基于LCA的軌道交通車站碳排放分析

錢生澤

（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300222）

1 緒論

近年來，全球變暖與大氣顆粒物污染引起人們廣泛關注。政府間氣候變化專業(yè)委員會(intergovernmental panel on climate change，IPCC)發(fā)布的《全球1.5℃溫升特別報告》指出[1]，全球變暖幅度達到2℃將會帶來比現(xiàn)在更嚴重的后果，包括對水資源、土地利用、糧食生產(chǎn)和人類健康的嚴重負面影響。建筑業(yè)是最大的能源消耗部門，也是溫室氣體排放部門之一。2020年，全球建筑部門的CO2排放總量約為117億t[2]，該部門占全球最終能源消耗的36%和與能源相關的CO2排放量的37%。所以，降低建筑領域的CO2排放對控制全球變暖與大氣顆粒物污染至關重要。

大量研究表明，在建筑全生命周期中，運營階段排放量最大，占總排放量的70%～80%，物化階段排放量占比為20%～30%[3]。雖然物化階段整體環(huán)境排放占比較小，但建筑物化階段持續(xù)時間較短，若考慮年均碳排放量，建筑物化階段要大大超過建筑使用階段的環(huán)境排放影響，因此建筑物化階段與運營階段的環(huán)境影響都不容小覷。在量化建筑環(huán)境排放時，研究人員常用生命周期評價(LCA)方法，國內外眾多學者分別針對建筑的不同結構形式、地區(qū)、材料進行環(huán)境影響的對比分析。此外，物化階段會有大量的相關人員參與其中，這些相關人員會在物化階段的持續(xù)時間內產(chǎn)生大量CO2，因此將這一部分CO2納入計算當中是十分必要的，而且也是碳排放計算中很重要的一部分，但是現(xiàn)有研究基本都忽略建筑工人在工地生活作業(yè)所產(chǎn)生的碳排放，為了解決這種問題，筆者充分考慮了人員的碳排放計算。

筆者首先將建筑物化階段按照不同工序進行分解，建立單元工序的碳排放計算模型；然后對運營階段的能耗進行分析，集成得到整個工程的碳排放計算模型；最后以某軌道交通車站為案例進行分析，驗證了模型的可行性，并得到了該站房物化階段和運營階段的碳排放量。

2 全生命周期評價(LCA)研究方法

1990年，國際環(huán)境毒理學和化學協(xié)會(international society for environmental toxicology and chemistry，SETAC)第1次使用“生命周期評價”概念 。1993年，國際標準化組織(international organization for standardization，ISO)成立環(huán)境管理標準技術委員會(TC207)，LCA被正式納入ISO環(huán)境管理體系。同時，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(United Nations Environment Program，UNEP)也開始參與LCA研究，陸續(xù)發(fā)表了報告《LCA：概念和方法》和《面向全世界的LCA應用》[4]。

LCA方法的實施框架最初由SETAC確定，該框架以三角形模型為基礎，將LCA方法分為4個組成部分，如圖1(a)所示。其中目標與范圍(goal and scope definition)明確了研究目的、功能單位和系統(tǒng)邊界以及后續(xù)的指標選擇[5]；清單分析(life cycle inventory analysis，LCI)選用了中國生命周期基礎數(shù)據(jù)庫(CLCD)；影響評價(life cycle impact assessment，LCIA)采用中點破壞環(huán)境影響評價計算CO2排放。ISO[6]在SETAC技術框架的基礎上做了改進，刪去了改善分析，添加了結果解釋，并指出結果解釋和前3個部分相互關聯(lián)的關系。其完整的LCA也包含4個階段，各階段之間的相互關系如圖1(b)所示。

圖1 生命周期評價技術框架Figure 1 Technical framework for life cycle assessment

3 建筑物化階段環(huán)境排放計算模型

3.1 模型邊界

3.1.1 物化階段生命周期界定

建筑的整個生命周期可分為物化階段、使用階段和拆除階段。其中物化階段環(huán)境影響評價可以理解為“建筑工程LCA”的組成部分，即可以把建筑工程物化階段視為一種特殊的產(chǎn)品，包含建筑在投入使用前的所有前期階段過程中的全部活動。

物化階段產(chǎn)生的環(huán)境排放主要包括：①建筑工程建造過程中所用材料在物化過程中的環(huán)境排放(包括開采、運輸、工廠加工等環(huán)節(jié))；②建筑工程施工過程產(chǎn)生的直接和間接的環(huán)境排放(包括建筑材料的運輸、施工建造等過程)。

對于建筑來說，使用階段可分為兩類，公共建筑的使用階段是建筑運營時的階段，而住宅建筑的使用階段即為居民在建筑中正常生活的階段。

3.1.2 溫室氣體核算范圍界定

由于不同溫室氣體的輻射特性不同，它們影響全球氣候變暖的程度也會有所不同。目前，國際上通常以CO2為基準排放物，根據(jù)不同溫室氣體在一段時間內造成的全球變暖潛值，將其折為二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等[7]，本研究中將以溫室氣體中最典型的CO2作為研究對象。

3.1.3 物質能源系統(tǒng)邊界

本研究中建筑物化階段的物質系統(tǒng)邊界為：建設過程中所需的各類建筑材料和輔助材料，以及由各種建材預制生產(chǎn)的建筑構件，如預制板、墻等；但各種材料生產(chǎn)設備、空調設備以及施工機械等，在其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的物質損耗和環(huán)境影響不包含在系統(tǒng)邊界內。值得說明的是，通常碳排放按照直接排放、間接排放、供應鏈排放3部分分析，但本文是基于全生命周期的方法進行分析，因此在排放分類中是按照材料生產(chǎn)、施工建造以及運營階段進行分析。

3.2 模型構建

本研究的建筑物化階段，包含材料生產(chǎn)、運輸和施工建造3部分，各階段的CO2排放計算方法如下。

3.2.1 材料生產(chǎn)階段

本階段包含建筑工程各單位工程內所有分部分項工程中所需的全部建筑材料以及預制構件，從原材料開采與運輸、材料生產(chǎn)到出廠運輸?shù)娜窟^程，部分材料在建筑生命周期內需要更換時，其更換所需材料在生產(chǎn)過程中的環(huán)境排放，也在此階段考慮。期間的CO2排放通過各單元工序的材料消耗量與相應的材料CO2排放系數(shù)相乘而得，如式(1)：

其中，Emat,C為材料生產(chǎn)階段的CO2排放量，kgCO2eq；n為單元工序；EFmat,i,C為第i種材料的CO2排放系數(shù)。

3.2.2 運輸階段

本階段包含建筑工程所需全部材料從工廠運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的過程，期間的CO2排放由運輸機械能源消耗產(chǎn)生。本階段的CO2排放量計算公式如式(2)所示：

其中，Etra,C為運輸階段的CO2排放量，kgCO2eq；EFtra,C為運輸?shù)腃O2排放系數(shù)。

建筑材料的主要運輸方式為公路運輸。取中國統(tǒng)計年鑒中公路貨物運輸平均運距為176 km[8]。根據(jù)李學東[9]的研究，公路運輸?shù)娜加拖牧繛?.015 2 kg/t·km，則EFtra,j,C=0.055 6 kgCO2eq/(t·km)。所以，本階段CO2排放量的計算公式可簡化為式(3)：

3.2.3 施工建造階段

本階段包含建筑工程在施工現(xiàn)場內所有耗能的過程，以及由于材料損耗產(chǎn)生的建筑垃圾的運輸及處理過程，期間的CO2排放由施工機械、建筑垃圾運輸處理和額外施工過程的能耗產(chǎn)生。具體計算公式如式(4)所示：

其中，Econ,C為施工建造階段的CO2排放量，kgCO2eq；EFmach,j,C為第j種機械的CO2排放系數(shù)，kgCO2eq/臺班；EFdis,i,C為處理第i種材料產(chǎn)生垃圾的CO2排放系數(shù)；Econe,C為額外施工過程的CO2排放系數(shù)。

建筑垃圾運輸過程排放的計算方法同運輸階段，處理過程的方式包括填埋、堆肥、焚燒，各處理方式的能耗和排放因子見表1。

表1 中國建筑垃圾處理能源消耗排放因子Table 1 Energy consumption emission factors of construction waste treatment in China

綜合上述3個階段，建筑工程物化階段的CO2排放總量如式(5)所示：

3.2.4 施工人員碳排放計算方法

現(xiàn)場施工人員主要分為工人與管理人員，主要對其生活與辦公區(qū)域所消耗的水、電、燃氣與產(chǎn)生的生活垃圾進行計算。若在項目初期無統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，可根據(jù)各個房間設施的電器數(shù)量、功率進行估算。計算公式如式(6)所示：

其中，EH為施工人員碳排放，kgCO2eq；EE為人員消耗電碳排放，kgCO2eq；EW為人員消耗水碳排放，kgCO2eq；EL為人員消耗燃氣碳排放，kgCO2eq；EG為人員產(chǎn)生生活垃圾處理碳排放，kgCO2eq。

人員消耗電、水、燃氣與產(chǎn)生的生活垃圾處理碳排放計算公式如式(7)～(10)所示：

其中，EFE為電力排放因子，kgCO2eq/Kwh；I為耗電量，kWh；EFW為非工業(yè)農(nóng)業(yè)用水排放因子，kgCO2eq/kg；W為耗水量，kg；EFL為燃氣排放因子，kgCO2eq/m3；L為燃氣用量，m3；EFG為生活垃圾處理排放因子，kgCO2eq/kg；G為垃圾量，kg。

本文所采用的材料排放因子主要以《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366-2019)為依據(jù)，標準中沒有的材料，其CO2排放因子選用GABI軟件中的數(shù)據(jù)庫。化石能源使用過程中CO2排放因子采用標準中選用的IPCC的數(shù)據(jù)。機械排放因子根據(jù)《全國統(tǒng)一施工機械臺班費用定額》確定。

3.2.5 車站運行階段碳排放計算方法

車站運行階段碳排放主要來自通風空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、自動扶梯系統(tǒng)的用電。

通風空調系統(tǒng)是指通風、空調等相關設備。其耗電量的計算[10]如式(11)所示：

式中：W為車站通風空調系統(tǒng)能耗，kWh；Y為車站高峰小時熱負荷，kW；η為設備功率系數(shù)；T為設備運行時間，h。

其中，Y的計算如式(12)所示：

式中：D為車站公共區(qū)域面積，m2；c、a為系數(shù)。由相關文獻[11]可知，對于南方城市屏蔽門車站，c=–1 181.935，a=0.516 3；對于南方城市閉式車站，c=5.414 3，a=0.0317 3；對于北方城市閉式車站，c=746.453 8，a=0.132 9。

車站一般采用節(jié)能燈具和智能控制系統(tǒng)。照明系統(tǒng)耗電量的計算如式(13)所示：

式中：LPD為照明功率密度，W/m2；D為車站公共區(qū)域面積，m2；t為照明持續(xù)時間，h。

自動扶梯系統(tǒng)的耗電量主要來自于發(fā)動機。計算公式[21]如式(14)所示：

式中：H為設備運行時間，h；Yi為運行功率(與運行時間和負載有關系)；hi為以Yi運行的運行時間，h。

4 案例分析

4.1 工程概況

本文案例選用某大型軌道交通車站，站房總規(guī)模11.4萬m2，建筑面積6.7萬m2。站房為線上式構造，由東西站房和高架站房組成，分為出站層、站臺層、高架層和局部夾層。站房建筑最高點37.45 m，雨棚檐口高度5.50 m。

4.2 環(huán)境排放計算分析

本項目的總建筑面積為6.7萬m2，項目建造過程中使用的材料、機械與人工數(shù)量均是由該項目部提供的真實數(shù)據(jù)，相關碳排放因子來源于《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366-2019)。根據(jù)該站房的材料信息，得到其總碳排因子為7.061×107kgCO2eq/m2，其中，材料碳排放為7.06×107kgCO2eq/m2，機械能源碳排放為6.25×103kgCO2eq/m2。材料碳排放和機械能源碳排放分別占總碳排放的99%和1%。

在該站房建設中，所用材料種類包括機械能源440種，可計算碳排放種類419種，即本項目碳排放計算中，材料碳排放可計算率高達95.23%。因此，在碳排放分析結果中，各類碳排放計算總和對項目中碳排放分析說明的可靠性很高。

4.2.1 材料碳排放分析

依據(jù)材料碳排放計算方法和材料碳排放因子，計算出該站房材料碳排放總和，由于材料種類數(shù)目大，本計算中只針對該項目中的主要材料(鋼材、混凝土、鋁材、木材、水泥、砌塊、砂)進行分析。該站房主要材料碳排放結果見圖2，各材料碳排放占比見圖3。

如圖2所示，在該站房建設階段，在所有材料用量中，碳排放量從大到小依次為鋼材、混凝土、鋁材、木材、水泥、砌塊、砂。圖3中，鋼材的碳排放量為5.45×107kgCO2eq/m2，其總量占總材料碳排放的50.84%，混凝土的碳排放量為3.05×107kgCO2eq/m2，占材料總碳排放的28.46%，其余材料的碳排放總和不到21%。而從鋼材和混凝土的碳排放來看，鋼材的碳排放近乎是混凝土的2倍，可見在站房的建設中鋼材的使用占比非常大。這是因為，在該站房建設中，鋼材的用量主要來源于主體結構中的鋼梁、鋼板、鋼筋、鋼檁條等。因此，在施工減排中，應著重考慮鋼材和混凝土的使用量，合理規(guī)劃，采用更節(jié)能環(huán)保的替代材料來減少碳排放。

圖2 主要材料碳排放Figure 2 Carbon emissions of main materials

圖3 各材料碳排放占比Figure 3 Proportions of carbon emissions of all studied materials

4.2.2 機械碳排放分析

依據(jù)機械能源碳排放計算方法和能源碳排放因子，計算出站房機械能源碳排放總和，在該項目建設中，機械能源主要來源于柴油和電。站房的機械碳排放結果見圖4。

圖4 機械碳排放占比Figure 4 Carbon emissions from machinery

在該站房的機械能源碳排放中，柴油的碳排放量為1.84×103kgCO2eq/m2，電的碳排放量為4.42×107kgCO2eq/m2。由圖4可看出，機械碳排放中柴油和電分別占總機械碳排放的70.62%和29.38%。這說明，在站房項目中，使用柴油的機械用量居多，耗電的機械相對較少。而使用柴油的機械用量居多是因為在站房建設中，需要大型的吊裝和運輸設備，為獲取較大動力，所消耗的柴油便增多。因此在減排措施中，該項目應著重考慮使用柴油較多的機械，通過高效的管理手段對該類機械的柴油消耗做控制。

4.2.3 人員碳排放分析

根據(jù)該站房工程項目部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該項目總人員數(shù)為680人，建設項目工期總用電1 123 200 kWh、用水3.24×107kg、垃圾2.11×106kg，由于食堂使用電力加熱設備，故沒有燃氣使用量。項目總人員碳排放為5.45×106kg，其中宿舍所占碳排放為5.17×105kg，食堂4.02×105kg，辦公室2.75×105kg，垃圾處理4.26×106kg。

從圖5可以看出，在宿舍、食堂、辦公室和生活垃圾處理所產(chǎn)生的碳排放中，由于垃圾處理包含了垃圾的運輸及處理，因此其碳排放所占比例最多，達到了78%。

圖5 人員碳排各分項所占比例Figure 5 Proportions of individual carbon emission items

4.2.4 運行階段碳排放分析

依據(jù)項目工程概況，公共區(qū)域面積有6.7萬m2。車站位于南方，屬于閉式車站，參數(shù)c、a選擇5.414 3、0.031 73，晚高峰小時負荷為Y=2 131.32，假定通風空調系統(tǒng)每天平均工作20 h，則車站通風空調系統(tǒng)每年耗電量為6 223 466.96 kWh。

根據(jù)車站的照明需求和規(guī)定，照明功率密度取5 W/m2，照明持續(xù)時間取20 h，則照明系統(tǒng)每年耗電量為2 445 500 kWh。

考慮車站客流量和實際運行情況，自動扶梯的運行速度為0.75 m/s，假設自動扶梯日平均負載為50%，此時運行功率為12.07 kW。則自動扶梯系統(tǒng)的年耗電量為4 229 170.32 kWh。

南方區(qū)域的加權平均電力碳排放因子為0.9183 kgCO2/(kW·h)，可得到各部分碳排放計算結果如表2所示。

表2 車站能耗數(shù)據(jù)Table 2 Station energy consumption data

4.3 節(jié)能減排措施

根據(jù)上述計算結果，對于該類軌道交通車站的物化階段及運營階段碳排放，可采取下列措施予以減少：

1) 優(yōu)先選擇節(jié)能機械。在成本和進度允許的情況下，優(yōu)先考慮更節(jié)能的施工機械。對于大型工程，首選大型施工機械設備，既能保證進度，又能提高效率，降低了單位工作量成本和能耗。

2) 推廣工業(yè)化施工方式。工業(yè)化施工是指依據(jù)設計圖紙，在工廠內預制建筑構件及配件(如樓板、樓梯等)，達到一定強度后運到施工現(xiàn)場使用。工業(yè)化施工的規(guī)?；菍崿F(xiàn)節(jié)能、高效、優(yōu)質、降低成本的關鍵。它既能減少模板、腳手架等周轉材料的消耗，又能減少能源的使用，還能減少現(xiàn)場施工帶來的灰塵、噪聲、光、廢水和固體廢物對環(huán)境或人員的污染。

3) 加強可再生能源的使用。鼓勵在項目現(xiàn)場使用太陽能照明、太陽能熱水器、光伏發(fā)電等可再生能源；鼓勵建筑用水和建筑垃圾循環(huán)利用，取得更好的節(jié)能減排效果。

4) 優(yōu)化車站運營方式。在車站運營時采用智能能耗控制系統(tǒng)，改造車站空調系統(tǒng)及自動扶梯系統(tǒng)，最大限度減少不必要的能源消耗，從而達到車站節(jié)能減排目的。

5 結論

本文基于LCA研究建筑物化階段的CO2排放，建立CO2排放計算模型，并應用在實際案例中，對其結果進行分析。本研究的主要成果如下：

1) 首先將土建工程按照分部工程、子分部工程、分項工程分解至單元工序層面，采用目前世界先進的工程環(huán)境影響評價模型，結合施工階段、物化階段和運營階段的碳排放基礎數(shù)據(jù)庫，建立單元工序的碳排放計算模型；再采用集成的方法，建立了建筑工程建設期和運營期的碳排放計算模型。

2) 對建立的模型進行案例分析，對建筑物化階段和運營階段的碳排放進行了詳細的計算與分析，發(fā)現(xiàn)鋼材的碳排放量占總材料碳排放的50.84%，混凝土的碳排放量占材料總碳排放的28.46%；機械碳排放中柴油和電分別占總機械碳排放的70.62%和29.38%；而在人員碳排放中垃圾處理產(chǎn)生的碳排放所占比例達到了78%；在車站運營階段通風空調系統(tǒng)碳排放占比最大為48.2%。

3) 對建筑工程物化階段環(huán)境排放的研究，分析影響建筑物化階段各組成部分碳排放的主要因素的技術替代性，以期對施工技術的改進提供參考。