基于生命周期法建筑上部結構碳排放分析研究

程小春

聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）發布的第五次氣候變化評估指出，40%的能源消耗來源于建筑業，建筑業能源使用產生的碳排放占全球碳排放的36%。我國每年新建建筑總量接近世界年建筑總量的1/2，當前形勢和背景表明，建筑行業的低碳轉型迫在眉睫。裝配式建筑是綠色建筑的典型代表之一，深入了解預制裝配式建筑物的碳排放情況具有重要意義[1]。

我國的學者更多傾向于研究裝配式建筑的綜合效益。焦英愛等以天津某保障房為例，從經濟、環境、社會3個方面構建裝配式保障性住房全生命周期綜合評價指標體系，研究表明該項目經濟效益最差，環境效益最好；馮璐瑤等從“四節”層面研究裝配式建筑的環境效益；孫艷麗、王廣明、齊寶庫等采用模糊層次綜合評價法，并結合實例，對比傳統建筑與裝配式建筑的經濟效益和環境效益，同時從理論上探討其他效益。本文結合實際工程，基于生命周期法，對比分析了現澆式建筑與裝配式建筑上部結構在每個階段的碳排放量，并提出相應的優化措施[2]。

1 確定生命周期法計算邊界

應用生命周期法測算碳排放先要確定計算邊界。基于生命周期法的定義與框架劃分現澆建筑及裝配式建筑的全生命周期碳排放計算邊界，如圖1所示。

由圖1可知，現澆建筑與裝配式建筑在全生命周期內的碳排放主要區別在以下兩個階段。第一，在裝配式建筑材料準備階段中，除常規建材的生產及運輸外，還要對混凝土預制件（Precast Concrete，PC）構件進行預制與運輸。第二，在現場施工階段，裝配式建筑增加了預制構件的吊裝，減少了現澆部分的施工[3]。此外，在拆除與廢棄物處理階段，裝配式建筑可回收再利用的建材比現澆建筑多，可抵消一部分能耗。但裝配式建筑的拆除與回收階段碳排放量研究比較少，且缺少此部分的實際參考數據，因此本文研究邊界主要在建筑材料準備階段與現場施工階段。

圖1 現澆建筑及裝配式建筑全生命周期碳排放計算邊界（來源：作者自繪）

2 選擇碳排放因子

碳排放因子是指消耗單位質量物質產生的溫室氣體數量與CO2對應系數，是量化建筑在不同階段里碳排放量應用最廣泛的方法[4]。總結已有資料及研究成果，列舉本文所需碳排放因子清單如表1所示。

表1 建材及運輸碳排放因子清單

3 構建碳排放計算模型

根據階段研究及現有資料構建碳排放計算模型，具體如下。

3.1 建材（構件）生產階段

建材（構件）生產階段的碳排放量計算公式為：

式中，Csc代表建材及預制構件生產階段的碳排放量，kgCO2e；Mi代表第i種建材的消耗量,t；Fi代表第i種建材的碳排放因子，kgCO2e/單位建材數量。

3.2 建材（構件）運輸階段

建材（構件）運輸階段的碳排放量計算公式為：

式中，Cys代表建材運輸過程的碳排放量，kgCO2e；Mi代表第i種建材的消耗量,t；Di代表第i種建材的運輸距離，km；Ti代表運輸單位重量單位距離的碳排放因子，kgCO2e/（t·km）。

3.3 建筑施工階段

建筑施工階段的碳排放量計算公式：

式中，Cjz代表建造施工的碳排放量，kgCO2e；Mi代表第i種建材的消耗量,t；Ed代表第i種分項工程單位體積重量分擔的機械碳排放量，kgCO2e/單位建材數量。

4 案例分析

4.1 工程概況

本文以浙江省東陽市的一個住宅項目為例，該項目1、2號樓為裝配式建筑，3～7號樓為現澆式建筑，兩種建筑的戶型一樣，建筑面積均為14 126.24 m2。現澆式建筑的外圍護墻和內隔墻采用AAC砌塊，其他構件為混凝土現場澆筑；1、2號樓的預制構件有疊合梁、疊合板、預制樓梯、預制飄窗板、預制剪力墻，外圍護墻和內隔墻材料為AAC板。

以下計算忽略兩種建筑相同工序所產生的碳排放量，如都需要現澆的部分、同樣的裝飾工程等，僅針對有預制構件部分的工程量進行碳排放計算。

4.2 建材（構件）生產階段碳排放計算

根據東陽市某預制構件廠提供的數據，單位立方預制構件生產階段產生的碳排放量為751.93 kg。具體工程量清單及結合公式（1）計算所得生產階段的碳排放量，如表2所示。

表2 生產階段的碳排放量

4.3 運輸階段的碳排放計算

在運輸階段，要結合空車返回系數進行計算，即假設運輸時貨車為滿載，返回時為空車。根據已有研究可知空載系數K=1.67。裝配式建筑構件單位重量單位距離運輸的碳排放因子=單位換算系數×柴油碳排放因子×每公里耗油量÷構件滿載運量，裝配式構件用30 t重型牽引柴油車，耗油0.4 L/km，單位換算系數為0.85 kg/L。假設每次運輸同種類型構件，通過公式可以計算出預制構件單位體積單位運距的碳排放因子，結果如表3所示。

表3 單位體積單位運距碳排放因子

現澆建筑中建材所用運輸工具主要為10 t柴油貨車，混凝土攪拌運輸車方量為12 m3，耗油量為0.35 L/km。先將現澆建筑分項工程量轉化為重量，再結合公式（2）可計算出現澆建筑建材運輸階段的碳排放量，結果如表4所示。

表4 建材運輸階段碳排放量

4.4 施工階段碳排放量

建筑施工階段碳排放量可先算出單位體積或重量分擔的機械碳排放量，再根據公式（3）計算出現澆建筑及裝配式建筑施工階段碳排放量，結果如表5所示。

表5 建筑施工階段碳排放量

4.5 結果分析

基于前文對兩種建造方式的碳排放量計算結果，可以對比出裝配式建筑與現澆建筑在生產、運輸、施工階段的單位面積碳排放量，對比如表6所示。

由對比表可知，在建材（構件）生產、運輸階段，裝配式建筑的碳排放量略高于現澆式建筑；在建造施工階段，裝配式建筑比現澆式建筑的碳排放量明顯減少，具體原因有以下幾點。

第一，在建材生產階段，裝配式建筑需要進行預制構件的生產，增加了碳排放量；預制構件生產時要增加較多的預埋件，鋼材部分使用量有所增加，節碳效果不明顯。第二，在建材（構件）運輸階段，預制構件外形復雜增加了車輛運輸次數，降低了運輸效率，導致碳排放量增加。第三，在建造施工階段，裝配式施工所需振搗器、電焊機等機械使用量減少，現場施工人員減少，施工工期縮短；同時，裝配化施工可以大幅度減少施工用水量及污水排放量，還能減少夜間施工[5]。

5 減碳措施建議

5.1 建材（構件）生產階段

裝配式建筑建材（構件）生產階段要重點控制預制構件生產時的排碳量。第一，在建筑設計階段，盡量使預制構件標準化，符合一定模數，有利于預制構件廠模具的共用與周轉，提高自動化生產效率；第二，建筑設計階段，要選擇綠色可回收建材；第三，預制構件廠要改進預制部件生產工藝，提高預制部件的優良率，減少部件生產時產生的廢料；第四，預制構件廠要建立部件生產流水線，提高生產效率[6]。

5.2 運輸階段

運輸階段的碳排放主要與材料運輸運距、運輸工具、運輸負荷有關。首先，原材料就近采購可以減少運輸距離與運輸數量；其次，就近選擇預制工廠，同時優化預制構件的運輸方案，如根據構件大小、形狀選擇合適的運輸工具，可以提高運輸效率；再次，運輸工具選擇環保性高的清潔型能源車有利于減少碳排放量；最后，建筑設計階段選擇輕質材料能夠減少運輸負荷[7]。

5.3 建造施工階段

建造施工階段的碳排放管理可以從施工技術、施工管理以及施工機械使用等方面考慮。

首先，編制合理的施工方案，合理調配現場施工人員，減少夜間施工。其次，建立完善的管理制度，提高現場人員的環保意識，降低材料的施工損耗，盡量避免材料及設備的二次調運，減少施工時的廢水排放。最后，根據施工需要選擇合適的低能耗施工機械[8]。

6 結語

本文以實際項目為例，對現澆建筑和裝配建筑進行排碳計算分析，主要結論如下：裝配式施工與現澆式施工在建材準備階段與運輸階段節碳效益不明顯，需要通過改善預制部件的生產工藝及構件與運輸工具的契合度提高節碳能力；建造施工階段是節碳減排最明顯的階段，可以通過現場施工的合理安排達到更好的節能減排效果；運營維護階段與拆除回收階段有待進一步研究。