裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件電動運輸碳排放量計算技術(shù)和方法研究*

文/東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司 印 江

西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國家重點實驗室 東南大學(xué)建筑學(xué)院 王海寧

東南大學(xué)建筑學(xué)院 張 宏

1 研究背景

相較運維階段的碳排放研究，建筑物化階段的碳排放研究同樣重要，這與建造方式產(chǎn)生直接關(guān)系。裝配式建筑因其在創(chuàng)造可持續(xù)城市化中的重要作用而引起全世界關(guān)注。預(yù)制技術(shù)是將一定數(shù)量的建筑構(gòu)件在得到良好控制的環(huán)境下制造，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，最后組裝成建筑物，在許多國家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[1]。預(yù)制是可提高質(zhì)量控制水平、改善環(huán)境性能、提高現(xiàn)場安全水平、減少勞動力需求和施工時間的可持續(xù)施工方法。尤其當(dāng)前面臨我國人口老齡化問題日益嚴重，越來越多的施工現(xiàn)場難以找到足夠的建筑工人[2]，而裝配式建筑將大量的建造工作從環(huán)境惡劣的工地現(xiàn)場轉(zhuǎn)移到工廠，使更多在工地的建筑工人（Labor）轉(zhuǎn)變?yōu)樵趶S房工作的產(chǎn)業(yè)工人（Worker），顯著改善其工作環(huán)境[3]。同時預(yù)制技術(shù)改變了傳統(tǒng)的建筑設(shè)計和施工方式[4]，與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工技術(shù)相比，預(yù)制技術(shù)在減少對環(huán)境的破壞方面具有優(yōu)勢，因此更環(huán)保[5]。

裝配式建筑雖然在技術(shù)和政策方面具有諸多利好，但在當(dāng)前應(yīng)用規(guī)模過小、構(gòu)件標準化程度過低的情況下，造價仍高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造模式[6]。因此裝配式建筑的碳排放研究尤為重要，應(yīng)在環(huán)境和能源方面對裝配式建筑體系進行綜合評估，由此促進后續(xù)基于碳排放的建筑物化階段獎懲機制的建立，倒逼產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級改造，進而提高產(chǎn)業(yè)鏈各參與單位的節(jié)能減排意識，降低行業(yè)整體碳排放量。

隨著電動小型汽車和電動大型客車的普及，電動卡車成為政府主管部門在低碳運輸改革方向的著力點，各種噸位與型號的電動卡車涌現(xiàn)市場，已覆蓋各載重級別，2020年1—5月共銷售電動卡車12693輛，其中中型卡車3522輛，重型卡車1092輛，僅重型卡車的車企就有34家[7]。

2 構(gòu)件與材料運輸

2.1 裝配式建筑的兩大運輸階段

裝配式建筑物化階段包括材料生產(chǎn)、材料運輸、構(gòu)件生產(chǎn)、構(gòu)件運輸和現(xiàn)場裝配5個階段，其中與運輸相關(guān)的為材料運輸和構(gòu)件運輸2個獨立的階段[8]，分別發(fā)生在不同的產(chǎn)業(yè)鏈中。由于運輸方式不同，裝配式建筑與現(xiàn)澆建筑的碳排放有所差異。GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》對建材公路運輸碳排放因子作出規(guī)定。但現(xiàn)行規(guī)定仍然比較粗略，僅從車輛載重、動力類型進行分類，而未考慮其他因素對運輸碳排放的影響。如采用輕型汽油貨車運輸，則碳排放因子一律為0.334kgCO2e/（t·km），中型柴油貨車運輸一律為0.179kgCO2e/（t·km），僅采用車型級別確定碳排放因子難以兼顧裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)奶匦浴?/p>

2.2 預(yù)制構(gòu)件運輸特性

1）考慮到經(jīng)濟性和構(gòu)件運輸完好性，幾乎所有的預(yù)制構(gòu)件均采用公路運輸，這與材料運輸所呈現(xiàn)的水路運輸、鐵路運輸和公路運輸并存的方式完全不同。

2）預(yù)制構(gòu)件運輸需考慮尺寸及堆疊層數(shù)限制和安裝順序問題，如圖1所示，無法達到100%滿載。如按照規(guī)范，預(yù)制疊合板在運輸和存放階段堆疊層數(shù)不宜大于6層，過多層數(shù)的堆疊會造成預(yù)制疊合板變形與開裂，影響結(jié)構(gòu)安全與建筑壽命。而由于車輛自重不會改變，因此碳排放與載重量不成正比，如在我國澳門地區(qū)純電動載具的載荷測試中發(fā)現(xiàn)，相較空載，滿載能耗只增加9%～11%，甚至在載重量極低的情況下，單位重量和里程下的碳排放量趨于無窮大，因此滿載比例與碳排放量不呈線性正比。

圖1 僅運輸3塊墻板的拖掛車輛

3 試驗與研究方案

3.1 試驗場景選擇

雖然汽車和內(nèi)燃機行業(yè)對于能耗與碳排放計算擁有一套完整的方法，如根據(jù)特定發(fā)動機萬有曲線進行軟件模擬，或在底盤測功機上運行相應(yīng)的標準循環(huán)工況[9]。但上述方法均是在統(tǒng)一使用環(huán)境的坐標系下，針對車輛或發(fā)動機的碳排放進行測算，其根本目的在于衡量交通工具的優(yōu)劣。而構(gòu)件運輸階段的碳排放計算研究的目的在于還原構(gòu)件運輸過程的真實碳排放，因此在方法和目標方面與汽車和內(nèi)燃機領(lǐng)域差距較大，而且上述軟件模擬和實驗室測定的方法輸入?yún)?shù)過多，在適用于裝配式建筑日常運輸?shù)奶寂欧庞嬎阒袩o法一一找齊。

因此本研究以構(gòu)件作為研究對象，對運輸階段的碳排放量和相關(guān)參數(shù)進行試驗測量，通過統(tǒng)計學(xué)方法進行回歸分析，由此建立適合于預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)奶寂欧庞嬎隳Ｐ?，以期?019版《建筑碳排放計算標準》作出補充，使其能更適用于裝配式建筑的構(gòu)件運輸階段，更準確地反映構(gòu)件運輸階段的真實碳排放量。

3.2 試驗對象與方法

此次研究通過載重車輛在真實道路交通情況下的實際運輸行駛狀態(tài)，反映構(gòu)件運輸過程中的真實碳排放量。測試地點為江蘇省南京市區(qū)域，通過計算燃料的消耗量反推排入大氣中的二氧化碳。采用OBD接口采集運輸車輛的狀態(tài)信息，包括開始時間、行駛里程、能源消耗，除此之外，車輛載重量數(shù)據(jù)由出貨單數(shù)據(jù)提供。研究選取1輛汽油車和1輛電動車作為對比。

1）汽油車 車型為長安之星9廂式運輸車，該車總質(zhì)量1875kg，整備質(zhì)量1245kg，最大載重630kg，所用燃料為92號汽油。

2）電動車 車型為長安之星9EV廂式運輸車，該車總質(zhì)量1875kg，整備質(zhì)量1270kg，最大載重605kg，能量來源為35.9 kW·h容量的磷酸鐵鋰電池包。

4 試驗結(jié)果與分析

1）不同類型車輛的碳排放因子 試驗共取得樣本數(shù)量為506例，其中汽油車344例，碳排放因子平均值為0.3326kgCO2e/（t·km），最小值為0.1811kgCO2e/（t·km），最大值為0.6396kgCO2e/（t·km），標準方差為0.0873；電動車運輸為162例，碳排放因子平均值為0.2056kgCO2e/（t·km），最小值為0.1088kgCO2e/（t·km），最大值為0.2985kgCO2e/（t·km），標準方差為0.0310。電動車和汽油車的構(gòu)件運輸碳排放因子分布如圖2所示，可看出電動車的構(gòu)件運輸碳排放因子普遍低于汽油車。

圖2 電動車和汽油車構(gòu)件運輸碳排放因子對比

2）滿載率的影響 試驗數(shù)據(jù)涵蓋2種類型車輛滿載率在60%～100%區(qū)間的碳排放因子表現(xiàn)，由圖3可看出以下特征：構(gòu)件運輸碳排放因子與滿載率呈反比；電動車的構(gòu)件運輸碳排放因子在不同滿載率情況下普遍低于汽油車；構(gòu)件運輸碳排放因子與不同地區(qū)的電力碳排放呈反比。

圖3 構(gòu)件運輸碳排放因子與滿載率之間的關(guān)系

由于我國不同省份的火力、水力和新能源發(fā)電比例相差較大，因此電力碳排放因子相差較多，如華東地區(qū)的電力碳排放因子為0.7035kgCO2e/（t·km），而最低值則為緊鄰的華中地區(qū)，為0.5257kgCO2e/（t·km）。

5 預(yù)制構(gòu)件運輸碳排放計算方法

通過線性回歸擬合公式，得到汽油車和電動車的預(yù)制構(gòu)件運輸碳排放因子計算公式。

1）汽油車

2）電動車

式中，TransFctG為汽油車的預(yù)制構(gòu)件運輸碳排放因子，單位為kgCO2e/（t·km）；TransFctE為電動車輛的預(yù)制構(gòu)件運輸碳排放因子，單位為kgCO2e/（t·km）；LoadRatio為運輸車輛的滿載比例，單位為%；ElectFct為各地區(qū)的電力碳排放因子，單位為kgCO2e/（t·km）。

6 結(jié)語

通過對裝配式建筑運輸階段可能影響碳排放因子的參數(shù)進行觀察收集、整理分析和統(tǒng)計回歸，建立相關(guān)的碳排放因子數(shù)學(xué)模型，主要研究結(jié)論如下。

1）相較普通建筑，裝配式建筑增加了構(gòu)件生產(chǎn)和構(gòu)件運輸2個階段，受限于構(gòu)件尺寸、構(gòu)件擺放、構(gòu)件交付時間等因素，對比材料運輸，即使基于同一運輸車型，構(gòu)件運輸碳排放因子變化幅度也較大。

2）預(yù)制構(gòu)件運輸碳排放因子受到滿載比例影響較大，半載相較滿載情況下的碳排放量，汽油車增加約118.92%，電動車增加約36.88%（見表1）。

表1 不同滿載率情況下的減碳比例

3）電動車在任何滿載比例情況下均比汽油車體現(xiàn)出更低的碳排放量，越是輕載情況下減碳比例越高。

4）研究以定量方式探索預(yù)制構(gòu)件運輸階段的碳排放量估算與普通建筑材料運輸?shù)牟煌?，通過建立碳排放因子數(shù)學(xué)計算模型的方式，為更精準地預(yù)測裝配式建筑運輸階段的碳排放量提供了有效工具。