装配式住宅生命周期碳排放评价分析

柯步敏 裘 泳 余伟城 徐亦冬 杨汶雨

1. 浙江省一建建设集团有限公司 浙江 杭州 310013；

2. 浙江省二建建设集团有限公司 浙江 宁波 315202；

3. 浙大宁波理工学院 浙江 宁波 315100

目前国内建筑大多采用现浇方式建造，这是一种半机械化半手工作业的方式。建筑业对于工人的需求量非常大，而目前中国正逐步向老龄化社会转变，人口红利正逐渐消失。这对建筑业发展有很大的制约[1]，工地缺少适龄工人的问题日益明显。因此发展装配式住宅，减少劳动力需求，实现建筑工业化是建筑业发展方向之一。国务院出台相关政策鼓励各地积极推进装配式建筑，并要求到2025年左右全国装配式建筑占新建建筑面积的30%以上。随着装配式建筑三大标准的实施，装配式建筑发展有了技术和制度保障。

现浇住宅经过多年的发展，已经形成比较完善的碳排放计算框架。装配式住宅虽与现浇住宅存在差异，但两者存在较多共同点。

分析装配式住宅生命周期碳排放，首先需要学习现有现浇住宅的碳排放计算方法，在此基础上结合装配式住宅本身特点，划分装配式住宅的生命周期。其次需要建立装配式住宅的碳排放路径，这对于计算碳排放的准确性至关重要。获取碳排放路径相关数据，并结合权威机构所给系数进行计算是量化的重要过程。将装配式住宅与现浇住宅的碳排放量进行比较，即可分析装配式住宅能否减少碳排放。

1 装配式住宅碳排放测算

1.1 碳排放因子

1.1.1 建材的碳排放因子

装配式住宅的碳排放来源和现浇住宅相同，均来源于2个方面：建材碳排放、能源消耗碳排放。部分建材的碳排放因子可参见文献[2]。

1.1.2 能源的碳排放因子

目前消耗能源主要有化石能源、电力资源。其中化石能源包括煤、石油、天然气等，电力的碳排放是在产生电力阶段，而非使用阶段，当前发电方式主要有火力、水力、风力、核力等。全国部分省市的电力碳排放因子可参见文献[3]。

1.2 各个阶段碳排放量测算

1.2.1 建造阶段碳排放量测算

装配式建筑因其建造过程如同搭接积木，将预制的构件、组件、模块在现场进行组装而得名。建造阶段可细分为工厂生产阶段、预制件运输阶段、现场组装阶段。

该阶段的碳排放计算如式（1）所示：

式中：P——建造阶段碳排放量；

P1——工厂生产阶段碳排放；

P2——运输产生碳排放；

P3——施工现场碳排放。

1.2.2 使用阶段碳排放量测算

不同类型建筑的单位面积碳排放量不同，公共建筑的碳排放主要来自电力使用，而在民用建筑的碳排放中，化石能源的燃烧所占比例较高。使用阶段的碳排放量还与该阶段的持续时间有关，建筑的使用年限一般在35～100 a不等，本文的年限取值为50 a。

使用阶段的碳排放计算如式（2）所示：

式中：E——使用阶段碳排放；

E1——建筑面积；

E2——使用阶段单位面积的能源消耗量；

a——某种能源碳排放因子。

1.2.3 维护阶段碳排放量测算

建筑在使用一定时间后，某些老旧部位需要维护更新。在此过程中，需要运入新建筑材料并进行施工，即意味着碳排放的产生，该阶段可以看成是小型的建造阶段。

维护阶段的碳排放计算如式（3）所示：

式中：C——维护阶段的碳排放；

C1——单位面积碳排放；

C2——建筑面积。

1.2.4 拆除阶段碳排放量测算

拆除阶段的碳排放可分为两部分：拆除过程的机械碳排放、处理建筑垃圾产生的碳排放。在装配式住宅设计之初，一般已考虑到装配要求，故建筑拆除过程产生的垃圾量相对更少。

拆除阶段的碳排放计算如式（4）所示：

式中：B——拆除阶段的碳排放；

B1——现场拆除机械使用碳排放；

B2——处理建筑垃圾带来的碳排放。

2 装配式住宅碳排放分析

2.1 建造阶段对比分析

装配式住宅的建造阶段包含3个过程：工厂制造、运输、现场组装。计算建造阶段装配式住宅的碳排放，需要考虑3个过程的碳排放量。本文以上海某项目为案例进行分析，其总建筑面积为14 015.34 m2，预制率36.8%[4]。

2.1.1 工厂生产阶段

工厂生产过程的消耗主要为电力资源，电力资源在使用过程中不产生碳排放，而在产生电力资源的过程中有碳排放，故只需获取生产阶段消耗的电力情况，分析该过程的碳排放，结合相关参数即可计算该阶段的碳排放。经计算，该项目在工厂阶段共耗电24 063.6 kW·h。

2.1.2 运输阶段

运输产生的碳排放与运输方式、质量、距离有关。当2种建造类型的建筑面积相同、运输的总质量相同，且运输方式以公路为主时，运输距离将成为影响该阶段2种建造类型碳排放的主要因素。运输时间比运输距离更能体现碳排放量，对于2条距离相同的路段，会因拥堵情况不同而产生不同的碳排放，故本文采用运输时间计算运输阶段的碳排放情况。现浇住宅的运输材料主要为预拌混凝土，其运输时间一般在1 h内；而装配式住宅的主要运输材料为预制构件，运输时间通常也在1 h左右。因此，两者的运输时间差距不大，从而可以判断两者在本阶段的碳排放量基本相同。

2.1.3 现场施工阶段

在施工现场，机械设备较现浇结构的使用次数减少，因此可大幅度减少碳排放。振捣器额定功率3.0 kW，使用数量可减少6个；电焊机额定功率20.5 kW，可以减少2台；塔吊使用时间减少1个月。由于装配式建筑的现场施工量减少，故所需人工的减少也可带来生活用电的大幅减少。对于整个施工阶段，装配式住宅相较现浇住宅可节约用电97 770.06 kW·h。

现场施工阶段节约的97 770.06 kW·h减去工厂生产阶段消耗的24 063.6 kW·h，即为在整个建造阶段节约的用电量。现浇混凝土量的降低可减少模板和脚手架的使用，可带来146.1 t钢材的节约量。

将上述数据代入式（1）进行计算，得到建造阶段节约资源、能源带来的碳排放减少量。其中，电力使用减少量73 706.46 kW·h，相应碳排放减少量58.478 t（以二氧化碳计）；钢材使用减少量146.1 t，相应碳排放减少量201.910 2 t（以二氧化碳计）。

2.2 使用阶段碳排放分析

在建筑的全生命周期中，使用阶段的持续时间最长，其间的碳排放量占比最大。该阶段产生的碳排放可分为2类：一是直接碳排放，即建筑物内各类设备的使用消耗而产生的碳排放，如天然气燃烧将造成碳排放；二是间接碳排放，即电力在使用过程中不产生碳排放，但火力发电过程将会带来大量碳排放，因此被称为间接碳排放。当装配式住宅和现浇住宅的用途、地点相同时，单位面积消耗的能源基本一致，产生的碳排放量基本相同，因此本文使用现浇建筑的数据进行估算。

使用阶段的碳排放量与建筑的使用年限存在关联，本文以50 a作为计算年限。不同地区使用阶段的住宅能源消耗情况如表1所示[5]。

表1 不同地区民用建筑单位面积能耗（单位：kW·h·m－2·a－1）

利用上表的东部地区居住建筑数据及式（2）计算使用阶段的碳排放量，得到该阶段的碳排放量为21 683.553 t。

2.3 维护阶段碳排放分析

维护过程可看作建筑某些部位的重新建造，维护阶段的碳排放量与建筑的使用年限、面积有关。维护阶段需要更新维修的部位大多为建筑表面，建筑的主体结构一般不存在大修大补情况，因此装配式住宅、现浇住宅在维护阶段的碳排放量基本相同。

装配式住宅维护阶段数据匮乏，本文使用现浇住宅数据进行计算，单位面积的碳排放量为31.46 kg[6]，运用上文式（3）计算得到该阶段的碳排放量为440.92 t。

2.4 拆除阶段碳排放分析

在拆除阶段，机械的碳排放约为建造阶段装配过程产生碳排放的90%[7]。简化回收过程为：拆卸后材料及构件中可重复利用部分为30%，即相较于新材料使用可减少30%的碳排放，且装配式住宅在设计之初即考虑到装配特性，故在拆除时重复利用率更高[8]。与传统的回收利用相比，减少的碳排放可达30%～40%[9]。目前建筑拆除阶段的碳排放量约为16.35 kg/m2，占比量最大的为拆除以及处置混凝土的碳排放，分别占36.22%和55.90%[10]。装配式住宅可减少10%的碳排放，结合建筑面积可得到本案例中减少的碳排放量为22.915 t。

2.5 碳排放情况比较分析

对于现浇住宅和装配式住宅而言，拆除阶段碳排放情况不同是由于两者的建造方式不同导致的。在装配式住宅拆除过程中，局部构件能被完整取出，可以有效减少建筑垃圾。装配式住宅与现浇住宅生命周期的碳排放比较情况如表2所示。

表2 现浇住宅和装配式住宅的碳排放情况比较分析

3 结语

1）经过几十年的发展，中国已经具备生产大量预制构件的工业基础。节能环保的发展方式是大势所趋，通过预制生产和现场组装建造房屋，可大大缩短现场施工工期，工业化、集中化生产能最大限度降低浪费，提高资源利用率。

2）装配式住宅和现浇结构相比，在减少碳排放方面效果显著。建造阶段和拆除阶段是减排效果最明显的阶段。本文案例中的项目占地面积仅为10 000 m2左右，建造阶段减少二氧化碳碳排放量逾200 t。装配式住宅的推广将使碳排放量显著减少。

3）生命周期理论的运用对于建筑碳排放研究有极大帮助，能使不同类型建筑有较好的可比性，避免了只考虑单一阶段带来的片面性，使得评价结果更客观和准确。