裝配式建筑生命周期碳足跡評價研究

摘要：為明晰裝配式建筑生命周期碳足跡及其關鍵來源，構建裝配式建筑生命周期碳足跡評價模型，并將其應用于實際工程案例。在探究裝配式建筑減排潛力的基礎上，從生命周期階段、建設與使用活動兩個層面分析裝配式建筑生命周期碳足跡分布特征，探討使用壽命對裝配式建筑生命周期碳足跡的影響。研究結果表明：由取暖、制冷、照明等活動組成的運營維護階段是裝配式建筑生命周期碳足跡的主要來源；隨著使用壽命的增加，裝配式建筑年碳足跡先降低后增加。該研究結果可為裝配式建筑生命周期碳足跡評估及低碳管理提供理論支撐。

關鍵詞：裝配式建筑；生命周期評價；碳足跡；分布特征

0"引言

為解決當前溫室氣體過度排放造成的氣候變暖問題[1]，我國力爭在2030年前實現碳達峰、在2060年前實現碳中和。在此背景下，減少二氧化碳等溫室氣體排放成為各行業發展的基本準則。建筑業作為國民經濟的支柱產業，建造階段碳排放占全國碳排放總量的29.2%。若考慮到建筑運行和其他過程中的能源消耗，建筑業全過程碳排放占比將超過50%[2]。因此，節能減排成為建筑業發展的必然趨勢。

裝配式建筑具有節能、利廢、環境污染少等優點，是建筑業實現綠色轉型的重要技術路徑。在此背景下，研究裝配式建筑生命周期碳足跡并明確其關鍵來源，有助于提升裝配式建筑綠色低碳管理水平，對推動建筑業節能減排具有重要意義。

相比傳統現澆建筑，裝配式建筑建造階段分為構件工廠生產、運輸、現場組裝三個環節[3]，其碳排放問題受到了學者們的廣泛關注。Ding等[4]基于BIM技術和碳排放系數法，構建了裝配式住宅物化階段碳足跡核算模型。Hao等[5]設計了一種基于BIM技術的方法，用以測量裝配式建筑項目物化階段碳排放。李萌萌等[6]通過碳排放系數法建立了裝配式建筑物化階段碳排放量計算模型，并利用結構方程模型分析其影響因素。謝婉君等[7]將碳排放系數法和工程量清單相結合，計算裝配式建筑施工階段碳排放量。上述學者們的研究結果表明，建筑材料生產階段在整個物化階段碳排放量占比最高，達到90%。部分學者也關注了裝配式建筑運營階段碳排放問題。鄭曉云等[8]基于能源類型角度，構建裝配式建筑建造、使用、廢棄三個階段的碳排放量計算模型。Tavares等[9]分析了不同氣候類型下裝配式建筑從建設到使用階段的綜合環境影響。Luo等[10]基于生命周期評估方法，計算了不同地區和結構的裝配式建筑生命周期碳排放量。以上研究聚焦于裝配式建筑不同階段，通過構建碳排放計算模型評估其環境影響，但缺乏對裝配式建筑生命周期中碳足跡分布特征的研究。基于此，本文構建裝配式建筑生命周期碳足跡評價模型，并結合實際工程案例，在探究裝配式建筑減排潛力的基礎上，分析其生命周期碳足跡分布特征和關鍵來源，旨在為裝配式建筑參與主體制定節能降碳策略提供參考。

1"裝配式建筑生命周期碳足跡評價模型構建

1.1"明確系統邊界

1.1.1"定義時間范圍

本文旨在探究裝配式建筑生命周期碳足跡分布特征，故將其時間范圍定義為從建筑材料生產階段到裝配式建筑物拆除階段。結合預制施工技術特點，裝配式建筑物化階段可分為5個環節，包括建筑材料生產、建筑材料運輸、預制構件生產、預制構件運輸和現場施工。通常，物化階段為1～2年，運營維護階段為30～50年。當裝配式建筑失去原有使用功能時，應予以拆除。

1.1.2"定義活動范圍

根據上述時間范圍，本文將裝配式建筑生命周期碳足跡活動范圍定義為與裝配式建筑建造、使用和消耗資源或能源有關的活動。具體包括：生產加工過程中原材料的使用和機械設備的能耗；預制構件在生產、養護等工藝過程中機械設備的電、油、煤消耗；建筑材料和預制構件運輸至使用點（預制構件廠、施工現場），運輸車輛使用的汽油、柴油等其他能源；在現場施工階段，起重機和交流弧焊機等機械設備在預制構件安裝和現澆建筑施工過程中的能耗；照明、取暖、制冷、電梯和用水等運營活動以及設施設備翻新、替換等維護活動的能耗；拆除機械、拆除物運輸與處置產生的汽油、柴油消耗。

綜上所述，明確裝配式建筑生命周期碳足跡評價邊界，如圖1所示。

1.2"模型計算公式

根據上述系統邊界定義，將裝配式建筑生命周期碳足跡分為6個階段：建筑材料生產、預制構件生產、建筑材料與預制構件運輸、現場施工、運營維護和拆除處置。計算裝配式建筑生命周期碳足跡，公式如下

式中，Ctotal為裝配式建筑生命周期碳足跡；Cmat、Cpcp、Ctrans、Cconst、Cu、Ce分別為建筑材料生產、預制構件生產、建筑材料與預制構件運輸、現場施工、運營維護和拆除處置的碳足跡。

1.2.1"建筑材料生產階段

預制工程和現澆工程的建筑材料碳足跡共同構成裝配式建筑建筑材料生產階段碳足跡，計算公式見式（2）。其中，預制工程建筑材料碳足跡計算方法見式（3），現澆工程建筑材料碳足跡計算方法見式（4）

式中，Cpc為預制工程建筑材料碳足跡；Con為現澆工程建筑材料碳足跡；Qi-pc為預制工程第i種建筑材料消耗量；Qi-on為現澆工程第i種建筑材料消耗量；ai-mpc、ai-trans、ai-instl分別為預制構件生產、運輸、安裝過程中第i種建筑材料損耗率；ai為第i種建筑材料損耗率；Fi為第i種建筑材料碳足跡因子。

1.2.2"預制構件生產階段

預制構件生產階段碳足跡應根據預制構件加工生產和蒸汽養護過程中的能源消耗和對應的能源碳足跡因子進行計算，公式如下

式中，Qi-energy為預制構件生產和養護過程中第i種能源用量；Fenergy為相應的能源碳足跡因子。

1.2.3"建筑材料和預制構件運輸階段

建筑材料和預制構件運輸階段碳足跡由運輸車輛能耗產生，其關鍵參數為：建筑材料或預制構件質量（體積）、車輛核定載重、運輸距離等。此外，運輸車輛從預制構件廠或施工現場返回時，一般為空載運輸，空載狀態下環境負荷是滿載的0.67倍。在空載情況下，運輸階段碳足跡計算公式如下

式中，Qi為第i種建筑材料或預制構件的質量（體積）；Vv-i為第i種建筑材料或預制構件采用v汽車的核定載重；Fv為v汽車單位運輸距離碳足跡因子；Di為第i種建筑材料或預制構件從原產地運輸至使用點的距離；β為空載系數。

1.2.4"現場施工階段

裝配式建筑現場施工階段碳足跡來自預制構件安裝和現澆建筑施工過程中的機械設備能耗、生活和辦公用電，計算公式如下

式中，Qi-mach為第i種施工機械設備臺班；Fi-mach為第i種施工機械設備的碳足跡因子；Qe-ofc、Qe-life為工作人員辦公和生活的耗電量；Fe為電力碳足跡因子。

1.2.5"運營維護階段

裝配式建筑運營維護階段碳足跡分為兩個部分：一是建筑基礎設備和外圍護結構修繕改造產生的碳足跡；二是建筑電梯、取暖、用水、照明和制冷等運營活動消耗電力、煤炭等能源產生的碳足跡，計算公式如下

式中，Q1-lighting/cooing為首年照明、制冷系統的耗電量；At－lighting/cooing為第t年照明、制冷活動的調整因子。調整因子是指設備功能老化、設備升級、環境污染、居民收入等因素使居民設備使用時間、使用強度發生變化從而造成電力消耗量變化的程度，取值見表1[11]。

1.2.6"拆除處置階段

裝配式建筑拆除處置階段碳足跡與建筑物拆除機械設備臺班、拆除物運輸相關，計算公式如下

式中，Cdem為裝配式建筑拆除過程中機械設備的碳足跡；Ctrans為建筑拆除物運輸的碳足跡；Q′i-mach為第i種型號拆除機械設備臺班；F′i-mach為第i種拆除機械設備的碳足跡因子；Qi′為第i′種建筑拆除物的質量（體積）；Vv-i′為第i′種建筑拆除物運輸時采用v型號汽車的核定載重量；Di′為第i′種建筑拆除物從建筑物使用點運輸至廢物處理廠的距離。

綜上所述，裝配式建筑生命周期碳足跡受各階段建設與使用活動的能耗、相應的碳足跡因子和使用壽命的影響。其中，碳足跡因子是指消耗單位質量物質（原材料、能源等）產生的溫室氣體量，一般通過實驗測定。因此，本研究以明確裝配式建筑碳減排潛力為基礎，重點從生命周期階段、建設和使用活動兩個層面分析裝配式建筑生命周期碳足跡的分布特征和關鍵來源，同時探討使用壽命對裝配式建筑碳足跡的影響。

2"實證分析

2.1"項目概況

《國家統計年鑒》相關數據顯示，近兩年，住宅新開工面積占全國房屋新開工面積的73%，且隨著城鎮化進程加快和住房需求的提升，住宅建筑由多層建筑向高層建筑發展。因此，本文選取具有代表性的陜西省某住宅建筑為研究對象。該建筑總建筑面積為25 237.19m2，地上33層、地下1層；結構體系為鋼筋混凝土剪力墻結構；2層以上采用預制技術，預制構件主要為預制疊合板，預制部分體積為3800m3。

2.2"碳足跡計算與分析

首先，通過BIM技術計算該建筑的建筑材料消耗量，結合工程定額確定施工機械臺班；其次，依據調研數據確定該建筑的建筑材料和預制構件運輸方式及路線，采用Dest-h能耗模擬軟件進行該建筑照明、制冷系統負荷計算；最后，參考高鑫等[12]和劉勝男[13]相關研究中建筑材料碳足跡因子、施工機械設備碳足跡因子、運輸工具碳足跡因子和能源碳足跡因子取值，結合上文公式得到該建筑生命周期碳足跡計算結果。

2.2.1"傳統建筑與裝配式建筑建造碳足跡對比分析

為了探究裝配式建筑減排潛力，本文為該建筑設計了兩種施工方案，即傳統現場施工（方案1）和基于樓板的半預制施工（方案2）。兩種施工方案的碳足跡計算結果見表2。

由表2可知，若該建筑采用預制施工方式，單位面積碳足跡為389.325 2kgCO2eq。與傳統施工方法相比，單位面積碳足跡降低5.83kgCO2eq，減少1.50%，說明采用預制施工技術進行建筑建造可顯著減少碳足跡。

2.2.2"不同階段碳足跡對比分析

該建筑生命周期碳足跡計算結果見表3。

由表3數據可知，該建筑碳足跡總量為62 820.33tCO2eq，年碳足跡為1 208.08tCO2eq。在整個生命周期碳足跡中，運營維護階段碳足跡占比最高，為85.03%；其次為建筑材料生產階段的碳足跡，占比為14.17%；隨后依次為拆除處置階段、建筑材料與預制構件運輸階段、現場施工階段、預制構件生產階段。基于以往文獻研究結果可知，運營階段對建筑生命周期的環境影響約占80%～85%[14]，驗證了上述計算結果的可靠性。然而，本研究結果與現有研究結果[15]存在一定差異，主要原因如下：①該建筑的碳足跡評估考慮了生活用水和公共電梯使用帶來的碳足跡；②該建筑考慮了設備老化、設備升級、環境污染等因素對照明和制冷碳足跡的影響；③門、窗等常用設施的設計壽命影響運營維護階段碳足跡。

該建筑運營維護階段年碳足跡總量為1 068.33tCO2eq，低于建筑材料生產階段的年碳足跡8 904.62tCO2eq，說明建筑材料生產階段碳排放集中，排放強度高；盡管運營維護階段年碳足跡總量約占建筑材料生產階段的14%，但50年使用壽命使運營維護階段的碳足跡在整個生命周期中占據首位。因此，建筑材料生產階段是建筑業實現短期節能減排目標的主要著力點，運營維護階段是未來建筑業實現節能減排目標的關鍵對象。

該建筑拆除處置階段碳足跡總量為186.38tCO2eq，占比為0.30%。這是由于該建筑廢棄物的長途運輸，造成該階段碳足跡相對較高。拆除處置階段是建筑材料和設施設備集中報廢的時期，也是裝配式建筑環境污染最為嚴重的階段。因此，該階段利用BIM技術和無線射頻識別技術（RFID）對拆除處置方案進行優化，提高建筑材料的回收及再利用率，能夠有效促進建筑業環境污染減少。

該建筑現場施工階段碳足跡總量為143.83tCO2eq，占比為0.23%，可見該階段碳足跡并不顯著。相較其他普通住宅建筑0.5%～2%的占比[16]，該建筑現場施工階段碳足跡總量占比較低，主要原因在于：一方面，該建筑采用了預制技術，在減少施工機械設備臺班能耗的同時縮短了施工時間；另一方面，該建筑采用了鋁模板+全鋼爬架黃金組合，實現外墻底層涂料飾面及鋁合金外窗與主體工程的同步施工，有效縮短了工期，從而降低了該階段碳足跡總量。

2.2.3"不同活動碳足跡對比分析

為了進一步分析裝配式建筑生命周期碳足跡的關鍵來源，對該建筑各階段碳足跡活動進行細分和計算。對比分析發現：該建筑冬季供暖的煤炭消耗是生命周期碳足跡的首要來源，占35.05%；空調制冷、建筑照明分別占30.37%和14.23%。這三項活動均發生在裝配式建筑運營維護階段，說明運營維護階段碳足跡較高。為實現節能減排目標，應對上述三項活動采取控制措施，如采用太陽能光伏發電技術，形成夏季供電、冬季供暖的雙重節能模式。

綜上所述，繪制該建筑生命周期各活動碳足跡，如圖2所示。

2.2.4"不同使用年限碳足跡對比分析

為探究裝配式建筑使用壽命對生命周期碳足跡的影響，以5年為間隔，比較30～70年使用壽命的該建筑年碳足跡及增長率，如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著建筑使用壽命的增加，該建筑年碳足跡先降低后持續提高。首先，在30～40年壽命期限內，年碳足跡下降的主要原因是建筑材料生產、預制構件生產、建筑材料與預制構件運輸、現場施工和拆除處置階段碳足跡為固定值，該部分的年碳足跡隨使用壽命增加而逐漸減少。在40年壽命期限后，考慮到設備升級與老化、建筑材料和設備損毀的運營維護活動，年碳足跡逐漸增加，而建筑材料生產、預制構件生產、建筑材料與預制構件運輸、現場施工和拆除處置階段的年碳足跡降幅趨于固定值，增幅遠高于降幅，造成裝配式建筑生命周期年碳足跡持續增加。其次，年碳足跡增長率整體呈上升趨勢，在40～45年和60～65年壽命期間，年碳足跡增長率較高是因為20～50年使用壽命期間的門窗設備和15～50年使用壽命期間的建筑裝飾材料分別在第40年和第60年進行了集中替換。由此可見，為了延長該建筑的使用壽命，實現綜合效益最大化，可采取改善建筑維護結構，提高居民節能低碳意識，加強生物質能、地熱能等可再生資源利用等措施控制運營維護階段活動能耗。

3"結語

本文基于裝配式建筑各階段碳足跡活動分析，運用碳排放系數法構建裝配式建筑全生命周期碳足跡評價模型；以陜西省某住宅建筑為例，分析裝配式建筑減排潛力，從生命周期階段和活

動兩個層面探究碳足跡分布特征和關鍵來源。同時，評估使用壽命對裝配式建筑生命周期碳足跡的影響，為制定裝配式建筑生命周期節能降碳策略提供數據支撐。

本研究仍存在一定的局限性，如僅以陜西省某住宅建筑為例，后續可以增加不同地區以及不同類型裝配式建筑的對比分析，更加全面地開展裝配式建筑碳足跡研究。

參考文獻

[1]聯合國世界氣象組織.2022年全球氣候狀況[R].2022.

[2]中國建筑節能協會.2022中國建筑能耗與碳排放研究報告[R].2022.

[3]王玉.工業化預制裝配建筑的全生命周期碳排放研究[D].南京：東南大學，2016.

[4]DING Z K，LIU S，LUO L W，et al.A building information modeling-based carbon emission measurement system for prefabricated residential buildings during the materialization phase[J].Journal of Cleaner Production，2020（264）：121728.1-121728.18.

[5]HAO J L，CHENG B，LU W，et al.Carbon emission reduction in prefabrication construction during materialization stage：a BIM-based life-cycle assessment approach[J]."Science of the Total Environment，2020（723）：137870.1-137870.9.

[6]李萌萌，陳為公，李龍.裝配式建筑物化階段碳排放計算及影響因素研究[J].安全與環境學報，2022（7）：1-10.

[7]謝婉君，李曉娟，楊婷，等.裝配式建筑施工階段碳排放測算研究[J].工程管理學報，2022，36（3）：52-57.

[8]鄭曉云，徐金秀.基于LCA的裝配式建筑全生命周期碳排放研究——以重慶市某輕鋼裝配式集成別墅為例[J].建筑經濟，2019，40（1）：107-111.[9]TAVARES V，FREIRE F.Life cycle assessment of a prefabricated house for seven locations in different climates[J].Journal of Building Engineering.2022（53）：104504.

[10]LUO L，CHEN Y.Carbon emission energy management analysis of LCA-based fabricated building construction[J].Sustainable Computing：Informatics and Systems，2020（27）：100405.

[11]中國能源中長期發展戰略研究項目組.中國能源中長期（2030、2050）發展戰略研究.綜合卷[M].北京：科學出版社，2011.

[12]高鑫，朱建君，陳敏，等.裝配式混凝土建筑物化階段碳足跡測算模型研究[J].建筑節能，2019，47（2）：97-101.

[13]劉勝男.裝配式混凝土建筑物化階段碳足跡評價研究[D].大連：大連理工大學，2021.

[14]TUMMINIA G，GUARINO F，LONGO S，et al.Life cycle energy performances and environmental impacts of a prefabricated building module[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018（92）：272-283.

[15]BONAMENTE E，COTANA F.Carbon and energy footprints of prefabricated industrial buildings：a systematic life cycle assessment analysis[J].Energies，2015，8（11）：12685-12701.

[16]ZHANG Y，ZHENG X J，ZHANG H，et al.Carbon emission analysis of a residential building in China through life cycle assessment[J].Frontiers of Environmental Science amp; Engineering，2015，10（1）：150-158.

收稿日期：2023-05-07

作者簡介：

張艷敏（通信作者）（1998—），女，研究方向：裝配式建筑、低碳管理。

郭曦倩（1996—），女，研究方向：低碳交通。

周佳潔（1994—），女，研究方向：裝配式建筑碳減排。

白禮彪（1986—），男，教授，研究方向：工程項目管理。