綠色建筑碳排放核算方法及減排路徑研究

林明超 李曉娟 盧家婧

福建農林大學交通與土木工程學院

0 引言

在我國，建筑業作為能源消耗量最大的產業之一，其碳排放量占全國總碳排放量的比值超過了50%。2020 年9 月，我國明確提出2030 年前碳達峰與2060年前碳中和目標。2022年4月1日，我國開始實施新的有關于可再生能源的規范，規范中要求新建居住和公共建筑碳排放強度分別在2016年執行的節能設計標準的基礎上平均降低40%，碳排放強度平均降低7 kgCO2/（m2·a），這意味著建筑碳排放計算成為硬性要求。為實現從傳統現澆建筑向綠色建筑過渡，滿足當前建筑業減排戰略要求，研究綠色建筑碳排放核算及減排路徑迫在眉睫。

我國碳排放核算研究起步較晚，也沒有一個統一、規范的數據庫。1999 年，臺灣地區提出了CO2排放指數和簡單的計算方法［1］。近年來，裝配式建筑作為建筑業節能減排探索的路徑之一，國內越來越多的學者加入裝配式建筑碳排放計算的行列。鄭曉云等人提出使用預制建筑生命周期評估(LCA)計算預制建筑碳排放，結果表明，注重廢物的回收利用率是很重要的［2］。孫艷麗等通過采用層次模糊綜合評價法創建了裝配式建筑碳排放評價指標系統的體系［3］。高宇構建了預制建筑的生命周期評估模型，結果表明，生產階段是減少拼裝組件排放量的重要階段［4］。劉燕從國內外綠色建筑評價指標設置入手，分析我國低碳建筑評價體系的合理性與完整性［5］。董雅紅等人以高層私人建筑為例，比較了預制與現場施工方法的碳排放［6］。國外對建筑碳排放的研究早于中國，美國、日本等發達國家其裝配式建筑所占的比例已經達到80%以上。美國學者特拉梅什對幾十起住宅建筑全生命周期能耗展開了研究，研究結果表示，運營階段的能耗大約占到全生命周期能耗的80%～90%，降低運營階段的能源消耗是減少碳排放和降低CO2排放的關鍵一環。綜合來看，LCA法以及碳排放系數法在學者們計算裝配式建筑的碳排放時應用得最多。在碳排放數據庫方面，我國政府也進行了大量的研究，但還處于逐步完善階段，比如《中國溫室氣體清單研究》［7］《2012 年中國區域及省級電網平均二氧化碳排放因子》［8］、CECS 374—2014《建筑碳排放計量標準》［9］《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366-2019）等。國外在碳排放數據庫方面較為完善，如全球碳預算數據庫（GCB）、英國石油公司（BP）、美國能源信息署（EIA）等，國外碳排放研究在計算方法上也有許多值得我們借鑒學習的地方。

綜上所述，國內對裝配式建筑碳排放量計算并沒有系統的、全面的數據支撐，國內的碳排放因子的數據庫仍處在完善階段。現有的建筑碳排放核算研究都集中于現澆建筑等，關于裝配式建筑的碳排放的研究仍居少數，尤其是其中對于預制率與碳排放量關系的研究。裝配式建筑具有集成化、綠色化、高效化的特點，為滿足全球環境以及我國宏觀政策要求，本文選擇了裝配式建筑進行綠色建筑碳排放的研究。本文通過對某一綠色建筑碳排放的核算，分析各階段碳排放的分布占比關系，并分析預制率與碳排放之間的關系，為提出減排路徑提供更多思考角度，為優化減排方式提供一定的理論依據。本文的技術路線如圖1所示。

圖1 建筑路徑排放圖

1 裝配式建筑碳排放核算模型的構建

1.1 碳排放路徑以及排放來源分析

建筑碳排放路徑如圖1所示。

在建材生產以及運輸階段，碳排放主要來自鋼筋、混凝土、模板、預埋件等建材的消耗，以及生產設備的碳排放、運輸階段機械的碳排放。在建造拆除階段，碳排放主要來自建造或拆除現場的能源消耗以及整個過程中的人工碳排放量以及機械碳排放量。在運行階段，碳排放主要來自水暖電的能源消耗［10］。碳排放源以及其影響因素如表1所示。

表1 碳排放源以及其影響因素

1.2 碳排放因子的選取

碳排放系數又叫做碳排放因子，是指在正常技術經濟和管理條件下，生產單位產品所產生的碳排放量的統計平均值［11］。由于在實際中，直接測量計算碳排放因子的方法耗時且不易取得，因此在本文中，碳排放因子的選取主要依據GB/T 51366-2019《建筑碳排放計算標準》《IPCC 國家溫室氣體清單指南》（后文簡稱“IPCC指南”）、中國生命周期基礎數據庫等中國成熟以及權威數據庫的碳排放因子，并通過參考各類相關論文，總結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數據取自中國工程院、國家環境局溫室氣體控制項目、國家發展和改革委員會能源研究所等國內國家機構對能源碳排放因子測定的平均值，并且根據1 kgC/kg≈3.67 kgCO2/kg，以及表3 所示使用1 kWh 時分別的排放系數，將標準煤換算為CO2的量，從而將碳排放單位統一為CO2的量，以便于后期的計算與比較。

表2 主要碳排放因子表

表3 使用1 kWh的排放系數

1.3 建立碳排放計算模型

1）建材生產及運輸階段碳排放計算

建材生產及運輸階段碳排放主要包括生產階段和運輸階段的碳排放量的和，其單位建筑面積的碳排放量用公式表示如式（1）所示。

式中，AJC——建材生產及運輸階段單位建筑面積碳排放（kgCO2/m2），ASC——建材生產階段碳排放（kgCO2），AYS——建材運輸階段碳排放（kgCO2），S——建筑面積（m2）。其中，裝配式建筑建材生產階段的碳排放應按式（2）計算。

式中，ASC——建材生產階段碳排放（kgCO2），Ki——第i種裝配式建筑主要建材消耗（kg），Li——第i種裝配式建筑主要建材碳排放因子（kgCO2/kg）。

在裝配式建筑的生產階段，碳排放主要來自主體結構（即梁、板、柱等）和圍護結構（門、墻、窗等）預制構件生產而產生的碳排放，在計算時可以結合裝配式工程預（決）算清單或者材料購買清單來進行統計，小部分不確定質量或體積并且對整棟建筑而言碳排放量極少的材料,可以忽略不計入總體的碳排放計算。

裝配式建筑建材運輸階段的排放應按式（3）計算。

式中，Ki——第i 種裝配式建筑主要建材消耗（kg），Di——第i 種建材平均運輸距離（km），Yi——第i 種建材所采用的運輸方式相對應的運輸碳排放因子［kgCO2/(t·km)］。

裝配式建筑的材料運輸主要包括預制構件以及需要進行現場澆筑構件的原材料運輸，具體材料如預拌混凝土、鋼筋、模板等。運輸過程既包括了場外的水平運輸也包括了場內的垂直運輸，由于垂直運輸的能源消耗不好統計，因此在本文中暫不進行計算。

2）建造拆除階段碳排放計算

建造拆除階段的碳排放計算包括了建造施工和拆除階段碳排放之和。其中，建造施工階段的碳排放按式（4）進行計算，拆除階段的碳排放按式（7）進行計算。

式中，BJZ——建筑建造階段單位建筑面積的碳排放量(kgCO2/m2)，Mi——第i類能源的碳排放因子(kg-CO2/kWh或kgCO2/kg)，Qfx,i——分部分項工程中第i 個項目工程量，ffx,i——分部分項工程中第i 個項目能耗系數(kWh/工程量計量單位)，Qcs,i——措施項目中第i個項目工程量，fcs,i——措施項目中第i個項目能耗系數(kWh/工程量計量單位)。其中，分部分項能耗系數以及措施項目能耗系數計算分別如式（5）和（6）。

式中，Ti,j——第i 個項目單位工程第j 種施工機械臺班消耗(臺班)，Rj——第i個項目第j種施工機械單位臺班能源消耗(kWh/臺班)，i——項目序號，j——施工機械序號。

式中，TA-i,j——第i 個措施項目單位工程量第j 種施工機械臺班消耗(臺班)。

式中，BCC——建筑拆除階段單位建筑面積碳排放(kgCO2/m2)，Ecc,i——建筑拆除階段第i 種能源總耗(kWh或kg)。

由于沒有拆除部分的人工以及機械清單方面的數據，因此在本文中此部分碳排放計算不進行計算。本文中拆除階段的碳排放以運輸拆除物而產生的碳排放計算為主，計算方法與運輸階段計算方法相同。

3）運行階段碳排放計算

裝配式建筑運行階段的碳排放計算與其他建筑運行階段的碳排放計算大同小異，主要包括了暖通空調、用水、照明以及電梯在運行期間的碳排放量。由于本文重點研究的是預制水平與碳排放量的關系，因此運行階段的碳排放計算不是本文的重點研究方向，只進行粗略計算。運行階段碳排放計算如式（8）所示。

式中，CYX——運行階段碳排放（kgCO2），Ei——第i種能源年消耗量（kWh/年），ERi——由可再生能源系統提供的第i類能源量（kWh/年），y——建筑設計壽命（年）。

4）全生命周期碳排放計算

將各階段碳排放相加，得到裝配式建筑全生命周期碳排放計算如式（9）所示。

2 案例分析及比較

2.1 案例A碳排放核算

本文選取的案例A為湖南省株洲市天元區某裝配式建筑項目，本文選取其中的公寓樓作為研究對象進行碳排放計算。該公寓樓共有20 層，層高3.2 m，結構體系為框架-剪力墻結構，總建筑面積約為13 019.852 m2。該項目采用預制疊合梁+預制疊合樓板+預制樓梯段的預制方案，預制率為15.10%。其中：一樓采用完全現澆式施工，十七樓至二十樓采用以現澆式為主，裝配式為輔的施工方案；二樓至十六樓采用以預制構件為主，現澆結構為輔的施工方案。1 m3預制構件生產階段消耗材料碳排放情況如表4所示。

表4 1 m3預制構件生產階段消耗材料碳排放

1）生產階段碳排放量

案例A的生產階段的碳排放主要包括預制構件部分與現澆部分組成，通過預制構件分布圖紙以及項目決算清單可以大概計算得出預制部分構件工程量（如表5所示）。

表5 預制構件工程量

現澆部分建筑工程量如表6 所示（只計算主要現澆構件體積），現澆部分無生產階段，則計算其材料碳排放。該項目大致的單位現澆構件材料消耗碳排放量如表7所示。結合表4計算得出生產階段總碳排放量約為5 553.58 tCO2（如表8所示）。

表6 主要現澆構件體積

表7 1 m3現澆構件消耗材料碳排放

表8 生產階段總碳排放量

2）運輸階段碳排放量

預制構件單位立方的重量如表9所示，該工程預制部分采用重型柴油汽車（載重18 t）運輸，現澆部分構件采用中型柴油汽車（載重8 t），原材料以及預制構件均由同一場地提供，因此二者運距相同，均為100 km，則預制構件總重量為2 234.257 t，現澆部分計算原材料運輸產生的碳排放，1 m3原材料的重量如表10 所示，由于鋼材、PVC 以及鋁合金材料在生產階段的計量單位為重量，因此不需要再進行轉化，表中只列出混凝土與砌塊單位立方的重量。

表9 1 m3預制構件的重量

表10 1 m3原材料的重量

計算得出現澆部分原材料重16 386.61 t，計算如表11 所示。結合表1 的運輸碳排放因子計算得出預制部分碳排放量為28.82 tCO2，現澆部分材料運輸碳排放為293.32 tCO2，則運輸階段總碳排放量為322.14 tCO2。

表11 現澆構件所消耗原材料總重量

3）建造及拆除階段碳排放量

案例A 現場預制構件安裝采用的機械設備為塔式起重機進行吊裝，使用能源類型為電能，單位立方的構件消耗的能源統計如表12 所示。分析施工階段關鍵線路的碳排放發現主要為施工機械以及人工的碳排放量，因此本文以計算電力消耗的機械碳排放量以及人工消耗量為主，各現澆部位單位立方耗電量如表13 所示，則其總耗電量為12 189.99 kWh，預制構件施工機械碳排放量為6 408.28 kgCO2，現澆施工機械碳排放為107 565.69 kgCO2，總機械碳排放為113.97 tCO2。根據實際的人、材、機匯總表以及施工天數，用工數以200人進行計算，工期以160天計，則人工碳排放為211 520 kgCO2，人工與機械碳排放相加得出建造階段總碳排放為325.49 tCO2。由于該項目并未拆除，因此不進行拆除的計算。

表12 1 m3預制構件耗電量

表13 1 m3現澆部位施工耗電量

4）運行階段碳排放量

建筑運行階段的碳排放量與建筑使用年限有關，該項目設計使用年限為50 年，因此按50 年進行計算。運行階段的碳排放主要是暖通空調、照明等電器消耗電能所產生的碳排放量，以及每戶人家使用生活熱水產生的碳排放量。該項目約有居民110 戶，平均每戶3 人，根據湖南省人均用水定額160 L/d，則一戶一年用水量175.2 m3，50年用水量8 760 m3。根據湖南戶均用電量為339 kWh［21］，則每戶居民月均用電量按339 kWh計算，則一戶一年用電量4 068 kWh，50 年用電量203 400 kWh。110戶50年用電量為2 237 400 kWh，則用電的碳排放為11 762 011.8 kgCO2。110 戶50 年用水量為963 600 m3，則用水的碳排放量為876 876 kgCO2，則運行階段總計碳排放量約為12 638.89 tCO2。

對各階段碳排放進行相加，得出案例A 全生命周期碳排放（不包括拆除階段）為18 840.1 tCO2，單位面積碳排放為1.45 t/m2，結果在合理范圍內，物化階段碳排放量為6 201.21 tCO2。通過分析案例A的碳排放結果，可以發現預制率為15.1%時，裝配式建筑的碳排放主要集中在生產以及運行階段，其中生產階段占比29.47%，運行階段占比67.09%，施工階段與運輸階段碳排放占比相加在3.44%左右（圖2 所示）。只考慮物化階段時，生產階段碳排放占比達89.56%，運輸階段占5.19%，施工階段占5.25%（圖3所示）。

圖2 裝配式建筑各階段碳排放量占比

圖3 物化階段各階段碳排放占比

2.2 案例B碳排放核算

以案例A 為原型，為探究預制水平與碳排放量之間的關系，故構建案例B 與案例C 并分別計算其碳排放量，案例B 和案例C 與案例A 相比只有預制水平發生了改變，采用材料情況不變，建筑體積不改變，案例B 與C 的建筑面積均為13 019.852 m2。案例B 采用預制樓梯+預制疊合板+預制疊合梁+預制剪力墻的預制方案，預制率為62.35%，根據2.1 以及2.2 的基礎數據進行案例B 各階段碳排放的計算。由于運行階段的碳排放主要與用戶對設備的選擇有關，因此案例B 只進行物化階段碳排放的計算。

生產階段、運輸階段、施工階段機械碳排放計算過程分別如表14、15、16 所示。由于增加了預制構件的工程量，使得塔吊機械工作增加，工期相對縮短，用工數相對減少。且由外國學者的研究結果［22］，20層裝配式住宅建筑每升高10%的預制率，用工量減少5.29%左右，工期縮短2.65%，因此案例B 施工階段人工數以150 人計，工期以140 天計。則施工階段人工碳排放為138 810 kgCO2。由表可知，生產階段碳排放為5 346.50 tCO2，運輸階段碳排放為405.44 tCO2，施工階段機械碳排放為49.29 tCO2，則案例B 物化階段總碳排放量為5 801.23 tCO2。

表14 案例B生產階段碳排放計算

表15 案例B運輸階段碳排放計算

2.3 案例C碳排放核算

在案例B 的基礎上，案例C 再增加預制構件的比例，案例C 的預制方案為預制疊合板+預制疊合梁+預制剪力墻+預制填充墻+預制樓梯，預制率為72.88%，建筑面積與案例A 和B 相同，均為13 019.852 m2。生產階段、運輸階段、施工階段機械碳排放計算過程分別如表17、18、19所示。案例C施工階段人工數以140人計，工期以136天計，用工量以及工期計算方法同案例B，則人工碳排放量為125 854.4 kgCO2。由表可知，生產階段碳排放為5 496.33 tCO2，運輸階段碳排放為222.01 tCO2，施工階段碳排放為46.50 tCO2，案例C 總碳排放量為5 764.84 tCO2。

表17 案例C生產階段碳排放計算

表18 案例C運輸階段碳排放計算

表19 案例C施工階段機械碳排放計算

2.4 不同案例比較分析

由以上對案例A，B，C物化階段的碳排放計算，繪制表20進行比較分析。

表20 案例A、B、C各階段碳排放量對比

由表20 可知，當預制水平越高時，物化階段碳總排放量越低，預制水平提高得越多，物化階段碳排放量降低越多。細化到每個階段的對比時可以發現，生產階段的碳排放量隨著預制水平的升高呈現先減少后增加的情況，因此推斷在生產階段，預制率會存在一個臨界值，當超過這個臨界值時，碳排放量會隨著預制水平的提高不降反升，這是由于建筑材料減排而預制構件“增排”引起的。生產階段碳排放量以及預制率的組合如圖4 所示。

圖4 案例A、B、C建材生產階段碳排放量及預制率

在運輸階段，隨著預制率的升高，碳排放量呈現先上升后下降的情況，這是由于預制率越高，預制構件所占整個建筑的比例越高，構件運輸的碳排放量增加多于所減少的原材料運輸碳排放，并且構件與材料的運輸受運輸的材料影響，運輸預制剪力墻會導致碳排放量增加，運輸預制填充墻則會起到減排的效果。運輸階段碳排放量以及預制率的組合如圖5所示。

圖5 案例A、B、C建材運輸階段碳排放量及預制率

施工階段的碳排放量與預制率關系較為明顯，大體成線性關系。隨著預制水平的提高，施工階段碳排放量逐漸減少，并且通過分析具體的人工以及機械碳排放可以發現，施工階段碳排放的減少主要是由于用工量節約引起的。施工階段碳排放與預制率組合如圖6所示。

圖6 案例A、B、C施工階段碳排放量及預制率

3 裝配式建筑減排路徑

在生產階段，通過碳排放計算的過程發現，其排放源主要是鋼材以及混凝土消耗而產生的碳排放，其中預制剪力墻以及疊合梁的碳排放最大。因此裝配式建筑在選擇預制方案時，可以適當降低預制剪力墻以及疊合梁的使用，或者降低其對鋼材以及混凝土的用量，這樣可以在生產階段起到一定的減碳效果。同時，由于鋁材的碳排放系數較大，因此在生產的時候可以盡量控制鋁材的用量，提高建材回收效率［19］，可以達到良好的減碳效果。此外，由于疊合板以及預制內墻在生產階段的碳排放量最小，所以在預制方案中可以盡可能多地使用它們，整體降低生產階段的碳排放量。

在運輸階段，對大型的預制構件如預制剪力墻等，應選擇合適的運輸器具并進行合理安放。在運輸時，合理安排運輸班次，做好與現場進度的銜接，盡量縮短運輸距離，溝通選擇好距離施工現場最近的廠家進行生產運輸，降低構件因路程較遠顛簸而出現破損的可能性，同時也能達到減少碳排放量的效果。

在施工階段，推行綠色施工，優先采用小型節能機械，通過使用低碳施工機械來達到節約用電和水等的目的。在施工現場，為避免揚塵，以及噪聲騷擾到周邊居民，可采用封閉施工的方式進行。采用裝配式建筑，在施工階段對比傳統建筑，碳排放已經大大降低，但綠色施工方面還有一定的減排潛力。

在運行階段，作為全生命周期碳排放量最大的階段，實現碳減排的空間很大。首先，可以采取推行節能的暖通空調以及照明設備。其次，可以在居民用電意識方面作出努力，培養全民節約用電的良好意識，在不使用時及時地關閉電源，促成全民低碳環保的良好習慣。最后，可以引進BIM技術進行精確的物聯網建筑設備管理，減少能源浪費，也能達到減排的效果。

4 結論

本文通過建立裝配式建筑全生命周期的碳排放量計算模型，利用碳排放系數法，計算了建材生產、運輸、施工以及運行不同階段的碳排放量，并以湖南省某項目為例進行了除拆除階段的全生命周期的建筑碳排放量計算。由計算數據可知，該建筑全生命周期單位面積碳排放量指標為1.45 t/m2。總結案例分析的結果可以得出以下兩點結論：

1）運行期間建筑的碳排放量占比最高，為67.09%，其次為建材生產階段。因此，使建筑的生命周期碳排放減少，最好的方法是在運行階段采用具備優越性能的節能燈和空調設備，將智能控制和智能管理結合起來，控制運行階段的碳排放量，同時完善運營管理，減少建筑運營所需的能源消耗來達到最佳減排效果。

2）由于使用預制構件增多導致建筑材料減排以及建筑材料“增排”，因此要想使物化階段碳排放達到最低，預制水平應有一個臨界值，在臨界值以下的范圍內增加預制率才能達到減排效果。雖然施工階段的碳排放量是隨著預制率的增加而減少的，但施工階段的碳排放量只占物化階段的2%至5%左右，對物化階段碳排放量的影響相較生產階段微不足道，因此物化階段的減排重點仍是在于生產階段。