清单选择对乡村建筑物化碳排放的影响分析

张孝存，郑荣跃，王凤来

（1.宁波大学 土木与环境工程学院，浙江 宁波 315211，E-mail:zhangxiaocun@nbu.edu.cn；2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

建筑业消耗了全球 30%~40%的能源，贡献了全球约36%的碳排放[1]，是我国节能减排的重点行业领域之一。统计年鉴资料显示，截至2018年底，我国现有乡村人口 5.64亿人，占全国人口总数的40.4%。2012年，我国农村居民人均住房面积即达37.1m2。因此，现阶段我国乡村建筑体量巨大，具有重要的节能减排潜力。

立足“美丽乡村建设”的国家政策，已有研究综合利用太阳能、生物沼气和蓄热材料等，从乡村建筑运行节能设计的角度开展了理论分析与实践工作[2]。随着运行能效的提高，建筑物化阶段节能减排的重要性日益突出。为此，国内外研究者针对不同乡村建筑结构体系的碳排放水平开展了一定的研究。Yu等[3]对某单层竹木结构房屋进行了案例研究，结果表明与砖混结构相比，竹木结构具有显著的减排效益。杜书廷等[4]研究发现，夯土结构房屋由于采用天然材料，其碳排放水平显著低于其他结构。Sim 等[5]通过对韩国某传统民居的碳排放分析，发现混凝土是物化碳排放的主要来源。

目前针对乡村建筑结构的碳排放分析仍然较少，且不同案例研究采用的系统边界与数据清单亦存在差异，为评价结果的应用增加了不确定性因素。此外，我国传统乡村民居多采用竹木、砖石等作为主要建筑材料，并采用现浇施工方式。而随着经济水平与生活条件的不断提高，在结构体系方面，乡村建筑亦逐渐采用承载力与抗震性能更好的混凝土框架结构，故有必要针对其碳排放水平进行分析。本文在综合分析国内典型碳排放数据清单的基础上，对砌体结构和混凝土框架结构的物化碳排放开展对比分析，从而为乡村建筑结构的低碳发展提供参考。

1 建筑物化碳排放计算模型

1.1 功能单元与系统边界

建筑碳排放分析常以“整座建筑”或“单位面积”作为功能单元[6]。本文以“单位建筑面积（1m2）”作为功能单元，便于案例碳排放的比较分析。建筑生命周期碳排放的来源复杂，故利用适当的简化与假设，划分合理的系统边界尤为重要。在文献调研的基础上，本文采用“从摇篮到现场（cradle-to-site）”的系统边界[7]，并将建筑物化阶段划分为材料生产、材料运输和现场施工过程。

1.2 碳排放计算方法

建筑碳排放的计算方法可分为过程分析法和投入产出法两大类[8]。前者以碳排放因子和各过程活动数据为基础实现详细的碳排放分析；而后者通过部门碳排放强度与经济投入产出模型追溯全产业链的碳足迹，适用于宏观研究。因此，在上述功能单元与系统边界的基础上，本文采用过程分析法实现物化碳排放的计算，即:

式中，Cemb为建筑物化阶段的碳排放；Cm、Ct和Cc分别为生产、运输及施工过程的碳排放。

1.2.1 材料生产过程碳排放计算

材料生产过程的碳排放，可按如下公式计算:

式中，A为建筑面积；n为材料种类；Qm,i和 EFm,i分别为第i种材料的消耗量及碳排放因子。

理论上，碳排放计算时应包含生产与建造活动涉及的所有主体材料及辅材。但实践中，受限于数据收集与分析难度，常采用一些简化假设，如按建筑信息模型（BIM）中的主材确定[9]，考虑累计重量占比或造价占比超过80%~95%的建筑材料[10,11]，或按工程材料消耗清单计算[12]等。

1.2.2 材料运输过程碳排放计算

材料运输过程的碳排放可按如下公式计算:

式中，k为运输方式数；Gm,ij和Dm,ij分别为采用第j种运输方式的第 i种材料重量及运输距离；EFt,j为第j种运输方式的碳排放因子。鉴于乡村建筑具有就地、就近取材的特点，分析中假设采用中小型运输车辆，平均运距取50 km。

1.2.3 现场施工过程碳排放计算

现场施工过程的碳排放可按如下公式计算:

式中，q为能源种类；Qe,p和EFe,p分别为第p种能源的消耗量及碳排放因子。

在建筑施工活动中，常以电力、汽油和柴油作为主要能源。在设计阶段，施工能耗可根据机械使用清单与台班能耗定额估算，而决算阶段可根据现场记录及内业资料确定。

2 清单分析与情景设定

2.1 清单分析

已有研究针对碳排放因子开展了大量的分析工作。现行《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366-2019（以下简称“碳排放计算标准”）以IPCC 2006报告和CLCD数据库为基础[11]，列出了部分常用建材与能源的碳排放因子参考值。然而，由于生产工艺与统计方法不同，国内其他相关研究[12~19]的结果与上述数据存在一定差异。为研究清单选择对建筑碳排放分析结果的影响，结合案例工程的材料消耗，整理并分析了国内不同研究机构提出的典型数据清单[11~19]如表1所示。

2.2 情景设定

为研究不同数据清单及系统边界选择对建筑物化碳排放分析结果的影响，根据表1总结的典型数据清单，设定如下分析情景与基本假设:

（1）考虑“碳排放计算标准”提供的推荐清单，设定基础情景S-01，即依据清单Q-01，按实际工程材料消耗量进行碳排放分析；由于上述标准未提供混凝土砌块的碳排放因子，综合考虑生产工艺及孔洞率影响，计算中按混凝土实心砖的60%估算。

表1 国内典型碳排放数据清单整理

（2）考虑不同数据清单影响，设定情景S-02，即依据清单Q-02至Q-09，按实际工程材料消耗量进行碳排放分析；当上述碳排放因子清单仅提供了同类材料的相关数据，但具体材料类型与案例建筑差异较大时，数据按“碳排放计算标准”取用。

（3）考虑不同系统边界的影响，设定情景S-03和 S-04。情景 S-03根据“碳排放计算标准”6.1.3条第1款，采用不同数据清单进行分析时仅计入累计重量占比达 95%以上的主要材料；而情景 S-04在上述要求的基础上，根据6.1.3条第2款进一步计入重量比>0.1%的材料。

3 工程案例实证分析

3.1 工程基本信息

选取一栋二层乡村民居为例，分别采用钢筋混凝土框架结构和混凝土砌块砌体结构进行设计，并开展物化碳排放的对比分析。该房屋的总建筑面积为188.78m2，其中一层面积为101.32m2，二层面积为87.46m2。建筑层高为3m，采用坡屋顶及水泥瓦屋面，屋脊至室外地面高度为7.45m。建筑抗震设防烈度为6度，抗震设防类别为丙类。

框架结构方案中，框架梁、柱采用C25混凝土和HRB400钢筋设计，主要截面尺寸分别为200 mm×400 mm和300 mm×300 mm。柱下采用钢筋混凝土独立基础，基础尺寸为800 mm×800 mm。框架填充墙采用轻集料混凝土小型空心砌块砌筑。

砌块砌体结构方案中，承重墙厚度为190mm，采用MU10混凝土小型空心砌块和Mb5砂浆砌筑。墙体转角及纵横墙交接处等关键位置设有钢筋混凝土芯柱，芯柱混凝土强度等级为C20。墙下采用钢筋混凝土条形基础，基础宽度为600mm。

根据上述建筑结构设计方案，土建及装饰工程的材料用量及施工能耗如表2所示。

表2 两种结构方案的材料用量与施工能耗

3.2 基础情景的碳排放分析

根据上述工程量资料，按“碳排放计算标准”推荐的碳排放因子，得出的基础情景碳排放如表 3所示。框架和砌块砌体结构方案的物化碳排放分别为69.75 tCO2e和65.72 tCO2e。而两种结构的碳排放构成相近，其中材料生产过程占比>95%，而运输及施工过程占比分别约为4%和1%。与砌块砌体结构相比，框架结构的钢筋与水泥消耗量较高，相应的材料生产及现场加工过程碳排放分别增加 6.6%和46.4%；而由于框架结构自重较小，材料运输碳排放相应降低了12.9%。总体而言，框架结构物化碳排放总量相较于砌块砌体结构增加了6.1%。

表3 基础情景的物化碳排放对比（kgCO2e/m2）

3.3 不同清单选择的对比分析

以基础情景S-01为参考，根据情景S-02的基本假设，采用表1整理的典型数据清单，分别对案例建筑的物化碳排放进行计算与对比分析，其结果如图1所示。

图1 不同清单选择的碳排放计算结果对比

由图1可知，采用不同数据清单时，框架结构方案的物化碳排放范围为356.6~507.2 kgCO2e/m2，平均值为425.1kgCO2e/m2；而砌块砌体结构方案的物化碳排放为 340.2~482.6 kgCO2e/m2，平均值为404.2kgCO2e/m2。与基础情景的计算结果对比发现，由于现有标准提供的碳排放因子并不全面，相应计算得出的物化碳排放量低于根据国内已有数据清单计算结果的平均值约13.5%。上述结果表明，数据清单选择对建筑物化碳排放的估计值具有较为显著的影响。与基础情景相比，不同清单选择导致的计算结果变化幅度可达38.5%。

表4的分析表明，采用不同数据清单计算时，框架结构方案的碳排放均高于砌块砌体结构方案，平均增加20.8kgCO2e/m2（3~7%），其中钢筋和水泥生产的碳排放增加了28.2~47.3 kgCO2e/m2。此外，选用不同数据清单时，生产、运输及施工过程对碳排放总量的贡献比例亦较为相近。上述对比结果与基础情景分析数据相一致，因此按相关标准提供的数据清单实现不同结构方案的碳排放对比分析是可行的。

4 讨论

4.1 系统边界影响分析

为分析系统边界选择对碳排放计算结果的影响，依据情景S-03和S-04的设定对两种结构方案的物化碳排放进行分析，并与按实际工程材料消耗量计算的碳排放对比，结果如图2所示。

表4 清单选择对不同设计方案对比结果的影响

图2 系统边界选择对物化碳排放计算的影响

当按情景S-03仅考虑累计重量比超过 95%的材料时，砌块砌体结构和框架结构的碳排放计算结果将被平均低估17.8%和33.2%。此外，两种结构方案的碳排放差异平均为78.5 kgCO2e/m2，显著高于表4的计算结果。进一步的分析表明，产生上述误差的主要原因是砂石、水等自重大而对碳排放总量的贡献较小，仅按累计重量比确定计算范围时，可能导致部分高碳排放的材料被忽略。

当按情景S-04进一步计入重量比>0.1%的材料时，计算结果被平均低估约3.6%，两种结构方案的碳排放差值平均为20.8kgCO2e/m2，与表4计算结果一致。因此，按情景S-04基本假定进行简化分析时，计算结果具有较好的准确性与可靠性。

4.2 碳排放贡献分析

鉴于采用不同数据清单时，物化碳排放的构成比例相近，故采用平均值进行碳排放的贡献分析。

（1）对于材料生产过程，表 1所列各类建材对碳排放及材料总重量的贡献如图3所示。从材料重量的角度分析，对于框架结构和砌块砌体结构，砂石和水对材料总重量的贡献分别为75%和65%。然而，二者的碳排放因子较低，仅约为钢材的0.5%和0.01%，故对碳排放总量的贡献不足2%。从碳排放贡献的角度分析，水泥、钢筋和砌块是两种结构方案中最主要的碳排放来源，累计碳排放贡献可达80%，而相应的对材料总重量的贡献分别为20%和30%。上述分析结果表明，从单位重量材料的碳排放角度来说，不同建筑材料的差异较大，实践中应注重对高碳排放因子材料的分析和优化。

图3 不同材料的重量及碳排放贡献对比

（2）对于材料运输过程，考虑乡村建筑具有就地取材的特点，假定平均运距50 km时，得出其对物化碳排放的贡献约为 4%。而“碳排放计算标准”给出的运输距离默认值为500 km，若按此计算，则运输碳排放将提高9倍，对物化碳排放的贡献亦将增加至约30%。因此，乡村建筑施工应尽量采用本地材料，以便降低运输碳排放水平。

（3）对于施工过程，由于乡村建筑通常体量较小，无需大型施工设备与机具。案例建筑亦采用了现浇体系、人工为主的建设方式，故相应的施工能耗较低，对物化碳排放的贡献仅为1%，可忽略不计。

5 结语

在乡村建筑中，相较于砌块砌体结构，框架结构方案的物化碳排放量会有所增加，但通过提高技术水平及利用再生材料等途径，钢材及水泥的生产碳排放可不断降低，两种结构方案的碳排放差异亦将缩小。故从低碳可持续的角度考虑，混凝土框架结构方案具有发展潜力。不同建筑材料对总重量及碳排放量的贡献具有明显的区分度。在确定系统边界与计算范围时，除按现行标准规定的重量比选择主要建材外，尚应考虑自重占比小而碳排放因子或造价较高的材料，以减小计算误差。