装配式建筑物化阶段碳排放量模型建立与现浇建筑对比评价研究

王铁柱，张佳阳，赵炜璇，杨飞华，章银祥

（1.北京建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100041；2.北京市预拌砂浆工程技术研究中心，北京 100041）

0 引言

随着“双碳”目标的提出，更为严格的节能减排措施将会陆续推出。建筑行业能耗约占全国总能源消耗的1/3，装配式建筑被誉为建筑行业的一次革命，能够有效降低碳排放量，实现建筑由建造向制造的转变[1]。

2022年4月1日实施的GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》明确提出，新建的居住和公共建筑碳排放强度应分别在2016年执行的节能设计标准的基础上，建筑运行阶段碳排放强度平均降低7 kgCO2/（m2·a）。GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》依据全生命周期将建筑碳排放划分为，建材生产及运输、建筑建造、建筑拆除及建筑运行4个阶段，而物化阶段是指包括预制构件生产、运输、安装建造过程在内的建筑结构建造阶段，鉴于装配式建筑与传统现浇在建造方面的巨大差异，该标准未完全体现装配式建筑的建造流程特点，采用该标准对装配式建筑物化阶段进行碳排放计算具有一定局限性[2-6]。本文参照工程实例，对装配式建筑和现浇建筑物化阶段进行对比分析，为进一步推动装配式建筑碳减排提供理论依据。

1 项目概况

该工程为办公楼，占地面积2600 m2，建筑面积16 500 m2，建筑高度51.2 m，地上12层，地下3层，结构形式为装配整体式剪力墙结构，预制率53%，预制构件包括剪力墙、叠合梁、叠合板、预制阳台等，总方量为15 000 m3，抗震设防烈度为8度。

2 碳排放边界设定

在建筑全生命周期中，装配式建筑和现浇建筑在运行阶段差别较小。由于装配式建筑和传统现浇的建造模式和产品形式不同，二者在物化阶段和拆除回收阶段有所不同。在物化阶段，装配式混凝土到施工现场是构件产品形式，现浇则为半成品，但二者在GB/T 51366—2019中均作为原材进行处理，因此不能完全体现二者差异。在拆除阶段，部分装配式建筑，如模块建筑，可重复利用率达到90%以上，而传统现浇建筑目前均进行破坏性处理，可作为骨料回收利用，资源有效化利用率较低。本文以物化阶段作为研究对象设定基准边界。装配式与现浇建筑物化阶段碳排放源对比如表1所示。

表1 装配式与现浇建筑物化阶段碳排放源对比

3 装配式建筑物化阶段碳排放模型建立及计算

3.1 计算方法

碳排放计算分为估算法和基于实际能源消耗数据计算2种方法。如施工单位有较好的节能意识和管理，建立施工全过程的各类能源消耗台账，可进行施工能源数据统计进行计算。对于一次能源，可调取相关能源购买及使用的进出库记录统计用量，对于电力，可根据电表统计用量。

如无确定数据来源，可采用施工能耗定额法、工程预算决算书法、经验公式法。定额法中，施工机械台班可依据《全国统一施工机械台班费用定额》进行测算。预算决算书法，可检索立项阶段的各种投资估算，成本概预算，招标合同等文件中包含的电耗及化石燃料用量，按式（1）推算物化阶段的碳排放量：

式中：C物化——装配式建筑物化阶段碳排放量，teCO2；

C生产——装配式建筑构件生产阶段碳排放量，teCO2；

C运输——装配式建筑运输阶段碳排放量，teCO2；

C建造——装配式建筑建造阶段碳排放量，teCO2。

3.2 装配式建筑生产阶段碳排放计算模型

生产阶段可以实际能源消耗数据结合排放因子法进行测算。相对于质量平衡法和实测法，排放因子将研究对象划分为不同排放源，对各排放源建立数据库，根据具体数据测算排放因子，研究对象各排放源的基本数据和相应排放因子相乘即可得到研究对象排放总量。此种方法由于数据库的局限性，其计算结果不能反应个体研究对象碳排放水平差异，与实际排放量有一定偏差，但与质量平衡法和实测法相比，其操作相对简单。是目前广泛应用的方法，因此，本文采用排放因子法进行碳排放测算。对于一次能源，煤、油、气的碳排放因子是固定的，可参考相关标准取值，对于二次能源，电力、热力的碳排放因子与生产二次能源的方式相关，是变化的。

生产过程，碳排放源包括预制构件生产、蒸养、现场所产生的能耗折算的碳排放。混凝土加工包括上料、配料、搅拌、下料等过程产生的电力、天然气等能源消耗。加工消耗能源包括生产预制构件生产过程消耗的电力、柴油、汽油等能源，不包括预制构件原材料生产消耗的能源。工作生活消耗能源包括生产车间、办公场所产生的能源消耗，如采暖空调、照明电耗能。设备消耗能源包括生产设备产生的电力、天然气等能源形式的消耗。

GB/T 51366—2019及《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》中规定了建筑材料的碳排放因子的数据，根据研究对象选择碳排放因子如表2所示。

表2 主要碳排放源的碳排放因子

装配式建筑物化阶段包含生产、运输、建造3个阶段。生产阶段碳排放包括材料碳排放和设备、人工碳排放。周转材料按照摊销进行计算，设备摊销按照能源耗用碳排放因子进行计算，人工以单位工时进行计算。

3.2.1 生产阶段碳排放计算

生产阶段指的是预制构件出厂前在工厂的能源消耗量，其碳排放量应包含原材料在入场前碳排放量和生产过程碳排放量总和。根据项目情况，产品包含剪力墙、叠合板、楼梯各类构件，生产设施包括：模具、生产机械、生产配件、灌浆套筒、预埋件等。生产阶段碳排放量按式（2）计算：

式中：C生产——生产过程碳排放量，teCO2；

C原材——预制构件原材碳排放量，teCO2；

C设备——预制构件生产过程设备耗电碳排放量，teCO2；

C周转——预制构件周转过程碳排放量；teCO2；

C人工——生产阶段人工碳排放量，teCO2。

表3 生产阶段1 m3预制构件碳排放量计算

3.2.2 运输阶段碳排放计算

预制构件成品运输由于其特殊的规格尺寸及成品保护、支撑要求，车辆无法达到限载吨位，同时，不同构件满载吨位有较大差异。现场混凝土中，按照预制率53%计算。运输阶段碳排放量按式（3）计算：

式中：Mi——第i种构件的总用量，t；

Di——第i种构件平均运输距离，km；

T——第i种构件的运输方式下，单位质量运输距离的碳排放因子，kgCO2e/（t·km）。

装配式建筑预制构件的运输距离为从生产地到建造现场的距离，其他材料按照实际距离取值。计算以运距100 km计算，叠合楼板采用载重18 t的重型柴油货车运输，剪力墙板采用30 t的重型柴油货车运输，空车返回系数1.67。混凝土运输过程平均距离取25 km，采用12 m3运输罐车，耗油0.35 L/km，其他建材采用10 t中型柴油车，平均运距取40 km。预制构件运输阶段碳排放量见表4。现浇建筑运输阶段碳排放量见表5。

表4 预制构件运输阶段的碳排放量

表5 现浇建筑运输阶段的碳排放量

3.2.3 建造阶段碳排放计算

建造阶段碳排放主要是指预制构件现场安装时施工机械耗能所产生的碳排放，同时为体现装配式和现浇的建造方式差异，应分别计算人工碳排放量。建造阶段碳排放量按式（4）计算：

式中：C建造——建造阶段碳排放量，teCO2；

Ejzi——第i种能源的总用量，kW·h或kg；

EFi——第i种能源碳排放因子，kgCO2/kW·h，按GB/T 51366—2019附录A确定；

E人工——人工碳排放量，teCO2。

预制构件及现浇施工阶段碳排放量如表6所示。

4 装配式建筑与现浇建筑碳排放量计算

现浇建筑碳排放源包括原材间接排放、施工过程的直接排放。现场主要材料耗用如表7所示。

由表7可知，相对于现浇建筑，装配式建筑在建筑物化阶段可减少碳排放量2.65 kg/m2。生产阶段，装配式建筑比现浇建筑碳排放量增加，主要原因有2方面：（1）装配式建筑产品的形式和现浇混凝土不同，为最终产品形式。在厂内生产时，模具、预埋件、蒸养等各种能源消耗造成了碳排放的增加。现浇混凝土作为原材，计入施工内。（2）由于建造方式特点，装配式建筑叠合板的厚度大于传统现浇楼板厚度。

运输阶段装配式建筑比现浇建筑增加碳排放0.5 kg/m2，主要原因有2方面：（1）装配式构件由于其尺寸的特殊性，不能达到运输车辆的限载，因此有额外运输消耗。（2）相对于商品混凝土，装配式建筑预制构件厂分布相对不足，因此导致运输距离较长，导致额外碳排放增加。

建造阶段，装配式建筑比现浇建筑减少碳排放量5.87 kg/m2，主要由于装配式建筑采用工厂生产，现场装配的方式，能够大幅提高现场的安装机械程度，减少人工消耗。相对于传统现场现浇建筑支模、钢筋绑扎、混凝土泵送等大量湿作业，能够有效减少现场施工能源消耗。

5 结语

以建筑物化阶段为研究边界，对比了装配式建筑和现浇建筑碳排放的差异及其影响因素。相对于传统现浇，装配式建筑物化阶段能够有效降低碳排放总量。碳排放模型为二者进行对比提供了数据和计算依据。本研究设定是在目前装配式技术基础上，如采用模块建筑，将大大提高建筑的回收率，能够进一步减少现场建筑垃圾，在建筑全寿命周期大幅降低碳排放量。