整体装配式混凝土住宅建筑全生命期碳排放研究

钟春玲 蔡笑天

（吉林建筑大学，吉林 长春 130000）

据相关研究认为，国内建筑行业的能耗以及碳排放量两项统计指标，分别在全国能耗总量与排放总量中占比约27%和40%，与发达国家相比，单位面积能耗接近前者的2.2倍，已有建筑中高能耗结构占比高于95%，新建结构中超过八成属于高能耗，故而，研究建筑行业的能耗与碳排放问题是现阶段的重要课题。对于汽车等工业产品而言，想要突破实现20%左右的节能效果，还有很大的技术难关需要攻克，而对于建筑体的节能控制，尚且容易达到50%以上的节能效果，而且与其他的工业产品相比，建筑拥有更长的使用寿命，因此研究建筑的节能减排意义深远。当下，建筑业的长远健康发展，必须要同步关注建设规模、质量以及节能降耗等问题。整体装配式混凝土住宅建筑结构，一般是先行预制建筑体的整体构件，经运输、装配后完成实体建设，从而完成了传统建筑业的升级改造，对建筑资源配置大有裨益。通过对整体装配式混凝土住宅全生命周期碳排放的研究，积极探索降低预制整体装配式混凝土住宅建筑碳排放的路径，可进一步推动建筑业的健康可持续发展。

1 整体装配式混凝土住宅建筑

整体装配式混凝土建筑结构，是基于现浇结构与装配式结构而发展的新结构样式，主要是要求利用工厂预制部分建筑构件，运输至施工现场，并在现场进行其他部分的浇筑，从而将各部分进行安装连接，以打造整体结构。该结构可体现更加灵活的施工技术与工艺，操作便捷，体现工期短、造价低、施工垃圾少、施工质量高等特点。因此，整体装配式混凝土建筑，是更为理想的绿色节能工业化生产工程结构。整体装配式住宅建筑的结构体系可归为三类，包括预制混凝土结构、木结构、轻型钢结构。其中，依靠预制混凝土结构优势而建成的整体装配式混凝土住宅建筑，能够突出发挥混凝土的抗压性能与钢筋的抗拉性能，拥有极高可塑性。

2 建筑全生命周期碳排放的相关概念

2.1 建筑的全生命周期

现阶段，国内外学者对建筑全生命周期的研究已形成大量成果，大家对于概念的界定以及具体的阶段划分各有所见。如Bribian等认为住宅建筑的生命周期应包括生产、建设、应用、结束四个阶段，而且还可直接将生命周期按照建筑系统和应用系统进行拆分，以方便研究。Deepak所构建的建筑综合评价体系中，涵盖了建筑能效模拟、主成分应用以及生命周期评价等内容，其中，认为生命周期可按五个部分进行划分，即材料生产、工程建设、材料更新、核心设备运转、建筑终结等。国内的陈国谦等[3]对建筑全生命周期的研究中，认为可细致分解全生命周期为施工、装修、室外建设、运输、运转、垃圾处置、物业管理、拆除、废物处理九大阶段，强调各阶段均会出现碳排放，并将计量碳排放的方法详列于其专著《建筑碳排放系统计量方法》中。于萍等[4]认为，建筑全生命周期主要包括五个时期，从材料生产开始，经过建设、应用、维护，最后到建筑废物处理阶段而终止全生命期。刘念雄等认为，针对住宅建筑全生命周期，应按照耗材准备、主体施工、应用维护、实体拆除等四个阶段来划分。

因此，全生命周期主要是围绕一个产品、一类工艺或一项活动的从生到无的过程而言，包括原料采集、加工、生产，产品制造、配送，产品应用、复用、维护，终结以及废物处理等环节。本文确定的建筑全生命周期，主要涵盖建筑耗材产出、工厂化构件制造、构件运输、装配连接、运营维护、拆解回收等阶段。

2.2 建筑碳排放的全生命周期评价

全生命周期评价是围绕产品、工艺或活动的整个生命周期各阶段所形成的环境负荷所进行的评估过程。一般会积极识别把握不同阶段的能量消耗与物质释放，并量化衡量相关消耗或释放的影响环境的程度，以期寻求抑制影响的方案。

建筑碳排放的全生命周期评价步骤如图1所示。

图1 建筑碳排放的全生命周期评价步骤

由图1可知，建筑碳排放的全生命周期评价主要有四个步骤，其中，确定建筑体对象与建设施工范围，是具有关键意义的基础准备环节，该环节需要明确实施全生命周期评价的目的，重点确定拟评价的具体对象与客观范围，辨识功能单元与系统界限，对所需要的数据源与数据内容等进行规范，提升量化评价所需要的数据质量，并为后期的评价复核工作制定更有效的制度方案。

在收集数据并分析清单的环节，对于数据的调查和收集要体现全面性和系统性。由于清单分析所使用的方法可能不同，因此也就会导致建筑碳排放的全生命周期评价所用方法存在差异性，可以重点关注施工建设过程来实施全生命周期评价，可以收集与经济投入产出相关数据来实施评价，还可以综合各类数据形成混合型的生命周期评价思路。

确定量化计算模型，是确保整个评价工作是否达到预期效果的重要保障，模型算法要有较强的逻辑，而且还能够积极对定量化或半定量的指标建立更有价值的参数，从而保障模型的普适性。

研析评价环境影响程度的环节，要认真总结清单分析环节的相关结果，积极掌握通过评价系统解析或过程梳理而存在的不同参数，合理转化为可以定量操作的指标，对指标参数的完整性与合理性进行控制，从而有效评价对环境所产生的不同程度的影响效果。

3 整体装配式混凝土住宅建筑全生命周期碳排放计算方法

目前看，有关建筑体的碳排放所使用的计算方法包括但不限于碳排放系数法、生产线直接能耗法、质量平衡法等。碳排放系数法的通用思路就是紧密遵循公式“碳排放量=Σ活动数据×排放系数”。公式中的活动数据表示的是与建筑体相关的建设耗材以及能源的应用数据，排放系数也被称为排放因子，代表在单位产品的生产制造过程中，单元能源的消耗过程所向外释放的CO2总量。与其他的计算度量方法相比，碳排放系数法体现出操作便捷、可信度高、数据量少、适用性强等特点，因此属于当前衡量评价碳排放量的主流方法。

对于整体装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数法来完成计算，可将全生命周期的碳排放计算表达式整理为如式（1）：

式中C-整体装配式混凝土住宅建筑全生命周期的碳排放总量；

C1-整体装配式混凝土住宅建筑在建筑耗材产出阶段的碳排放量；

C2-整体装配式混凝土住宅建筑在工厂化构件制造阶段的碳排放量；

C3-整体装配式混凝土住宅建筑在建材构件运输阶段的碳排放量；

C4-整体装配式混凝土住宅建筑在装配连接阶段的碳排放量；

C5-整体装配式混凝土住宅建筑在运营维护阶段的碳排放量；

C6-整体装配式混凝土住宅建筑在拆解回收阶段的碳排放量。

3.1 建筑耗材产出阶段

该阶段主要内容涉及建筑施工所需要的原材料的开发、采集、运输以及建筑耗材在加工工厂的生产制造。可见，原料的开发采集以及运输、耗材在工厂生产加工所出现的化学反应、生产作业所消耗的能源，都会产生CO2排放，按照碳排放系数法，其碳排放的计算公式如式（2）：

式中M i-建筑体施工所需要的第i类建筑材料的实际用量；

FM,i-建筑体施工所消耗的第i类建筑耗材生产的碳排放系数。

3.2 工厂化构件制造阶段

该阶段主要内容涉及整体装配式混凝土住宅建筑的部分构件的生产制造。与其他建筑体的施工相比较，工厂化构件制造阶段属于整体装配式混凝土建筑的特有阶段。可见，该阶段部分建筑构件的生产制造所消耗的电能或各类燃料，会向外部环境进行碳排放。按照碳排放系数法，其碳排放计算公式如式（3）：

式中Ej-构件制造过程中的第j类能源的实际用量；

FE,j-构件制造过程中的第j类能源消耗的碳排放系数。

3.3 建材构件运输阶段

该阶段主要内容涉及通过车辆运输将建筑耗材以及部分建筑构件运至施工现场。可见，该阶段的车辆等运输工具对油品等燃料能源的消耗，是碳排放的主要来源。按照碳排放系数法，计算公式如式（4）：

式中Gi-建筑体施工所需第i类建筑耗材的实际总量；

Di-建筑体施工所需第i类建筑耗材以及构件从产地至施工地的运输里程；

FT,i-建筑体施工所需第i类建筑耗材以及对应运输手段的碳排放系数。

3.4 装配连接阶段

该阶段主要内容涉及运至施工现场的建筑耗材以及部分建筑构件被应用后基本建成建筑体的过程。可见，该阶段的碳排放来源主要是各类施工所用设施设备在运行所外排的CO2，以及现场参与作业人员的生活起居所外排的CO2。按照碳排放系数法，计算公式如式（5）：

式中Xp-施工作业过程中所使用的第p类机械设备的实际总量；

FX,p-施工作业过程中所使用的第p类机械设备的碳排放系数；

Qq-施工作业过程中施工人员生活起居所消耗第p类能源或物质的实际总量；

FQ,q-施工作业过程中施工人员生活起居所消耗第p类能源或物资的系数。

3.5 运营维护阶段

该阶段主要内容涉及整体装配式混凝土住宅建筑的使用与维护。在运营使用阶段的碳排放来源，就是包括但不限于水、电、气等不同能源以及物资资源的实际消耗；而在维护阶段的碳排放来源则主要包括建筑体经历维修或翻新的过程所形成的建筑耗材的实际消耗。按照碳排放系数法，计算公式如式（6）：

式中Q r-建筑体运营使用中对第r类能源与物资资源的年均用量；

F Q,r-建筑体运营使用中第r类能源与资源的碳排放系数；

Y-整体装配式混凝土住宅建筑运营使用寿命；

Rs-建筑体运营使用中第s类执行更换计划的建筑耗材的用量；

Ns-建筑体运营使用中第s类建筑耗材的计划更换更换次数；

FM,s-执行更换计划的第s类建筑耗材的生产的碳排放系数。

3.6 拆解回收阶段

该阶段主要内容涉及整体装配式混凝土住宅建筑的拆除与所用建筑耗材的回收复用。其中，建筑体被逐步拆解中，发挥拆除作用的各种机械设备以及负责外运建筑垃圾的车辆在运行中所排CO2是主要的碳排放来源。值得一提的是，整体装配式混凝土建筑，由于是通过构件装配而成，因此体现一定的模块化特性，而得到回收的部分构件，还是可以继续在下一个装配建筑结构中循环使用的。因此，装配式混凝土建筑在拆解回收阶段，还要积极关注到建筑耗材回收中存在的负碳排放的事实。实际计算中，拆解阶段的机械设备的运行与废物运输所消耗的能源，可结合能源缴费清单确定，当然还可以按照建筑体拆除方案，选择施工装配连接阶段的公式完成计算。

4 整体装配式混凝土住宅建筑全生命周期碳排放控制后的现实效益

4.1 可有效降低资源消耗

随着整体装配式混凝土住宅建筑全生命周期碳排放量计算评价工作的开展，建筑施工可积极依据评价结果形成更好的材料节约效益。一是，整体装配式混凝土住宅建筑主要使用钢制模板，因而大大降低对木制模板的使用，合理节省木材消耗；二是，装配式建筑的外墙在预制过程中可直接将混凝土覆于保温层以及隔热层上，这样就会省去传统施工中对外墙保温层以及砂浆材料的使用，还对预制件的保温层等增加了保护，延长了使用寿命；三是，装配式混凝土建筑在构件预制阶段往往采用水体或水蒸气进行养护，这样较之传统的混凝土养护会省出很多养护用水量；四是，整体装配式混凝土建筑还能够持续对施工现场的劳动力消耗进行控制，构件的预制已于工厂完工，因而在施工现场将降低用工需求，工期也会相应缩减，从而降低了生活物资的消耗。

4.2 可有效抑制能源消耗

整体装配式混凝土建筑的碳排放积极被识别评价后，尽可能降低建筑全生命周期各阶段的碳排放来源，能一定程度上降低能源消耗。如在装配连接施工阶段，使用塔吊等机械设备进行作业，这与其他机械工具的使用相比，碳减排效益是显著的。在运营使用阶段，由于混凝土建筑的外墙构件在预制过程中已将保温层埋于混凝土中，因而可以延缓隔热层老化，这样可降低整体建筑的热工性能衰减程度，从而有效增强能效。此外，整体装配式混凝土住宅建筑可积极设计搭配太阳能技术工艺，增大太阳能的应用，减少建筑体的碳减排。

4.3 可有效控制建筑垃圾

整体装配式混凝土住宅建筑所产生垃圾废物，往往较之同等规模的现浇混凝土建筑要少，因而从碳减排目标来看，整体装配式混凝土住宅建筑可有效控制建筑垃圾的产生，是切断碳排放来源的积极手段。而从碳减排的角度来看装配式混凝土住宅建筑垃圾减少的效益可知，首先，该类型建筑的构件可循环复用，其次，由于部分构件均在工厂完成标准化预制，因此会大大控制原材料的消耗，保障更高的质量，也就会在后期的拆解回收阶段降低建筑垃圾废物的产生。

5 结语

如今，建筑行业对绿色发展理念的执行落实变得越来越严谨，积极致力于在碳排放方面做出努力，实现更大的碳减排目标。整体装配式混凝土住宅建筑全生命周期的碳排放，可通过建筑耗材产出、工厂化构件制造、构件运输、装配连接、运营维护、拆解回收等阶段的碳排放计算公式来进行分析评价，在掌握全生命周期的碳排放量化情况后，积极采取对应措施，才能不断地降低碳排放量，形成有效降低资源消耗、能源消耗、建筑垃圾等现实效益，为实现真正的绿色发展提供助力。