段振興，朱強(qiáng)強(qiáng)，穆洪星，魏重陽，孫 浩

(北京智建美住科技有限責(zé)任公司，北京 100094)

0 引言

溫室氣體的大量排放導(dǎo)致全球氣候變暖，目前減緩乃至遏制這一進(jìn)程的有效方法就是低碳減排。在全球低碳減排的背景下，我國也于2020年正式提出力爭2030年前CO2排放達(dá)到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和的雙碳目標(biāo)。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)統(tǒng)計，建筑業(yè)消耗能源占全球的40%，其碳排放量占全球碳排放量的36%[1]。為改善建筑業(yè)“碳排放大戶”的現(xiàn)狀，2016年國務(wù)院印發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》，在“強(qiáng)化建筑節(jié)能”中明確“推廣節(jié)能綠色建材、裝配式和鋼結(jié)構(gòu)建筑”的發(fā)展方向。同時，諸多學(xué)者開展了建筑碳排放研究。王玉等[2]進(jìn)行了工業(yè)化預(yù)制裝配住宅建筑全生命周期碳排放模型研究；李遠(yuǎn)釗等[3]以天津地區(qū)為例進(jìn)行了高層辦公建筑全生命周期碳排放預(yù)測模型研究；李靜等[1]基于全生命周期進(jìn)行了建筑工程碳排放計算模型的研究；王幼松等[4]以廣州某校園辦公樓改擴(kuò)建為例進(jìn)行了建筑全生命周期的碳排放測算；毛希凱等[5]以天津住宅建筑為例對建筑材料生命周期的碳排放開展了研究；郭而郛等[6]以天津生態(tài)城已竣工住宅項目為例對綠色居住建筑全生命周期的碳排放進(jìn)行了研究。目前關(guān)于建筑碳排放的研究大都基于傳統(tǒng)的半手工半工業(yè)化建造方式，而基于工業(yè)化預(yù)制裝配式建筑的全生命周期碳排放模型相對較少。

集成打包箱式房屋(以下簡稱“打包箱”)是采用工業(yè)化方式生產(chǎn)的預(yù)制裝配式建筑，部品部件集中在工廠中生產(chǎn)，在現(xiàn)場采用干法施工，通過簡單的安裝、吊裝實現(xiàn)快速建造。本文通過收集打包箱生產(chǎn)、加工等相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行全生命周期的碳排放研究，研究結(jié)果對集成打包箱式房屋全生命周期碳排放的控制及其他類型裝配式集成建筑的碳排放研究具有重要參考意義。

1 碳排放測算基礎(chǔ)

1.1 碳排放因子

碳排放計算方法大致分為實測法、物料衡算法、排放系數(shù)法3類，本文采用的碳排放因子來源于排放系數(shù)法，該方法是目前碳排放量計算最常用的方法之一[7]。

碳排放因子是能源、材料消耗量與碳排放相對應(yīng)的系數(shù)，用于量化建筑物在不同階段相關(guān)活動的碳排放。本文涉及的碳排放因子主要包括建材、電力與化石燃料三大類，具體參數(shù)如表1所示[8]。

1.2 碳排放指標(biāo)選擇

打包箱屬于裝配式輕鋼集成建筑，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、重型鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)在建筑規(guī)模、設(shè)計使用年限等方面不同，所以碳排放計算結(jié)果會出現(xiàn)較大差異。為能與其他類型建筑進(jìn)行碳排放的平行比較，本文選用年單位建筑面積碳排放量kgCO2/(m2·a)作為碳排放計量指標(biāo)。

1.3 碳排放核算邊界與階段劃分

建筑全生命周期的碳排放計算實際上是從生產(chǎn)建筑原材料開始到建筑最終使用結(jié)束拆除的整個生命周期過程中所產(chǎn)生的碳排放總和。

本文從全生命周期的角度出發(fā)，同時結(jié)合打包箱的生產(chǎn)、安裝、使用特點，將全生命周期劃分為建材生產(chǎn)、部品部件加工、流轉(zhuǎn)、建筑運(yùn)行及拆除回收5個階段，各階段均存在碳排放活動，其中回收階段存在減碳活動。集成打包箱式房屋碳排放活動如圖1所示。

圖1 集成打包箱式房屋碳排放活動

2 碳排放計算

本文通過碳排放因子，參考GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》[8]的計算方法，同時結(jié)合集成打包箱式房屋的特點，建立以上5個階段的碳排放計算模型。全生命周期碳排放C與年單位建筑面積碳排放LCCO2計算公式如下：

C=Csc+Cbj+Cys+Cac+CyxY+Cch

(1)

(2)

式中：C為碳排放總量(kgCO2);Csc為建材生產(chǎn)階段的碳排放(kgCO2e)；Cbj為部品部件加工階段的碳排放(kgCO2)；Cys為建材運(yùn)輸過程中的碳排放(kgCO2e)；Cac為安裝、拆卸階段的碳排放(kgCO2)；Cyx為建筑運(yùn)行階段的年碳排放量(kgCO2e)；Cch為建筑拆除回收階段的碳排放(kgCO2)；LCCO2為年單位建筑面積碳排放量(kgCO2/(m2·a))；A為建筑面積(m2)；Y為建筑物設(shè)計使用年限(年)。

2.1 建筑材料生產(chǎn)階段

建材生產(chǎn)階段的碳排放計算模型為：

(3)

式中：Mi為第i種主要建材的消耗量；Fi為第i種主要建材的碳排放因子(kgCO2e/單位建材數(shù)量)。

2.2 部品部件加工階段

部品部件加工階段的碳排放計算公式為：

(4)

式中：Pi為第i道工序加工機(jī)械的功率(kW);ti為第i道工序的持續(xù)時間(s)；EFi為第i道工序所消耗能源的碳排放因子(kgCO2/(kW·h))。

2.3 流轉(zhuǎn)階段

流轉(zhuǎn)階段的碳排放包括部品部件運(yùn)輸過程中的碳排放和打包箱安裝、拆卸過程中的碳排放，其中部品部件運(yùn)輸?shù)奶寂欧庞嬎愎綖椋?/p>

(5)

式中：Mi為第i種主要建材的消耗量(t)；Di為第i種建材平均運(yùn)輸距離(km)；Ti為第i種建材的運(yùn)輸方式下，單位重量運(yùn)輸距離的碳排放因子(kgCO2e/(t·km))。

安裝、拆卸的碳排放計算公式為：

(6)

式中：Ti為打包箱安裝、拆卸過程中第i種施工機(jī)械臺班消耗量(臺班)；Ri為第i類施工機(jī)械單位臺班的能源用量(kg/臺班或kW·h/臺班)；EFi為第i類能源的碳排放因子(kgCO2/單位能源)；Ej為第j類小型施工機(jī)具不列入機(jī)械臺班消耗量，但其能源列入材料的部分能源用量(kW·h或kg);EFj為第j類小型施工機(jī)具所消耗能源對應(yīng)的碳排放因子(kgCO2/單位能源)。

2.4 建筑運(yùn)行階段

建筑運(yùn)行階段的碳排放計算公式為：

Cyx=Ckt+Czm

(7)

(8)

式中：Ckt為空調(diào)系統(tǒng)年碳排放量(kgCO2e)；Pi為空調(diào)系統(tǒng)每小時電能消耗量(kW)；ti為空調(diào)系統(tǒng)年平均運(yùn)行小時數(shù)(h)；EFd為電能源的碳排放因子(kgCO2/kW·h)。

(9)

式中：Czm為照明系統(tǒng)年碳排放量(kgCO2)；Pj為第j種照明類型的照明功率密度值(W/m2);Aj為第j種照明類型的照明面積(m2)；tj為第j種照明類型的年照明時間(h)；EFd為電能源的碳排放因子(kgCO2/kW·h)。

2.5 拆除回收階段

建筑拆除回收階段的碳排放Cch包括建筑物拆除過程中機(jī)械設(shè)備耗能產(chǎn)生的碳排放Ccc、廢棄物外運(yùn)耗能產(chǎn)生的碳排放Cwy與建材回收產(chǎn)生的碳排放Chs。Ccc參考公式(6)計算，Cwy參考公式(5)計算。

Cch=Ccc+Cwy+Chs

(10)

(11)

式中：Mj為第j種主要建材的回收量；Ej為第j種建材的回收再加工碳排放系數(shù)(kgCO2/單位建材)；Fj為第j種主要建材的碳排放因子(kgCO2/單位建材)。

3 碳排放測算

打包箱的應(yīng)用場景較廣泛，多應(yīng)用于工程營地。本文以某工程營地宿舍為例進(jìn)行打包箱的碳排放計算。案例為2層工程營地宿舍，建筑面積約431m2，設(shè)計使用年限為15年，使用地點為華東區(qū)域，使用性質(zhì)為臨建房屋。營地宿舍由11個6029型標(biāo)準(zhǔn)箱拼裝2層而成，兩側(cè)設(shè)有外掛樓梯，2層外設(shè)走道，基礎(chǔ)為兩側(cè)設(shè)有排水溝的素混凝土條形基礎(chǔ)。

3.1 打包箱規(guī)格

常用標(biāo)準(zhǔn)箱規(guī)格尺寸有6029型、6024型，本項目采用較有代表性的6029型為研究對象，箱體外部尺寸為6 055mm×2 990mm×2 895mm， 由屋面模塊、地面模塊、角柱、圍護(hù)系統(tǒng)組成(見圖2)。屋面模塊包括屋面主梁、屋面次梁、屋面角件、導(dǎo)軌及支撐件、蒙頂板、巖棉板保溫、吊頂板；地面模塊包括地面主梁、地面次梁、地面角件、PVC地革板、水泥纖維板、巖棉板保溫、封底板；角柱包括角柱結(jié)構(gòu)、端板及預(yù)埋件；圍護(hù)系統(tǒng)包括墻板、窗、門。箱體主要材料為鋼材。

圖2 打包箱組成結(jié)構(gòu)

3.2 全生命周期碳排放測算

3.2.1建材生產(chǎn)階段

建材生產(chǎn)階段的碳排放采用式(3)計算，計算范圍包括屋面模塊、地面模塊、角柱、圍護(hù)系統(tǒng)、室外樓梯、走道、基礎(chǔ)及其他部分，參與計算的建材量占總量的90%以上。

各模塊建材碳排放占比如圖3所示。在各模塊碳排放占比中，基礎(chǔ)占比最大，主要因為計算基礎(chǔ)混凝土用量時，考慮打包箱使用的流轉(zhuǎn)特點，每次流轉(zhuǎn)新澆筑的條形基礎(chǔ)混凝土用量均包含在其中。其他模塊占比排序為：屋面模塊>地面模塊>圍護(hù)系統(tǒng)>角柱，這些模塊是箱體的主要構(gòu)成模塊，也是碳排放主要模塊，其余部分占比較小。

圖3 各模塊建材碳排放占比

3.2.2部品部件加工階段

部品部件加工全程在工廠中進(jìn)行，原材料依次通過輥軋線、自動焊接線、鏈?zhǔn)饺詣臃勰┩垦b生產(chǎn)線、組裝線等，將原材料加工成構(gòu)件，再通過焊接、組裝形成屋面、地面模塊等。加工過程中，加工機(jī)器消耗電力能源產(chǎn)生碳排放，本次研究對象的生產(chǎn)工廠在華東地區(qū)，故電力碳排放取華東地區(qū)的碳排放因子。碳排放按式(4)計算，其中功率參數(shù)為加工機(jī)器的額定功率，各工序加工時間按機(jī)器“單位時間產(chǎn)出”參數(shù)計算得到。

3.2.3流轉(zhuǎn)階段

集成打包箱式房屋屬于臨時建筑，與傳統(tǒng)永久建筑不同，在反復(fù)使用過程中存在“流轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。在本案例工程營地宿舍的應(yīng)用場景中，待該項目結(jié)束，打包箱及樓梯、室外走道等附屬物會轉(zhuǎn)運(yùn)至其他項目繼續(xù)使用。這里流轉(zhuǎn)階段的界定范圍是指部品部件從出廠到打包箱式房屋使用壽命結(jié)束，所經(jīng)歷的安裝、拆卸、轉(zhuǎn)移運(yùn)輸過程。

打包箱的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸最常用方式是“部品+部件”，即頂、底模塊安裝完成后，角柱、圍護(hù)墻板、室外樓梯、走道等以板塊或構(gòu)件的形式運(yùn)輸至現(xiàn)場安裝成型。安裝過程較簡單，一般采用汽車式起重機(jī)吊裝+箱體模塊等安裝，拆卸為安裝過程的逆作業(yè)，因此拆卸、安裝過程的碳排放相同。

標(biāo)準(zhǔn)箱的可拆裝周轉(zhuǎn)次數(shù)≥5次[9]，本文取5次，流轉(zhuǎn)階段劃分及計算范圍如表2所示，最后一次拆卸、運(yùn)輸劃分到拆除回收階段中。

表2 流轉(zhuǎn)階段劃分及計算范圍

流轉(zhuǎn)階段的碳排放來源于安裝、拆卸及運(yùn)輸過程中所用機(jī)械的能源消耗，計算參數(shù)取值情況為：22個6029型標(biāo)準(zhǔn)箱吊裝需汽車式起重機(jī)2個臺班；運(yùn)輸過程的碳排放按式(5)計算，建材運(yùn)輸距離取默認(rèn)值500km，混凝土運(yùn)輸距離取默認(rèn)值40km。

3.2.4建筑運(yùn)行階段

建筑運(yùn)行階段的碳排放來源于能源消耗。打包箱在運(yùn)行階段的碳排放主要涉及空調(diào)、照明2項，由于設(shè)計使用年限較短，不需考慮建筑圍護(hù)更新產(chǎn)生的碳排放。運(yùn)營階段照明系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放按文獻(xiàn)[8]中起居室運(yùn)行特征，按式(9)計算；由于公式(8)中的計算參數(shù)空調(diào)系統(tǒng)年平均運(yùn)行小時數(shù)據(jù)缺乏，因此參照項目案例所在夏熱冬冷A區(qū)的“供冷+供暖耗電量”16.9kW·h/(m2·a)計算運(yùn)營階段的空調(diào)碳排放[10]。

3.2.5拆除回收階段

拆除回收階段由最后一次拆卸施工、建筑廢棄物運(yùn)輸與建材回收3部分組成。最后一次拆卸過程中的碳排放采用流轉(zhuǎn)階段計算結(jié)果。建筑廢棄物運(yùn)輸碳排放按式(5)計算，其中建筑平均運(yùn)輸距離取30km。建材回收部分只考慮回收箱體主框架型鋼部分，型鋼的回收系數(shù)取0.9[11]，回收再加工碳排放系數(shù)取578.36kgCO2/t[12]，剩余部分按建筑廢棄物處理。拆除回收階段由于鋼材的回收利用，減少碳排放量達(dá)20.42%。

3.3 結(jié)果分析

工程營地宿舍集成打包箱式房屋全生命周期碳排放情況匯總?cè)绫?所示。由表3可知，流轉(zhuǎn)階段的碳排放為2.21kgCO2/(m2·a)，其中運(yùn)輸過程占比最大；運(yùn)行階段的碳排放量為18.60kgCO2/(m2·a)， 空調(diào)占比大于照明系統(tǒng)；拆除回收階段由于鋼材的回收利用，減少碳排放量達(dá)到20.42%。

為了方便不同類型建筑的碳排放對比，將表3“拆除回收階段”中的“回收階段”部分劃入“建材生產(chǎn)階段”；同時將表3中的“部品部件加工階段”與“流轉(zhuǎn)階段”合并，與表4中的“施工階段”相對應(yīng)，保持階段劃分的相對一致，不同結(jié)構(gòu)類型建筑全生命周期各階段碳排放情況如表4所示。由表4可知，除鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拆除階段>施工階段，不同結(jié)構(gòu)類型建筑全生命周期各階段碳排放占比基本保持一致，均為使用階段>生產(chǎn)階段>施工階段>拆除階段；在年單位建筑面積碳排放量指標(biāo)上，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)>鋼結(jié)構(gòu)>輕鋼結(jié)構(gòu)>木結(jié)構(gòu)>打包箱結(jié)構(gòu)，打包箱的碳排放量為33.6kgCO2/(m2·a)，其他結(jié)構(gòu)類型建筑均為63～83kgCO2/(m2·a)，打包箱的碳排放量低于其他類型建筑，這主要與建筑性質(zhì)、用途、結(jié)構(gòu)類型及鋼材的回收利用系數(shù)較高等因素有關(guān)。

表3 工程營地宿舍打包箱式房屋全生命周期碳排放情況匯總

表4 不同結(jié)構(gòu)類型建筑全生命周期各階段碳排放情況[13]

4 結(jié)語

1)通過對比打包箱與其他建筑結(jié)構(gòu)類型碳排放數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)打包箱全生命周期碳排放量為33.62kgCO2/(m2·a)，低于其他類型建筑，這主要與建筑性質(zhì)、用途、結(jié)構(gòu)類型及鋼材的回收利用系數(shù)較高等因素有關(guān)。

2)在各階段占比中，不同結(jié)構(gòu)類型建筑全生命周期各階段碳排放占比基本保持一致，均為使用階段占比最大，其次是生產(chǎn)階段，這2個階段是進(jìn)行節(jié)能減排的重點，施工階段與拆除階段占比最小。

3)集成打包箱式房屋的碳排放計算分析結(jié)果可作為后期打包箱低碳減排的出發(fā)點，同時也為其他類型的預(yù)制裝配式集成建筑的碳排放研究提供參考。