裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件電動(dòng)運(yùn)輸碳排放量計(jì)算技術(shù)和方法研究*

文/東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 印 江

西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東南大學(xué)建筑學(xué)院 王海寧

東南大學(xué)建筑學(xué)院 張 宏

1 研究背景

相較運(yùn)維階段的碳排放研究，建筑物化階段的碳排放研究同樣重要，這與建造方式產(chǎn)生直接關(guān)系。裝配式建筑因其在創(chuàng)造可持續(xù)城市化中的重要作用而引起全世界關(guān)注。預(yù)制技術(shù)是將一定數(shù)量的建筑構(gòu)件在得到良好控制的環(huán)境下制造，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，最后組裝成建筑物，在許多國(guó)家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[1]。預(yù)制是可提高質(zhì)量控制水平、改善環(huán)境性能、提高現(xiàn)場(chǎng)安全水平、減少勞動(dòng)力需求和施工時(shí)間的可持續(xù)施工方法。尤其當(dāng)前面臨我國(guó)人口老齡化問題日益嚴(yán)重，越來越多的施工現(xiàn)場(chǎng)難以找到足夠的建筑工人[2]，而裝配式建筑將大量的建造工作從環(huán)境惡劣的工地現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到工廠，使更多在工地的建筑工人（Labor）轉(zhuǎn)變?yōu)樵趶S房工作的產(chǎn)業(yè)工人（Worker），顯著改善其工作環(huán)境[3]。同時(shí)預(yù)制技術(shù)改變了傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)和施工方式[4]，與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工技術(shù)相比，預(yù)制技術(shù)在減少對(duì)環(huán)境的破壞方面具有優(yōu)勢(shì)，因此更環(huán)保[5]。

裝配式建筑雖然在技術(shù)和政策方面具有諸多利好，但在當(dāng)前應(yīng)用規(guī)模過小、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度過低的情況下，造價(jià)仍高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造模式[6]。因此裝配式建筑的碳排放研究尤為重要，應(yīng)在環(huán)境和能源方面對(duì)裝配式建筑體系進(jìn)行綜合評(píng)估，由此促進(jìn)后續(xù)基于碳排放的建筑物化階段獎(jiǎng)懲機(jī)制的建立，倒逼產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)改造，進(jìn)而提高產(chǎn)業(yè)鏈各參與單位的節(jié)能減排意識(shí)，降低行業(yè)整體碳排放量。

隨著電動(dòng)小型汽車和電動(dòng)大型客車的普及，電動(dòng)卡車成為政府主管部門在低碳運(yùn)輸改革方向的著力點(diǎn)，各種噸位與型號(hào)的電動(dòng)卡車涌現(xiàn)市場(chǎng)，已覆蓋各載重級(jí)別，2020年1—5月共銷售電動(dòng)卡車12693輛，其中中型卡車3522輛，重型卡車1092輛，僅重型卡車的車企就有34家[7]。

2 構(gòu)件與材料運(yùn)輸

2.1 裝配式建筑的兩大運(yùn)輸階段

裝配式建筑物化階段包括材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、構(gòu)件生產(chǎn)、構(gòu)件運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)裝配5個(gè)階段，其中與運(yùn)輸相關(guān)的為材料運(yùn)輸和構(gòu)件運(yùn)輸2個(gè)獨(dú)立的階段[8]，分別發(fā)生在不同的產(chǎn)業(yè)鏈中。由于運(yùn)輸方式不同，裝配式建筑與現(xiàn)澆建筑的碳排放有所差異。GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)建材公路運(yùn)輸碳排放因子作出規(guī)定。但現(xiàn)行規(guī)定仍然比較粗略，僅從車輛載重、動(dòng)力類型進(jìn)行分類，而未考慮其他因素對(duì)運(yùn)輸碳排放的影響。如采用輕型汽油貨車運(yùn)輸，則碳排放因子一律為0.334kgCO2e/（t·km），中型柴油貨車運(yùn)輸一律為0.179kgCO2e/（t·km），僅采用車型級(jí)別確定碳排放因子難以兼顧裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)奶匦浴?/p>

2.2 預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸特性

1）考慮到經(jīng)濟(jì)性和構(gòu)件運(yùn)輸完好性，幾乎所有的預(yù)制構(gòu)件均采用公路運(yùn)輸，這與材料運(yùn)輸所呈現(xiàn)的水路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸并存的方式完全不同。

2）預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸需考慮尺寸及堆疊層數(shù)限制和安裝順序問題，如圖1所示，無法達(dá)到100%滿載。如按照規(guī)范，預(yù)制疊合板在運(yùn)輸和存放階段堆疊層數(shù)不宜大于6層，過多層數(shù)的堆疊會(huì)造成預(yù)制疊合板變形與開裂，影響結(jié)構(gòu)安全與建筑壽命。而由于車輛自重不會(huì)改變，因此碳排放與載重量不成正比，如在我國(guó)澳門地區(qū)純電動(dòng)載具的載荷測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，相較空載，滿載能耗只增加9%～11%，甚至在載重量極低的情況下，單位重量和里程下的碳排放量趨于無窮大，因此滿載比例與碳排放量不呈線性正比。

圖1 僅運(yùn)輸3塊墻板的拖掛車輛

3 試驗(yàn)與研究方案

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)景選擇

雖然汽車和內(nèi)燃機(jī)行業(yè)對(duì)于能耗與碳排放計(jì)算擁有一套完整的方法，如根據(jù)特定發(fā)動(dòng)機(jī)萬有曲線進(jìn)行軟件模擬，或在底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況[9]。但上述方法均是在統(tǒng)一使用環(huán)境的坐標(biāo)系下，針對(duì)車輛或發(fā)動(dòng)機(jī)的碳排放進(jìn)行測(cè)算，其根本目的在于衡量交通工具的優(yōu)劣。而構(gòu)件運(yùn)輸階段的碳排放計(jì)算研究的目的在于還原構(gòu)件運(yùn)輸過程的真實(shí)碳排放，因此在方法和目標(biāo)方面與汽車和內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域差距較大，而且上述軟件模擬和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的方法輸入?yún)?shù)過多，在適用于裝配式建筑日常運(yùn)輸?shù)奶寂欧庞?jì)算中無法一一找齊。

因此本研究以構(gòu)件作為研究對(duì)象，對(duì)運(yùn)輸階段的碳排放量和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行回歸分析，由此建立適合于預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)奶寂欧庞?jì)算模型，以期對(duì)2019版《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》作出補(bǔ)充，使其能更適用于裝配式建筑的構(gòu)件運(yùn)輸階段，更準(zhǔn)確地反映構(gòu)件運(yùn)輸階段的真實(shí)碳排放量。

3.2 試驗(yàn)對(duì)象與方法

此次研究通過載重車輛在真實(shí)道路交通情況下的實(shí)際運(yùn)輸行駛狀態(tài)，反映構(gòu)件運(yùn)輸過程中的真實(shí)碳排放量。測(cè)試地點(diǎn)為江蘇省南京市區(qū)域，通過計(jì)算燃料的消耗量反推排入大氣中的二氧化碳。采用OBD接口采集運(yùn)輸車輛的狀態(tài)信息，包括開始時(shí)間、行駛里程、能源消耗，除此之外，車輛載重量數(shù)據(jù)由出貨單數(shù)據(jù)提供。研究選取1輛汽油車和1輛電動(dòng)車作為對(duì)比。

1）汽油車 車型為長(zhǎng)安之星9廂式運(yùn)輸車，該車總質(zhì)量1875kg，整備質(zhì)量1245kg，最大載重630kg，所用燃料為92號(hào)汽油。

2）電動(dòng)車 車型為長(zhǎng)安之星9EV廂式運(yùn)輸車，該車總質(zhì)量1875kg，整備質(zhì)量1270kg，最大載重605kg，能量來源為35.9 kW·h容量的磷酸鐵鋰電池包。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1）不同類型車輛的碳排放因子 試驗(yàn)共取得樣本數(shù)量為506例，其中汽油車344例，碳排放因子平均值為0.3326kgCO2e/（t·km），最小值為0.1811kgCO2e/（t·km），最大值為0.6396kgCO2e/（t·km），標(biāo)準(zhǔn)方差為0.0873；電動(dòng)車運(yùn)輸為162例，碳排放因子平均值為0.2056kgCO2e/（t·km），最小值為0.1088kgCO2e/（t·km），最大值為0.2985kgCO2e/（t·km），標(biāo)準(zhǔn)方差為0.0310。電動(dòng)車和汽油車的構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子分布如圖2所示，可看出電動(dòng)車的構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子普遍低于汽油車。

圖2 電動(dòng)車和汽油車構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子對(duì)比

2）滿載率的影響 試驗(yàn)數(shù)據(jù)涵蓋2種類型車輛滿載率在60%～100%區(qū)間的碳排放因子表現(xiàn)，由圖3可看出以下特征：構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子與滿載率呈反比；電動(dòng)車的構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子在不同滿載率情況下普遍低于汽油車；構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子與不同地區(qū)的電力碳排放呈反比。

圖3 構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子與滿載率之間的關(guān)系

由于我國(guó)不同省份的火力、水力和新能源發(fā)電比例相差較大，因此電力碳排放因子相差較多，如華東地區(qū)的電力碳排放因子為0.7035kgCO2e/（t·km），而最低值則為緊鄰的華中地區(qū)，為0.5257kgCO2e/（t·km）。

5 預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸碳排放計(jì)算方法

通過線性回歸擬合公式，得到汽油車和電動(dòng)車的預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子計(jì)算公式。

1）汽油車

2）電動(dòng)車

式中，TransFctG為汽油車的預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子，單位為kgCO2e/（t·km）；TransFctE為電動(dòng)車輛的預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子，單位為kgCO2e/（t·km）；LoadRatio為運(yùn)輸車輛的滿載比例，單位為%；ElectFct為各地區(qū)的電力碳排放因子，單位為kgCO2e/（t·km）。

6 結(jié)語

通過對(duì)裝配式建筑運(yùn)輸階段可能影響碳排放因子的參數(shù)進(jìn)行觀察收集、整理分析和統(tǒng)計(jì)回歸，建立相關(guān)的碳排放因子數(shù)學(xué)模型，主要研究結(jié)論如下。

1）相較普通建筑，裝配式建筑增加了構(gòu)件生產(chǎn)和構(gòu)件運(yùn)輸2個(gè)階段，受限于構(gòu)件尺寸、構(gòu)件擺放、構(gòu)件交付時(shí)間等因素，對(duì)比材料運(yùn)輸，即使基于同一運(yùn)輸車型，構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子變化幅度也較大。

2）預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸碳排放因子受到滿載比例影響較大，半載相較滿載情況下的碳排放量，汽油車增加約118.92%，電動(dòng)車增加約36.88%（見表1）。

表1 不同滿載率情況下的減碳比例

3）電動(dòng)車在任何滿載比例情況下均比汽油車體現(xiàn)出更低的碳排放量，越是輕載情況下減碳比例越高。

4）研究以定量方式探索預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸階段的碳排放量估算與普通建筑材料運(yùn)輸?shù)牟煌ㄟ^建立碳排放因子數(shù)學(xué)計(jì)算模型的方式，為更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)裝配式建筑運(yùn)輸階段的碳排放量提供了有效工具。