装配式建筑预制构件电动运输碳排放量计算技术和方法研究*

文/东南大学建筑设计研究院有限公司 印 江

西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室 东南大学建筑学院 王海宁

东南大学建筑学院 张 宏

1 研究背景

相较运维阶段的碳排放研究，建筑物化阶段的碳排放研究同样重要，这与建造方式产生直接关系。装配式建筑因其在创造可持续城市化中的重要作用而引起全世界关注。预制技术是将一定数量的建筑构件在得到良好控制的环境下制造，运输到施工现场，最后组装成建筑物，在许多国家和地区得到广泛应用[1]。预制是可提高质量控制水平、改善环境性能、提高现场安全水平、减少劳动力需求和施工时间的可持续施工方法。尤其当前面临我国人口老龄化问题日益严重，越来越多的施工现场难以找到足够的建筑工人[2]，而装配式建筑将大量的建造工作从环境恶劣的工地现场转移到工厂，使更多在工地的建筑工人（Labor）转变为在厂房工作的产业工人（Worker），显著改善其工作环境[3]。同时预制技术改变了传统的建筑设计和施工方式[4]，与传统的现浇施工技术相比，预制技术在减少对环境的破坏方面具有优势，因此更环保[5]。

装配式建筑虽然在技术和政策方面具有诸多利好，但在当前应用规模过小、构件标准化程度过低的情况下，造价仍高于传统现浇建造模式[6]。因此装配式建筑的碳排放研究尤为重要，应在环境和能源方面对装配式建筑体系进行综合评估，由此促进后续基于碳排放的建筑物化阶段奖惩机制的建立，倒逼产业技术升级改造，进而提高产业链各参与单位的节能减排意识，降低行业整体碳排放量。

随着电动小型汽车和电动大型客车的普及，电动卡车成为政府主管部门在低碳运输改革方向的着力点，各种吨位与型号的电动卡车涌现市场，已覆盖各载重级别，2020年1—5月共销售电动卡车12693辆，其中中型卡车3522辆，重型卡车1092辆，仅重型卡车的车企就有34家[7]。

2 构件与材料运输

2.1 装配式建筑的两大运输阶段

装配式建筑物化阶段包括材料生产、材料运输、构件生产、构件运输和现场装配5个阶段，其中与运输相关的为材料运输和构件运输2个独立的阶段[8]，分别发生在不同的产业链中。由于运输方式不同，装配式建筑与现浇建筑的碳排放有所差异。GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》对建材公路运输碳排放因子作出规定。但现行规定仍然比较粗略，仅从车辆载重、动力类型进行分类，而未考虑其他因素对运输碳排放的影响。如采用轻型汽油货车运输，则碳排放因子一律为0.334kgCO2e/（t·km），中型柴油货车运输一律为0.179kgCO2e/（t·km），仅采用车型级别确定碳排放因子难以兼顾装配式建筑预制构件运输的特性。

2.2 预制构件运输特性

1）考虑到经济性和构件运输完好性，几乎所有的预制构件均采用公路运输，这与材料运输所呈现的水路运输、铁路运输和公路运输并存的方式完全不同。

2）预制构件运输需考虑尺寸及堆叠层数限制和安装顺序问题，如图1所示，无法达到100%满载。如按照规范，预制叠合板在运输和存放阶段堆叠层数不宜大于6层，过多层数的堆叠会造成预制叠合板变形与开裂，影响结构安全与建筑寿命。而由于车辆自重不会改变，因此碳排放与载重量不成正比，如在我国澳门地区纯电动载具的载荷测试中发现，相较空载，满载能耗只增加9%～11%，甚至在载重量极低的情况下，单位重量和里程下的碳排放量趋于无穷大，因此满载比例与碳排放量不呈线性正比。

图1 仅运输3块墙板的拖挂车辆

3 试验与研究方案

3.1 试验场景选择

虽然汽车和内燃机行业对于能耗与碳排放计算拥有一套完整的方法，如根据特定发动机万有曲线进行软件模拟，或在底盘测功机上运行相应的标准循环工况[9]。但上述方法均是在统一使用环境的坐标系下，针对车辆或发动机的碳排放进行测算，其根本目的在于衡量交通工具的优劣。而构件运输阶段的碳排放计算研究的目的在于还原构件运输过程的真实碳排放，因此在方法和目标方面与汽车和内燃机领域差距较大，而且上述软件模拟和实验室测定的方法输入参数过多，在适用于装配式建筑日常运输的碳排放计算中无法一一找齐。

因此本研究以构件作为研究对象，对运输阶段的碳排放量和相关参数进行试验测量，通过统计学方法进行回归分析，由此建立适合于预制构件运输的碳排放计算模型，以期对2019版《建筑碳排放计算标准》作出补充，使其能更适用于装配式建筑的构件运输阶段，更准确地反映构件运输阶段的真实碳排放量。

3.2 试验对象与方法

此次研究通过载重车辆在真实道路交通情况下的实际运输行驶状态，反映构件运输过程中的真实碳排放量。测试地点为江苏省南京市区域，通过计算燃料的消耗量反推排入大气中的二氧化碳。采用OBD接口采集运输车辆的状态信息，包括开始时间、行驶里程、能源消耗，除此之外，车辆载重量数据由出货单数据提供。研究选取1辆汽油车和1辆电动车作为对比。

1）汽油车 车型为长安之星9厢式运输车，该车总质量1875kg，整备质量1245kg，最大载重630kg，所用燃料为92号汽油。

2）电动车 车型为长安之星9EV厢式运输车，该车总质量1875kg，整备质量1270kg，最大载重605kg，能量来源为35.9 kW·h容量的磷酸铁锂电池包。

4 试验结果与分析

1）不同类型车辆的碳排放因子 试验共取得样本数量为506例，其中汽油车344例，碳排放因子平均值为0.3326kgCO2e/（t·km），最小值为0.1811kgCO2e/（t·km），最大值为0.6396kgCO2e/（t·km），标准方差为0.0873；电动车运输为162例，碳排放因子平均值为0.2056kgCO2e/（t·km），最小值为0.1088kgCO2e/（t·km），最大值为0.2985kgCO2e/（t·km），标准方差为0.0310。电动车和汽油车的构件运输碳排放因子分布如图2所示，可看出电动车的构件运输碳排放因子普遍低于汽油车。

图2 电动车和汽油车构件运输碳排放因子对比

2）满载率的影响 试验数据涵盖2种类型车辆满载率在60%～100%区间的碳排放因子表现，由图3可看出以下特征：构件运输碳排放因子与满载率呈反比；电动车的构件运输碳排放因子在不同满载率情况下普遍低于汽油车；构件运输碳排放因子与不同地区的电力碳排放呈反比。

图3 构件运输碳排放因子与满载率之间的关系

由于我国不同省份的火力、水力和新能源发电比例相差较大，因此电力碳排放因子相差较多，如华东地区的电力碳排放因子为0.7035kgCO2e/（t·km），而最低值则为紧邻的华中地区，为0.5257kgCO2e/（t·km）。

5 预制构件运输碳排放计算方法

通过线性回归拟合公式，得到汽油车和电动车的预制构件运输碳排放因子计算公式。

1）汽油车

2）电动车

式中，TransFctG为汽油车的预制构件运输碳排放因子，单位为kgCO2e/（t·km）；TransFctE为电动车辆的预制构件运输碳排放因子，单位为kgCO2e/（t·km）；LoadRatio为运输车辆的满载比例，单位为%；ElectFct为各地区的电力碳排放因子，单位为kgCO2e/（t·km）。

6 结语

通过对装配式建筑运输阶段可能影响碳排放因子的参数进行观察收集、整理分析和统计回归，建立相关的碳排放因子数学模型，主要研究结论如下。

1）相较普通建筑，装配式建筑增加了构件生产和构件运输2个阶段，受限于构件尺寸、构件摆放、构件交付时间等因素，对比材料运输，即使基于同一运输车型，构件运输碳排放因子变化幅度也较大。

2）预制构件运输碳排放因子受到满载比例影响较大，半载相较满载情况下的碳排放量，汽油车增加约118.92%，电动车增加约36.88%（见表1）。

表1 不同满载率情况下的减碳比例

3）电动车在任何满载比例情况下均比汽油车体现出更低的碳排放量，越是轻载情况下减碳比例越高。

4）研究以定量方式探索预制构件运输阶段的碳排放量估算与普通建筑材料运输的不同，通过建立碳排放因子数学计算模型的方式，为更精准地预测装配式建筑运输阶段的碳排放量提供了有效工具。