裝配式住宅生命周期碳排放評價分析

柯步敏 裘 泳 余偉城 徐亦冬 楊汶雨

1. 浙江省一建建設集團有限公司 浙江 杭州 310013；

2. 浙江省二建建設集團有限公司 浙江 寧波 315202；

3. 浙大寧波理工學院 浙江 寧波 315100

目前國內建筑大多采用現澆方式建造，這是一種半機械化半手工作業的方式。建筑業對于工人的需求量非常大，而目前中國正逐步向老齡化社會轉變，人口紅利正逐漸消失。這對建筑業發展有很大的制約[1]，工地缺少適齡工人的問題日益明顯。因此發展裝配式住宅，減少勞動力需求，實現建筑工業化是建筑業發展方向之一。國務院出臺相關政策鼓勵各地積極推進裝配式建筑，并要求到2025年左右全國裝配式建筑占新建建筑面積的30%以上。隨著裝配式建筑三大標準的實施，裝配式建筑發展有了技術和制度保障。

現澆住宅經過多年的發展，已經形成比較完善的碳排放計算框架。裝配式住宅雖與現澆住宅存在差異，但兩者存在較多共同點。

分析裝配式住宅生命周期碳排放，首先需要學習現有現澆住宅的碳排放計算方法，在此基礎上結合裝配式住宅本身特點，劃分裝配式住宅的生命周期。其次需要建立裝配式住宅的碳排放路徑，這對于計算碳排放的準確性至關重要。獲取碳排放路徑相關數據，并結合權威機構所給系數進行計算是量化的重要過程。將裝配式住宅與現澆住宅的碳排放量進行比較，即可分析裝配式住宅能否減少碳排放。

1 裝配式住宅碳排放測算

1.1 碳排放因子

1.1.1 建材的碳排放因子

裝配式住宅的碳排放來源和現澆住宅相同，均來源于2個方面：建材碳排放、能源消耗碳排放。部分建材的碳排放因子可參見文獻[2]。

1.1.2 能源的碳排放因子

目前消耗能源主要有化石能源、電力資源。其中化石能源包括煤、石油、天然氣等，電力的碳排放是在產生電力階段，而非使用階段，當前發電方式主要有火力、水力、風力、核力等。全國部分省市的電力碳排放因子可參見文獻[3]。

1.2 各個階段碳排放量測算

1.2.1 建造階段碳排放量測算

裝配式建筑因其建造過程如同搭接積木，將預制的構件、組件、模塊在現場進行組裝而得名。建造階段可細分為工廠生產階段、預制件運輸階段、現場組裝階段。

該階段的碳排放計算如式（1）所示：

式中：P——建造階段碳排放量；

P1——工廠生產階段碳排放；

P2——運輸產生碳排放；

P3——施工現場碳排放。

1.2.2 使用階段碳排放量測算

不同類型建筑的單位面積碳排放量不同，公共建筑的碳排放主要來自電力使用，而在民用建筑的碳排放中，化石能源的燃燒所占比例較高。使用階段的碳排放量還與該階段的持續時間有關，建筑的使用年限一般在35～100 a不等，本文的年限取值為50 a。

使用階段的碳排放計算如式（2）所示：

式中：E——使用階段碳排放；

E1——建筑面積；

E2——使用階段單位面積的能源消耗量；

a——某種能源碳排放因子。

1.2.3 維護階段碳排放量測算

建筑在使用一定時間后，某些老舊部位需要維護更新。在此過程中，需要運入新建筑材料并進行施工，即意味著碳排放的產生，該階段可以看成是小型的建造階段。

維護階段的碳排放計算如式（3）所示：

式中：C——維護階段的碳排放；

C1——單位面積碳排放；

C2——建筑面積。

1.2.4 拆除階段碳排放量測算

拆除階段的碳排放可分為兩部分：拆除過程的機械碳排放、處理建筑垃圾產生的碳排放。在裝配式住宅設計之初，一般已考慮到裝配要求，故建筑拆除過程產生的垃圾量相對更少。

拆除階段的碳排放計算如式（4）所示：

式中：B——拆除階段的碳排放；

B1——現場拆除機械使用碳排放；

B2——處理建筑垃圾帶來的碳排放。

2 裝配式住宅碳排放分析

2.1 建造階段對比分析

裝配式住宅的建造階段包含3個過程：工廠制造、運輸、現場組裝。計算建造階段裝配式住宅的碳排放，需要考慮3個過程的碳排放量。本文以上海某項目為案例進行分析，其總建筑面積為14 015.34 m2，預制率36.8%[4]。

2.1.1 工廠生產階段

工廠生產過程的消耗主要為電力資源，電力資源在使用過程中不產生碳排放，而在產生電力資源的過程中有碳排放，故只需獲取生產階段消耗的電力情況，分析該過程的碳排放，結合相關參數即可計算該階段的碳排放。經計算，該項目在工廠階段共耗電24 063.6 kW·h。

2.1.2 運輸階段

運輸產生的碳排放與運輸方式、質量、距離有關。當2種建造類型的建筑面積相同、運輸的總質量相同，且運輸方式以公路為主時，運輸距離將成為影響該階段2種建造類型碳排放的主要因素。運輸時間比運輸距離更能體現碳排放量，對于2條距離相同的路段，會因擁堵情況不同而產生不同的碳排放，故本文采用運輸時間計算運輸階段的碳排放情況。現澆住宅的運輸材料主要為預拌混凝土，其運輸時間一般在1 h內；而裝配式住宅的主要運輸材料為預制構件，運輸時間通常也在1 h左右。因此，兩者的運輸時間差距不大，從而可以判斷兩者在本階段的碳排放量基本相同。

2.1.3 現場施工階段

在施工現場，機械設備較現澆結構的使用次數減少，因此可大幅度減少碳排放。振搗器額定功率3.0 kW，使用數量可減少6個；電焊機額定功率20.5 kW，可以減少2臺；塔吊使用時間減少1個月。由于裝配式建筑的現場施工量減少，故所需人工的減少也可帶來生活用電的大幅減少。對于整個施工階段，裝配式住宅相較現澆住宅可節約用電97 770.06 kW·h。

現場施工階段節約的97 770.06 kW·h減去工廠生產階段消耗的24 063.6 kW·h，即為在整個建造階段節約的用電量。現澆混凝土量的降低可減少模板和腳手架的使用，可帶來146.1 t鋼材的節約量。

將上述數據代入式（1）進行計算，得到建造階段節約資源、能源帶來的碳排放減少量。其中，電力使用減少量73 706.46 kW·h，相應碳排放減少量58.478 t（以二氧化碳計）；鋼材使用減少量146.1 t，相應碳排放減少量201.910 2 t（以二氧化碳計）。

2.2 使用階段碳排放分析

在建筑的全生命周期中，使用階段的持續時間最長，其間的碳排放量占比最大。該階段產生的碳排放可分為2類：一是直接碳排放，即建筑物內各類設備的使用消耗而產生的碳排放，如天然氣燃燒將造成碳排放；二是間接碳排放，即電力在使用過程中不產生碳排放，但火力發電過程將會帶來大量碳排放，因此被稱為間接碳排放。當裝配式住宅和現澆住宅的用途、地點相同時，單位面積消耗的能源基本一致，產生的碳排放量基本相同，因此本文使用現澆建筑的數據進行估算。

使用階段的碳排放量與建筑的使用年限存在關聯，本文以50 a作為計算年限。不同地區使用階段的住宅能源消耗情況如表1所示[5]。

表1 不同地區民用建筑單位面積能耗（單位：kW·h·m－2·a－1）

利用上表的東部地區居住建筑數據及式（2）計算使用階段的碳排放量，得到該階段的碳排放量為21 683.553 t。

2.3 維護階段碳排放分析

維護過程可看作建筑某些部位的重新建造，維護階段的碳排放量與建筑的使用年限、面積有關。維護階段需要更新維修的部位大多為建筑表面，建筑的主體結構一般不存在大修大補情況，因此裝配式住宅、現澆住宅在維護階段的碳排放量基本相同。

裝配式住宅維護階段數據匱乏，本文使用現澆住宅數據進行計算，單位面積的碳排放量為31.46 kg[6]，運用上文式（3）計算得到該階段的碳排放量為440.92 t。

2.4 拆除階段碳排放分析

在拆除階段，機械的碳排放約為建造階段裝配過程產生碳排放的90%[7]。簡化回收過程為：拆卸后材料及構件中可重復利用部分為30%，即相較于新材料使用可減少30%的碳排放，且裝配式住宅在設計之初即考慮到裝配特性，故在拆除時重復利用率更高[8]。與傳統的回收利用相比，減少的碳排放可達30%～40%[9]。目前建筑拆除階段的碳排放量約為16.35 kg/m2，占比量最大的為拆除以及處置混凝土的碳排放，分別占36.22%和55.90%[10]。裝配式住宅可減少10%的碳排放，結合建筑面積可得到本案例中減少的碳排放量為22.915 t。

2.5 碳排放情況比較分析

對于現澆住宅和裝配式住宅而言，拆除階段碳排放情況不同是由于兩者的建造方式不同導致的。在裝配式住宅拆除過程中，局部構件能被完整取出，可以有效減少建筑垃圾。裝配式住宅與現澆住宅生命周期的碳排放比較情況如表2所示。

表2 現澆住宅和裝配式住宅的碳排放情況比較分析

3 結語

1）經過幾十年的發展，中國已經具備生產大量預制構件的工業基礎。節能環保的發展方式是大勢所趨，通過預制生產和現場組裝建造房屋，可大大縮短現場施工工期，工業化、集中化生產能最大限度降低浪費，提高資源利用率。

2）裝配式住宅和現澆結構相比，在減少碳排放方面效果顯著。建造階段和拆除階段是減排效果最明顯的階段。本文案例中的項目占地面積僅為10 000 m2左右，建造階段減少二氧化碳碳排放量逾200 t。裝配式住宅的推廣將使碳排放量顯著減少。

3）生命周期理論的運用對于建筑碳排放研究有極大幫助，能使不同類型建筑有較好的可比性，避免了只考慮單一階段帶來的片面性，使得評價結果更客觀和準確。