裝配式建筑運(yùn)行與拆除階段碳足跡測算分析
——以新疆昌吉綠色裝配式農(nóng)房為例

劉思崢

（河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

建筑碳足跡測算得到國內(nèi)外學(xué)者和技術(shù)工作者的廣泛關(guān)注。Su-Hyun等[1]將傳統(tǒng)建筑與低碳建筑進(jìn)行碳足跡比較分析；孟凡鑫等[2]基于全壽命周期視角，構(gòu)建了完整的城市碳足跡核算框架及方法學(xué)模型，并以深圳市為例進(jìn)行實(shí)證研究；Liu和Gu等[3]基于過程法對預(yù)制構(gòu)件制造過程進(jìn)行碳排放評估，并以預(yù)制混凝土內(nèi)墻板為例，進(jìn)行碳源識別與量化研究；Li和Lai等[4]將BIM技術(shù)與碳排放系數(shù)法相結(jié)合，構(gòu)建裝配式混凝土（PC）建筑物化階段碳足跡測算模型。這些基于全壽命周期理論及碳排放系數(shù)法對建筑碳足跡開展測算的工作成果已得到廣泛的認(rèn)可。而毛超、趙領(lǐng)娣、崔鵬等學(xué)者采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、DnAR-N維增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模型、CPS系統(tǒng)、樣本燃燒實(shí)驗(yàn)等方法[5-7]對能源及建筑材料碳排放因子進(jìn)行的測算，為本文測算裝配式建筑運(yùn)行與拆除階段碳足跡提供了科學(xué)的方法和豐富的數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)邊界設(shè)定

裝配式建筑運(yùn)行與拆除階段都存在碳足跡，為了提高研究結(jié)果的可靠度，須對兩個(gè)階段的研究邊界進(jìn)行設(shè)定。

（1）運(yùn)行階段：運(yùn)行期內(nèi)維持采暖、制冷、通風(fēng)、照明等各項(xiàng)功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及必要的設(shè)備維護(hù)、修理、替換等所消耗能源產(chǎn)生的碳排放。

（2）拆除回收階段：達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限后，建筑物拆除過程中人力、機(jī)械、車輛等消耗能源產(chǎn)生的碳排放以及建筑垃圾填埋處置過程中能源消耗產(chǎn)生的碳排放和資源化處理過程中再生產(chǎn)品產(chǎn)生的碳抵消。

（3）系統(tǒng)邊界設(shè)定結(jié)果：綠色裝配式農(nóng)房系統(tǒng)邊界具體如圖1所示，本文將依據(jù)裝配式農(nóng)房項(xiàng)目各階段碳排放計(jì)量結(jié)果累計(jì)計(jì)算其全壽命周期碳排放總量。

圖1 綠色裝配式農(nóng)房系統(tǒng)邊界

2 測算模型的構(gòu)建

2.1 運(yùn)行使用階段

在建筑全壽命周期中，運(yùn)行階段持續(xù)時(shí)間最長，碳排放來源眾多，包含農(nóng)房投入使用后日常照明、采暖、制冷、燃?xì)獾榷喾N設(shè)備運(yùn)行所消耗的化石能源及二次能源。該項(xiàng)目處于交付運(yùn)營初期，各項(xiàng)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，在對項(xiàng)目各個(gè)設(shè)備系統(tǒng)消耗進(jìn)行監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用DeST-H能耗模擬軟件進(jìn)行建筑節(jié)能參數(shù)修訂，并對環(huán)境氣候條件等進(jìn)行設(shè)置，通過能耗模擬分析，計(jì)算農(nóng)房運(yùn)行階段各類能耗負(fù)荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。該農(nóng)房項(xiàng)目的運(yùn)行使用階段碳足跡測算公式表示為：

式中：C2——裝配式綠色農(nóng)房運(yùn)行使用階段碳排放量，kgCO2eq；

Qv——農(nóng)房運(yùn)行階段第v種能源年消耗量，kWh；

Fv——第v種能源的碳排放因子，kgCO2eq/kWh，

Y——農(nóng)房使用年限，a。

2.2 拆除回收階段

當(dāng)前，我國裝配式農(nóng)房尚處于推廣階段，可參考的回收案例以及對案例的研究均較少，拆除處置過程中碳排放和能源消耗數(shù)據(jù)較為匱乏?；趯θ毡続IJ-LCA及我國已有相關(guān)文獻(xiàn)研究[9-11]，以物化階段碳排放總量的10%作為拆除施工過程中機(jī)械、人力等消耗產(chǎn)生的碳排放總量；項(xiàng)目拆除后產(chǎn)生的建筑廢棄物，無法回收使用的部分將轉(zhuǎn)運(yùn)至當(dāng)?shù)刂付ńㄖ幚淼攸c(diǎn)進(jìn)行填埋等方式處理；可進(jìn)行資源化處理的部分建筑廢棄物，在固廢回收生產(chǎn)再生產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的溫室氣體，將在本階段進(jìn)行碳抵消。該農(nóng)房項(xiàng)目的拆除回收階段碳足跡測算公式為：

式中：C3——裝配式綠色農(nóng)房拆除回收階段碳排放量，kgCO2eq；

C1——裝配式綠色農(nóng)房物化階段碳排放量，kgCO2eq；

Mt——運(yùn)輸建筑廢棄物車輛每百公里燃料能源消耗量，kg；

Lt——建材廢棄物運(yùn)輸距離，km；

Fk——第k種能源碳排放因子，kgCO2eq/kg；

Qt——不可回收建材用量，t；

Ft——不可回收建材填埋的碳排放因子，kgCO2eq/t；

Qw——可回收建材用量，t；

φw——建材可回收系數(shù)；

Fr——可回收建材再生產(chǎn)過程碳排放因子，kgCO2eq/t。

3 案例項(xiàng)目碳足跡計(jì)算分析

3.1 運(yùn)行階段碳足跡計(jì)算

昌吉州裝配式農(nóng)房項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50年，年限到期后經(jīng)相關(guān)部門鑒定無質(zhì)量安全問題，仍可居住使用。對于地廣人稀的西北農(nóng)牧地區(qū)而言，市政熱水管網(wǎng)系統(tǒng)和天然氣管道系統(tǒng)難以全面覆蓋，不具備普適性。因此本研究重點(diǎn)從電能、生活用水兩方面對裝配式綠色農(nóng)房項(xiàng)目運(yùn)行階段進(jìn)行負(fù)荷分析，經(jīng)實(shí)地能耗監(jiān)測，根據(jù)昌吉州政府部門規(guī)定，該州空調(diào)制冷期為當(dāng)年7月1日至9月1日，供暖期為當(dāng)年10月10日至次年4月10日。參照《新疆維吾爾自治區(qū)民用建筑供熱節(jié)能辦法》和《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824-2013），將農(nóng)房夏季室內(nèi)溫度設(shè)置為26℃，冬季設(shè)置為20℃。農(nóng)房運(yùn)行特征如表1所示。

表1 農(nóng)房運(yùn)行特征

依據(jù)項(xiàng)目各層平面布置圖，根據(jù)不同功能區(qū)域的劃分進(jìn)行人員、照明、設(shè)備、熱擾作息等參數(shù)設(shè)置，構(gòu)建DeSTH能耗分析模型，如圖2所示。

圖2 DeST-H建筑模型圖

住宅建筑中居民生活用水是水資源消耗的主要來源。對于農(nóng)村住宅而言，生活用水主要用于維持日常生活需求以及畜牧養(yǎng)殖等。考慮到我國中西部地區(qū)相較于東部沿海地區(qū)普遍存在干旱缺水的自然現(xiàn)象，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該農(nóng)房每月人均用水量為4.8m3，家庭成員設(shè)定為5人，因此農(nóng)房全年平均用水量約為288m3；對農(nóng)房電能消耗系統(tǒng)的分析包含空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、采暖通風(fēng)系統(tǒng)。該農(nóng)房運(yùn)行階段能源消耗碳足跡測算如表2所示。

表2 運(yùn)行階段能源消耗碳排放量

3.2 拆除回收階段碳足跡計(jì)算

依據(jù)綠色裝配式農(nóng)房項(xiàng)目物化階段所使用的建材種類、數(shù)量及昌吉州當(dāng)?shù)貙ㄖ奶幹梅椒?，僅針對項(xiàng)目鋼材進(jìn)行回收處理，鋼材的建筑回收系數(shù)設(shè)定為0.4；其余不可回收建材運(yùn)送至當(dāng)?shù)刂付ńㄖ幚韽S進(jìn)行科學(xué)填埋處理，根據(jù)現(xiàn)場記錄顯示，項(xiàng)目所在地至建筑垃圾處理廠平均運(yùn)輸距離為86km，全程采用輕型柴油貨車（載重2t）。該農(nóng)房拆除回收階段碳足跡測算見表3。

表3 拆除回收階段碳排放量計(jì)算表

4 測算結(jié)果與討論

由項(xiàng)目運(yùn)行和拆除兩個(gè)階段碳排放測算結(jié)果可知，運(yùn)行使用階段碳足跡總量為704.61tco2eq，占總量的54.63%；拆除回收階段碳足跡總量為54.09 tco2eq，占總量的4.20%。按照設(shè)計(jì)年限為50年計(jì)算，該項(xiàng)目年均單位面積碳足跡總量為0.139tco2eq/m2。約為傳統(tǒng)農(nóng)房全壽命周期碳足跡總量的24%[8]，考慮建筑材料相似性，較傳統(tǒng)混凝土住宅單位面積年均碳足跡對比如圖3所示。

圖3 不同建筑結(jié)構(gòu)碳足跡對比圖

通過對比分析，結(jié)合案例項(xiàng)目全壽命周期各階段的碳足跡測算可知：

（1）項(xiàng)目運(yùn)行使用階段碳排放總量為704.61 tco2eq。經(jīng)分析，該農(nóng)房在運(yùn)行期間空調(diào)的采暖通風(fēng)系統(tǒng)是最主要的碳排放源，碳排放量為210.83 tco2eq，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)仍是當(dāng)前碳控減排的重點(diǎn)，照明系統(tǒng)是僅次于采暖通風(fēng)系統(tǒng)的碳排放源，碳排放量為189.97 tco2eq，合理設(shè)計(jì)窗墻比以及使用節(jié)能燈具，可有效減少能源消耗，降低建筑運(yùn)行碳排放。

（2）項(xiàng)目拆除回收階段碳排放量占比僅為54.09 tco2eq，其主要原因是項(xiàng)目拆除處置過程中存在回收利用價(jià)值的鋼材進(jìn)行資源化處理。因此，拆除回收階段應(yīng)充分考慮構(gòu)件、鋼材等建材的回收利用，科學(xué)設(shè)計(jì)拆除方案及回收方式。

5 結(jié)束語

本文對新疆昌吉綠色裝配式農(nóng)房運(yùn)行階段、拆除回收階段的碳排放足跡進(jìn)行測算，結(jié)果顯示：該綠色裝配式農(nóng)房單位面積年均碳足跡總量為0.139tco2eq/m2，約為傳統(tǒng)農(nóng)房全壽命周期碳足跡總量的24%，碳排減量顯著；運(yùn)行使用階段碳足跡排放量最大，綠色節(jié)能設(shè)計(jì)及建造方式對建筑物碳排總量影響顯著；拆除回收階段碳足跡占排放總量的比例較小，建筑垃圾資源化利用產(chǎn)生的“碳抵消”效果明顯，產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)發(fā)展是建筑業(yè)碳控減排的有效手段。該研究結(jié)論對我國西部地區(qū)村鎮(zhèn)住房建造方式改革具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也為建筑企業(yè)響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)提供了可靠的案例分析與數(shù)據(jù)依據(jù)。