装配式钢-混组合结构建筑碳排放计算及减排优化策略*

娄 峰，刘亮俊，覃祚威，刘 宁

(1.浙江大东吴建筑科技有限公司，浙江 湖州 313071；2.中国建材检验认证集团股份有限公司，浙江 嘉兴 314000；3.上海禾筑数字科技有限公司，上海 200000)

0 引言

近年来气候变暖、环境问题日益严重，碳排放成为全球普遍关注的问题[1]。2019年我国全年碳排放总量达101.7亿t，占全球总量的28%，跃居全球排放量首位[2]。预计未来几年我国人均碳排放量还会大幅持续增加，给我国节能减排工作带来严峻考验。建筑领域能耗高、比例大且长期增长的趋势明显，同时建筑减排成本相对较低，蕴含较大的节能潜力[3]。减少建筑业碳排放量成为我国实现碳达峰、碳中和战略目标的突破点。因此，定量核算建筑全生命周期各阶段碳排放量是减少建筑物碳排、促进建筑业可持续发展的条件。

装配式建筑作为我国未来建筑的发展趋势，近年来在各地区被大力推广，而国内针对其节能减排的研究还不充分[4]。

1 装配式建筑全生命周期碳排放研究方法

1.1 装配式钢-混组合结构建筑

新型装配式部分包覆钢-混组合结构建筑技术核心由部分包覆钢-混组合结构(简称PEC 构件)、装配整体式预制局部叠合板楼(屋)面系统及轻质混凝土外墙系统组成。PEC 构件是由型钢或焊接组合截面钢翼缘间填筑钢筋混凝土形成的钢-混组合构件。PEC结构体系在欧洲已有成熟的设计规范、规程及工程应用，近年来引进国内，工程实例较少。

1.2 建筑碳排放计算阶段设定

全生命周期评价(LCA)评估建筑从材料生产至最终回收的全生命周期下，建筑物对环境的影响[5]。基于GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》中划分的建材生产及运输、建造及运行、建筑物拆除阶段基础上，将建筑全生命周期划分为建材生产、建材运输、建造施工、运行使用和建筑拆除主要阶段[6]。

目前我国对建筑碳排放的研究多集中在使用阶段，纵观整个生命周期，建筑材料生产运输和施工过程的能耗与排放不可忽视。因此，本研究将建筑全生命周期碳排放量按5个部分进行计算：

CLC=C1+C2+C3+C4+C5

(1)

式中：CLC为建筑全生命周期碳排放总量；C1为建材生产阶段碳排放量；C2为建材运输阶段碳排放量；C3为建造阶段碳排放量；C4为建筑运行阶段碳排放量；C5为建筑拆除阶段碳排放量[1]。

1.3 碳排放因子的确定

本文碳排放因子主要依据《建筑碳排放计算标准》中的各阶段碳排放因子数据库、部分标准中未明确的建材碳排放因子、建造和拆除阶段机械设备消耗能源动力产生的碳排放因子。

2 案例分析

2.1 工程概况

浙江省湖州市湖东分区东升和府项目10号楼，地上17层，建筑面积为1.1万m2，首层为公共部分，2～17层为住宅部分。地上部分采用装配式部分包覆钢-混组合异形柱框架+钢中心支撑结构体系，装配式结构采用PEC柱、PEC梁、斜撑。预制混凝土构件采用预制局部叠合楼板、预制叠合屋面板、预制轻质PC外墙挂板、预制楼梯等。隔墙采用ALC轻质条板。

2.2 碳排放计算界限

本文计算边界为地面以上建筑部分，不含地下车库及夹层(非机动车库)部分；由于市政配套边界不清，因此不计算市政配套部分的碳排放量；由于现有人工碳排放数据很少，因此不计算人工碳排放；不予采用无法找到或质量无法保证的数据。

2.3 计算数据来源

本研究各阶段数据来源如下：①生产阶段 建筑材料使用量数据来源于建筑材料及设备采购清单、装配式构件预(决)算工程量清单、门窗材料、防水材料、预制构件材料总量；②运输阶段 混凝土运输距离按照40km计算，其他建筑材料平均运输距离按100km计算[6]；③建造阶段 机械台班量数据来源于施工台账、施工组织设计，包括办公区及生活区用电、用水及柴油、汽油使用台账；④运行阶段 能源消耗数据来源于PKPM软件模拟计算结果及相关资料；⑤拆除阶段 建筑面积、层数数据来源于施工图设计图纸。电力碳排放因子采用华东区域电网电力碳排放因子，即0.809 5kgCO2/kWh[7]。

2.4 全生命周期各阶段碳排放计算

2.4.1生产阶段碳排放量

根据工程概预算表和工程量清单，梳理出74种主要建筑材料的清单使用量，如图1所示。少量建材不确定质量或体积，且相对整栋建筑而言碳排放量极少，故不计入。

图1 生产阶段碳排放量

建材生产阶段的碳排放量为4 575 545.656kgCO2e， 其中可再生能源碳减排量依据工厂提供的光伏系统年发电量1 000万kW进行计算。主体结构钢、混凝土、板材是建材生产阶段最主要的碳排放来源，占生产阶段碳排放量的84.1%，其中钢筋和钢材占47.0%，混凝土和板材分别占19.4%，17.6%(不考虑可再生能源)。

2.4.2运输阶段碳排放量

运输阶段碳排放主要由运输距离、运输方式、运输材料量共同决定[5]。本工程混凝土和其他建材运输距离分别依据40,100km进行估算。运输阶段碳排放量为36 478.77kgCO2e，其中混凝土和钢运输产生的碳排放量最大，约占运输阶段全部碳排放的76.8%(见图2)。

图2 运输阶段碳排放量

2.4.3建造阶段碳排放量

建造阶段碳排放由分部分项工程施工过程与措施项目实施消耗的燃料、动力产生的碳排放组成[6]。经计算，建造阶段碳排放量为279 412.05kg CO2e(见图3)。

图3 建造阶段碳排放量

2.4.4拆除阶段碳排放量(含废旧建材回收)

建筑拆除阶段的碳排放包括建筑拆除机械和废旧建材运输产生的碳排放量[4]。建筑废弃物中的可回收材料碳减排量未包含在《建筑碳排放计算标准》中，但装配式建筑在废旧建材的回收利用上具有较大优势，尤其是拆解阶段的减排效果更明显，因此有必要计算废旧建材回收利用带来的碳减排量[4]。

1)拆除机械碳排放量 由于本项目并未拆解，因此依据建筑规模和已有工程经验估算拆除机械台班的种类和数量，并依据《建筑碳排放计算标准》计算建筑拆除阶段拆解机械的能耗。由于有关人工碳排放因子的研究资料较少，因此不计算人工拆除过程产生的碳排放量[4]。拆除阶段机械产生的碳排放总量为85 070.06kgCO2e(见图4)。

图4 拆除阶段机械碳排放量

2)废旧建材运输碳排放量 根据建材工程量清单估算运输碳排放量，建筑拆解后，混凝土、钢筋、钢材、砂浆、条板共重11 280.75t， 碳排放因子为19.6kgCO2e/(100t·km)，运输距离为34km，碳排放量为75 174.91kgCO2e。

3)废旧建材回收利用阶段碳排放减量 建材回收再利用率及单位建材回收利用后产生的减碳量参考《建筑全生命周期的碳足迹》。建材回收利用碳减量计算公式如下[4]：

(2)

式中：CCH为回收阶段的碳减量(kgCO2e)；ADHS为材料用量(t)；αHS为材料回收利用率(%)；EFHS为回收材料的碳排放因子(kgCO2e/kWh)；i为材料种类。

结合建材工程量清单，得出废旧建材回收利用碳减量为3 740 144.56kgCO2e(见图5)。

图5 回收利用阶段碳减量

综上，拆解阶段(不含回收阶段)的碳排放量为160 244.97kgCO2e，若考虑回收阶段碳减量，则拆解回收阶段的碳减量为3 579 899.59kgCO2e。

2.4.5运行阶段碳排放量

建筑运行阶段能源消耗包括建筑制冷、制热、照明、电梯及生活热水等能耗。采用PKPM软件进行分析，以JGJ/T 449—2018《民用建筑绿色性能计算标准》和《建筑碳排放计算标准》为参考设定室内参数。依据GB50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》，运行阶段按50年计算。

1)空调采暖碳排放量 运行阶段空调采暖全年碳排放量为 129 360.01kgCO2e(见表1)。

表1 空调采暖碳排放量

2)生活热水碳排放量 本项目采用空气源热泵系统，全楼共64户、户均3人，共192人。按照每人/日用水定额40L，全年热水供应天数292d计算，运行阶段生活热水能耗为94 273.08kW·h，折算成全年热水系统碳排放量为76 314.058kgCO2e。

3)制冷剂碳排放量 依据建筑碳排放标准，需统计住宅空调设备制冷剂产生的温室气体。假定每户每个卧室使用1台分体空调，约含1kg R410a制冷剂，客厅使用1台柜式空调，约含3kg R410a制冷剂。按照空调使用寿命 10 年进行计算，R410a的全球变暖潜值GWPr为1 730(参考IPCC第5次评估报告)，根据下式计算可得该楼在运行阶段，每年制冷剂的碳排放量为66 432kgCO2e。

(3)

式中：Cr为建筑使用制冷剂产生的碳排放量(tCO2e/a)；mr为设备的制冷剂充注量(kg/台)；ye为设备使用寿命(a)；GWP为冷剂r的全球变暖潜值。

4)电梯系统碳排放量 电梯能耗根据GB/T 10058—2009《电梯技术条件标准》中的计算方法进行计算。选用4部LEHY-Ⅲ电梯，载重量为 1 200kg， 速度2m/s，提升高度58.3m，额定功率16.29kW，通过电梯能耗公式得出电梯运行年碳排放量为31 138.65 kgCO2e。

Ea=(K1·K2·K3·H·F·P)/(V·3 600)+Est

(4)

式中：Ea为电梯使用1年的能耗(kW·h)；K1为驱动系统系数；K2为平均运行距离系数；K3为桥内平均荷载系数；取0.35；H为最大运行距离(m)；F为年启动次数，取100 000～300 000；P为电梯额定功率(kW)；V为额定速度(m/s)；Fst为1年内的待机总能耗(kW·h)。

5)照明系统碳排放量 根据PKPM软件计算可得，1层公共建筑部分年照明能耗是17 090.57kW·h， 2～17层居住建筑部分年照明能耗是97 319.99kW·h， 照明系统年碳排放量为92 615.35kgCO2e。

6)光伏发电系统碳减排量 采用光伏发电系统作为可再生能源，根据浙江省年太阳总辐射1 278kW·h/m2， 光伏组件安装面积580m2进行计算，可得光伏发电量为135 646.92kW·h。

综上可知，运行阶段(50年)的总碳排放量为14 302 694.5kgCO2e(见图6)。

图6 运行阶段碳排放量

2.5 结果分析

全生命周期碳排放总量为19 353 261.73kgCO2e， 不含拆除阶段废旧建材回收的碳减量，建筑运行阶段、建造阶段、拆除阶段、生产阶段、运输阶段排放量分别占装配式建筑全生命周期碳排放量的73.9%，1.45%，0.83%，23.64%，0.18%，碳排放量为1 741.84kgCO2e/m2，符合住宅建筑全生命周期碳排放系数的合理范围(约2 000kgCO2e/m2)。

建筑运行阶段的碳排放量占装配式建筑全生命周期碳排放量(不含回收碳减排)的73.90%，是提升建筑碳减排的重点。新型装配式钢-混组合结构建筑的钢材含量高，多用于主体承重结构，鉴于钢材具有良好的耐久性与耐候性，新型装配式建筑在延长建筑使用周期方面具有较大优势。在装配式建筑设计阶段提高空间设计可变性，可有效减少建筑年碳排放量。

建材生产阶段的碳排放量占整体碳排放量的23.64%，略高于现浇建筑生产阶段的占比(约20%)，参考结构安全性、耐久性，采用相对保守的结构设计，因此在钢材、钢筋配置上比现浇建筑用量偏多，造成建材生产阶段碳排放量略大，但也应综合考虑该结构体系在延长建筑使用周期方面的优势。装配式钢-混组合结构建筑设计中，可酌情参考装配式建筑限额设计控制数据，优化设计钢材、混凝土等相关含量，控制生产过程中的碳排放量。

装配式建筑预制构件种类繁多，应合理选择起重机械设备，简化起重机械设备种类，提高起重机械设备工作效率，降低建造阶段碳排放。

建议拆除阶段的碳减排使用拆解方式替代拆除方式，尽可能以小型机械将构件从主体结构中分离，提高废旧建材的回收利用率，减少碳排放量。

新型装配式钢-混组合结构建筑的钢材含量较传统现浇建筑钢含量高，在废旧建材回收利用上具有优势。建议将废弃建材回收利用纳入建筑全生命周期碳排放计算中，并折减全生命周期碳排放总量，可引导回收利用，达到节能减碳的目标。

3 结语

东升和府10号楼采用装配式钢-混组合结构，从建筑全生命周期维度出发，碳排放量较普通现浇建筑的碳排放量减排显著，约比传统现浇建筑碳排放量减少40%。通过计算全生命周期碳排放，认为装配式钢-混组合结构建筑是在双碳目标下，加快建立和完善以绿色建筑、绿色建材、绿色工厂、绿色施工等一体化为导向的全生命周期、全过程节能减排的重要路径。后续将进一步对比分析装配式建筑与传统现浇建筑的碳排放。