整體裝配式混凝土住宅建筑全生命期碳排放研究

鐘春玲 蔡笑天

（吉林建筑大學，吉林 長春 130000）

據相關研究認為，國內建筑行業的能耗以及碳排放量兩項統計指標，分別在全國能耗總量與排放總量中占比約27%和40%，與發達國家相比，單位面積能耗接近前者的2.2倍，已有建筑中高能耗結構占比高于95%，新建結構中超過八成屬于高能耗，故而，研究建筑行業的能耗與碳排放問題是現階段的重要課題。對于汽車等工業產品而言，想要突破實現20%左右的節能效果，還有很大的技術難關需要攻克，而對于建筑體的節能控制，尚且容易達到50%以上的節能效果，而且與其他的工業產品相比，建筑擁有更長的使用壽命，因此研究建筑的節能減排意義深遠。當下，建筑業的長遠健康發展，必須要同步關注建設規模、質量以及節能降耗等問題。整體裝配式混凝土住宅建筑結構，一般是先行預制建筑體的整體構件，經運輸、裝配后完成實體建設，從而完成了傳統建筑業的升級改造，對建筑資源配置大有裨益。通過對整體裝配式混凝土住宅全生命周期碳排放的研究，積極探索降低預制整體裝配式混凝土住宅建筑碳排放的路徑，可進一步推動建筑業的健康可持續發展。

1 整體裝配式混凝土住宅建筑

整體裝配式混凝土建筑結構，是基于現澆結構與裝配式結構而發展的新結構樣式，主要是要求利用工廠預制部分建筑構件，運輸至施工現場，并在現場進行其他部分的澆筑，從而將各部分進行安裝連接，以打造整體結構。該結構可體現更加靈活的施工技術與工藝，操作便捷，體現工期短、造價低、施工垃圾少、施工質量高等特點。因此，整體裝配式混凝土建筑，是更為理想的綠色節能工業化生產工程結構。整體裝配式住宅建筑的結構體系可歸為三類，包括預制混凝土結構、木結構、輕型鋼結構。其中，依靠預制混凝土結構優勢而建成的整體裝配式混凝土住宅建筑，能夠突出發揮混凝土的抗壓性能與鋼筋的抗拉性能，擁有極高可塑性。

2 建筑全生命周期碳排放的相關概念

2.1 建筑的全生命周期

現階段，國內外學者對建筑全生命周期的研究已形成大量成果，大家對于概念的界定以及具體的階段劃分各有所見。如Bribian等認為住宅建筑的生命周期應包括生產、建設、應用、結束四個階段，而且還可直接將生命周期按照建筑系統和應用系統進行拆分，以方便研究。Deepak所構建的建筑綜合評價體系中，涵蓋了建筑能效模擬、主成分應用以及生命周期評價等內容，其中，認為生命周期可按五個部分進行劃分，即材料生產、工程建設、材料更新、核心設備運轉、建筑終結等。國內的陳國謙等[3]對建筑全生命周期的研究中，認為可細致分解全生命周期為施工、裝修、室外建設、運輸、運轉、垃圾處置、物業管理、拆除、廢物處理九大階段，強調各階段均會出現碳排放，并將計量碳排放的方法詳列于其專著《建筑碳排放系統計量方法》中。于萍等[4]認為，建筑全生命周期主要包括五個時期，從材料生產開始，經過建設、應用、維護，最后到建筑廢物處理階段而終止全生命期。劉念雄等認為，針對住宅建筑全生命周期，應按照耗材準備、主體施工、應用維護、實體拆除等四個階段來劃分。

因此，全生命周期主要是圍繞一個產品、一類工藝或一項活動的從生到無的過程而言，包括原料采集、加工、生產，產品制造、配送，產品應用、復用、維護，終結以及廢物處理等環節。本文確定的建筑全生命周期，主要涵蓋建筑耗材產出、工廠化構件制造、構件運輸、裝配連接、運營維護、拆解回收等階段。

2.2 建筑碳排放的全生命周期評價

全生命周期評價是圍繞產品、工藝或活動的整個生命周期各階段所形成的環境負荷所進行的評估過程。一般會積極識別把握不同階段的能量消耗與物質釋放，并量化衡量相關消耗或釋放的影響環境的程度，以期尋求抑制影響的方案。

建筑碳排放的全生命周期評價步驟如圖1所示。

圖1 建筑碳排放的全生命周期評價步驟

由圖1可知，建筑碳排放的全生命周期評價主要有四個步驟，其中，確定建筑體對象與建設施工范圍，是具有關鍵意義的基礎準備環節，該環節需要明確實施全生命周期評價的目的，重點確定擬評價的具體對象與客觀范圍，辨識功能單元與系統界限，對所需要的數據源與數據內容等進行規范，提升量化評價所需要的數據質量，并為后期的評價復核工作制定更有效的制度方案。

在收集數據并分析清單的環節，對于數據的調查和收集要體現全面性和系統性。由于清單分析所使用的方法可能不同，因此也就會導致建筑碳排放的全生命周期評價所用方法存在差異性，可以重點關注施工建設過程來實施全生命周期評價，可以收集與經濟投入產出相關數據來實施評價，還可以綜合各類數據形成混合型的生命周期評價思路。

確定量化計算模型，是確保整個評價工作是否達到預期效果的重要保障，模型算法要有較強的邏輯，而且還能夠積極對定量化或半定量的指標建立更有價值的參數，從而保障模型的普適性。

研析評價環境影響程度的環節，要認真總結清單分析環節的相關結果，積極掌握通過評價系統解析或過程梳理而存在的不同參數，合理轉化為可以定量操作的指標，對指標參數的完整性與合理性進行控制，從而有效評價對環境所產生的不同程度的影響效果。

3 整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期碳排放計算方法

目前看，有關建筑體的碳排放所使用的計算方法包括但不限于碳排放系數法、生產線直接能耗法、質量平衡法等。碳排放系數法的通用思路就是緊密遵循公式“碳排放量=Σ活動數據×排放系數”。公式中的活動數據表示的是與建筑體相關的建設耗材以及能源的應用數據，排放系數也被稱為排放因子，代表在單位產品的生產制造過程中，單元能源的消耗過程所向外釋放的CO2總量。與其他的計算度量方法相比，碳排放系數法體現出操作便捷、可信度高、數據量少、適用性強等特點，因此屬于當前衡量評價碳排放量的主流方法。

對于整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期的碳排放，也可以采用碳排放系數法來完成計算，可將全生命周期的碳排放計算表達式整理為如式（1）：

式中C-整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期的碳排放總量；

C1-整體裝配式混凝土住宅建筑在建筑耗材產出階段的碳排放量；

C2-整體裝配式混凝土住宅建筑在工廠化構件制造階段的碳排放量；

C3-整體裝配式混凝土住宅建筑在建材構件運輸階段的碳排放量；

C4-整體裝配式混凝土住宅建筑在裝配連接階段的碳排放量；

C5-整體裝配式混凝土住宅建筑在運營維護階段的碳排放量；

C6-整體裝配式混凝土住宅建筑在拆解回收階段的碳排放量。

3.1 建筑耗材產出階段

該階段主要內容涉及建筑施工所需要的原材料的開發、采集、運輸以及建筑耗材在加工工廠的生產制造?？梢?，原料的開發采集以及運輸、耗材在工廠生產加工所出現的化學反應、生產作業所消耗的能源，都會產生CO2排放，按照碳排放系數法，其碳排放的計算公式如式（2）：

式中M i-建筑體施工所需要的第i類建筑材料的實際用量；

FM,i-建筑體施工所消耗的第i類建筑耗材生產的碳排放系數。

3.2 工廠化構件制造階段

該階段主要內容涉及整體裝配式混凝土住宅建筑的部分構件的生產制造。與其他建筑體的施工相比較，工廠化構件制造階段屬于整體裝配式混凝土建筑的特有階段?？梢?，該階段部分建筑構件的生產制造所消耗的電能或各類燃料，會向外部環境進行碳排放。按照碳排放系數法，其碳排放計算公式如式（3）：

式中Ej-構件制造過程中的第j類能源的實際用量；

FE,j-構件制造過程中的第j類能源消耗的碳排放系數。

3.3 建材構件運輸階段

該階段主要內容涉及通過車輛運輸將建筑耗材以及部分建筑構件運至施工現場?？梢?，該階段的車輛等運輸工具對油品等燃料能源的消耗，是碳排放的主要來源。按照碳排放系數法，計算公式如式（4）：

式中Gi-建筑體施工所需第i類建筑耗材的實際總量；

Di-建筑體施工所需第i類建筑耗材以及構件從產地至施工地的運輸里程；

FT,i-建筑體施工所需第i類建筑耗材以及對應運輸手段的碳排放系數。

3.4 裝配連接階段

該階段主要內容涉及運至施工現場的建筑耗材以及部分建筑構件被應用后基本建成建筑體的過程?？梢?，該階段的碳排放來源主要是各類施工所用設施設備在運行所外排的CO2，以及現場參與作業人員的生活起居所外排的CO2。按照碳排放系數法，計算公式如式（5）：

式中Xp-施工作業過程中所使用的第p類機械設備的實際總量；

FX,p-施工作業過程中所使用的第p類機械設備的碳排放系數；

Qq-施工作業過程中施工人員生活起居所消耗第p類能源或物質的實際總量；

FQ,q-施工作業過程中施工人員生活起居所消耗第p類能源或物資的系數。

3.5 運營維護階段

該階段主要內容涉及整體裝配式混凝土住宅建筑的使用與維護。在運營使用階段的碳排放來源，就是包括但不限于水、電、氣等不同能源以及物資資源的實際消耗；而在維護階段的碳排放來源則主要包括建筑體經歷維修或翻新的過程所形成的建筑耗材的實際消耗。按照碳排放系數法，計算公式如式（6）：

式中Q r-建筑體運營使用中對第r類能源與物資資源的年均用量；

F Q,r-建筑體運營使用中第r類能源與資源的碳排放系數；

Y-整體裝配式混凝土住宅建筑運營使用壽命；

Rs-建筑體運營使用中第s類執行更換計劃的建筑耗材的用量；

Ns-建筑體運營使用中第s類建筑耗材的計劃更換更換次數；

FM,s-執行更換計劃的第s類建筑耗材的生產的碳排放系數。

3.6 拆解回收階段

該階段主要內容涉及整體裝配式混凝土住宅建筑的拆除與所用建筑耗材的回收復用。其中，建筑體被逐步拆解中，發揮拆除作用的各種機械設備以及負責外運建筑垃圾的車輛在運行中所排CO2是主要的碳排放來源。值得一提的是，整體裝配式混凝土建筑，由于是通過構件裝配而成，因此體現一定的模塊化特性，而得到回收的部分構件，還是可以繼續在下一個裝配建筑結構中循環使用的。因此，裝配式混凝土建筑在拆解回收階段，還要積極關注到建筑耗材回收中存在的負碳排放的事實。實際計算中，拆解階段的機械設備的運行與廢物運輸所消耗的能源，可結合能源繳費清單確定，當然還可以按照建筑體拆除方案，選擇施工裝配連接階段的公式完成計算。

4 整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期碳排放控制后的現實效益

4.1 可有效降低資源消耗

隨著整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期碳排放量計算評價工作的開展，建筑施工可積極依據評價結果形成更好的材料節約效益。一是，整體裝配式混凝土住宅建筑主要使用鋼制模板，因而大大降低對木制模板的使用，合理節省木材消耗；二是，裝配式建筑的外墻在預制過程中可直接將混凝土覆于保溫層以及隔熱層上，這樣就會省去傳統施工中對外墻保溫層以及砂漿材料的使用，還對預制件的保溫層等增加了保護，延長了使用壽命；三是，裝配式混凝土建筑在構件預制階段往往采用水體或水蒸氣進行養護，這樣較之傳統的混凝土養護會省出很多養護用水量；四是，整體裝配式混凝土建筑還能夠持續對施工現場的勞動力消耗進行控制，構件的預制已于工廠完工，因而在施工現場將降低用工需求，工期也會相應縮減，從而降低了生活物資的消耗。

4.2 可有效抑制能源消耗

整體裝配式混凝土建筑的碳排放積極被識別評價后，盡可能降低建筑全生命周期各階段的碳排放來源，能一定程度上降低能源消耗。如在裝配連接施工階段，使用塔吊等機械設備進行作業，這與其他機械工具的使用相比，碳減排效益是顯著的。在運營使用階段，由于混凝土建筑的外墻構件在預制過程中已將保溫層埋于混凝土中，因而可以延緩隔熱層老化，這樣可降低整體建筑的熱工性能衰減程度，從而有效增強能效。此外，整體裝配式混凝土住宅建筑可積極設計搭配太陽能技術工藝，增大太陽能的應用，減少建筑體的碳減排。

4.3 可有效控制建筑垃圾

整體裝配式混凝土住宅建筑所產生垃圾廢物，往往較之同等規模的現澆混凝土建筑要少，因而從碳減排目標來看，整體裝配式混凝土住宅建筑可有效控制建筑垃圾的產生，是切斷碳排放來源的積極手段。而從碳減排的角度來看裝配式混凝土住宅建筑垃圾減少的效益可知，首先，該類型建筑的構件可循環復用，其次，由于部分構件均在工廠完成標準化預制，因此會大大控制原材料的消耗，保障更高的質量，也就會在后期的拆解回收階段降低建筑垃圾廢物的產生。

5 結語

如今，建筑行業對綠色發展理念的執行落實變得越來越嚴謹，積極致力于在碳排放方面做出努力，實現更大的碳減排目標。整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期的碳排放，可通過建筑耗材產出、工廠化構件制造、構件運輸、裝配連接、運營維護、拆解回收等階段的碳排放計算公式來進行分析評價，在掌握全生命周期的碳排放量化情況后，積極采取對應措施，才能不斷地降低碳排放量，形成有效降低資源消耗、能源消耗、建筑垃圾等現實效益，為實現真正的綠色發展提供助力。