鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)研究

摘要：通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)、建材采購(gòu)和運(yùn)輸、建造施工、投產(chǎn)使用、拆除回收等各個(gè)環(huán)節(jié)的碳足跡特征分析，構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程案例。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在使用階段和物化階段的碳排放量占總排放量的99%，因此，這兩個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵階段。通過(guò)探索不同建筑結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)廠房碳排放量，對(duì)比分析不同建筑結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)廠房節(jié)能減排關(guān)鍵因素和階段。期望通過(guò)建立鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房碳足跡核算模型，以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型，并為建筑行業(yè)全生命周期的碳足跡評(píng)價(jià)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：全生命周期；碳足跡；碳排放因子；鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房

0 引言

溫室氣體的排放已導(dǎo)致全球氣候變暖，海平面上升，地球極端天氣災(zāi)害頻發(fā)，生物多樣性受到嚴(yán)重影響。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，據(jù)IPCC 統(tǒng)計(jì)，全球建筑業(yè)消耗能源占總消耗的40%，其碳排放量更是占全球碳排放總量的36%^[1]，這對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成巨大的威脅。為全面降低能耗與碳足跡，建筑行業(yè)亟須在良好的外部環(huán)境支持下，建立起貫穿建筑業(yè)全生命周期的全局觀，科學(xué)規(guī)劃各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗與碳排放，實(shí)現(xiàn)在“雙碳”目標(biāo)下建筑行業(yè)全生命周期的低碳發(fā)展。

2022年4 月1 日，隨著《建筑設(shè)計(jì)環(huán)保與可再生能源利用通行標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，對(duì)建筑物的碳足跡進(jìn)行精確的評(píng)估和控制變得更加重要和嚴(yán)格。近年來(lái)，為響應(yīng)國(guó)家能源相關(guān)政策，不少學(xué)者開(kāi)始關(guān)注建筑業(yè)碳足跡測(cè)算，并取得了一定的成果。

李靜等^[2]結(jié)合施工定額、施工機(jī)械臺(tái)班消耗、能源及材料碳足跡因子，精準(zhǔn)地測(cè)定了裝配式建筑三種不同類型的碳足跡，為裝配式建筑的綠色建設(shè)提供重要依據(jù)。鄭曉云等^[3]深入探討裝配式建筑的全生命周期，詳細(xì)評(píng)估每個(gè)階段碳足跡的影響程度，并且提出一系列有效的措施，以降低各階段的碳排放量。楊尚榮等^[4]通過(guò)采取綜合能耗分析法，大大降低了預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放量，并且可以更好地體現(xiàn)企業(yè)的全面經(jīng)濟(jì)效益，從而更有效地控制和減少工程項(xiàng)目的碳排放量。Bonamente等^[5]基于全生命周期對(duì)意大利預(yù)制建筑部門(mén)進(jìn)行分析，得出影響碳足跡的重要因素，從而為評(píng)估不同設(shè)計(jì)選擇的環(huán)境性能提供方案。Tumminia等^[6]利用非穩(wěn)態(tài)建筑模擬技術(shù)與生命周期評(píng)價(jià)技術(shù)，對(duì)意大利西西里地區(qū)的預(yù)制建筑模塊的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行深入研究，并發(fā)現(xiàn)它們?cè)诒Ｗo(hù)自然資源的同時(shí)，也具有良好的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?。Aye等^[7]對(duì)預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)的復(fù)合建筑進(jìn)行量化研究，旨在檢驗(yàn)其在保護(hù)自然資源的同時(shí)也具有良好的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?。Chang等^[8]從生產(chǎn)力和資源的角度分析中國(guó)預(yù)制建筑的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，并對(duì)中國(guó)預(yù)制建筑的發(fā)展提出建議。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多利用全生命周期理論對(duì)裝配式建筑的碳足跡進(jìn)行分階段研究，但對(duì)于工業(yè)建筑，尤其是鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的碳足跡測(cè)算研究較少。因此，本文通過(guò)構(gòu)建可用于計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房全生命周期碳足跡模型，分析鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房實(shí)現(xiàn)低碳減排的關(guān)鍵步驟，衡量其對(duì)環(huán)境的影響，可為工業(yè)廠房投資決策提供參考。

1 全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型

生命周期評(píng)價(jià)（以下簡(jiǎn)稱“LCA”）旨在評(píng)價(jià)一種物質(zhì)的全生命周期，以及它如何通過(guò)采購(gòu)、制造、銷售、維護(hù)等過(guò)程，減少或避免給周?chē)匀画h(huán)境帶來(lái)的不利影響。

建筑物的碳排放是由多種因素造成的，其中包括二氧化碳、甲烷和氧化亞氮。國(guó)際能源署通過(guò)對(duì)這些因素的定量分析來(lái)確定建筑物的碳排放量^[9]。

研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出3種常見(jiàn)的方法來(lái)評(píng)估建筑的碳足跡，即實(shí)驗(yàn)法、物料平衡法、碳足跡系數(shù)法。這些方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。例如，劉珊^[10]提出一種基于BIM 的裝配式住宅物理過(guò)程中的碳足跡評(píng)估方法，該方法擁有一個(gè)完整的參數(shù)庫(kù)、基本信息庫(kù)和清單庫(kù)。

通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)、物化、使用、拆除回收4個(gè)生產(chǎn)階段的綜合評(píng)估，可以準(zhǔn)確地估算出其在不同階段的碳排放量。建筑全生命周期碳排放進(jìn)程如圖1所示。建筑全生命周期碳足跡計(jì)算公式如下

E=E₁+E₂+E₃+E₄ """（1）

式中，E為建筑全生命周期碳排放量（kgCO_2eq）；E₁為設(shè)計(jì)階段碳排放量（kgCO_2eq）；E₂為物化階段碳排放量（kgCO_2eq）；E₃為使用階段碳排放量（kgCO_2eq）；E₄為拆除回收階段碳排放量（kgCO_2eq）。

1.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段的碳排放量主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中所消耗能源和設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生的總碳排放量。通常設(shè)計(jì)單位使用辦公室電腦進(jìn)行圖樣設(shè)計(jì)，辦公照明、空調(diào)能源消耗造成的碳排放量為設(shè)計(jì)階段的主要碳排放量，公式如下

式中，P_i 為第i 種能源的月平均消耗量（kW·h）；M表示使用時(shí)間（月）；Q_i為第i 種能源碳足跡因子（kgCO_2eq/kW·h）；Q_r為人工消耗量（工日）；F_r為人工碳足跡因子（kgCO_2eq/工日）。

1.2 物化階段

建筑物化階段碳排放量可具體分為建材生產(chǎn)階段碳排放量、建材運(yùn)輸階段碳排放量及建造施工階段的碳排放量。物化階段碳排放量計(jì)算公式如下

E₂=E₂₁+E₂₂+E₂₃ """"（3）

式中，E₂為物化階段碳排放總量（kgCO_2eq）；E₂₁、E₂₂、E₂₃分別為建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、建造施工階段碳排放量。

1.2.1 建材生產(chǎn)階段

建材生產(chǎn)階段的碳排放量可根據(jù)材料消耗量與相應(yīng)的材料碳足跡因子進(jìn)行測(cè)算，公式如下

式中，P_i為第i種材料消耗量（kg）；Q_i為i種材料碳足跡因子（kgCO_2eq/單位材料消耗量）。

1.2.2 建材運(yùn)輸階段

運(yùn)輸過(guò)程碳排放量主要的是將建材、設(shè)備機(jī)械等固體物資運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)所產(chǎn)生的，運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的碳排放量主要與材料重量、運(yùn)輸方式和運(yùn)輸距離等因素有關(guān)。本文選用公路運(yùn)輸作為材料的運(yùn)輸方式，車(chē)輛燃料為柴油，且只考慮建材運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的碳排放量，不考慮運(yùn)輸返回的碳排放量。公式如下

式中，M_i為第i種材料的重量（kg）；D_i為第i種材料運(yùn)輸?shù)木嚯x（km）；E_i為每千米柴油消耗數(shù)量（L/km）；Q_i為柴油碳足跡因子（kgCO₂/L）。

1.2.3 建造施工階段

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的施工階段碳排放量主要包括鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中由施工機(jī)械運(yùn)行和人員在勞作期間所產(chǎn)生的碳排放量。施工階段碳排放量，公式如下

式中，E₂₃為施工過(guò)程機(jī)械運(yùn)行和人員勞作期間所產(chǎn)生的碳排放總量（kgCO_2eq）；E_23a為施工階段施工機(jī)械運(yùn)行所產(chǎn)生的碳排放量（kgCO_2eq）；E_23b表為施工階段人工消耗產(chǎn)生的碳排放（kgCO₂）；Q_i為第i種施工機(jī)械碳足跡因子（kgCO_2eq/單位）；P_i為第i種機(jī)械每臺(tái)班所消耗能源量（kgCO_2eq）；R_i為第i 種施工機(jī)械臺(tái)班數(shù)（班）；Q_r為人工消耗量（工日）；F_r為人工碳足跡因子（kgCO₂/工日）。

1.3 使用階段

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房使用階段的碳排放量主要涉及設(shè)備、照明等方面的能源消耗造成的溫室氣體排放量，相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)制造廠房，照明所用電量可以忽略不計(jì)，本文使用階段碳排放量只考慮廠房機(jī)械設(shè)備用電消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放量，計(jì)算公式如下

E₃=E_hea×EF×N""" （9）

式中，E₃為使用階段碳排放量（kgCO_2eq）；E_hea為鋼結(jié)構(gòu)制造廠房年能耗量（kW·h）；EF為電力碳足跡因子（kgCO_2eq/kW·h）；N為廠房設(shè)計(jì)年限。

1.4 拆除回收階段

拆除階段的碳排放量包括建筑拆除、拆卸物運(yùn)輸以及回收過(guò)程中所產(chǎn)生的碳排放量。建筑廢棄物不會(huì)詳細(xì)分類直接裝車(chē)運(yùn)輸填埋處理，而對(duì)于這部分的碳排放量只需計(jì)算建筑垃圾的運(yùn)輸能源消耗碳量。根據(jù)已有文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)，沒(méi)有具體數(shù)值時(shí)可按建材的80%進(jìn)行估算。本文拆除階段的碳排放量按建材運(yùn)輸和建造施工的80%進(jìn)行簡(jiǎn)單估算^[11]。計(jì)算公式為

E₄=E₂₂×80%+E₂₃×80%""" （10）

2 案例分析

2.1 項(xiàng)目介紹

吉安市鼎欣鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房項(xiàng)目位于江西省吉安市吉安縣高新區(qū)鳳凰園區(qū)，擬布置5條鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線，2條鋁合金門(mén)窗生產(chǎn)線和1條幕墻生產(chǎn)線，達(dá)到年產(chǎn)8萬(wàn)t鋼結(jié)構(gòu)，20萬(wàn)m²鋁合金門(mén)窗，6萬(wàn)m²幕墻。其中，工程新建2座鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房：1號(hào)廠房共1層，建筑面積59 834.88m²，高21.65m；2號(hào)廠房共4層，建筑面積21 158.51m²，高21.15m。均采用裝配整體式鋼框架結(jié)構(gòu)，樓面及屋面結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆組合樓蓋結(jié)構(gòu)體系，采用獨(dú)立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)形式，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為丙類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年。

本次研究只考慮了鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房土建基礎(chǔ)、金屬結(jié)構(gòu)工程的空間分隔功能，不包括進(jìn)一步的美觀、舒適和經(jīng)濟(jì)性，因此，墻面、地面、門(mén)窗等裝飾工程、末端設(shè)備及廠房機(jī)械設(shè)備均未包含在碳足跡核算范圍之內(nèi)。

2.2 碳足跡因子的選取

碳足跡因子是指消耗單位能源所產(chǎn)生的碳排放量。對(duì)于能源碳足跡因子的測(cè)定，不同機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)來(lái)源、實(shí)驗(yàn)條件和選用的測(cè)定方法，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果有差異。國(guó)內(nèi)學(xué)者通常引用《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單編制指南》和四川大學(xué)研發(fā)的億科Ebalance 數(shù)據(jù)庫(kù)CLCD，在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房全生命周期中，碳足跡因素包括建筑材料、運(yùn)輸方式、電力能源和人工四大類。本文的碳足跡因子采用黃秋蘭^[12]的研究成果。

2.2.1 建材碳足跡因子

案例中鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的常用材料包括鋼筋、混凝土、鋼材、水泥、砂、汽油、柴油、油漆、涂料、模板及防水卷材等，碳足跡因子從文獻(xiàn)中獲取。

2.2.2 運(yùn)輸方式碳足跡因子

各類運(yùn)輸方式的碳足跡因子見(jiàn)表1。

2.2.3 電力碳足跡因子

電力能源在生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生碳足跡，電力碳足跡因子等于生產(chǎn)每單位電力所產(chǎn)生的碳排放量。我國(guó)地域遼闊，不同省市的各種電力占比不完全相同，本文選取華中區(qū)域電網(wǎng)電力排放因子作為碳足跡核算數(shù)據(jù)。電力碳排放因子見(jiàn)表2。

2.2.4 人工碳足跡因子

在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的建設(shè)過(guò)程中，人工是必不可少的。主要將居民生活能源消費(fèi)碳排放量折算為每工日人工碳排放量，中國(guó)人均碳排放量為2203～2333kg/年，取平均值 2268kg/年，從而得到人工碳足跡因子，為2.07kg CO_2eq/人·工日^［12］。

2.3 全生命周期碳足跡核算

2.3.1 設(shè)計(jì)階段碳足跡核算

本項(xiàng)目為EPC總承包項(xiàng)目，設(shè)計(jì)周期為3個(gè)月，設(shè)計(jì)人員為10人，辦公室照明、空調(diào)用電每月約200kW·h，根據(jù)式（2）計(jì)算設(shè)計(jì)階段碳排放量，即

E₁=0.6671×3×200+10×30×2.07=1021（kg）

2.3.2 物化階段碳足跡核算

（1）建材生產(chǎn)階段。選取主要建材作為核算的對(duì)象，進(jìn)行列表計(jì)算，計(jì)算得到建材生產(chǎn)的碳排放量為E₂₁=18 023 680kg，主要建材碳排放量見(jiàn)表3。

（2）建材運(yùn)輸階段。主要考慮從建材產(chǎn)地到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸工具的碳排放量，本工程的運(yùn)輸方式主要是公路運(yùn)輸。根據(jù)已有數(shù)據(jù)估算，以10t 的柴油車(chē)為例，耗油量約為40L/100km，用需要運(yùn)輸?shù)慕ú募皺C(jī)械設(shè)備的噸位數(shù)估計(jì)出運(yùn)輸次數(shù)，根據(jù)式（5）計(jì)算如下

1）鋼筋、砂、水泥（除型鋼）等每輛柴油車(chē)運(yùn)10t，平均運(yùn)距取30km，即

18680÷10×2×30÷100×40×0.1168=5236.378（kg）

2）大型型鋼等每輛柴油車(chē)運(yùn)20t，平均運(yùn)距取5km，即

4411.641÷20×2×5÷100×40×0.1168=103.056（kg）

3）混凝土運(yùn)輸車(chē)每一車(chē)15m³，平均運(yùn)距取20km，即

17178.597÷15×2×20÷100×40×0.1168=214.11（kg）

4）混凝土砌塊每車(chē)運(yùn)輸20m³，平均運(yùn)距取30km，即

203.051÷20×2×30÷100×40×0.1168=28.460（kg）

5）合計(jì)建材運(yùn)輸碳排放總量E₂₂=5582.008kg

（3）建造施工階段。本工程主要機(jī)械為裝機(jī)施工和吊裝施工兩大類，可通過(guò)《全國(guó)統(tǒng)一施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各施工機(jī)械耗能情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出各機(jī)械臺(tái)班的碳足跡放因子，作為碳核算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。機(jī)械臺(tái)班（kgCO_2eq/kg）碳足跡因子計(jì)算方法示例見(jiàn)表4。

基于本工程新建的兩座鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的機(jī)械臺(tái)班數(shù)和人工工日，根據(jù)定額表計(jì)算得到建造施工階段碳排放量E₂₃=54 171kg。

（4）本工程物化階段碳排放總量E₂=18 023.68+5.582+54.171=18 083 433kg。

2.3.3 使用階段碳足跡核算

本工程使用階段的碳排放量主要由鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房各條生產(chǎn)線用電產(chǎn)生的溫室氣體排放量構(gòu)成，擬布置5條鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線、兩條鋁合金門(mén)窗生產(chǎn)線及一條幕墻生產(chǎn)線，產(chǎn)能為一期的2倍，可以根據(jù)一期的生產(chǎn)線用電情況推算出本工程使用階段的年度總用電量，一期廠房年用電量約為82萬(wàn)kW·h，設(shè)計(jì)使用年限為50年，則本工程使用階段碳排放量，公式如下

E₃=820000×2×0.6671×50=54702200（kg）

2.3.4 拆除回收階段碳足跡核算

根據(jù)式（10）計(jì)算得到本工程拆除回收階段碳排放量，即

E₄=5.582×80%+54.171×80%=47802（kg）

2.4 總結(jié)與分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房碳排放總量E=72834 456kg。通過(guò)各階段的碳排放量占總碳排放量的比重（表5），可以看出鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房全生命周期碳排放主要集中在使用階段，占總排放量的75.11%，其次是物化階段，占總排放量的24.83%，且使用階段的碳排放量約為物化階段的3倍。因此，使用階段和物化階段應(yīng)作為減排的關(guān)鍵階段。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房工程的各階段進(jìn)行碳足跡特征分析，建立了一種新的全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型，并以吉安市鼎欣鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房項(xiàng)目為例進(jìn)行碳足跡核算，得到以下三點(diǎn)結(jié)論：

（1）使用階段和物化階段的碳排放量可占總碳排放量的99%，因此，這兩個(gè)階段是進(jìn)行節(jié)能減排的關(guān)鍵階段。

（2）物化階段碳足跡主要集中體現(xiàn)在建筑材料生產(chǎn)階段，尤其是大中型鋼材、鋼筋的生產(chǎn)，后續(xù)可以研究生產(chǎn)工藝對(duì)碳足跡的影響，尋求更加環(huán)保的建筑材料來(lái)降低生產(chǎn)階段的碳排放量。

（3）后期可以探索核算不同建筑結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)廠房碳排放量，對(duì)比分析不同建筑結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)廠房節(jié)能減排的關(guān)鍵因素和重點(diǎn)階段，為企業(yè)工業(yè)廠房選型提供參考。

本研究仍存在一些局限性，例如，未考慮到土地資源、末端設(shè)備、地面墻面裝飾工程等消耗，在今后的研究中將過(guò)程和清單數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整，以期通過(guò)建立的一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房碳足跡核算模型，來(lái)幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型，并為建筑行業(yè)全生命周期的碳足跡評(píng)價(jià)研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-08-22

作者簡(jiǎn)介：

李貴（通信作者）（1988—），男，工程師，一級(jí)建造師，研究方向：工程管理、低碳管理。

梅益（1974—），男，教授，博士，研究方向：智能制造工藝及設(shè)備、制造業(yè)信息化、數(shù)值模擬技術(shù)。