裝配式建筑運行與拆除階段碳足跡測算分析
——以新疆昌吉綠色裝配式農房為例

劉思崢

（河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000）

0 引言

建筑碳足跡測算得到國內外學者和技術工作者的廣泛關注。Su-Hyun等[1]將傳統建筑與低碳建筑進行碳足跡比較分析；孟凡鑫等[2]基于全壽命周期視角，構建了完整的城市碳足跡核算框架及方法學模型，并以深圳市為例進行實證研究；Liu和Gu等[3]基于過程法對預制構件制造過程進行碳排放評估，并以預制混凝土內墻板為例，進行碳源識別與量化研究；Li和Lai等[4]將BIM技術與碳排放系數法相結合，構建裝配式混凝土（PC）建筑物化階段碳足跡測算模型。這些基于全壽命周期理論及碳排放系數法對建筑碳足跡開展測算的工作成果已得到廣泛的認可。而毛超、趙領娣、崔鵬等學者采用數據庫技術、DnAR-N維增強現實模型、CPS系統、樣本燃燒實驗等方法[5-7]對能源及建筑材料碳排放因子進行的測算，為本文測算裝配式建筑運行與拆除階段碳足跡提供了科學的方法和豐富的數據。

1 系統邊界設定

裝配式建筑運行與拆除階段都存在碳足跡，為了提高研究結果的可靠度，須對兩個階段的研究邊界進行設定。

（1）運行階段：運行期內維持采暖、制冷、通風、照明等各項功能正常運轉以及必要的設備維護、修理、替換等所消耗能源產生的碳排放。

（2）拆除回收階段：達到設計使用年限后，建筑物拆除過程中人力、機械、車輛等消耗能源產生的碳排放以及建筑垃圾填埋處置過程中能源消耗產生的碳排放和資源化處理過程中再生產品產生的碳抵消。

（3）系統邊界設定結果：綠色裝配式農房系統邊界具體如圖1所示，本文將依據裝配式農房項目各階段碳排放計量結果累計計算其全壽命周期碳排放總量。

圖1 綠色裝配式農房系統邊界

2 測算模型的構建

2.1 運行使用階段

在建筑全壽命周期中，運行階段持續時間最長，碳排放來源眾多，包含農房投入使用后日常照明、采暖、制冷、燃氣等多種設備運行所消耗的化石能源及二次能源。該項目處于交付運營初期，各項設備系統運行情況良好，在對項目各個設備系統消耗進行監測的基礎上，采用DeST-H能耗模擬軟件進行建筑節能參數修訂，并對環境氣候條件等進行設置，通過能耗模擬分析，計算農房運行階段各類能耗負荷統計數據。該農房項目的運行使用階段碳足跡測算公式表示為：

式中：C2——裝配式綠色農房運行使用階段碳排放量，kgCO2eq；

Qv——農房運行階段第v種能源年消耗量，kWh；

Fv——第v種能源的碳排放因子，kgCO2eq/kWh，

Y——農房使用年限，a。

2.2 拆除回收階段

當前，我國裝配式農房尚處于推廣階段，可參考的回收案例以及對案例的研究均較少，拆除處置過程中碳排放和能源消耗數據較為匱乏。基于對日本AIJ-LCA及我國已有相關文獻研究[9-11]，以物化階段碳排放總量的10%作為拆除施工過程中機械、人力等消耗產生的碳排放總量；項目拆除后產生的建筑廢棄物，無法回收使用的部分將轉運至當地指定建筑垃圾處理地點進行填埋等方式處理；可進行資源化處理的部分建筑廢棄物，在固廢回收生產再生產品過程中產生的溫室氣體，將在本階段進行碳抵消。該農房項目的拆除回收階段碳足跡測算公式為：

式中：C3——裝配式綠色農房拆除回收階段碳排放量，kgCO2eq；

C1——裝配式綠色農房物化階段碳排放量，kgCO2eq；

Mt——運輸建筑廢棄物車輛每百公里燃料能源消耗量，kg；

Lt——建材廢棄物運輸距離，km；

Fk——第k種能源碳排放因子，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——建材可回收系數；

Fr——可回收建材再生產過程碳排放因子，kgCO2eq/t。

3 案例項目碳足跡計算分析

3.1 運行階段碳足跡計算

昌吉州裝配式農房項目設計使用年限為50年，年限到期后經相關部門鑒定無質量安全問題，仍可居住使用。對于地廣人稀的西北農牧地區而言，市政熱水管網系統和天然氣管道系統難以全面覆蓋，不具備普適性。因此本研究重點從電能、生活用水兩方面對裝配式綠色農房項目運行階段進行負荷分析，經實地能耗監測，根據昌吉州政府部門規定，該州空調制冷期為當年7月1日至9月1日，供暖期為當年10月10日至次年4月10日。參照《新疆維吾爾自治區民用建筑供熱節能辦法》和《農村居住建筑節能設計標準》（GB/T 50824-2013），將農房夏季室內溫度設置為26℃，冬季設置為20℃。農房運行特征如表1所示。

表1 農房運行特征

依據項目各層平面布置圖，根據不同功能區域的劃分進行人員、照明、設備、熱擾作息等參數設置，構建DeSTH能耗分析模型，如圖2所示。

圖2 DeST-H建筑模型圖

住宅建筑中居民生活用水是水資源消耗的主要來源。對于農村住宅而言，生活用水主要用于維持日常生活需求以及畜牧養殖等。考慮到我國中西部地區相較于東部沿海地區普遍存在干旱缺水的自然現象，經統計該農房每月人均用水量為4.8m3，家庭成員設定為5人，因此農房全年平均用水量約為288m3；對農房電能消耗系統的分析包含空調系統、照明系統、給排水系統、采暖通風系統。該農房運行階段能源消耗碳足跡測算如表2所示。

表2 運行階段能源消耗碳排放量

3.2 拆除回收階段碳足跡計算

依據綠色裝配式農房項目物化階段所使用的建材種類、數量及昌吉州當地對建筑垃圾的處置方法，僅針對項目鋼材進行回收處理，鋼材的建筑回收系數設定為0.4；其余不可回收建材運送至當地指定建筑垃圾處理廠進行科學填埋處理，根據現場記錄顯示，項目所在地至建筑垃圾處理廠平均運輸距離為86km，全程采用輕型柴油貨車（載重2t）。該農房拆除回收階段碳足跡測算見表3。

表3 拆除回收階段碳排放量計算表

4 測算結果與討論

由項目運行和拆除兩個階段碳排放測算結果可知，運行使用階段碳足跡總量為704.61tco2eq，占總量的54.63%；拆除回收階段碳足跡總量為54.09 tco2eq，占總量的4.20%。按照設計年限為50年計算，該項目年均單位面積碳足跡總量為0.139tco2eq/m2。約為傳統農房全壽命周期碳足跡總量的24%[8]，考慮建筑材料相似性，較傳統混凝土住宅單位面積年均碳足跡對比如圖3所示。

圖3 不同建筑結構碳足跡對比圖

通過對比分析，結合案例項目全壽命周期各階段的碳足跡測算可知：

（1）項目運行使用階段碳排放總量為704.61 tco2eq。經分析，該農房在運行期間空調的采暖通風系統是最主要的碳排放源，碳排放量為210.83 tco2eq，圍護結構的綠色節能設計仍是當前碳控減排的重點，照明系統是僅次于采暖通風系統的碳排放源，碳排放量為189.97 tco2eq，合理設計窗墻比以及使用節能燈具，可有效減少能源消耗，降低建筑運行碳排放。

（2）項目拆除回收階段碳排放量占比僅為54.09 tco2eq，其主要原因是項目拆除處置過程中存在回收利用價值的鋼材進行資源化處理。因此，拆除回收階段應充分考慮構件、鋼材等建材的回收利用，科學設計拆除方案及回收方式。

5 結束語

本文對新疆昌吉綠色裝配式農房運行階段、拆除回收階段的碳排放足跡進行測算，結果顯示：該綠色裝配式農房單位面積年均碳足跡總量為0.139tco2eq/m2，約為傳統農房全壽命周期碳足跡總量的24%，碳排減量顯著；運行使用階段碳足跡排放量最大，綠色節能設計及建造方式對建筑物碳排總量影響顯著；拆除回收階段碳足跡占排放總量的比例較小，建筑垃圾資源化利用產生的“碳抵消”效果明顯，產業鏈閉環發展是建筑業碳控減排的有效手段。該研究結論對我國西部地區村鎮住房建造方式改革具有重要的現實意義，也為建筑企業響應“雙碳”目標提供了可靠的案例分析與數據依據。