裝配式鋼-混組合結構建筑碳排放計算及減排優化策略*

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.中國建材檢驗認證集團股份有限公司，浙江 嘉興 314000；3.上海禾筑數字科技有限公司，上海 200000)

0 引言

近年來氣候變暖、環境問題日益嚴重，碳排放成為全球普遍關注的問題[1]。2019年我國全年碳排放總量達101.7億t，占全球總量的28%，躍居全球排放量首位[2]。預計未來幾年我國人均碳排放量還會大幅持續增加，給我國節能減排工作帶來嚴峻考驗。建筑領域能耗高、比例大且長期增長的趨勢明顯，同時建筑減排成本相對較低，蘊含較大的節能潛力[3]。減少建筑業碳排放量成為我國實現碳達峰、碳中和戰略目標的突破點。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、促進建筑業可持續發展的條件。

裝配式建筑作為我國未來建筑的發展趨勢，近年來在各地區被大力推廣，而國內針對其節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-混組合結構建筑

新型裝配式部分包覆鋼-混組合結構建筑技術核心由部分包覆鋼-混組合結構(簡稱PEC 構件)、裝配整體式預制局部疊合板樓(屋)面系統及輕質混凝土外墻系統組成。PEC 構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-混組合構件。PEC結構體系在歐洲已有成熟的設計規范、規程及工程應用，近年來引進國內，工程實例較少。

1.2 建筑碳排放計算階段設定

全生命周期評價(LCA)評估建筑從材料生產至最終回收的全生命周期下，建筑物對環境的影響[5]。基于GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》中劃分的建材生產及運輸、建造及運行、建筑物拆除階段基礎上，將建筑全生命周期劃分為建材生產、建材運輸、建造施工、運行使用和建筑拆除主要階段[6]。

目前我國對建筑碳排放的研究多集中在使用階段，縱觀整個生命周期，建筑材料生產運輸和施工過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個部分進行計算：

CLC=C1+C2+C3+C4+C5

(1)

式中：CLC為建筑全生命周期碳排放總量；C1為建材生產階段碳排放量；C2為建材運輸階段碳排放量；C3為建造階段碳排放量；C4為建筑運行階段碳排放量；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《建筑碳排放計算標準》中的各階段碳排放因子數據庫、部分標準中未明確的建材碳排放因子、建造和拆除階段機械設備消耗能源動力產生的碳排放因子。

2 案例分析

2.1 工程概況

浙江省湖州市湖東分區東升和府項目10號樓，地上17層，建筑面積為1.1萬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+鋼中心支撐結構體系，裝配式結構采用PEC柱、PEC梁、斜撐。預制混凝土構件采用預制局部疊合樓板、預制疊合屋面板、預制輕質PC外墻掛板、預制樓梯等。隔墻采用ALC輕質條板。

2.2 碳排放計算界限

本文計算邊界為地面以上建筑部分，不含地下車庫及夾層(非機動車庫)部分；由于市政配套邊界不清，因此不計算市政配套部分的碳排放量；由于現有人工碳排放數據很少，因此不計算人工碳排放；不予采用無法找到或質量無法保證的數據。

2.3 計算數據來源

本研究各階段數據來源如下：①生產階段 建筑材料使用量數據來源于建筑材料及設備采購清單、裝配式構件預(決)算工程量清單、門窗材料、防水材料、預制構件材料總量；②運輸階段 混凝土運輸距離按照40km計算，其他建筑材料平均運輸距離按100km計算[6]；③建造階段 機械臺班量數據來源于施工臺賬、施工組織設計，包括辦公區及生活區用電、用水及柴油、汽油使用臺賬；④運行階段 能源消耗數據來源于PKPM軟件模擬計算結果及相關資料；⑤拆除階段 建筑面積、層數數據來源于施工圖設計圖紙。電力碳排放因子采用華東區域電網電力碳排放因子，即0.809 5kgCO2/kWh[7]。

2.4 全生命周期各階段碳排放計算

2.4.1生產階段碳排放量

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

圖1 生產階段碳排放量

建材生產階段的碳排放量為4 575 545.656kgCO2e， 其中可再生能源碳減排量依據工廠提供的光伏系統年發電量1 000萬kW進行計算。主體結構鋼、混凝土、板材是建材生產階段最主要的碳排放來源，占生產階段碳排放量的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運輸階段碳排放量

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

圖2 運輸階段碳排放量

2.4.3建造階段碳排放量

建造階段碳排放由分部分項工程施工過程與措施項目實施消耗的燃料、動力產生的碳排放組成[6]。經計算，建造階段碳排放量為279 412.05kg CO2e(見圖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械和廢舊建材運輸產生的碳排放量[4]。建筑廢棄物中的可回收材料碳減排量未包含在《建筑碳排放計算標準》中，但裝配式建筑在廢舊建材的回收利用上具有較大優勢，尤其是拆解階段的減排效果更明顯，因此有必要計算廢舊建材回收利用帶來的碳減排量[4]。

1)拆除機械碳排放量 由于本項目并未拆解，因此依據建筑規模和已有工程經驗估算拆除機械臺班的種類和數量，并依據《建筑碳排放計算標準》計算建筑拆除階段拆解機械的能耗。由于有關人工碳排放因子的研究資料較少，因此不計算人工拆除過程產生的碳排放量[4]。拆除階段機械產生的碳排放總量為85 070.06kgCO2e(見圖4)。

圖4 拆除階段機械碳排放量

2)廢舊建材運輸碳排放量 根據建材工程量清單估算運輸碳排放量，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。

結合建材工程量清單，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運行階段碳排放量

建筑運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軟件進行分析，以JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計算標準》和《建筑碳排放計算標準》為參考設定室內參數。依據GB50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》，運行階段按50年計算。

1)空調采暖碳排放量 運行階段空調采暖全年碳排放量為 129 360.01kgCO2e(見表1)。

表1 空調采暖碳排放量

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

3)制冷劑碳排放量 依據建筑碳排放標準，需統計住宅空調設備制冷劑產生的溫室氣體。假定每戶每個臥室使用1臺分體空調，約含1kg R410a制冷劑，客廳使用1臺柜式空調，約含3kg R410a制冷劑。按照空調使用壽命 10 年進行計算，R410a的全球變暖潛值GWPr為1 730(參考IPCC第5次評估報告)，根據下式計算可得該樓在運行階段，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生的碳排放量(tCO2e/a)；mr為設備的制冷劑充注量(kg/臺)；ye為設備使用壽命(a)；GWP為冷劑r的全球變暖潛值。

4)電梯系統碳排放量 電梯能耗根據GB/T 10058—2009《電梯技術條件標準》中的計算方法進行計算。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，通過電梯能耗公式得出電梯運行年碳排放量為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為驅動系統系數；K2為平均運行距離系數；K3為橋內平均荷載系數；取0.35；H為最大運行距離(m)；F為年啟動次數，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年內的待機總能耗(kW·h)。

5)照明系統碳排放量 根據PKPM軟件計算可得，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， 照明系統年碳排放量為92 615.35kgCO2e。

6)光伏發電系統碳減排量 采用光伏發電系統作為可再生能源，根據浙江省年太陽總輻射1 278kW·h/m2， 光伏組件安裝面積580m2進行計算，可得光伏發電量為135 646.92kW·h。

綜上可知，運行階段(50年)的總碳排放量為14 302 694.5kgCO2e(見圖6)。

圖6 運行階段碳排放量

2.5 結果分析

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，建筑運行階段、建造階段、拆除階段、生產階段、運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的合理范圍(約2 000kgCO2e/m2)。

建筑運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。新型裝配式鋼-混組合結構建筑的鋼材含量高，多用于主體承重結構，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建筑使用周期方面具有較大優勢。在裝配式建筑設計階段提高空間設計可變性，可有效減少建筑年碳排放量。

建材生產階段的碳排放量占整體碳排放量的23.64%，略高于現澆建筑生產階段的占比(約20%)，參考結構安全性、耐久性，采用相對保守的結構設計，因此在鋼材、鋼筋配置上比現澆建筑用量偏多，造成建材生產階段碳排放量略大，但也應綜合考慮該結構體系在延長建筑使用周期方面的優勢。裝配式鋼-混組合結構建筑設計中，可酌情參考裝配式建筑限額設計控制數據，優化設計鋼材、混凝土等相關含量，控制生產過程中的碳排放量。

裝配式建筑預制構件種類繁多，應合理選擇起重機械設備，簡化起重機械設備種類，提高起重機械設備工作效率，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，盡可能以小型機械將構件從主體結構中分離，提高廢舊建材的回收利用率，減少碳排放量。

新型裝配式鋼-混組合結構建筑的鋼材含量較傳統現澆建筑鋼含量高，在廢舊建材回收利用上具有優勢。建議將廢棄建材回收利用納入建筑全生命周期碳排放計算中，并折減全生命周期碳排放總量，可引導回收利用，達到節能減碳的目標。

3 結語

東升和府10號樓采用裝配式鋼-混組合結構，從建筑全生命周期維度出發，碳排放量較普通現澆建筑的碳排放量減排顯著，約比傳統現澆建筑碳排放量減少40%。通過計算全生命周期碳排放，認為裝配式鋼-混組合結構建筑是在雙碳目標下，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向的全生命周期、全過程節能減排的重要路徑。后續將進一步對比分析裝配式建筑與傳統現澆建筑的碳排放。