绿色建筑碳排放核算方法及减排路径研究

林明超 李晓娟 卢家婧

福建农林大学交通与土木工程学院

0 引言

在我国，建筑业作为能源消耗量最大的产业之一，其碳排放量占全国总碳排放量的比值超过了50%。2020 年9 月，我国明确提出2030 年前碳达峰与2060年前碳中和目标。2022年4月1日，我国开始实施新的有关于可再生能源的规范，规范中要求新建居住和公共建筑碳排放强度分别在2016年执行的节能设计标准的基础上平均降低40%，碳排放强度平均降低7 kgCO2/（m2·a），这意味着建筑碳排放计算成为硬性要求。为实现从传统现浇建筑向绿色建筑过渡，满足当前建筑业减排战略要求，研究绿色建筑碳排放核算及减排路径迫在眉睫。

我国碳排放核算研究起步较晚，也没有一个统一、规范的数据库。1999 年，台湾地区提出了CO2排放指数和简单的计算方法［1］。近年来，装配式建筑作为建筑业节能减排探索的路径之一，国内越来越多的学者加入装配式建筑碳排放计算的行列。郑晓云等人提出使用预制建筑生命周期评估(LCA)计算预制建筑碳排放，结果表明，注重废物的回收利用率是很重要的［2］。孙艳丽等通过采用层次模糊综合评价法创建了装配式建筑碳排放评价指标系统的体系［3］。高宇构建了预制建筑的生命周期评估模型，结果表明，生产阶段是减少拼装组件排放量的重要阶段［4］。刘燕从国内外绿色建筑评价指标设置入手，分析我国低碳建筑评价体系的合理性与完整性［5］。董雅红等人以高层私人建筑为例，比较了预制与现场施工方法的碳排放［6］。国外对建筑碳排放的研究早于中国，美国、日本等发达国家其装配式建筑所占的比例已经达到80%以上。美国学者特拉梅什对几十起住宅建筑全生命周期能耗展开了研究，研究结果表示，运营阶段的能耗大约占到全生命周期能耗的80%～90%，降低运营阶段的能源消耗是减少碳排放和降低CO2排放的关键一环。综合来看，LCA法以及碳排放系数法在学者们计算装配式建筑的碳排放时应用得最多。在碳排放数据库方面，我国政府也进行了大量的研究，但还处于逐步完善阶段，比如《中国温室气体清单研究》［7］《2012 年中国区域及省级电网平均二氧化碳排放因子》［8］、CECS 374—2014《建筑碳排放计量标准》［9］《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）等。国外在碳排放数据库方面较为完善，如全球碳预算数据库（GCB）、英国石油公司（BP）、美国能源信息署（EIA）等，国外碳排放研究在计算方法上也有许多值得我们借鉴学习的地方。

综上所述，国内对装配式建筑碳排放量计算并没有系统的、全面的数据支撑，国内的碳排放因子的数据库仍处在完善阶段。现有的建筑碳排放核算研究都集中于现浇建筑等，关于装配式建筑的碳排放的研究仍居少数，尤其是其中对于预制率与碳排放量关系的研究。装配式建筑具有集成化、绿色化、高效化的特点，为满足全球环境以及我国宏观政策要求，本文选择了装配式建筑进行绿色建筑碳排放的研究。本文通过对某一绿色建筑碳排放的核算，分析各阶段碳排放的分布占比关系，并分析预制率与碳排放之间的关系，为提出减排路径提供更多思考角度，为优化减排方式提供一定的理论依据。本文的技术路线如图1所示。

图1 建筑路径排放图

1 装配式建筑碳排放核算模型的构建

1.1 碳排放路径以及排放来源分析

建筑碳排放路径如图1所示。

在建材生产以及运输阶段，碳排放主要来自钢筋、混凝土、模板、预埋件等建材的消耗，以及生产设备的碳排放、运输阶段机械的碳排放。在建造拆除阶段，碳排放主要来自建造或拆除现场的能源消耗以及整个过程中的人工碳排放量以及机械碳排放量。在运行阶段，碳排放主要来自水暖电的能源消耗［10］。碳排放源以及其影响因素如表1所示。

表1 碳排放源以及其影响因素

1.2 碳排放因子的选取

碳排放系数又叫做碳排放因子，是指在正常技术经济和管理条件下，生产单位产品所产生的碳排放量的统计平均值［11］。由于在实际中，直接测量计算碳排放因子的方法耗时且不易取得，因此在本文中，碳排放因子的选取主要依据GB/T 51366-2019《建筑碳排放计算标准》《IPCC 国家温室气体清单指南》（后文简称“IPCC指南”）、中国生命周期基础数据库等中国成熟以及权威数据库的碳排放因子，并通过参考各类相关论文，总结整理出可能涉及到的碳排放因子如表2 所示。其中，煤炭等碳排放因子的数据取自中国工程院、国家环境局温室气体控制项目、国家发展和改革委员会能源研究所等国内国家机构对能源碳排放因子测定的平均值，并且根据1 kgC/kg≈3.67 kgCO2/kg，以及表3 所示使用1 kWh 时分别的排放系数，将标准煤换算为CO2的量，从而将碳排放单位统一为CO2的量，以便于后期的计算与比较。

表2 主要碳排放因子表

表3 使用1 kWh的排放系数

1.3 建立碳排放计算模型

1）建材生产及运输阶段碳排放计算

建材生产及运输阶段碳排放主要包括生产阶段和运输阶段的碳排放量的和，其单位建筑面积的碳排放量用公式表示如式（1）所示。

式中，AJC——建材生产及运输阶段单位建筑面积碳排放（kgCO2/m2），ASC——建材生产阶段碳排放（kgCO2），AYS——建材运输阶段碳排放（kgCO2），S——建筑面积（m2）。其中，装配式建筑建材生产阶段的碳排放应按式（2）计算。

式中，ASC——建材生产阶段碳排放（kgCO2），Ki——第i种装配式建筑主要建材消耗（kg），Li——第i种装配式建筑主要建材碳排放因子（kgCO2/kg）。

在装配式建筑的生产阶段，碳排放主要来自主体结构（即梁、板、柱等）和围护结构（门、墙、窗等）预制构件生产而产生的碳排放，在计算时可以结合装配式工程预（决）算清单或者材料购买清单来进行统计，小部分不确定质量或体积并且对整栋建筑而言碳排放量极少的材料,可以忽略不计入总体的碳排放计算。

装配式建筑建材运输阶段的排放应按式（3）计算。

式中，Ki——第i 种装配式建筑主要建材消耗（kg），Di——第i 种建材平均运输距离（km），Yi——第i 种建材所采用的运输方式相对应的运输碳排放因子［kgCO2/(t·km)］。

装配式建筑的材料运输主要包括预制构件以及需要进行现场浇筑构件的原材料运输，具体材料如预拌混凝土、钢筋、模板等。运输过程既包括了场外的水平运输也包括了场内的垂直运输，由于垂直运输的能源消耗不好统计，因此在本文中暂不进行计算。

2）建造拆除阶段碳排放计算

建造拆除阶段的碳排放计算包括了建造施工和拆除阶段碳排放之和。其中，建造施工阶段的碳排放按式（4）进行计算，拆除阶段的碳排放按式（7）进行计算。

式中，BJZ——建筑建造阶段单位建筑面积的碳排放量(kgCO2/m2)，Mi——第i类能源的碳排放因子(kg-CO2/kWh或kgCO2/kg)，Qfx,i——分部分项工程中第i 个项目工程量，ffx,i——分部分项工程中第i 个项目能耗系数(kWh/工程量计量单位)，Qcs,i——措施项目中第i个项目工程量，fcs,i——措施项目中第i个项目能耗系数(kWh/工程量计量单位)。其中，分部分项能耗系数以及措施项目能耗系数计算分别如式（5）和（6）。

式中，Ti,j——第i 个项目单位工程第j 种施工机械台班消耗(台班)，Rj——第i个项目第j种施工机械单位台班能源消耗(kWh/台班)，i——项目序号，j——施工机械序号。

式中，TA-i,j——第i 个措施项目单位工程量第j 种施工机械台班消耗(台班)。

式中，BCC——建筑拆除阶段单位建筑面积碳排放(kgCO2/m2)，Ecc,i——建筑拆除阶段第i 种能源总耗(kWh或kg)。

由于没有拆除部分的人工以及机械清单方面的数据，因此在本文中此部分碳排放计算不进行计算。本文中拆除阶段的碳排放以运输拆除物而产生的碳排放计算为主，计算方法与运输阶段计算方法相同。

3）运行阶段碳排放计算

装配式建筑运行阶段的碳排放计算与其他建筑运行阶段的碳排放计算大同小异，主要包括了暖通空调、用水、照明以及电梯在运行期间的碳排放量。由于本文重点研究的是预制水平与碳排放量的关系，因此运行阶段的碳排放计算不是本文的重点研究方向，只进行粗略计算。运行阶段碳排放计算如式（8）所示。

式中，CYX——运行阶段碳排放（kgCO2），Ei——第i种能源年消耗量（kWh/年），ERi——由可再生能源系统提供的第i类能源量（kWh/年），y——建筑设计寿命（年）。

4）全生命周期碳排放计算

将各阶段碳排放相加，得到装配式建筑全生命周期碳排放计算如式（9）所示。

2 案例分析及比较

2.1 案例A碳排放核算

本文选取的案例A为湖南省株洲市天元区某装配式建筑项目，本文选取其中的公寓楼作为研究对象进行碳排放计算。该公寓楼共有20 层，层高3.2 m，结构体系为框架-剪力墙结构，总建筑面积约为13 019.852 m2。该项目采用预制叠合梁+预制叠合楼板+预制楼梯段的预制方案，预制率为15.10%。其中：一楼采用完全现浇式施工，十七楼至二十楼采用以现浇式为主，装配式为辅的施工方案；二楼至十六楼采用以预制构件为主，现浇结构为辅的施工方案。1 m3预制构件生产阶段消耗材料碳排放情况如表4所示。

表4 1 m3预制构件生产阶段消耗材料碳排放

1）生产阶段碳排放量

案例A的生产阶段的碳排放主要包括预制构件部分与现浇部分组成，通过预制构件分布图纸以及项目决算清单可以大概计算得出预制部分构件工程量（如表5所示）。

表5 预制构件工程量

现浇部分建筑工程量如表6 所示（只计算主要现浇构件体积），现浇部分无生产阶段，则计算其材料碳排放。该项目大致的单位现浇构件材料消耗碳排放量如表7所示。结合表4计算得出生产阶段总碳排放量约为5 553.58 tCO2（如表8所示）。

表6 主要现浇构件体积

表7 1 m3现浇构件消耗材料碳排放

表8 生产阶段总碳排放量

2）运输阶段碳排放量

预制构件单位立方的重量如表9所示，该工程预制部分采用重型柴油汽车（载重18 t）运输，现浇部分构件采用中型柴油汽车（载重8 t），原材料以及预制构件均由同一场地提供，因此二者运距相同，均为100 km，则预制构件总重量为2 234.257 t，现浇部分计算原材料运输产生的碳排放，1 m3原材料的重量如表10 所示，由于钢材、PVC 以及铝合金材料在生产阶段的计量单位为重量，因此不需要再进行转化，表中只列出混凝土与砌块单位立方的重量。

表9 1 m3预制构件的重量

表10 1 m3原材料的重量

计算得出现浇部分原材料重16 386.61 t，计算如表11 所示。结合表1 的运输碳排放因子计算得出预制部分碳排放量为28.82 tCO2，现浇部分材料运输碳排放为293.32 tCO2，则运输阶段总碳排放量为322.14 tCO2。

表11 现浇构件所消耗原材料总重量

3）建造及拆除阶段碳排放量

案例A 现场预制构件安装采用的机械设备为塔式起重机进行吊装，使用能源类型为电能，单位立方的构件消耗的能源统计如表12 所示。分析施工阶段关键线路的碳排放发现主要为施工机械以及人工的碳排放量，因此本文以计算电力消耗的机械碳排放量以及人工消耗量为主，各现浇部位单位立方耗电量如表13 所示，则其总耗电量为12 189.99 kWh，预制构件施工机械碳排放量为6 408.28 kgCO2，现浇施工机械碳排放为107 565.69 kgCO2，总机械碳排放为113.97 tCO2。根据实际的人、材、机汇总表以及施工天数，用工数以200人进行计算，工期以160天计，则人工碳排放为211 520 kgCO2，人工与机械碳排放相加得出建造阶段总碳排放为325.49 tCO2。由于该项目并未拆除，因此不进行拆除的计算。

表12 1 m3预制构件耗电量

表13 1 m3现浇部位施工耗电量

4）运行阶段碳排放量

建筑运行阶段的碳排放量与建筑使用年限有关，该项目设计使用年限为50 年，因此按50 年进行计算。运行阶段的碳排放主要是暖通空调、照明等电器消耗电能所产生的碳排放量，以及每户人家使用生活热水产生的碳排放量。该项目约有居民110 户，平均每户3 人，根据湖南省人均用水定额160 L/d，则一户一年用水量175.2 m3，50年用水量8 760 m3。根据湖南户均用电量为339 kWh［21］，则每户居民月均用电量按339 kWh计算，则一户一年用电量4 068 kWh，50 年用电量203 400 kWh。110户50年用电量为2 237 400 kWh，则用电的碳排放为11 762 011.8 kgCO2。110 户50 年用水量为963 600 m3，则用水的碳排放量为876 876 kgCO2，则运行阶段总计碳排放量约为12 638.89 tCO2。

对各阶段碳排放进行相加，得出案例A 全生命周期碳排放（不包括拆除阶段）为18 840.1 tCO2，单位面积碳排放为1.45 t/m2，结果在合理范围内，物化阶段碳排放量为6 201.21 tCO2。通过分析案例A的碳排放结果，可以发现预制率为15.1%时，装配式建筑的碳排放主要集中在生产以及运行阶段，其中生产阶段占比29.47%，运行阶段占比67.09%，施工阶段与运输阶段碳排放占比相加在3.44%左右（图2 所示）。只考虑物化阶段时，生产阶段碳排放占比达89.56%，运输阶段占5.19%，施工阶段占5.25%（图3所示）。

图2 装配式建筑各阶段碳排放量占比

图3 物化阶段各阶段碳排放占比

2.2 案例B碳排放核算

以案例A 为原型，为探究预制水平与碳排放量之间的关系，故构建案例B 与案例C 并分别计算其碳排放量，案例B 和案例C 与案例A 相比只有预制水平发生了改变，采用材料情况不变，建筑体积不改变，案例B 与C 的建筑面积均为13 019.852 m2。案例B 采用预制楼梯+预制叠合板+预制叠合梁+预制剪力墙的预制方案，预制率为62.35%，根据2.1 以及2.2 的基础数据进行案例B 各阶段碳排放的计算。由于运行阶段的碳排放主要与用户对设备的选择有关，因此案例B 只进行物化阶段碳排放的计算。

生产阶段、运输阶段、施工阶段机械碳排放计算过程分别如表14、15、16 所示。由于增加了预制构件的工程量，使得塔吊机械工作增加，工期相对缩短，用工数相对减少。且由外国学者的研究结果［22］，20层装配式住宅建筑每升高10%的预制率，用工量减少5.29%左右，工期缩短2.65%，因此案例B 施工阶段人工数以150 人计，工期以140 天计。则施工阶段人工碳排放为138 810 kgCO2。由表可知，生产阶段碳排放为5 346.50 tCO2，运输阶段碳排放为405.44 tCO2，施工阶段机械碳排放为49.29 tCO2，则案例B 物化阶段总碳排放量为5 801.23 tCO2。

表14 案例B生产阶段碳排放计算

表15 案例B运输阶段碳排放计算

2.3 案例C碳排放核算

在案例B 的基础上，案例C 再增加预制构件的比例，案例C 的预制方案为预制叠合板+预制叠合梁+预制剪力墙+预制填充墙+预制楼梯，预制率为72.88%，建筑面积与案例A 和B 相同，均为13 019.852 m2。生产阶段、运输阶段、施工阶段机械碳排放计算过程分别如表17、18、19所示。案例C施工阶段人工数以140人计，工期以136天计，用工量以及工期计算方法同案例B，则人工碳排放量为125 854.4 kgCO2。由表可知，生产阶段碳排放为5 496.33 tCO2，运输阶段碳排放为222.01 tCO2，施工阶段碳排放为46.50 tCO2，案例C 总碳排放量为5 764.84 tCO2。

表17 案例C生产阶段碳排放计算

表18 案例C运输阶段碳排放计算

表19 案例C施工阶段机械碳排放计算

2.4 不同案例比较分析

由以上对案例A，B，C物化阶段的碳排放计算，绘制表20进行比较分析。

表20 案例A、B、C各阶段碳排放量对比

由表20 可知，当预制水平越高时，物化阶段碳总排放量越低，预制水平提高得越多，物化阶段碳排放量降低越多。细化到每个阶段的对比时可以发现，生产阶段的碳排放量随着预制水平的升高呈现先减少后增加的情况，因此推断在生产阶段，预制率会存在一个临界值，当超过这个临界值时，碳排放量会随着预制水平的提高不降反升，这是由于建筑材料减排而预制构件“增排”引起的。生产阶段碳排放量以及预制率的组合如图4 所示。

图4 案例A、B、C建材生产阶段碳排放量及预制率

在运输阶段，随着预制率的升高，碳排放量呈现先上升后下降的情况，这是由于预制率越高，预制构件所占整个建筑的比例越高，构件运输的碳排放量增加多于所减少的原材料运输碳排放，并且构件与材料的运输受运输的材料影响，运输预制剪力墙会导致碳排放量增加，运输预制填充墙则会起到减排的效果。运输阶段碳排放量以及预制率的组合如图5所示。

图5 案例A、B、C建材运输阶段碳排放量及预制率

施工阶段的碳排放量与预制率关系较为明显，大体成线性关系。随着预制水平的提高，施工阶段碳排放量逐渐减少，并且通过分析具体的人工以及机械碳排放可以发现，施工阶段碳排放的减少主要是由于用工量节约引起的。施工阶段碳排放与预制率组合如图6所示。

图6 案例A、B、C施工阶段碳排放量及预制率

3 装配式建筑减排路径

在生产阶段，通过碳排放计算的过程发现，其排放源主要是钢材以及混凝土消耗而产生的碳排放，其中预制剪力墙以及叠合梁的碳排放最大。因此装配式建筑在选择预制方案时，可以适当降低预制剪力墙以及叠合梁的使用，或者降低其对钢材以及混凝土的用量，这样可以在生产阶段起到一定的减碳效果。同时，由于铝材的碳排放系数较大，因此在生产的时候可以尽量控制铝材的用量，提高建材回收效率［19］，可以达到良好的减碳效果。此外，由于叠合板以及预制内墙在生产阶段的碳排放量最小，所以在预制方案中可以尽可能多地使用它们，整体降低生产阶段的碳排放量。

在运输阶段，对大型的预制构件如预制剪力墙等，应选择合适的运输器具并进行合理安放。在运输时，合理安排运输班次，做好与现场进度的衔接，尽量缩短运输距离，沟通选择好距离施工现场最近的厂家进行生产运输，降低构件因路程较远颠簸而出现破损的可能性，同时也能达到减少碳排放量的效果。

在施工阶段，推行绿色施工，优先采用小型节能机械，通过使用低碳施工机械来达到节约用电和水等的目的。在施工现场，为避免扬尘，以及噪声骚扰到周边居民，可采用封闭施工的方式进行。采用装配式建筑，在施工阶段对比传统建筑，碳排放已经大大降低，但绿色施工方面还有一定的减排潜力。

在运行阶段，作为全生命周期碳排放量最大的阶段，实现碳减排的空间很大。首先，可以采取推行节能的暖通空调以及照明设备。其次，可以在居民用电意识方面作出努力，培养全民节约用电的良好意识，在不使用时及时地关闭电源，促成全民低碳环保的良好习惯。最后，可以引进BIM技术进行精确的物联网建筑设备管理，减少能源浪费，也能达到减排的效果。

4 结论

本文通过建立装配式建筑全生命周期的碳排放量计算模型，利用碳排放系数法，计算了建材生产、运输、施工以及运行不同阶段的碳排放量，并以湖南省某项目为例进行了除拆除阶段的全生命周期的建筑碳排放量计算。由计算数据可知，该建筑全生命周期单位面积碳排放量指标为1.45 t/m2。总结案例分析的结果可以得出以下两点结论：

1）运行期间建筑的碳排放量占比最高，为67.09%，其次为建材生产阶段。因此，使建筑的生命周期碳排放减少，最好的方法是在运行阶段采用具备优越性能的节能灯和空调设备，将智能控制和智能管理结合起来，控制运行阶段的碳排放量，同时完善运营管理，减少建筑运营所需的能源消耗来达到最佳减排效果。

2）由于使用预制构件增多导致建筑材料减排以及建筑材料“增排”，因此要想使物化阶段碳排放达到最低，预制水平应有一个临界值，在临界值以下的范围内增加预制率才能达到减排效果。虽然施工阶段的碳排放量是随着预制率的增加而减少的，但施工阶段的碳排放量只占物化阶段的2%至5%左右，对物化阶段碳排放量的影响相较生产阶段微不足道，因此物化阶段的减排重点仍是在于生产阶段。