裝配式建筑物化階段碳排放量模型建立與現(xiàn)澆建筑對(duì)比評(píng)價(jià)研究

王鐵柱，張佳陽，趙煒璇，楊飛華，章銀祥

（1.北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100041；2.北京市預(yù)拌砂漿工程技術(shù)研究中心，北京 100041）

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，更為嚴(yán)格的節(jié)能減排措施將會(huì)陸續(xù)推出。建筑行業(yè)能耗約占全國(guó)總能源消耗的1/3，裝配式建筑被譽(yù)為建筑行業(yè)的一次革命，能夠有效降低碳排放量，實(shí)現(xiàn)建筑由建造向制造的轉(zhuǎn)變[1]。

2022年4月1日實(shí)施的GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》明確提出，新建的居住和公共建筑碳排放強(qiáng)度應(yīng)分別在2016年執(zhí)行的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建筑運(yùn)行階段碳排放強(qiáng)度平均降低7 kgCO2/（m2·a）。GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》依據(jù)全生命周期將建筑碳排放劃分為，建材生產(chǎn)及運(yùn)輸、建筑建造、建筑拆除及建筑運(yùn)行4個(gè)階段，而物化階段是指包括預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝建造過程在內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)建造階段，鑒于裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆在建造方面的巨大差異，該標(biāo)準(zhǔn)未完全體現(xiàn)裝配式建筑的建造流程特點(diǎn)，采用該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裝配式建筑物化階段進(jìn)行碳排放計(jì)算具有一定局限性[2-6]。本文參照工程實(shí)例，對(duì)裝配式建筑和現(xiàn)澆建筑物化階段進(jìn)行對(duì)比分析，為進(jìn)一步推動(dòng)裝配式建筑碳減排提供理論依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

該工程為辦公樓，占地面積2600 m2，建筑面積16 500 m2，建筑高度51.2 m，地上12層，地下3層，結(jié)構(gòu)形式為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，預(yù)制率53%，預(yù)制構(gòu)件包括剪力墻、疊合梁、疊合板、預(yù)制陽臺(tái)等，總方量為15 000 m3，抗震設(shè)防烈度為8度。

2 碳排放邊界設(shè)定

在建筑全生命周期中，裝配式建筑和現(xiàn)澆建筑在運(yùn)行階段差別較小。由于裝配式建筑和傳統(tǒng)現(xiàn)澆的建造模式和產(chǎn)品形式不同，二者在物化階段和拆除回收階段有所不同。在物化階段，裝配式混凝土到施工現(xiàn)場(chǎng)是構(gòu)件產(chǎn)品形式，現(xiàn)澆則為半成品，但二者在GB/T 51366—2019中均作為原材進(jìn)行處理，因此不能完全體現(xiàn)二者差異。在拆除階段，部分裝配式建筑，如模塊建筑，可重復(fù)利用率達(dá)到90%以上，而傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑目前均進(jìn)行破壞性處理，可作為骨料回收利用，資源有效化利用率較低。本文以物化階段作為研究對(duì)象設(shè)定基準(zhǔn)邊界。裝配式與現(xiàn)澆建筑物化階段碳排放源對(duì)比如表1所示。

表1 裝配式與現(xiàn)澆建筑物化階段碳排放源對(duì)比

3 裝配式建筑物化階段碳排放模型建立及計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

碳排放計(jì)算分為估算法和基于實(shí)際能源消耗數(shù)據(jù)計(jì)算2種方法。如施工單位有較好的節(jié)能意識(shí)和管理，建立施工全過程的各類能源消耗臺(tái)賬，可進(jìn)行施工能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于一次能源，可調(diào)取相關(guān)能源購(gòu)買及使用的進(jìn)出庫(kù)記錄統(tǒng)計(jì)用量，對(duì)于電力，可根據(jù)電表統(tǒng)計(jì)用量。

如無確定數(shù)據(jù)來源，可采用施工能耗定額法、工程預(yù)算決算書法、經(jīng)驗(yàn)公式法。定額法中，施工機(jī)械臺(tái)班可依據(jù)《全國(guó)統(tǒng)一施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》進(jìn)行測(cè)算。預(yù)算決算書法，可檢索立項(xiàng)階段的各種投資估算，成本概預(yù)算，招標(biāo)合同等文件中包含的電耗及化石燃料用量，按式（1）推算物化階段的碳排放量：

式中：C物化——裝配式建筑物化階段碳排放量，teCO2；

C生產(chǎn)——裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放量，teCO2；

C運(yùn)輸——裝配式建筑運(yùn)輸階段碳排放量，teCO2；

C建造——裝配式建筑建造階段碳排放量，teCO2。

3.2 裝配式建筑生產(chǎn)階段碳排放計(jì)算模型

生產(chǎn)階段可以實(shí)際能源消耗數(shù)據(jù)結(jié)合排放因子法進(jìn)行測(cè)算。相對(duì)于質(zhì)量平衡法和實(shí)測(cè)法，排放因子將研究對(duì)象劃分為不同排放源，對(duì)各排放源建立數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)具體數(shù)據(jù)測(cè)算排放因子，研究對(duì)象各排放源的基本數(shù)據(jù)和相應(yīng)排放因子相乘即可得到研究對(duì)象排放總量。此種方法由于數(shù)據(jù)庫(kù)的局限性，其計(jì)算結(jié)果不能反應(yīng)個(gè)體研究對(duì)象碳排放水平差異，與實(shí)際排放量有一定偏差，但與質(zhì)量平衡法和實(shí)測(cè)法相比，其操作相對(duì)簡(jiǎn)單。是目前廣泛應(yīng)用的方法，因此，本文采用排放因子法進(jìn)行碳排放測(cè)算。對(duì)于一次能源，煤、油、氣的碳排放因子是固定的，可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取值，對(duì)于二次能源，電力、熱力的碳排放因子與生產(chǎn)二次能源的方式相關(guān)，是變化的。

生產(chǎn)過程，碳排放源包括預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、蒸養(yǎng)、現(xiàn)場(chǎng)所產(chǎn)生的能耗折算的碳排放?；炷良庸ぐㄉ狭?、配料、攪拌、下料等過程產(chǎn)生的電力、天然氣等能源消耗。加工消耗能源包括生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程消耗的電力、柴油、汽油等能源，不包括預(yù)制構(gòu)件原材料生產(chǎn)消耗的能源。工作生活消耗能源包括生產(chǎn)車間、辦公場(chǎng)所產(chǎn)生的能源消耗，如采暖空調(diào)、照明電耗能。設(shè)備消耗能源包括生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的電力、天然氣等能源形式的消耗。

GB/T 51366—2019及《2019年度減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》中規(guī)定了建筑材料的碳排放因子的數(shù)據(jù)，根據(jù)研究對(duì)象選擇碳排放因子如表2所示。

表2 主要碳排放源的碳排放因子

裝配式建筑物化階段包含生產(chǎn)、運(yùn)輸、建造3個(gè)階段。生產(chǎn)階段碳排放包括材料碳排放和設(shè)備、人工碳排放。周轉(zhuǎn)材料按照攤銷進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備攤銷按照能源耗用碳排放因子進(jìn)行計(jì)算，人工以單位工時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 生產(chǎn)階段碳排放計(jì)算

生產(chǎn)階段指的是預(yù)制構(gòu)件出廠前在工廠的能源消耗量，其碳排放量應(yīng)包含原材料在入場(chǎng)前碳排放量和生產(chǎn)過程碳排放量總和。根據(jù)項(xiàng)目情況，產(chǎn)品包含剪力墻、疊合板、樓梯各類構(gòu)件，生產(chǎn)設(shè)施包括：模具、生產(chǎn)機(jī)械、生產(chǎn)配件、灌漿套筒、預(yù)埋件等。生產(chǎn)階段碳排放量按式（2）計(jì)算：

式中：C生產(chǎn)——生產(chǎn)過程碳排放量，teCO2；

C原材——預(yù)制構(gòu)件原材碳排放量，teCO2；

C設(shè)備——預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程設(shè)備耗電碳排放量，teCO2；

C周轉(zhuǎn)——預(yù)制構(gòu)件周轉(zhuǎn)過程碳排放量；teCO2；

C人工——生產(chǎn)階段人工碳排放量，teCO2。

表3 生產(chǎn)階段1 m3預(yù)制構(gòu)件碳排放量計(jì)算

3.2.2 運(yùn)輸階段碳排放計(jì)算

預(yù)制構(gòu)件成品運(yùn)輸由于其特殊的規(guī)格尺寸及成品保護(hù)、支撐要求，車輛無法達(dá)到限載噸位，同時(shí)，不同構(gòu)件滿載噸位有較大差異。現(xiàn)場(chǎng)混凝土中，按照預(yù)制率53%計(jì)算。運(yùn)輸階段碳排放量按式（3）計(jì)算：

式中：Mi——第i種構(gòu)件的總用量，t；

Di——第i種構(gòu)件平均運(yùn)輸距離，km；

T——第i種構(gòu)件的運(yùn)輸方式下，單位質(zhì)量運(yùn)輸距離的碳排放因子，kgCO2e/（t·km）。

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸距離為從生產(chǎn)地到建造現(xiàn)場(chǎng)的距離，其他材料按照實(shí)際距離取值。計(jì)算以運(yùn)距100 km計(jì)算，疊合樓板采用載重18 t的重型柴油貨車運(yùn)輸，剪力墻板采用30 t的重型柴油貨車運(yùn)輸，空車返回系數(shù)1.67?；炷吝\(yùn)輸過程平均距離取25 km，采用12 m3運(yùn)輸罐車，耗油0.35 L/km，其他建材采用10 t中型柴油車，平均運(yùn)距取40 km。預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸階段碳排放量見表4?，F(xiàn)澆建筑運(yùn)輸階段碳排放量見表5。

表4 預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸階段的碳排放量

表5 現(xiàn)澆建筑運(yùn)輸階段的碳排放量

3.2.3 建造階段碳排放計(jì)算

建造階段碳排放主要是指預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)施工機(jī)械耗能所產(chǎn)生的碳排放，同時(shí)為體現(xiàn)裝配式和現(xiàn)澆的建造方式差異，應(yīng)分別計(jì)算人工碳排放量。建造階段碳排放量按式（4）計(jì)算：

式中：C建造——建造階段碳排放量，teCO2；

Ejzi——第i種能源的總用量，kW·h或kg；

EFi——第i種能源碳排放因子，kgCO2/kW·h，按GB/T 51366—2019附錄A確定；

E人工——人工碳排放量，teCO2。

預(yù)制構(gòu)件及現(xiàn)澆施工階段碳排放量如表6所示。

4 裝配式建筑與現(xiàn)澆建筑碳排放量計(jì)算

現(xiàn)澆建筑碳排放源包括原材間接排放、施工過程的直接排放?，F(xiàn)場(chǎng)主要材料耗用如表7所示。

由表7可知，相對(duì)于現(xiàn)澆建筑，裝配式建筑在建筑物化階段可減少碳排放量2.65 kg/m2。生產(chǎn)階段，裝配式建筑比現(xiàn)澆建筑碳排放量增加，主要原因有2方面：（1）裝配式建筑產(chǎn)品的形式和現(xiàn)澆混凝土不同，為最終產(chǎn)品形式。在廠內(nèi)生產(chǎn)時(shí)，模具、預(yù)埋件、蒸養(yǎng)等各種能源消耗造成了碳排放的增加?，F(xiàn)澆混凝土作為原材，計(jì)入施工內(nèi)。（2）由于建造方式特點(diǎn)，裝配式建筑疊合板的厚度大于傳統(tǒng)現(xiàn)澆樓板厚度。

運(yùn)輸階段裝配式建筑比現(xiàn)澆建筑增加碳排放0.5 kg/m2，主要原因有2方面：（1）裝配式構(gòu)件由于其尺寸的特殊性，不能達(dá)到運(yùn)輸車輛的限載，因此有額外運(yùn)輸消耗。（2）相對(duì)于商品混凝土，裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件廠分布相對(duì)不足，因此導(dǎo)致運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，導(dǎo)致額外碳排放增加。

建造階段，裝配式建筑比現(xiàn)澆建筑減少碳排放量5.87 kg/m2，主要由于裝配式建筑采用工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)裝配的方式，能夠大幅提高現(xiàn)場(chǎng)的安裝機(jī)械程度，減少人工消耗。相對(duì)于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆建筑支模、鋼筋綁扎、混凝土泵送等大量濕作業(yè)，能夠有效減少現(xiàn)場(chǎng)施工能源消耗。

5 結(jié)語

以建筑物化階段為研究邊界，對(duì)比了裝配式建筑和現(xiàn)澆建筑碳排放的差異及其影響因素。相對(duì)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆，裝配式建筑物化階段能夠有效降低碳排放總量。碳排放模型為二者進(jìn)行對(duì)比提供了數(shù)據(jù)和計(jì)算依據(jù)。本研究設(shè)定是在目前裝配式技術(shù)基礎(chǔ)上，如采用模塊建筑，將大大提高建筑的回收率，能夠進(jìn)一步減少現(xiàn)場(chǎng)建筑垃圾，在建筑全壽命周期大幅降低碳排放量。