再生混凝土绿色建筑碳排放评价及灰色参数敏感性分析

2020-08-03徐金俊乌忱昊

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2020年3期

徐金俊，乌忱昊，王浩,陈杰

(1.南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211816； 2. 西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室，陕西西安，7100553.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏南京 210096； 4.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 211189;5.南京富源资源利用有限公司，江苏南京，210034)

二氧化碳(CO2)作为主要的温室气体，对环境影响尤为显著.中国是CO2排放大国之一，降低CO2排放对我国生态文明建设具有重要意义.据统计，建筑行业消耗了全球40%的能源，由此产生的CO2占全球碳排放量的36%[1]，因此减少建筑行业的碳排放对于减少全球碳排放总量的效果将会十分明显.

为了节约天然骨料和减少建筑垃圾的环境破坏，再生混凝土(RAC)已被广泛应用于建筑行业[2].相比于普通混凝土，再生混凝土体现了建筑绿色化、低碳化的发展模式.再生混凝土通过综合利用废弃混凝土的方式最大程度地降低能源消耗和温室气体的排放，且其构件的力学性能、耐火性能与抗震性能与普通混凝土基本相当[3-4].就生产环节而言，再生骨料混凝土不同于天然骨料混凝土之处在于再生骨料就地破碎或就近破碎后再利用，而天然骨料主要来源于距离城市较远的矿山地区，需破山取石后运输至建设场区，开采和运输过程都会消耗大量的能源，并排放大量的CO2.

建筑领域涉及的碳排放环节众多，国内外学者普遍采用生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)的方法来研究建筑能耗和碳排放之间的关系.在过去30年中，LCA已逐步发展为一种可量化、评估、比较产品的潜在环境影响和生命周期经济可行性的强有力的方法论,我国先后出台了GB/T 24040系列环境管理和生命周期评价标准、《省级温室气体清单编制指南》等生命周期温室气体排放计算指导方法.然而目前已有的研究成果和标准在清单分析和条件假设上差别较大，缺乏统一的计算模型和评价方法，且现有的评价过程对建筑使用阶段的讨论较多，而对建筑生命周期中使用阶段以外部分的计算和研究则较为匮乏[5].

影响再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放量的因素较多，评价标准不仅需体现在总量上，更需在影响总量的敏感程度上.邓氏灰色关联理论提供了一种便捷的途径去评价这类因素的敏感性，其评价过程为灰色关联分析(Grey Correlation Analysis，GCA).基于此，联合运用LCA和GCA评价模式对再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放进行量化分析和敏感性分析，并以南京工业大学拟建再生混凝土建筑为案例进行关键参数的建模计算，该案例可为类似再生混凝土绿色建筑综合设计提供借鉴和依据.

1 生命周期碳排放计算模型与灰色系统理论

1.1 生命周期碳排放计算模型

1.1.1 计算边界与基础数据

建筑的生命周期是建筑从材料成型到完成服役拆除后的整个周期.一般而言，建筑包含不止一种建筑材料，每种材料都有其对应的生产工艺、制备方式、施工方法.在建筑生命周期评价中，需确立相应的计算边界.规定计算边界由建筑原材料生产阶段、原材料运输阶段、成品或构件制备加工阶段、成品或构件运输阶段、施工安装阶段、建筑运营阶段、拆解回收阶段这7个阶段组成，见图1.

功能单位是生命周期评价体系中衡量产品输入输出的量度[6].为确保不同建材之间具有可比性，且不因消耗量、施工量等因素的改变对碳排放计算造成影响，应选取相同单位(如体积、质量)且具有相同工作性能的材料作为评价的功能单位.

根据生命周期计算边界的划分，每个阶段能源消耗量(主要针对煤、电力、油耗等能源)的数据选用基于国际或我国相关单位的统计数据，主要能源的碳排放因子清单见表1.

图1 生命周期碳排放计算阶段 Fig.1 Whole life cycle carbon emission calculation stage

表1 主要能源碳排放因子

根据上述碳排放计算边界的界定，确定功能单位的建筑材料生命周期碳排放计算公式为

ELC=ESC+EYS1+EZB+EYS2+ESG+EYY+ECJ

(1)

式中，ELC为建筑生命周期碳排放量2；ESC为建筑原材料生产阶段碳排放量；EYS1为建筑原材料运输阶段碳排放量；EZB为成品或构件制备加工阶段碳排放量2；EYS2为成品或构件运输阶段碳排放量；EYY为建筑运营阶段单位碳排放量；ESG为施工安装阶段单位碳排放量；ECJ为拆解阶段单位碳排放量.(单位：kgCO2).

1.1.2 原材料生产阶段碳排放量

原材料生产阶段碳排放量指的是建筑中各部位使用的建筑材料在生产过程中所需投入的各种原材料在其获取、制备、加工等过程中产生的碳排放量的累积.例如，混凝土材料生产阶段需考虑水泥、细骨料、粗骨料生产全过程的碳排放量.通过查阅采购清单、施工图纸等工程建设技术资料可确定建筑中各部位使用的建筑材料的基础数据、种类及用量.若工程中建筑材料选取繁多，根据文献[11]的建议，选取占总建材质量80%以上且具有代表性的建材进行计算，其它材料忽略不计.

根据表1所示的主要能源碳排放清单，可计算每种建筑材料在原材料生产阶段的碳排放因子，其表达式为

(2)

式中，aij为第i类原材料生产过程中第j类能源消耗量，其单位需结合表1视能源种类而定；kj为第j类能源碳排放因子；mj为功能单位建筑材料第j类原材料使用量，单位：t.

1.1.3 原材料运输阶段碳排放量

目前，计算运输阶段碳排放的方法主要采用运输距离法或运输油耗法[12].由于在远距离运输时运输总耗油量较难统计，行业内一般运用运输距离法计算运输阶段的碳排放量.建材产品的运输方式一般为公路运输，主要能源消耗为柴油或汽油消耗.根据《建筑碳排放计量标准》[9]，该阶段碳排放量计算式为

(3)

式中:zgi为运输第i类原材料交通工具平均载重量，单位：t；li为第i类原材料运输距离，单位：km；qi为运输第i类原材料交通工具单位耗油量，单位：L/km；ky为柴油碳排放因子.

1.1.4 成品或构件加工阶段碳排放量

成品或构件加工阶段碳排放量指的是原材料运输至加工厂后，经过一系列工序形成建筑部品过程中的碳排放量.例如，混凝土在搅拌站按照配合比进行搅拌形成商品混凝土过程的碳排放量、粗钢在钢构件加工厂进行焊接、铸造、冲压等工艺形成型钢的碳排放量，相应的计算式为

(4)

式中，bj为功能单位成品或构件加工过程阶段第j类能源消耗量，其单位需结合表1视能源种类而定.

1.1.5 成品或构件运输阶段碳排放量

成品或构件运输阶段碳排放量指的是将成品或构件从加工厂运输到施工现场的碳排放量，计算方法与1.1.3类似，表达式为

(5)

式中:M为功能单位建筑材料的质量，单位：t；zg为运输成品或构件的交通工具的平均载重量，单位：t；l为成品或构件的运输距离，单位：km；q为运输成品或构件的交通工具单位耗油量，单位：L/km.

1.1.6 施工安装阶段碳排放量

施工安装阶段的碳排放量指的是各种建筑材料成品或构件在现场进行安装施工的建设活动，直到建筑主体结构竣工这一阶段的碳排放量，相应的范围包括施工机器设备的能源消耗、辅助材料的使用、各建筑材料在施工中的损耗、现场人员办公等.若该阶段使用机械设备繁多，可仅计算占总使用时间或台班80%以上的机械设备.施工安装阶段的碳排放可归纳为因消耗油和电力等主要能源而产生碳排放量[20].这一阶段可通过仪表检测各项活动水平数据，或按照下式进行估算

(6)

式中:Pdi为第i种施工机具的电功率，单位：kW；Pyi为第i种施工机具每台班平均耗油量，单位：L/台班；tdi为第i种施工机具的使用时长，单位：h；tyi为第i种施工机具的运行台班次，单位：次；ndi；nyi为第i种施工机具的数量，单位：台；kd为电力碳排放因子.

1.1.7 建筑运营阶段碳排放量

建筑物在服役期间，其能量和物质的输入强度并不高，但耗时较长，一般认为这一阶段占总生命周期的80%-90%.该阶段的碳排放主要来源于两部分，一是因用户使用照明负荷、通风空调、供水排水等设备产生的能源碳排放量；二是因材料构件更替进行维护更新而产生的碳排放量.

目前计算运营阶段碳排放的方法主要采用清单统计法或信息模型法.对于已投入运营的建筑，可采用清单统计法计算建筑在该阶段的碳排放量，而对于尚未投入使用的建筑，可采用基于建筑-环境耦合的动态仿真技术的信息模型法.对于文中讨论的建筑案例，暂不讨论建筑材料与构件维护更新所产生的碳排放.

本文通过利用基于建筑热环境及HVAC系统模拟平台DeST (Design’s Simulation Toolkit)对再生混凝土绿色建筑进行仿真分析，获取建筑在运营阶段年均各项主要能源的消耗量，在此基础上乘以各自对应的碳排放因子便可获得该阶段的碳排放量.

1.1.8 拆解阶段碳排放量

拆解阶段碳排放量指的是建筑达到其设计或使用年限后包括拆除建筑和回收废弃建筑材料等过程的碳排放量.由于再生混凝土等绿色建材尚未有二次回收利用的案例，本研究只考虑拆除建筑所产生的碳排放.

对于不同的建筑，相应的结构和结构材料，拆除时使用的机器设备各不相同，这一阶段的碳排放量很难精确计算.根据文献[19]的建议，估算本阶段碳排放量为施工安装阶段的90%，即

ECJ=0.9ESG

(7)

1.2 邓氏灰色关联敏感性模型

邓氏灰色关联理论是一种利用灰色关联度顺序来描述各因素之间关系的强弱次序的一种动态统计分析方法[13，28]，其基本思想是用数学的方法来研究各因素间的几何对应关系，通过灰色关联度度量系统中的某一主要变量和其余变量中的不确定程度.其优势在于在小样本数据中也可以准确度量序列中的逼近关系、在变异度大的样本中也可以定量定性的确定因素间的对应关系，是一种动态的量化分析方法.

邓氏灰色关联分析包含以下5个基本步骤：(1) 确定分析的序列矩阵； (2)对变量序列进行无量纲化；(3)求差序列、最大差和最小差； (4)计算关联系数； (5)计算关联度.各步骤具体的计算公式见文献[28].邓氏灰色关联理论在生物统计、农业、工程等领域有较为广泛，鉴于建筑生命周期碳排放评价的多因素性、样本容量不确定性、多变性，用该方法对生命周期碳排放变量进行内在规律探寻是合理、可行的.

2 拟建再生混凝土绿色建筑概况

拟建工程毗邻江苏南京市浦口区南京工业大学江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室，该建筑主要功能为配合实验室管理人员办公与中小型试验设备的放置.本工程主要采用钢、竹、再生混凝土绿色环保型建筑材料建造该建筑结构，共两层，总建筑面积为248.7 m2，设计使用年限25年，其中竹构件采用我国学者肖岩研发的胶合竹材[14-17]；再生混凝土中再生骨料是以试验室废弃混凝土构件经破碎后形成的再生粗骨料进行就地利用，并以一定的质量取代率替换天然粗骨料，也即再生骨料取代率.表2列出了拟建绿色建筑的基础数据，包含主要建材的功能单位及原产地至目的地的实际距离.图2为拟建再生混凝土绿色建筑的效果图，其中一层为钢框架结构，二层为竹框架结构(包括竹屋盖、竹梁柱、竹墙板)，一二层之间楼面板采用钢-竹-再生混凝土组合板，一层外墙围护采用390 mm×190 mm×190 mm再生混凝土空心砌块.拟建再生混凝土楼板设计强度为C30，再生混凝土空心砌块抗压强度MU7.0.

由于本工程中所需钢材和竹基材料的用量已被确定，唯一对碳排放过程产生较大波动的是再生混凝土配合比设计(包括再生混凝土有效水灰比、再生粗骨料取代率、骨料运输距离).确定这三者的合理用量以及实际采购的天然骨料产地，就能明确拟建绿色建筑生命周期的碳排放量.以下主要针对该实际工程开展有关再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放量的讨论，并给出优化设计建议.

表2 主要建筑材料使用基础数据

图2 拟建再生混凝土建筑工程效果图Fig.2 Renderings of the recycled aggregate concrete green building

3 碳排放参数化影响及敏感性分析

3.1 计算参数的选定

灰色关联分析需确定目标参数和关键参数，在此基础上变动关键参数并计算相应的物理量，根据各关键参数在单位变化幅度下目标参数的变化幅度，以确定不同参数的敏感程度[22-23].针对本文讨论的绿色建筑工程，选定该建筑生命周期碳排放量为目标参数，研究其对再生混凝土有效水灰比(也即再生混凝土强度)、再生粗骨料取代率、运输距离这3个关键参数的灰色关联度，其中再生混凝土有效水灰比取值为0.37、0.41、0.45、0.58，再生粗骨料取代率取为0%、20%、40%、50%、60%、80%、100%，运输距离按近距离(1 080 km)、中距离(1 976 km)、远距离(2 820 km)来分，分别对应安徽合肥(水泥)、江苏无锡(天然粗骨料)、江苏扬州(再生粗骨料)、江西吉安(细骨料)至南京浦口；江西南昌(水泥)、安徽合肥(天然粗骨料)、江苏苏州(再生粗骨料)、江西吉安(细骨料)至南京浦口；湖北武汉(水泥)、湖北武汉(天然粗骨料)、湖南长沙(再生粗骨料)、重庆(细骨料)至南京浦口.根据不同参数数值之间的组合，总共对84种工况进行了生命周期碳排放量的计算，下面分别对各变化参数对再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放量的影响进行评估.

3.2 再生混凝土有效水灰比的影响

图3为再生混凝土有效水灰比对再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放量的影响.由图3可见，随着混凝土有效水灰比的增加，再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放量呈下降趋势，且下降幅度随着水灰比的增加略有减小；水灰比小于0.45时，总碳排放量与水灰比之间近似为线性关系；水灰比大于0.45时，总碳排放量与水灰比之间显现出一些非线性特征.此类变化现象的本质在于增加水灰比(降低混凝土强度)直接引起水泥用量的减少和砂率的上升.在混凝土原材料生产阶段碳排放中水泥占的比重最大(每生产1 t水泥约产生539 kg CO2)，而细骨料占的比重很小(每生产1 t细骨料约产生4 kg CO2)，因此水灰比的增大意味着细骨料用量增加同时水泥用量减少，进而导致生产阶段的碳排放量减少.此外，考虑到各部分比重的变化虽然对运输距离不产生影响，但各部分的运输量已经发生改变，相应运输阶段的碳排放量必定有所不同.一般来说，水泥厂距离施工地点不会太远，但采砂场距施工地点较为遥远(南京地区主要采用河砂，相应的采砂场大多分布于我国中部地区)，所以细骨料用量的增大对运输阶段碳排放量是正贡献.运输阶段的碳排放量与生产阶段的碳排放量相比减小约一个数量级，因此原材料生产阶段碳排放量对再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放量具有决定性作用，其中的关键则在于水灰比.

图3 再生混凝土有效水灰比对碳排放量的影响Fig.3 Influence of designed water-to-cement ratio of recycled aggregate concrete on carbon emission

3.3 再生粗骨料取代率的影响

图4为再生粗骨料取代率对再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放量的影响.由图4可见，对于不同的有效水灰比，当运输距离相同时，不同再生粗骨料取代率下的绿色建筑碳排放量变化趋势近似为线性关系；在相同水灰比和相同运输距离的条件下，随着取代率的增加，碳排放量线性减小.上述现象的原因在于再生粗骨料取代率的增加，导致再生粗骨料用量增加而天然粗骨料用量相应地减少，在原材料生产阶段，生产同等质量的再生粗骨料所产生的CO2比生产等量的天然粗骨料少；另一方面，再生粗骨料一般是以当地废弃混凝土就地破碎而得，其运输距离远远小于天然骨料生产地至混凝土制备地之间的距离，因此运输阶段再生粗骨料产生的碳排放量比天然粗骨料要少.

图4 再生粗骨料取代率对碳排放量的影响Fig.4 Influence of RCA replacement ratio on carbon emission

3.4 运输距离的影响

此处运输距离主要包括混凝土和再生混凝土空心砌块的运输距离以及骨料的运输距离.图5为运输距离对再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放量的影响.由图5可见，随着运输距离的增加，碳排放量呈直线上升趋势.此类现象的原因在于运输距离的增加直接带来了运输过程耗油量的增加，燃油燃烧的碳排放也是建筑物生命周期碳排放的主要部分.假定原材料的运输车辆为五常工程车，商品混凝土的运输车为一般规格的混凝土搅拌车.五常工程车与混凝土搅拌车的单位公里油耗量不同，但商品混凝土公司距离施工现场都不远(约在150 km以内)，因此商品混凝土公司位置变化所带来的运输碳排放量的变化不是很大；相比于混凝土的运输，混凝土骨料产地不同所引起的运输距离变化是很大的(一般可达数百公里)，而这部分运输距离的变化全部由五常工程车承担，因其单位距离所带来的碳排放量显然是固定的，所以骨料的运输距离对总的碳排放量影响十分显著.

由图5还可见，不同工况下的运输距离-碳排放量曲线大致可按再生混凝土有效水灰比分为4个梯度，处于相同梯度的混凝土有效水灰比一致但再生粗骨料取代率不同；梯度之间的距离反映了碳排放量的差距，相同梯度的曲线碳排放量的差距远不及梯度之间碳排放量的差距大，这说明了改变水灰比所引起的碳排放量变化要远大于改变再生粗骨料取代率所带来的碳排放量变化，后文将运用灰色关联度理论进一步说明这一发现.

图5 再生混凝土运输距离对碳排放量影响Fig.5 Influence of transportation distance of recycled aggregate concrete on carbon emissions

3.5 参数敏感性评价

根据邓氏灰色关联度理论，邓氏关联系数的大小反映再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放对各变化参数的敏感程度，邓氏关联系数大于0.5即可认为存在关联性.将前述84种工况取得的计算结果作为邓氏灰色关联度的研究对象，得到各变化参数的邓氏关联系数，见图6.

由图6可知，水灰比、取代率、运输距离3个变化参数均与再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放量之间存在关联，碳排放量对水灰比的敏感性最高，其次为运输距离，最小为再生粗骨料取代率.

图6 再生混凝土绿色建筑生命周期碳排放邓氏关联度系数雷达图Fig.6 Rader map of Deng′s correlation coefficient of life cycle carbon emission in recycled aggregate concrete green building