集成打包箱式房屋全生命周期碳排放研究

段振兴，朱强强，穆洪星，魏重阳，孙 浩

(北京智建美住科技有限责任公司，北京 100094)

0 引言

温室气体的大量排放导致全球气候变暖，目前减缓乃至遏制这一进程的有效方法就是低碳减排。在全球低碳减排的背景下，我国也于2020年正式提出力争2030年前CO2排放达到峰值，2060年前实现碳中和的双碳目标。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)统计，建筑业消耗能源占全球的40%，其碳排放量占全球碳排放量的36%[1]。为改善建筑业“碳排放大户”的现状，2016年国务院印发《“十三五”节能减排综合工作方案》，在“强化建筑节能”中明确“推广节能绿色建材、装配式和钢结构建筑”的发展方向。同时，诸多学者开展了建筑碳排放研究。王玉等[2]进行了工业化预制装配住宅建筑全生命周期碳排放模型研究；李远钊等[3]以天津地区为例进行了高层办公建筑全生命周期碳排放预测模型研究；李静等[1]基于全生命周期进行了建筑工程碳排放计算模型的研究；王幼松等[4]以广州某校园办公楼改扩建为例进行了建筑全生命周期的碳排放测算；毛希凯等[5]以天津住宅建筑为例对建筑材料生命周期的碳排放开展了研究；郭而郛等[6]以天津生态城已竣工住宅项目为例对绿色居住建筑全生命周期的碳排放进行了研究。目前关于建筑碳排放的研究大都基于传统的半手工半工业化建造方式，而基于工业化预制装配式建筑的全生命周期碳排放模型相对较少。

集成打包箱式房屋(以下简称“打包箱”)是采用工业化方式生产的预制装配式建筑，部品部件集中在工厂中生产，在现场采用干法施工，通过简单的安装、吊装实现快速建造。本文通过收集打包箱生产、加工等相关数据，进行全生命周期的碳排放研究，研究结果对集成打包箱式房屋全生命周期碳排放的控制及其他类型装配式集成建筑的碳排放研究具有重要参考意义。

1 碳排放测算基础

1.1 碳排放因子

碳排放计算方法大致分为实测法、物料衡算法、排放系数法3类，本文采用的碳排放因子来源于排放系数法，该方法是目前碳排放量计算最常用的方法之一[7]。

碳排放因子是能源、材料消耗量与碳排放相对应的系数，用于量化建筑物在不同阶段相关活动的碳排放。本文涉及的碳排放因子主要包括建材、电力与化石燃料三大类，具体参数如表1所示[8]。

1.2 碳排放指标选择

打包箱属于装配式轻钢集成建筑，与钢筋混凝土结构、重型钢结构、轻钢结构及木结构在建筑规模、设计使用年限等方面不同，所以碳排放计算结果会出现较大差异。为能与其他类型建筑进行碳排放的平行比较，本文选用年单位建筑面积碳排放量kgCO2/(m2·a)作为碳排放计量指标。

1.3 碳排放核算边界与阶段划分

建筑全生命周期的碳排放计算实际上是从生产建筑原材料开始到建筑最终使用结束拆除的整个生命周期过程中所产生的碳排放总和。

本文从全生命周期的角度出发，同时结合打包箱的生产、安装、使用特点，将全生命周期划分为建材生产、部品部件加工、流转、建筑运行及拆除回收5个阶段，各阶段均存在碳排放活动，其中回收阶段存在减碳活动。集成打包箱式房屋碳排放活动如图1所示。

图1 集成打包箱式房屋碳排放活动

2 碳排放计算

本文通过碳排放因子，参考GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》[8]的计算方法，同时结合集成打包箱式房屋的特点，建立以上5个阶段的碳排放计算模型。全生命周期碳排放C与年单位建筑面积碳排放LCCO2计算公式如下：

C=Csc+Cbj+Cys+Cac+CyxY+Cch

(1)

(2)

式中：C为碳排放总量(kgCO2);Csc为建材生产阶段的碳排放(kgCO2e)；Cbj为部品部件加工阶段的碳排放(kgCO2)；Cys为建材运输过程中的碳排放(kgCO2e)；Cac为安装、拆卸阶段的碳排放(kgCO2)；Cyx为建筑运行阶段的年碳排放量(kgCO2e)；Cch为建筑拆除回收阶段的碳排放(kgCO2)；LCCO2为年单位建筑面积碳排放量(kgCO2/(m2·a))；A为建筑面积(m2)；Y为建筑物设计使用年限(年)。

2.1 建筑材料生产阶段

建材生产阶段的碳排放计算模型为：

(3)

式中：Mi为第i种主要建材的消耗量；Fi为第i种主要建材的碳排放因子(kgCO2e/单位建材数量)。

2.2 部品部件加工阶段

部品部件加工阶段的碳排放计算公式为：

(4)

式中：Pi为第i道工序加工机械的功率(kW);ti为第i道工序的持续时间(s)；EFi为第i道工序所消耗能源的碳排放因子(kgCO2/(kW·h))。

2.3 流转阶段

流转阶段的碳排放包括部品部件运输过程中的碳排放和打包箱安装、拆卸过程中的碳排放，其中部品部件运输的碳排放计算公式为：

(5)

式中：Mi为第i种主要建材的消耗量(t)；Di为第i种建材平均运输距离(km)；Ti为第i种建材的运输方式下，单位重量运输距离的碳排放因子(kgCO2e/(t·km))。

安装、拆卸的碳排放计算公式为：

(6)

式中：Ti为打包箱安装、拆卸过程中第i种施工机械台班消耗量(台班)；Ri为第i类施工机械单位台班的能源用量(kg/台班或kW·h/台班)；EFi为第i类能源的碳排放因子(kgCO2/单位能源)；Ej为第j类小型施工机具不列入机械台班消耗量，但其能源列入材料的部分能源用量(kW·h或kg);EFj为第j类小型施工机具所消耗能源对应的碳排放因子(kgCO2/单位能源)。

2.4 建筑运行阶段

建筑运行阶段的碳排放计算公式为：

Cyx=Ckt+Czm

(7)

(8)

式中：Ckt为空调系统年碳排放量(kgCO2e)；Pi为空调系统每小时电能消耗量(kW)；ti为空调系统年平均运行小时数(h)；EFd为电能源的碳排放因子(kgCO2/kW·h)。

(9)

式中：Czm为照明系统年碳排放量(kgCO2)；Pj为第j种照明类型的照明功率密度值(W/m2);Aj为第j种照明类型的照明面积(m2)；tj为第j种照明类型的年照明时间(h)；EFd为电能源的碳排放因子(kgCO2/kW·h)。

2.5 拆除回收阶段

建筑拆除回收阶段的碳排放Cch包括建筑物拆除过程中机械设备耗能产生的碳排放Ccc、废弃物外运耗能产生的碳排放Cwy与建材回收产生的碳排放Chs。Ccc参考公式(6)计算，Cwy参考公式(5)计算。

Cch=Ccc+Cwy+Chs

(10)

(11)

式中：Mj为第j种主要建材的回收量；Ej为第j种建材的回收再加工碳排放系数(kgCO2/单位建材)；Fj为第j种主要建材的碳排放因子(kgCO2/单位建材)。

3 碳排放测算

打包箱的应用场景较广泛，多应用于工程营地。本文以某工程营地宿舍为例进行打包箱的碳排放计算。案例为2层工程营地宿舍，建筑面积约431m2，设计使用年限为15年，使用地点为华东区域，使用性质为临建房屋。营地宿舍由11个6029型标准箱拼装2层而成，两侧设有外挂楼梯，2层外设走道，基础为两侧设有排水沟的素混凝土条形基础。

3.1 打包箱规格

常用标准箱规格尺寸有6029型、6024型，本项目采用较有代表性的6029型为研究对象，箱体外部尺寸为6 055mm×2 990mm×2 895mm， 由屋面模块、地面模块、角柱、围护系统组成(见图2)。屋面模块包括屋面主梁、屋面次梁、屋面角件、导轨及支撑件、蒙顶板、岩棉板保温、吊顶板；地面模块包括地面主梁、地面次梁、地面角件、PVC地革板、水泥纤维板、岩棉板保温、封底板；角柱包括角柱结构、端板及预埋件；围护系统包括墙板、窗、门。箱体主要材料为钢材。

图2 打包箱组成结构

3.2 全生命周期碳排放测算

3.2.1建材生产阶段

建材生产阶段的碳排放采用式(3)计算，计算范围包括屋面模块、地面模块、角柱、围护系统、室外楼梯、走道、基础及其他部分，参与计算的建材量占总量的90%以上。

各模块建材碳排放占比如图3所示。在各模块碳排放占比中，基础占比最大，主要因为计算基础混凝土用量时，考虑打包箱使用的流转特点，每次流转新浇筑的条形基础混凝土用量均包含在其中。其他模块占比排序为：屋面模块>地面模块>围护系统>角柱，这些模块是箱体的主要构成模块，也是碳排放主要模块，其余部分占比较小。

图3 各模块建材碳排放占比

3.2.2部品部件加工阶段

部品部件加工全程在工厂中进行，原材料依次通过辊轧线、自动焊接线、链式全自动粉末涂装生产线、组装线等，将原材料加工成构件，再通过焊接、组装形成屋面、地面模块等。加工过程中，加工机器消耗电力能源产生碳排放，本次研究对象的生产工厂在华东地区，故电力碳排放取华东地区的碳排放因子。碳排放按式(4)计算，其中功率参数为加工机器的额定功率，各工序加工时间按机器“单位时间产出”参数计算得到。

3.2.3流转阶段

集成打包箱式房屋属于临时建筑，与传统永久建筑不同，在反复使用过程中存在“流转”现象。在本案例工程营地宿舍的应用场景中，待该项目结束，打包箱及楼梯、室外走道等附属物会转运至其他项目继续使用。这里流转阶段的界定范围是指部品部件从出厂到打包箱式房屋使用寿命结束，所经历的安装、拆卸、转移运输过程。

打包箱的转移运输最常用方式是“部品+部件”，即顶、底模块安装完成后，角柱、围护墙板、室外楼梯、走道等以板块或构件的形式运输至现场安装成型。安装过程较简单，一般采用汽车式起重机吊装+箱体模块等安装，拆卸为安装过程的逆作业，因此拆卸、安装过程的碳排放相同。

标准箱的可拆装周转次数≥5次[9]，本文取5次，流转阶段划分及计算范围如表2所示，最后一次拆卸、运输划分到拆除回收阶段中。

表2 流转阶段划分及计算范围

流转阶段的碳排放来源于安装、拆卸及运输过程中所用机械的能源消耗，计算参数取值情况为：22个6029型标准箱吊装需汽车式起重机2个台班；运输过程的碳排放按式(5)计算，建材运输距离取默认值500km，混凝土运输距离取默认值40km。

3.2.4建筑运行阶段

建筑运行阶段的碳排放来源于能源消耗。打包箱在运行阶段的碳排放主要涉及空调、照明2项，由于设计使用年限较短，不需考虑建筑围护更新产生的碳排放。运营阶段照明系统产生的碳排放按文献[8]中起居室运行特征，按式(9)计算；由于公式(8)中的计算参数空调系统年平均运行小时数据缺乏，因此参照项目案例所在夏热冬冷A区的“供冷+供暖耗电量”16.9kW·h/(m2·a)计算运营阶段的空调碳排放[10]。

3.2.5拆除回收阶段

拆除回收阶段由最后一次拆卸施工、建筑废弃物运输与建材回收3部分组成。最后一次拆卸过程中的碳排放采用流转阶段计算结果。建筑废弃物运输碳排放按式(5)计算，其中建筑平均运输距离取30km。建材回收部分只考虑回收箱体主框架型钢部分，型钢的回收系数取0.9[11]，回收再加工碳排放系数取578.36kgCO2/t[12]，剩余部分按建筑废弃物处理。拆除回收阶段由于钢材的回收利用，减少碳排放量达20.42%。

3.3 结果分析

工程营地宿舍集成打包箱式房屋全生命周期碳排放情况汇总如表3所示。由表3可知，流转阶段的碳排放为2.21kgCO2/(m2·a)，其中运输过程占比最大；运行阶段的碳排放量为18.60kgCO2/(m2·a)， 空调占比大于照明系统；拆除回收阶段由于钢材的回收利用，减少碳排放量达到20.42%。

为了方便不同类型建筑的碳排放对比，将表3“拆除回收阶段”中的“回收阶段”部分划入“建材生产阶段”；同时将表3中的“部品部件加工阶段”与“流转阶段”合并，与表4中的“施工阶段”相对应，保持阶段划分的相对一致，不同结构类型建筑全生命周期各阶段碳排放情况如表4所示。由表4可知，除钢筋混凝土结构拆除阶段>施工阶段，不同结构类型建筑全生命周期各阶段碳排放占比基本保持一致，均为使用阶段>生产阶段>施工阶段>拆除阶段；在年单位建筑面积碳排放量指标上，钢筋混凝土结构>钢结构>轻钢结构>木结构>打包箱结构，打包箱的碳排放量为33.6kgCO2/(m2·a)，其他结构类型建筑均为63～83kgCO2/(m2·a)，打包箱的碳排放量低于其他类型建筑，这主要与建筑性质、用途、结构类型及钢材的回收利用系数较高等因素有关。

表3 工程营地宿舍打包箱式房屋全生命周期碳排放情况汇总

表4 不同结构类型建筑全生命周期各阶段碳排放情况[13]

4 结语

1)通过对比打包箱与其他建筑结构类型碳排放数据，发现打包箱全生命周期碳排放量为33.62kgCO2/(m2·a)，低于其他类型建筑，这主要与建筑性质、用途、结构类型及钢材的回收利用系数较高等因素有关。

2)在各阶段占比中，不同结构类型建筑全生命周期各阶段碳排放占比基本保持一致，均为使用阶段占比最大，其次是生产阶段，这2个阶段是进行节能减排的重点，施工阶段与拆除阶段占比最小。

3)集成打包箱式房屋的碳排放计算分析结果可作为后期打包箱低碳减排的出发点，同时也为其他类型的预制装配式集成建筑的碳排放研究提供参考。