装配式建筑物化阶段碳排放影响因素分析

于 洋, 王 奇, 石振武

(1.东北林业大学 土木与交通学院, 哈尔滨 150040; 2.黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司, 哈尔滨 150006)

建筑行业是中国能源消耗的三大领域之一,依据《中国建筑节能年度发展研究报告2022》数据统计,中国建筑建造占全社会总能耗的比例高达32%[1],如何实现建筑领域的绿色低碳发展成为“双碳”目标下建筑发展的新挑战[2]。与传统建筑相比,装配式建筑因集约化、机械化、规模化的建材生产及施工方式,可实现良好的节能降碳效果,成为住建部“十四五”规划期间大力推行的绿色低碳建筑[3]。根据建筑全生命周期的内容和中国对建设工程项目的划分,装配式建筑其全寿命周期包括建材生产运输阶段、施工阶段、运行阶段和拆除及废料处理四个阶段[4]。在上述基础上,李卫东等[5]和吴水根等[6]将装配式建筑的建材生产运输阶段、施工阶段合理的概括为物化阶段,其中有些学者[7,8,9]得出物化阶段产生的碳排放量在装配式建筑全寿命周期中占比最大,而相较于其他阶段,物化阶段持续时间仅为1～2年,其建筑材料、运输及施工阶段的机械能耗数据易采集,不可控因素相对较少,故物化阶段减排潜力最大。因此,在当前装配式建筑模式发展下,立足于装配式建筑的物化阶段,分析影响碳排放主要因素的作用机制与减排潜力,对推动建筑业的绿色可持续发展具有重要意义。

1 文献综述

近年来,国内外众多学者针对装配式建筑生命周期内的碳排放进行了研究。Teng等[10]首先利用Meta分析法选取了12个影响变量对27个装配式建筑实际案例的建筑生命周期碳排放量进行分析比较,为不同因素影响下的碳排放量的测算奠定基础。曹西等[11]引入排放因子法分析装配式与现浇建筑在物化阶段碳排放量的主要差异,完善和补充了碳排放测算的基础数据与计量方法。杨尚荣和万俊飞[12]通过划分装配式建筑生命周期,利用综合能耗分析法识别影响因素并计算预制构件生产阶段的碳排放量,简化了材料生产能耗数据统计的难度。Ding等[13]、尚超等[14]则借助BIM技术进行了碳排放量计量系统的探索,评估了装配式建筑不同阶段碳排放的贡献比例。在此基础上,高鑫等[15]、李静和刘胜男[16]均建立了建筑物化碳足迹量化评价模型,依据单体建筑案例比较预制装配式和传统现浇两种施工方案的碳足迹差异,分析了预制率水平对碳排放的影响。Zhou等[17]进一步得到相较于传统现浇建筑,装配式建筑可减少86 kg/m2的碳排放量,提出预制建筑材料的优化提升对减排潜力影响巨大。

从上述分析中可以发现,现有研究重点集中在装配式建筑生命周期内碳排放的量化及评价模型的分析,少有人从系统发展的角度出发对装配式建筑自身碳排放影响因素进行综合分析与发展趋势预测。装配式建筑碳排放影响因素多、系统整体性强,通过系统动力学的方法探讨装配式建筑物化阶段碳排放影响因素的因果关系和反馈机制,可以预测不同因素对碳排放量的变化趋势及减排效果,更利于寻找装配式建筑规模化发展的同时提高减排效率的优选路径[18]。

本文通过系统分析装配式建筑物化阶段过程特点,全面识别筛选影响装配式建筑碳排放的主要因素,构建装配式建筑物化阶段碳排放系统动力学模型;并结合中国装配式建筑发展的实际情况,对不同影响因素下产生碳排放量的变化进行模拟预测,为“双碳”背景下大力发展绿色建筑、促进节能减排提供实践方向,助力于中国“双碳”目标的实现。

2 系统动力学研究框架

2.1 影响因素选取

装配式建筑物化阶段碳排放影响因素的识别与确定,需从装配式建筑的建造特点并结合权威性文献进行全面系统分析,国内外学者在对装配式建筑碳排放展开研究时从不同角度进行了影响因素的选取。例如,Du等[19]从供应链角度重点研究预制构件的碳排放影响因素,并将其归纳为车辆类型、负载比、平均速度和大气温度等;孙少楠等[20]从建筑全寿命周期及数据的可靠性出发,将影响因素概括为设计规划、生产运输、建筑施工及运营拆除等方面;赵愈等[21]、冯国会等[22]从碳排放计算模型角度出发,以零能耗建筑的全寿命周期为研究对象,将其影响因素概括为建筑材料类型、建筑运行方式及建筑使用寿命等。从装配式建筑物化阶段的碳足迹和碳源角度分析,孟昊杰[23]利用碳排放统计方法来分析施工阶段的碳排放,将其影响因素概括为建筑材料的选用、施工设备和预制率;曹静等[24]从碳排放计算公式的角度,将影响装配式建筑碳排放的因素归纳为构件产品的生产工艺、物流运输方案以及施工管理方式。另外,也有研究学者从kaya恒等式角度出发,将影响因素概括为人口规模、GDP、产业结构、碳排放系数等[25]。综合考虑,不同角度下的碳排放影响因素识别方法均考虑到了碳排放的量化过程,因此依据碳足迹产生过程对碳排放影响因素进行识别,不仅能兼顾建造特点也能保证各因素数据获取的可靠性。

从装配式建筑物化阶段各项活动的碳排放足迹和碳排放源角度出发,对装配式建筑物化阶段的碳排放影响因素进行分类归纳。在物化阶段全过程基础上,综合预制构件建造过程将影响因素归纳为三个阶段,如图1所示。将识别归纳影响碳排放的20个主要因素进一步划分为预制构件的工厂生产加工、物流运输和装配化施工安装三类[26],如表1所示。

因有关碳排放的影响因素众多,综合装配式建造的特征,忽略人口、经济、管理、环境等宏观层面对装配式建筑产生的总体影响,主要考虑范围为人、材、机三方面。在系统研究之前,引入一定假设条件,对非关键因素予以剔除。做如下解释:①依据相关能源环境指标梳理,假定模拟期内预制构件生产运输机械的种类及消耗的电力、各种燃料的基础情况不变,能源消耗仅考虑柴油、煤炭、电力等主要能源消耗,建材消耗仅考虑混凝土、砂浆、钢材等主要建材消耗,其他政策指标不纳入系统[27]。②考虑中国装配式建筑当前的发展情况,为使系统数据的获取性和模拟性更加真实,重点分析系统模拟期内的以混凝土预制构件为主的装配式建筑面积量。

2.2 系统因果关系图与流图

通过对影响因素相互关系分析,结合系统边界的界定,在Vensim软件中绘制因果关系如图2所示。从总体看,图中主要有4条正反馈回路和一条负反馈回路。对主要回路加以说明:①装配式建筑规模→+预制构件需求量→+原材料加工→+构件生产使用机械设备→+生产阶段碳排放→+装配式建筑碳排放→+预制率水平→+装配式建筑规模;②运输阶段碳排放→+设备碳排放量→+装配式建筑碳排放→+预制率水平→+装配式建筑规

表1 装配式建筑物化阶段碳排放影响因素

图2 装配式建筑物化阶段碳排放系统因果关系

模→+预制构件体积量→+运输车辆数量→+单位运距能耗→+运输阶段碳排放;③预制率水平→+装配式建筑规模→+预制构件需求量→+原材料开采加工→+人工工日数→+人工碳排放→+施工阶段碳排放→+装配式建筑碳排放→+预制率水平;④生产阶段碳排放→+装配式建筑碳排放→+预制率水平→+装配式建筑规模→+预制构件需求量→+材料利用率→-生产阶段碳排放。

正反馈回路是指在该路径中某一变量加强会随之增加其他变量原有偏离的趋势。例如回路①,装配式建筑规模扩大会使预制构件的需求量增多,从而促进原材料的开采加工,进而使生产构件用的机械设备碳排放量增多,随之生产阶段碳排放量增多,当装配式建筑的碳排放量增加时,政府企业会加大装配式节能减排技术的研发投入从而提高预制率,最终预制率的提升又刺激装配式建筑的市场规模的扩大。与之相同,回路②和回路③均为正反馈路径。负反馈回路是指路径中某一变量减弱会随之减轻其他变量原有偏离的趋势。如回路④,该回路从生产阶段碳排放出发,碳排放量的增加会加大对装配式技术的研发提高预制率水平,研发投入会促进市场对装配式建筑的偏好,进而扩大规模导致预制构件需求量增加,材料利用率提高则会降低生产阶段的碳排放量。

图3 装配式建筑物化阶段碳排放存量流量

为使得系统运行过程、系统内部结构及反馈作用的机理更加清晰明了,在因果关系图的基础上,进一步区分变量性质,并构造出系统存流量图。借助Vensim软件绘制的存流量图(图3),建立生产阶段子系统、运输阶段子系统及施工阶段子系统,各子系统以人、材、机的能耗量作为装配式建筑碳排放量的数据基础,以碳排放量为结果导向。系统中包含4个状态变量描述在时间变化下物化阶段的影响因素对碳排放量的状态变化,4个速率变量来决定状态变量的变化趋势,选取9个辅助变量和其他常量来为系统变化提供相关信息。

2.3 系统主要方程式及参数的确定

利用Vensim软件进行模拟,系统运行范围为2016—2035年,模拟仿真步长为1年。起始时间参考依据为2016国务院颁布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》后,各地陆续出台装配式建筑的相关配套措施和指导意见为计算装配式建筑预制率等提供了计算依据。其中,2016—2022年为系统对实际情况进行模拟的年限,可进行系统调试和相关参数变量的确定;2023—2035年为系统仿真的预测年限,这一阶段的模拟是为了针对装配式建筑物化阶段的碳排放量情况预测哪一指标对装配式建筑的节能减排具有更为明显的效果。模型的数据主要来源于国家政府部门发布的统计年鉴和公开发表的权威性学术论文等资料,并通过实际计算得到。对于模型中的方程式和参数,一部分是通过总结梳理行业普遍使用的碳排放计量方程获得;另一部分定性数据,由于没有直接数据来源,主要通过与行业内的相关专家、搜集一手资料,以及结合模型求解过程中的调整来确定。其中,模型中主要的变量方程设置如表2所示,碳排放因子的选取和整理主要依据联合国政府问气候变化专门委员会(Intergovernment Panel on Climate Change, IPCC)排放因子数据库和中国工程院等国内权威研究机构测定结果的平均值作为参考(表3)。

2.4 模型有效性检验

模型检验主要通过将模型运行后的结果与已统计发布的历史数据相比较,若模拟数据与历史数据的相对误差在15%以内,则证明模型具有真实性。由于影响因素较多,考虑数据参照的可获取性,选取装配式建筑规模作为对照指标,依据统计年鉴2016—2022年的相关参数值和住建部公布的每年新开工装配式住宅面积数据进行真实性检验,检验结果如表4所示,可以看出系统的模拟值与住建部发布的实际值基本吻合,相对误差在15%范围内,这说明本文建立的模型比较符合客观事实,可以进行后续的情景仿真模拟。

表2 模型主要变量方程设置

表3 主要碳排放因子的汇总表

3 结果与分析

3.1 情景模拟

为获得物化阶段碳排放影响因素对碳排放量的影响程度,考察系统参数灵敏度,筛选出对系统有灵敏反应的关键因素,然后调控关键因素来获得观测对象的具体变化情况。以装配式建筑碳排放量为系统观测对象,从生产阶段、运输阶段和施工阶段三个层面出发,由于状态变量的数值变化主要由速率变量和辅助变量决定故不作为灵敏度考察范围,常量数值选取依据统计年鉴中的建筑、中国建筑能耗报告以及住建部发布的装配式建筑发展情况公布的数据确定,其他变量全部列入灵敏度分析范围保证了选取的全面性。通过模型中某一变量的变化引起观测对象变化的程度来计算对系统灵敏度的反应情况,其中调控参数为U,装配式建筑碳排放量为V,当灵敏度为正值时表示参数增加使得V增加,结果呈现正相关性。同时,灵敏度绝对值越大,其参数灵敏度也越强,影响度越高。调控参数与灵敏度计算结果如表5所示,按绝对值大小对其排序发现,装配施工预制率、运输车辆油耗和材料利用率变化对系统的灵敏度最高,其次为原材料开采能源消耗,构件吊装能耗和构件连接能耗对碳排放量的变化幅度不明显。

(1)

式中:S为系统灵敏度。进一步考察上述参数变化对物化阶段碳排放系统的影响强弱程度,依据灵敏度结果选取材料利用率、运输车辆能耗、装配施工预制率水平为系统控制变量,在保持系统其余变量不变的情况下,调控这三个参数的数值,观察在参数调控情景下各参数对象较初始情景的变化幅度并对装配式建筑碳排放量的趋势进行预测分析,得到了三种情景,运行结果如表6和图4所示。其仿真模拟结果为我国装配式建筑节能减排提供了新的研究方向。

表4 模型有效性检验

表5 调控参数灵敏度分析

表6 三种情景装配式建筑物化阶段碳排放模拟方案

图4 三种情景装配式建筑物化阶段碳排放预测值对比

从三个情景的系统模拟结果可知,情景3的模拟曲线明显有减缓的趋势,说明相较于情景1和情景2,情景3模拟产生的碳排放量最低,说明预制率水平的高低对碳排放量的影响最大,这主要可以解释为通过政府政策调控支持装配式建筑的发展,同时行业整体的装配式的技术水平提升促使预制率提高,那么装配式建造环节相较于之前传统现浇模式下的碳排放量就会相应减少,因此物化阶段的碳排放降低幅度也是最大的。在情景1中,全国装配式建筑物化阶段碳排放量在2030年达到10 374.12 t,在2035年达到14 704.82 t;在情景2中,碳排放量在2030年达到9 827.61 t,在2035年达到12 065.52 t。根据仿真运行预测的2030年装配式建筑物化阶段碳排放约达11 246 t,三种情景下的碳排放量均有一定程度的降低。

在当前发展条件下,要实现我国2030年建筑碳排放达峰,“十四五”期末建筑碳排放总量应控制在23亿tCO2[28],根据住建部发布的“十四五”建筑业发展规划关于装配式建筑占新建建筑的比例达到30%以上的比例,粗略估计装配式建筑的碳排放应控制在6.9万tCO2,其中装配式物化阶段的碳排放量约占11%,6.9×11%=0.759万tCO2。根据以上三种情况的模拟结果可知,2025年的装配式建筑物化阶段碳排放分别为0.652万tCO2、0.648万tCO2、0.627万 tCO2,按此发展均能达到 “十四五”规划要求,而情景3的碳排放水平在目前水平上增加了50%左右,如果真的能实现这一情景,装配式建筑的发展将往前迈出一大步,这也将很大程度地缓解我国建筑能耗问题,同时达到政府针对绿色建筑节能减排的目标规划,从而向2030年实现碳达峰、2035年实现碳中和的目标考虑。

3.2 结果分析

通过情景模拟的预测可以得出材料的利用率、运输车辆能耗、预制率水平等不同阶段的影响因素都会对碳排放量产生影响,为实现我国建筑能耗的减排目标,需要对装配式建筑碳排放的影响因素进行详细分析,并制定相应的减排路径。但由于我国目前关于装配式建筑碳排放量的测算标准和数据库并未建立,所以在建筑节能减排的发展上仍有很多方面需要进一步研究提升。

4 结论与建议

本文对装配式建筑物化阶段影响其碳排放的因素及其减排效益进行了仿真与预测,并通过设立不同情景,分析生产、运输、施工三个阶段主要影响因素对装配式建筑发展及其碳排放量的影响。研究结果表明,针对影响装配式建筑物化阶段碳排放的关键因素进行改进,通常能对降低建筑能耗和装配式建筑的发展产生积极的促进作用。另外,不同影响因素对物化阶段碳排放量的影响程度存在差异,其中预制率水平的作用效果最为显著,材料的生产、运输阶段的能耗和生产建材能耗的影响也比较明显,相比之下,构件施工机械设备的能源消耗和人工碳排放的影响效果相对较弱。基于上述结论,本文就装配式建筑的发展提出以下建议,以期进一步提升装配式建筑在节能减排方面的效益。

1)预制率水平是影响装配式建筑物化阶段碳排放的主要因素,在同等条件下,加大对装配式建筑的政策支持力度,提升预制率水平是进一步减少装配式建筑碳排放的有力措施。中国应提升装配式建筑预制率水平的研发投入力度,强化金融方面的支持力度,加大装配式建筑规模化的推广。

2)建材开采生产是装配式建筑物化阶段碳排放的最大来源,中国应在推进装配式发展进程中加大对低碳材料的研发投入、提高材料生产过程中的利用率,这不仅能在一定程度上降低生产阶段的碳排放,也能节约资源保护环境,向实现真正的绿色建造迈进。

3)在装配式建筑大力推广的政策背景下,由于短时间内难以突破装配技术水平限制,若能降低运输阶段产生的大量油耗也能一定程度上降低装配式建筑碳排放从而带来更优的低碳效果。由此,在合理调配构件生产厂与施工现场之间的运输距离,选择最环保的运输方式,构件体积最优设计等因素方面有所突破才可以降低运输能耗,进而降低当前装配式建筑能耗。

4)目前,中国的建筑工业化规模仍然有限,若使建筑建造过程中的碳排放量显著降低,扩大装配式建筑的规模非常重要。当规模扩大到所有建设企业都活跃地应用装配式技术时,建筑建设的一体化和标准化将大大增强。