鋼結構工業廠房全生命周期碳足跡評價研究

摘要：通過對鋼結構工業廠房設計、建材采購和運輸、建造施工、投產使用、拆除回收等各個環節的碳足跡特征分析，構建鋼結構工業廠房全生命周期碳足跡評價模型，并將其應用于實際工程案例。結果表明，鋼結構工業廠房在使用階段和物化階段的碳排放量占總排放量的99%，因此，這兩個階段是實現節能減排的關鍵階段。通過探索不同建筑結構形式的工業廠房碳排放量，對比分析不同建筑結構形式的工業廠房節能減排關鍵因素和階段。期望通過建立鋼結構工業廠房碳足跡核算模型，以幫助企業實現低碳轉型，并為建筑行業全生命周期的碳足跡評價研究提供參考。

關鍵詞：全生命周期；碳足跡；碳排放因子；鋼結構工業廠房

0 引言

溫室氣體的排放已導致全球氣候變暖，海平面上升，地球極端天氣災害頻發，生物多樣性受到嚴重影響。作為國民經濟的支柱產業，據IPCC 統計，全球建筑業消耗能源占總消耗的40%，其碳排放量更是占全球碳排放總量的36%^[1]，這對環境和人類健康構成巨大的威脅。為全面降低能耗與碳足跡，建筑行業亟須在良好的外部環境支持下，建立起貫穿建筑業全生命周期的全局觀，科學規劃各個環節的能耗與碳排放，實現在“雙碳”目標下建筑行業全生命周期的低碳發展。

2022年4 月1 日，隨著《建筑設計環保與可再生能源利用通行標準》的發布，對建筑物的碳足跡進行精確的評估和控制變得更加重要和嚴格。近年來，為響應國家能源相關政策，不少學者開始關注建筑業碳足跡測算，并取得了一定的成果。

李靜等^[2]結合施工定額、施工機械臺班消耗、能源及材料碳足跡因子，精準地測定了裝配式建筑三種不同類型的碳足跡，為裝配式建筑的綠色建設提供重要依據。鄭曉云等^[3]深入探討裝配式建筑的全生命周期，詳細評估每個階段碳足跡的影響程度，并且提出一系列有效的措施，以降低各階段的碳排放量。楊尚榮等^[4]通過采取綜合能耗分析法，大大降低了預制構件生產過程中的碳排放量，并且可以更好地體現企業的全面經濟效益，從而更有效地控制和減少工程項目的碳排放量。Bonamente等^[5]基于全生命周期對意大利預制建筑部門進行分析，得出影響碳足跡的重要因素，從而為評估不同設計選擇的環境性能提供方案。Tumminia等^[6]利用非穩態建筑模擬技術與生命周期評價技術，對意大利西西里地區的預制建筑模塊的可持續發展進行深入研究，并發現它們在保護自然資源的同時，也具有良好的可持續發展潛力。Aye等^[7]對預制鋼結構與木結構的復合建筑進行量化研究，旨在檢驗其在保護自然資源的同時也具有良好的可持續發展潛力。Chang等^[8]從生產力和資源的角度分析中國預制建筑的優勢和劣勢，并對中國預制建筑的發展提出建議。

綜上所述，國內外學者多利用全生命周期理論對裝配式建筑的碳足跡進行分階段研究，但對于工業建筑，尤其是鋼結構工業廠房的碳足跡測算研究較少。因此，本文通過構建可用于計算的鋼結構工業廠房全生命周期碳足跡模型，分析鋼結構工業廠房實現低碳減排的關鍵步驟，衡量其對環境的影響，可為工業廠房投資決策提供參考。

1 全生命周期碳足跡評價模型

生命周期評價（以下簡稱“LCA”）旨在評價一種物質的全生命周期，以及它如何通過采購、制造、銷售、維護等過程，減少或避免給周圍自然環境帶來的不利影響。

建筑物的碳排放是由多種因素造成的，其中包括二氧化碳、甲烷和氧化亞氮。國際能源署通過對這些因素的定量分析來確定建筑物的碳排放量^[9]。

研究人員已經開發出3種常見的方法來評估建筑的碳足跡，即實驗法、物料平衡法、碳足跡系數法。這些方法已經被廣泛應用到各個領域。例如，劉珊^[10]提出一種基于BIM 的裝配式住宅物理過程中的碳足跡評估方法，該方法擁有一個完整的參數庫、基本信息庫和清單庫。

通過對鋼結構工業廠房的設計、物化、使用、拆除回收4個生產階段的綜合評估，可以準確地估算出其在不同階段的碳排放量。建筑全生命周期碳排放進程如圖1所示。建筑全生命周期碳足跡計算公式如下

E=E₁+E₂+E₃+E₄ """（1）

式中，E為建筑全生命周期碳排放量（kgCO_2eq）；E₁為設計階段碳排放量（kgCO_2eq）；E₂為物化階段碳排放量（kgCO_2eq）；E₃為使用階段碳排放量（kgCO_2eq）；E₄為拆除回收階段碳排放量（kgCO_2eq）。

1.1 設計階段

設計階段的碳排放量主要體現在設計過程中所消耗能源和設計人員產生的總碳排放量。通常設計單位使用辦公室電腦進行圖樣設計，辦公照明、空調能源消耗造成的碳排放量為設計階段的主要碳排放量，公式如下

式中，P_i 為第i 種能源的月平均消耗量（kW·h）；M表示使用時間（月）；Q_i為第i 種能源碳足跡因子（kgCO_2eq/kW·h）；Q_r為人工消耗量（工日）；F_r為人工碳足跡因子（kgCO_2eq/工日）。

1.2 物化階段

建筑物化階段碳排放量可具體分為建材生產階段碳排放量、建材運輸階段碳排放量及建造施工階段的碳排放量。物化階段碳排放量計算公式如下

E₂=E₂₁+E₂₂+E₂₃ """"（3）

式中，E₂為物化階段碳排放總量（kgCO_2eq）；E₂₁、E₂₂、E₂₃分別為建材生產、建材運輸、建造施工階段碳排放量。

1.2.1 建材生產階段

建材生產階段的碳排放量可根據材料消耗量與相應的材料碳足跡因子進行測算，公式如下

式中，P_i為第i種材料消耗量（kg）；Q_i為i種材料碳足跡因子（kgCO_2eq/單位材料消耗量）。

1.2.2 建材運輸階段

運輸過程碳排放量主要的是將建材、設備機械等固體物資運送至施工現場所產生的，運輸過程產生的碳排放量主要與材料重量、運輸方式和運輸距離等因素有關。本文選用公路運輸作為材料的運輸方式，車輛燃料為柴油，且只考慮建材運到現場的碳排放量，不考慮運輸返回的碳排放量。公式如下

式中，M_i為第i種材料的重量（kg）；D_i為第i種材料運輸的距離（km）；E_i為每千米柴油消耗數量（L/km）；Q_i為柴油碳足跡因子（kgCO₂/L）。

1.2.3 建造施工階段

鋼結構工業廠房的施工階段碳排放量主要包括鋼結構安裝過程中由施工機械運行和人員在勞作期間所產生的碳排放量。施工階段碳排放量，公式如下

式中，E₂₃為施工過程機械運行和人員勞作期間所產生的碳排放總量（kgCO_2eq）；E_23a為施工階段施工機械運行所產生的碳排放量（kgCO_2eq）；E_23b表為施工階段人工消耗產生的碳排放（kgCO₂）；Q_i為第i種施工機械碳足跡因子（kgCO_2eq/單位）；P_i為第i種機械每臺班所消耗能源量（kgCO_2eq）；R_i為第i 種施工機械臺班數（班）；Q_r為人工消耗量（工日）；F_r為人工碳足跡因子（kgCO₂/工日）。

1.3 使用階段

鋼結構工業廠房使用階段的碳排放量主要涉及設備、照明等方面的能源消耗造成的溫室氣體排放量，相對于鋼結構制造廠房，照明所用電量可以忽略不計，本文使用階段碳排放量只考慮廠房機械設備用電消耗產生的溫室氣體排放量，計算公式如下

E₃=E_hea×EF×N""" （9）

式中，E₃為使用階段碳排放量（kgCO_2eq）；E_hea為鋼結構制造廠房年能耗量（kW·h）；EF為電力碳足跡因子（kgCO_2eq/kW·h）；N為廠房設計年限。

1.4 拆除回收階段

拆除階段的碳排放量包括建筑拆除、拆卸物運輸以及回收過程中所產生的碳排放量。建筑廢棄物不會詳細分類直接裝車運輸填埋處理，而對于這部分的碳排放量只需計算建筑垃圾的運輸能源消耗碳量。根據已有文獻的統計，沒有具體數值時可按建材的80%進行估算。本文拆除階段的碳排放量按建材運輸和建造施工的80%進行簡單估算^[11]。計算公式為

E₄=E₂₂×80%+E₂₃×80%""" （10）

2 案例分析

2.1 項目介紹

吉安市鼎欣鋼結構工業廠房項目位于江西省吉安市吉安縣高新區鳳凰園區，擬布置5條鋼結構生產線，2條鋁合金門窗生產線和1條幕墻生產線，達到年產8萬t鋼結構，20萬m²鋁合金門窗，6萬m²幕墻。其中，工程新建2座鋼結構工業廠房：1號廠房共1層，建筑面積59 834.88m²，高21.65m；2號廠房共4層，建筑面積21 158.51m²，高21.15m。均采用裝配整體式鋼框架結構，樓面及屋面結構采用現澆組合樓蓋結構體系，采用獨立基礎或樁基礎形式，結構安全等級為二級，抗震設防烈度為6度，抗震設防類別為丙類，結構設計使用年限為50 年。

本次研究只考慮了鋼結構工業廠房土建基礎、金屬結構工程的空間分隔功能，不包括進一步的美觀、舒適和經濟性，因此，墻面、地面、門窗等裝飾工程、末端設備及廠房機械設備均未包含在碳足跡核算范圍之內。

2.2 碳足跡因子的選取

碳足跡因子是指消耗單位能源所產生的碳排放量。對于能源碳足跡因子的測定，不同機構的數據來源、實驗條件和選用的測定方法，得到的數據結果有差異。國內學者通常引用《2006年IPCC國家溫室氣體清單編制指南》和四川大學研發的億科Ebalance 數據庫CLCD，在鋼結構工業廠房全生命周期中，碳足跡因素包括建筑材料、運輸方式、電力能源和人工四大類。本文的碳足跡因子采用黃秋蘭^[12]的研究成果。

2.2.1 建材碳足跡因子

案例中鋼結構工業廠房的常用材料包括鋼筋、混凝土、鋼材、水泥、砂、汽油、柴油、油漆、涂料、模板及防水卷材等，碳足跡因子從文獻中獲取。

2.2.2 運輸方式碳足跡因子

各類運輸方式的碳足跡因子見表1。

2.2.3 電力碳足跡因子

電力能源在生產過程會產生碳足跡，電力碳足跡因子等于生產每單位電力所產生的碳排放量。我國地域遼闊，不同省市的各種電力占比不完全相同，本文選取華中區域電網電力排放因子作為碳足跡核算數據。電力碳排放因子見表2。

2.2.4 人工碳足跡因子

在整個鋼結構工業廠房的建設過程中，人工是必不可少的。主要將居民生活能源消費碳排放量折算為每工日人工碳排放量，中國人均碳排放量為2203～2333kg/年，取平均值 2268kg/年，從而得到人工碳足跡因子，為2.07kg CO_2eq/人·工日^［12］。

2.3 全生命周期碳足跡核算

2.3.1 設計階段碳足跡核算

本項目為EPC總承包項目，設計周期為3個月，設計人員為10人，辦公室照明、空調用電每月約200kW·h，根據式（2）計算設計階段碳排放量，即

E₁=0.6671×3×200+10×30×2.07=1021（kg）

2.3.2 物化階段碳足跡核算

（1）建材生產階段。選取主要建材作為核算的對象，進行列表計算，計算得到建材生產的碳排放量為E₂₁=18 023 680kg，主要建材碳排放量見表3。

（2）建材運輸階段。主要考慮從建材產地到施工現場的運輸工具的碳排放量，本工程的運輸方式主要是公路運輸。根據已有數據估算，以10t 的柴油車為例，耗油量約為40L/100km，用需要運輸的建材及機械設備的噸位數估計出運輸次數，根據式（5）計算如下

1）鋼筋、砂、水泥（除型鋼）等每輛柴油車運10t，平均運距取30km，即

18680÷10×2×30÷100×40×0.1168=5236.378（kg）

2）大型型鋼等每輛柴油車運20t，平均運距取5km，即

4411.641÷20×2×5÷100×40×0.1168=103.056（kg）

3）混凝土運輸車每一車15m³，平均運距取20km，即

17178.597÷15×2×20÷100×40×0.1168=214.11（kg）

4）混凝土砌塊每車運輸20m³，平均運距取30km，即

203.051÷20×2×30÷100×40×0.1168=28.460（kg）

5）合計建材運輸碳排放總量E₂₂=5582.008kg

（3）建造施工階段。本工程主要機械為裝機施工和吊裝施工兩大類，可通過《全國統一施工機械臺班費用定額》對現場各施工機械耗能情況進行統計，計算出各機械臺班的碳足跡放因子，作為碳核算的基礎數據。機械臺班（kgCO_2eq/kg）碳足跡因子計算方法示例見表4。

基于本工程新建的兩座鋼結構工業廠房的機械臺班數和人工工日，根據定額表計算得到建造施工階段碳排放量E₂₃=54 171kg。

（4）本工程物化階段碳排放總量E₂=18 023.68+5.582+54.171=18 083 433kg。

2.3.3 使用階段碳足跡核算

本工程使用階段的碳排放量主要由鋼結構工業廠房各條生產線用電產生的溫室氣體排放量構成，擬布置5條鋼結構生產線、兩條鋁合金門窗生產線及一條幕墻生產線，產能為一期的2倍，可以根據一期的生產線用電情況推算出本工程使用階段的年度總用電量，一期廠房年用電量約為82萬kW·h，設計使用年限為50年，則本工程使用階段碳排放量，公式如下

E₃=820000×2×0.6671×50=54702200（kg）

2.3.4 拆除回收階段碳足跡核算

根據式（10）計算得到本工程拆除回收階段碳排放量，即

E₄=5.582×80%+54.171×80%=47802（kg）

2.4 總結與分析

經過計算，整個鋼結構工業廠房碳排放總量E=72834 456kg。通過各階段的碳排放量占總碳排放量的比重（表5），可以看出鋼結構工業廠房全生命周期碳排放主要集中在使用階段，占總排放量的75.11%，其次是物化階段，占總排放量的24.83%，且使用階段的碳排放量約為物化階段的3倍。因此，使用階段和物化階段應作為減排的關鍵階段。

3 結語

通過對鋼結構工業廠房工程的各階段進行碳足跡特征分析，建立了一種新的全生命周期碳足跡評價模型，并以吉安市鼎欣鋼結構工業廠房項目為例進行碳足跡核算，得到以下三點結論：

（1）使用階段和物化階段的碳排放量可占總碳排放量的99%，因此，這兩個階段是進行節能減排的關鍵階段。

（2）物化階段碳足跡主要集中體現在建筑材料生產階段，尤其是大中型鋼材、鋼筋的生產，后續可以研究生產工藝對碳足跡的影響，尋求更加環保的建筑材料來降低生產階段的碳排放量。

（3）后期可以探索核算不同建筑結構形式的工業廠房碳排放量，對比分析不同建筑結構形式的工業廠房節能減排的關鍵因素和重點階段，為企業工業廠房選型提供參考。

本研究仍存在一些局限性，例如，未考慮到土地資源、末端設備、地面墻面裝飾工程等消耗，在今后的研究中將過程和清單數據補充完整，以期通過建立的一個鋼結構工業廠房碳足跡核算模型，來幫助企業實現低碳轉型，并為建筑行業全生命周期的碳足跡評價研究提供參考。

參考文獻

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[12]黃秋蘭. 基于LCA的裝配式建筑碳排放測算與減排策略研究[D]. 廣州：廣東工業大學， 2022.

收稿日期：2023-08-22

作者簡介：

李貴（通信作者）（1988—），男，工程師，一級建造師，研究方向：工程管理、低碳管理。

梅益（1974—），男，教授，博士，研究方向：智能制造工藝及設備、制造業信息化、數值模擬技術。