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程及工程應(yīng)用，近年來(lái)引進(jìn)國(guó)內(nèi)，工程實(shí)例較少。

1.2 建筑碳排放計(jì)算階段設(shè)定

全生命周期評(píng)價(jià)(LCA)評(píng)估建筑從材料生產(chǎn)至最終回收的全生命周期下，建筑物對(duì)環(huán)境的影響[5]?；贕B/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中劃分的建材生產(chǎn)及運(yùn)輸、建造及運(yùn)行、建筑物拆除階段基礎(chǔ)上，將建筑全生命周期劃分為建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、建造施工、運(yùn)行使用和建筑拆除主要階段[6]。

目前我國(guó)對(duì)建筑碳排放的研究多集中在使用階段，縱觀整個(gè)生命周期，建筑材料生產(chǎn)運(yùn)輸和施工過(guò)程的能耗與排放不可忽視。因此，本研究將建筑全生命周期碳排放量按5個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算：

CLC=C1+C2+C3+C4+C5

(1)

式中：CLC為建筑全生命周期碳排放總量；C1為建材生產(chǎn)階段碳排放量；C2為建材運(yùn)輸階段碳排放量；C3為建造階段碳排放量；C4為建筑運(yùn)行階段碳排放量；C5為建筑拆除階段碳排放量[1]。

1.3 碳排放因子的確定

本文碳排放因子主要依據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中的各階段碳排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)、部分標(biāo)準(zhǔn)中未明確的建材碳排放因子、建造和拆除階段機(jī)械設(shè)備消耗能源動(dòng)力產(chǎn)生的碳排放因子。

2 案例分析

2.1 工程概況

浙江省湖州市湖東分區(qū)東升和府項(xiàng)目10號(hào)樓，地上17層，建筑面積為1.1萬(wàn)m2，首層為公共部分，2～17層為住宅部分。地上部分采用裝配式部分包覆鋼-混組合異形柱框架+鋼中心支撐結(jié)構(gòu)體系，裝配式結(jié)構(gòu)采用PEC柱、PEC梁、斜撐。預(yù)制混凝土構(gòu)件采用預(yù)制局部疊合樓板、預(yù)制疊合屋面板、預(yù)制輕質(zhì)PC外墻掛板、預(yù)制樓梯等。隔墻采用ALC輕質(zhì)條板。

2.2 碳排放計(jì)算界限

本文計(jì)算邊界為地面以上建筑部分，不含地下車(chē)庫(kù)及夾層(非機(jī)動(dòng)車(chē)庫(kù))部分；由于市政配套邊界不清，因此不計(jì)算市政配套部分的碳排放量；由于現(xiàn)有人工碳排放數(shù)據(jù)很少，因此不計(jì)算人工碳排放；不予采用無(wú)法找到或質(zhì)量無(wú)法保證的數(shù)據(jù)。

2.3 計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究各階段數(shù)據(jù)來(lái)源如下：①生產(chǎn)階段 建筑材料使用量數(shù)據(jù)來(lái)源于建筑材料及設(shè)備采購(gòu)清單、裝配式構(gòu)件預(yù)(決)算工程量清單、門(mén)窗材料、防水材料、預(yù)制構(gòu)件材料總量；②運(yùn)輸階段 混凝土運(yùn)輸距離按照40km計(jì)算，其他建筑材料平均運(yùn)輸距離按100km計(jì)算[6]；③建造階段 機(jī)械臺(tái)班量數(shù)據(jù)來(lái)源于施工臺(tái)賬、施工組織設(shè)計(jì)，包括辦公區(qū)及生活區(qū)用電、用水及柴油、汽油使用臺(tái)賬；④運(yùn)行階段 能源消耗數(shù)據(jù)來(lái)源于PKPM軟件模擬計(jì)算結(jié)果及相關(guān)資料；⑤拆除階段 建筑面積、層數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于施工圖設(shè)計(jì)圖紙。電力碳排放因子采用華東區(qū)域電網(wǎng)電力碳排放因子，即0.809 5kgCO2/kWh[7]。

2.4 全生命周期各階段碳排放計(jì)算

2.4.1生產(chǎn)階段碳排放量

根據(jù)工程概預(yù)算表和工程量清單，梳理出74種主要建筑材料的清單使用量，如圖1所示。少量建材不確定質(zhì)量或體積，且相對(duì)整棟建筑而言碳排放量極少，故不計(jì)入。

圖1 生產(chǎn)階段碳排放量

建材生產(chǎn)階段的碳排放量為4 575 545.656kgCO2e， 其中可再生能源碳減排量依據(jù)工廠提供的光伏系統(tǒng)年發(fā)電量1 000萬(wàn)kW進(jìn)行計(jì)算。主體結(jié)構(gòu)鋼、混凝土、板材是建材生產(chǎn)階段最主要的碳排放來(lái)源，占生產(chǎn)階段碳排放量的84.1%，其中鋼筋和鋼材占47.0%，混凝土和板材分別占19.4%，17.6%(不考慮可再生能源)。

2.4.2運(yùn)輸階段碳排放量

運(yùn)輸階段碳排放主要由運(yùn)輸距離、運(yùn)輸方式、運(yùn)輸材料量共同決定[5]。本工程混凝土和其他建材運(yùn)輸距離分別依據(jù)40,100km進(jìn)行估算。運(yùn)輸階段碳排放量為36 478.77kgCO2e，其中混凝土和鋼運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量最大，約占運(yùn)輸階段全部碳排放的76.8%(見(jiàn)圖2)。

圖2 運(yùn)輸階段碳排放量

2.4.3建造階段碳排放量

建造階段碳排放由分部分項(xiàng)工程施工過(guò)程與措施項(xiàng)目實(shí)施消耗的燃料、動(dòng)力產(chǎn)生的碳排放組成[6]。經(jīng)計(jì)算，建造階段碳排放量為279 412.05kg CO2e(見(jiàn)圖3)。

圖3 建造階段碳排放量

2.4.4拆除階段碳排放量(含廢舊建材回收)

建筑拆除階段的碳排放包括建筑拆除機(jī)械和廢舊建材運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量[4]。建筑廢棄物中的可回收材料碳減排量未包含在《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中，但裝配式建筑在廢舊建材的回收利用上具有較大優(yōu)勢(shì)，尤其是拆解階段的減排效果更明顯，因此有必要計(jì)算廢舊建材回收利用帶來(lái)的碳減排量[4]。

1)拆除機(jī)械碳排放量 由于本項(xiàng)目并未拆解，因此依據(jù)建筑規(guī)模和已有工程經(jīng)驗(yàn)估算拆除機(jī)械臺(tái)班的種類(lèi)和數(shù)量，并依據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算建筑拆除階段拆解機(jī)械的能耗。由于有關(guān)人工碳排放因子的研究資料較少，因此不計(jì)算人工拆除過(guò)程產(chǎn)生的碳排放量[4]。拆除階段機(jī)械產(chǎn)生的碳排放總量為85 070.06kgCO2e(見(jiàn)圖4)。

圖4 拆除階段機(jī)械碳排放量

2)廢舊建材運(yùn)輸碳排放量 根據(jù)建材工程量清單估算運(yùn)輸碳排放量，建筑拆解后，混凝土、鋼筋、鋼材、砂漿、條板共重11 280.75t， 碳排放因子為19.6kgCO2e/(100t·km)，運(yùn)輸距離為34km，碳排放量為75 174.91kgCO2e。

3)廢舊建材回收利用階段碳排放減量 建材回收再利用率及單位建材回收利用后產(chǎn)生的減碳量參考《建筑全生命周期的碳足跡》。建材回收利用碳減量計(jì)算公式如下[4]：

(2)

式中：CCH為回收階段的碳減量(kgCO2e)；ADHS為材料用量(t)；αHS為材料回收利用率(%)；EFHS為回收材料的碳排放因子(kgCO2e/kWh)；i為材料種類(lèi)。

結(jié)合建材工程量清單，得出廢舊建材回收利用碳減量為3 740 144.56kgCO2e(見(jiàn)圖5)。

圖5 回收利用階段碳減量

綜上，拆解階段(不含回收階段)的碳排放量為160 244.97kgCO2e，若考慮回收階段碳減量，則拆解回收階段的碳減量為3 579 899.59kgCO2e。

2.4.5運(yùn)行階段碳排放量

建筑運(yùn)行階段能源消耗包括建筑制冷、制熱、照明、電梯及生活熱水等能耗。采用PKPM軟件進(jìn)行分析，以JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》和《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》為參考設(shè)定室內(nèi)參數(shù)。依據(jù)GB50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，運(yùn)行階段按50年計(jì)算。

1)空調(diào)采暖碳排放量 運(yùn)行階段空調(diào)采暖全年碳排放量為 129 360.01kgCO2e(見(jiàn)表1)。

表1 空調(diào)采暖碳排放量

2)生活熱水碳排放量 本項(xiàng)目采用空氣源熱泵系統(tǒng)，全樓共64戶、戶均3人，共192人。按照每人/日用水定額40L，全年熱水供應(yīng)天數(shù)292d計(jì)算，運(yùn)行階段生活熱水能耗為94 273.08kW·h，折算成全年熱水系統(tǒng)碳排放量為76 314.058kgCO2e。

3)制冷劑碳排放量 依據(jù)建筑碳排放標(biāo)準(zhǔn)，需統(tǒng)計(jì)住宅空調(diào)設(shè)備制冷劑產(chǎn)生的溫室氣體。假定每戶每個(gè)臥室使用1臺(tái)分體空調(diào)，約含1kg R410a制冷劑，客廳使用1臺(tái)柜式空調(diào)，約含3kg R410a制冷劑。按照空調(diào)使用壽命 10 年進(jìn)行計(jì)算，R410a的全球變暖潛值GWPr為1 730(參考IPCC第5次評(píng)估報(bào)告)，根據(jù)下式計(jì)算可得該樓在運(yùn)行階段，每年制冷劑的碳排放量為66 432kgCO2e。

(3)

式中：Cr為建筑使用制冷劑產(chǎn)生的碳排放量(tCO2e/a)；mr為設(shè)備的制冷劑充注量(kg/臺(tái))；ye為設(shè)備使用壽命(a)；GWP為冷劑r的全球變暖潛值。

4)電梯系統(tǒng)碳排放量 電梯能耗根據(jù)GB/T 10058—2009《電梯技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)》中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。選用4部LEHY-Ⅲ電梯，載重量為 1 200kg， 速度2m/s，提升高度58.3m，額定功率16.29kW，通過(guò)電梯能耗公式得出電梯運(yùn)行年碳排放量為31 138.65 kgCO2e。

Ea=(K1·K2·K3·H·F·P)/(V·3 600)+Est

(4)

式中：Ea為電梯使用1年的能耗(kW·h)；K1為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系數(shù)；K2為平均運(yùn)行距離系數(shù)；K3為橋內(nèi)平均荷載系數(shù)；取0.35；H為最大運(yùn)行距離(m)；F為年啟動(dòng)次數(shù)，取100 000～300 000；P為電梯額定功率(kW)；V為額定速度(m/s)；Fst為1年內(nèi)的待機(jī)總能耗(kW·h)。

5)照明系統(tǒng)碳排放量 根據(jù)PKPM軟件計(jì)算可得，1層公共建筑部分年照明能耗是17 090.57kW·h， 2～17層居住建筑部分年照明能耗是97 319.99kW·h， 照明系統(tǒng)年碳排放量為92 615.35kgCO2e。

6)光伏發(fā)電系統(tǒng)碳減排量 采用光伏發(fā)電系統(tǒng)作為可再生能源，根據(jù)浙江省年太陽(yáng)總輻射1 278kW·h/m2， 光伏組件安裝面積580m2進(jìn)行計(jì)算，可得光伏發(fā)電量為135 646.92kW·h。

綜上可知，運(yùn)行階段(50年)的總碳排放量為14 302 694.5kgCO2e(見(jiàn)圖6)。

圖6 運(yùn)行階段碳排放量

2.5 結(jié)果分析

全生命周期碳排放總量為19 353 261.73kgCO2e， 不含拆除階段廢舊建材回收的碳減量，建筑運(yùn)行階段、建造階段、拆除階段、生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段排放量分別占裝配式建筑全生命周期碳排放量的73.9%，1.45%，0.83%，23.64%，0.18%，碳排放量為1 741.84kgCO2e/m2，符合住宅建筑全生命周期碳排放系數(shù)的合理范圍(約2 000kgCO2e/m2)。

建筑運(yùn)行階段的碳排放量占裝配式建筑全生命周期碳排放量(不含回收碳減排)的73.90%，是提升建筑碳減排的重點(diǎn)。新型裝配式鋼-混組合結(jié)構(gòu)建筑的鋼材含量高，多用于主體承重結(jié)構(gòu)，鑒于鋼材具有良好的耐久性與耐候性，新型裝配式建筑在延長(zhǎng)建筑使用周期方面具有較大優(yōu)勢(shì)。在裝配式建筑設(shè)計(jì)階段提高空間設(shè)計(jì)可變性，可有效減少建筑年碳排放量。

建材生產(chǎn)階段的碳排放量占整體碳排放量的23.64%，略高于現(xiàn)澆建筑生產(chǎn)階段的占比(約20%)，參考結(jié)構(gòu)安全性、耐久性，采用相對(duì)保守的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此在鋼材、鋼筋配置上比現(xiàn)澆建筑用量偏多，造成建材生產(chǎn)階段碳排放量略大，但也應(yīng)綜合考慮該結(jié)構(gòu)體系在延長(zhǎng)建筑使用周期方面的優(yōu)勢(shì)。裝配式鋼-混組合結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中，可酌情參考裝配式建筑限額設(shè)計(jì)控制數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼材、混凝土等相關(guān)含量，控制生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放量。

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件種類(lèi)繁多，應(yīng)合理選擇起重機(jī)械設(shè)備，簡(jiǎn)化起重機(jī)械設(shè)備種類(lèi)，提高起重機(jī)械設(shè)備工作效率，降低建造階段碳排放。

建議拆除階段的碳減排使用拆解方式替代拆除方式，盡可能以小型機(jī)械將構(gòu)件從主體結(jié)構(gòu)中分離，提高廢舊建材的回收利用率，減少碳排放量。

新型裝配式鋼-混組合結(jié)構(gòu)建筑的鋼材含量較傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑鋼含量高，在廢舊建材回收利用上具有優(yōu)勢(shì)。建議將廢棄建材回收利用納入建筑全生命周期碳排放計(jì)算中，并折減全生命周期碳排放總量，可引導(dǎo)回收利用，達(dá)到節(jié)能減碳的目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

東升和府10號(hào)樓采用裝配式鋼-混組合結(jié)構(gòu)，從建筑全生命周期維度出發(fā)，碳排放量較普通現(xiàn)澆建筑的碳排放量減排顯著，約比傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑碳排放量減少40%。通過(guò)計(jì)算全生命周期碳排放，認(rèn)為裝配式鋼-混組合結(jié)構(gòu)建筑是在雙碳目標(biāo)下，加快建立和完善以綠色建筑、綠色建材、綠色工廠、綠色施工等一體化為導(dǎo)向的全生命周期、全過(guò)程節(jié)能減排的重要路徑。后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)比分析裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的碳排放。