装配式建筑运行与拆除阶段碳足迹测算分析——以新疆昌吉绿色装配式农房为例

刘思峥

（河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000）

0 引言

建筑碳足迹测算得到国内外学者和技术工作者的广泛关注。Su-Hyun等[1]将传统建筑与低碳建筑进行碳足迹比较分析；孟凡鑫等[2]基于全寿命周期视角，构建了完整的城市碳足迹核算框架及方法学模型，并以深圳市为例进行实证研究；Liu和Gu等[3]基于过程法对预制构件制造过程进行碳排放评估，并以预制混凝土内墙板为例，进行碳源识别与量化研究；Li和Lai等[4]将BIM技术与碳排放系数法相结合，构建装配式混凝土（PC）建筑物化阶段碳足迹测算模型。这些基于全寿命周期理论及碳排放系数法对建筑碳足迹开展测算的工作成果已得到广泛的认可。而毛超、赵领娣、崔鹏等学者采用数据库技术、DnAR-N维增强现实模型、CPS系统、样本燃烧实验等方法[5-7]对能源及建筑材料碳排放因子进行的测算，为本文测算装配式建筑运行与拆除阶段碳足迹提供了科学的方法和丰富的数据。

1 系统边界设定

装配式建筑运行与拆除阶段都存在碳足迹，为了提高研究结果的可靠度，须对两个阶段的研究边界进行设定。

（1）运行阶段：运行期内维持采暖、制冷、通风、照明等各项功能正常运转以及必要的设备维护、修理、替换等所消耗能源产生的碳排放。

（2）拆除回收阶段：达到设计使用年限后，建筑物拆除过程中人力、机械、车辆等消耗能源产生的碳排放以及建筑垃圾填埋处置过程中能源消耗产生的碳排放和资源化处理过程中再生产品产生的碳抵消。

（3）系统边界设定结果：绿色装配式农房系统边界具体如图1所示，本文将依据装配式农房项目各阶段碳排放计量结果累计计算其全寿命周期碳排放总量。

图1 绿色装配式农房系统边界

2 测算模型的构建

2.1 运行使用阶段

在建筑全寿命周期中，运行阶段持续时间最长，碳排放来源众多，包含农房投入使用后日常照明、采暖、制冷、燃气等多种设备运行所消耗的化石能源及二次能源。该项目处于交付运营初期，各项设备系统运行情况良好，在对项目各个设备系统消耗进行监测的基础上，采用DeST-H能耗模拟软件进行建筑节能参数修订，并对环境气候条件等进行设置，通过能耗模拟分析，计算农房运行阶段各类能耗负荷统计数据。该农房项目的运行使用阶段碳足迹测算公式表示为：

式中：C2——装配式绿色农房运行使用阶段碳排放量，kgCO2eq；

Qv——农房运行阶段第v种能源年消耗量，kWh；

Fv——第v种能源的碳排放因子，kgCO2eq/kWh，

Y——农房使用年限，a。

2.2 拆除回收阶段

当前，我国装配式农房尚处于推广阶段，可参考的回收案例以及对案例的研究均较少，拆除处置过程中碳排放和能源消耗数据较为匮乏。基于对日本AIJ-LCA及我国已有相关文献研究[9-11]，以物化阶段碳排放总量的10%作为拆除施工过程中机械、人力等消耗产生的碳排放总量；项目拆除后产生的建筑废弃物，无法回收使用的部分将转运至当地指定建筑垃圾处理地点进行填埋等方式处理；可进行资源化处理的部分建筑废弃物，在固废回收生产再生产品过程中产生的温室气体，将在本阶段进行碳抵消。该农房项目的拆除回收阶段碳足迹测算公式为：

式中：C3——装配式绿色农房拆除回收阶段碳排放量，kgCO2eq；

C1——装配式绿色农房物化阶段碳排放量，kgCO2eq；

Mt——运输建筑废弃物车辆每百公里燃料能源消耗量，kg；

Lt——建材废弃物运输距离，km；

Fk——第k种能源碳排放因子，kgCO2eq/kg；

Qt——不可回收建材用量，t；

Ft——不可回收建材填埋的碳排放因子，kgCO2eq/t；

Qw——可回收建材用量，t；

φw——建材可回收系数；

Fr——可回收建材再生产过程碳排放因子，kgCO2eq/t。

3 案例项目碳足迹计算分析

3.1 运行阶段碳足迹计算

昌吉州装配式农房项目设计使用年限为50年，年限到期后经相关部门鉴定无质量安全问题，仍可居住使用。对于地广人稀的西北农牧地区而言，市政热水管网系统和天然气管道系统难以全面覆盖，不具备普适性。因此本研究重点从电能、生活用水两方面对装配式绿色农房项目运行阶段进行负荷分析，经实地能耗监测，根据昌吉州政府部门规定，该州空调制冷期为当年7月1日至9月1日，供暖期为当年10月10日至次年4月10日。参照《新疆维吾尔自治区民用建筑供热节能办法》和《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824-2013），将农房夏季室内温度设置为26℃，冬季设置为20℃。农房运行特征如表1所示。

表1 农房运行特征

依据项目各层平面布置图，根据不同功能区域的划分进行人员、照明、设备、热扰作息等参数设置，构建DeSTH能耗分析模型，如图2所示。

图2 DeST-H建筑模型图

住宅建筑中居民生活用水是水资源消耗的主要来源。对于农村住宅而言，生活用水主要用于维持日常生活需求以及畜牧养殖等。考虑到我国中西部地区相较于东部沿海地区普遍存在干旱缺水的自然现象，经统计该农房每月人均用水量为4.8m3，家庭成员设定为5人，因此农房全年平均用水量约为288m3；对农房电能消耗系统的分析包含空调系统、照明系统、给排水系统、采暖通风系统。该农房运行阶段能源消耗碳足迹测算如表2所示。

表2 运行阶段能源消耗碳排放量

3.2 拆除回收阶段碳足迹计算

依据绿色装配式农房项目物化阶段所使用的建材种类、数量及昌吉州当地对建筑垃圾的处置方法，仅针对项目钢材进行回收处理，钢材的建筑回收系数设定为0.4；其余不可回收建材运送至当地指定建筑垃圾处理厂进行科学填埋处理，根据现场记录显示，项目所在地至建筑垃圾处理厂平均运输距离为86km，全程采用轻型柴油货车（载重2t）。该农房拆除回收阶段碳足迹测算见表3。

表3 拆除回收阶段碳排放量计算表

4 测算结果与讨论

由项目运行和拆除两个阶段碳排放测算结果可知，运行使用阶段碳足迹总量为704.61tco2eq，占总量的54.63%；拆除回收阶段碳足迹总量为54.09 tco2eq，占总量的4.20%。按照设计年限为50年计算，该项目年均单位面积碳足迹总量为0.139tco2eq/m2。约为传统农房全寿命周期碳足迹总量的24%[8]，考虑建筑材料相似性，较传统混凝土住宅单位面积年均碳足迹对比如图3所示。

图3 不同建筑结构碳足迹对比图

通过对比分析，结合案例项目全寿命周期各阶段的碳足迹测算可知：

（1）项目运行使用阶段碳排放总量为704.61 tco2eq。经分析，该农房在运行期间空调的采暖通风系统是最主要的碳排放源，碳排放量为210.83 tco2eq，围护结构的绿色节能设计仍是当前碳控减排的重点，照明系统是仅次于采暖通风系统的碳排放源，碳排放量为189.97 tco2eq，合理设计窗墙比以及使用节能灯具，可有效减少能源消耗，降低建筑运行碳排放。

（2）项目拆除回收阶段碳排放量占比仅为54.09 tco2eq，其主要原因是项目拆除处置过程中存在回收利用价值的钢材进行资源化处理。因此，拆除回收阶段应充分考虑构件、钢材等建材的回收利用，科学设计拆除方案及回收方式。

5 结束语

本文对新疆昌吉绿色装配式农房运行阶段、拆除回收阶段的碳排放足迹进行测算，结果显示：该绿色装配式农房单位面积年均碳足迹总量为0.139tco2eq/m2，约为传统农房全寿命周期碳足迹总量的24%，碳排减量显著；运行使用阶段碳足迹排放量最大，绿色节能设计及建造方式对建筑物碳排总量影响显著；拆除回收阶段碳足迹占排放总量的比例较小，建筑垃圾资源化利用产生的“碳抵消”效果明显，产业链闭环发展是建筑业碳控减排的有效手段。该研究结论对我国西部地区村镇住房建造方式改革具有重要的现实意义，也为建筑企业响应“双碳”目标提供了可靠的案例分析与数据依据。