装配式混凝土建筑的碳排放计算研究——以金隅玉田二期办公生活区示范项目为例

数据显示，建筑业的CO2排放量占全球能源和过程相关总量的近40%[1]。2020年，我国碳排放总量约为98.94亿吨二氧化碳，其中建筑运行碳排放约为21亿吨，占21%，建筑业建材排放量约为14.8亿吨，占15%[2]。所以，建筑产业链是全国碳排放较高的行业，是实现低碳节能的关键领域。截止到2020年底，我国建筑总面积约680亿m2。预计2030年，建筑总面积将超过750亿m2，2060年，建筑总面积预计维持在800亿m2左右。

按基准情景（BAU）计算，2030年碳达峰约排放26亿吨CO2，2050年碳排放约为24亿吨。据专家初步测算，假设仅实施建筑节能政策，2030年新建建筑全部近零能耗，2050年全面实现新建建筑零能耗，则2050年的碳排放约为14亿吨；如果实施建筑节能+建筑光伏一体化等，那么2025年会实现建筑碳达峰，到时的CO2排放量约23亿吨，2050年实现碳中和，CO2排放量约为12亿吨；如果实施低碳路线，则2021年达峰约23亿吨；2050年碳排放约8亿吨。建筑业碳排放量的预测如图1所示。由此可见，低碳甚至零碳路线是实现“双碳”目标的唯一选择。

图1 建筑业碳排放量预测

1.1 零碳建筑相关标准

关于“零碳建筑”，行业内还没有统一的定义。娄伟在《100%新能源与可再生资源城市》[3]中，定义零碳建筑为零碳排放的建筑物，可以独立于电网运作，能够依靠太阳能或风能运作。这种建筑在不消耗煤炭、石油、电力等能源的情况下，全年的能耗全部由场地产生的可再生能源提供。天津市环境科学学会的《零碳建筑认定和评价指南》（目前还处于征求意见阶段，2021年8月25日结束）定义为充分利用建筑本体节能措施和可再生能源资源，使可再生能源二氧化碳年减碳量大于等于建筑全年全部二氧化碳排放量的建筑，其建筑能耗水平应符合现行国家标准GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》相关规定。陈立新[4]指出，按照建筑的全寿命周期理论，可将零碳建筑定义为在建筑材料、构件及部件的生产、规划与设计建造与运输、运行与维护直到拆除与处理的全循环过程中，建筑向外界环境排放的CO2综合值为零。

2021年4月9日，住建部启动国标《零碳建筑技术标准》的编制工作，预计2022年底完成。该标准将进一步厘清节能与低碳标准体系的关系、零碳建筑相关定义与逻辑、绿色电力对零碳建筑影响、碳交易机制等重点问题。

1.2 发展历程

零碳建筑的概念来源于零碳城市，起源于欧美。世界上第一个“零碳建筑”范例是2002年完成的伦敦贝丁顿零碳社区BedZED（Beddington Zero Energy Development in London）[5]。2003年，英国社区及地方政府部门首次提出了“低碳建筑”的概念。2007年，英国政府又进一步提高了建筑节碳的目标，正式提出“零碳建筑”[6]的概念。

我国对低碳建筑的研究始于2008年，当时一般理解为应用了节能技术，做到碳排放尽可能低的建筑[7]。重庆市地方标准DBJ 50/T—139—2012《低碳建筑评价标准》是我国第一部关于低碳建筑的标准。深圳市市场监督管理局于2018年颁布了地方标准化指导性技术文件SZDB/Z 311—2018《低碳商场评价指南》。

尽管我国低碳建设实践较晚，但围绕建筑节能的技术应用非常多，典型代表包括国家体育场“鸟巢”和国家游泳中心“水立方”。世博会的各类场馆在设计中也坚持低碳的设计理念，使用了冰蓄冷、江水源冷却系统、地源热聚、雨水收集等低碳节能技术手段，并构建人工湿地、太阳能光伏发电等，增加碳汇，有效降低了碳排放。

目前，我国对于建筑能耗与排放的核算边界也缺乏统一的标准。对于建筑领域用能，有的研究仅核算建筑运行阶段的能耗，而有的研究同时考虑了建筑建造与建筑运行2个阶段的能耗，这就导致不同研究最终给出的建筑领域总能耗有较大差异。对于建筑运行用能的分类，也存在不少分歧。许多国际能源研究机构在研究全球各国建筑用能时，通常将建筑运行阶段能耗划分为居住建筑用能和非居住建筑用能两大部分，也将这种分类应到对我国建筑用能的分类中。

但是由于我国建筑用能 存在非常明显的地域差异和城乡差异，导致这种统计口径下的建筑能耗总量、建筑能耗强度无法反映我国建筑用能的真实特点。况且对于建筑建造用能而言，由于上游涉及多个环节，是否计入建材的生产运输等能耗会也对结果造成很大影响。例如在我国能源平衡表中建筑业用能就特指建筑业企业用能，主要包含建筑现场施工用能，而这也无法反映建筑建造对我国全社会能源消耗的真实影响。另外，对于建筑领域相关的碳排放，不同机构也有不同的核算边界，例如政府间气候变化专门委员会（IPCC）就基于生产者责任法，仅核算建筑内由于化石燃料直接燃烧造成的直接碳排放，而由于电力、热力、建材等使用所造成的间接碳排放就不在核算范围内，这也无法全面地反映建筑部门的运行、建造等活动对于气候变化的真实影响[8]。

为便于掌握建筑物全寿命周期碳排放情况，本文的核算阶段、核算边界及核算指标采用GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》规定的碳排放计算周期（建筑全生命周期）、计算边界、计核算规则及碳排放因子等[9]。

2.1 建材生产及运输阶段碳排放计算

建材生产及运输阶段的碳排放应为建材生产阶段碳排放与建材运输阶段碳排放之和，按式（1）计算。其中，建材生产阶段碳排放计算见式（2），建材运输阶段碳排放计算见式（3）。

2.2 建造阶段碳排放计算

建筑建造阶段的碳排放量应根据建造阶段的各种燃料动力用量与对应能源碳排放因子，按式（4）计算：

建造阶段的能源总量及各分项分部工程能源总用量计算，可参见GB/T 51366—2019。

2.3 运行阶段碳排放计算

运行阶段碳排放的计算应考虑建筑供暖、建筑供冷、生活热水、照明及可再生能源系统在建筑运行期间的综合碳排放量。

建筑的使用寿命应与设计文件一致，按50年计算。建筑物碳排放的计算范围应为建筑工程规划许可证范围内的能源消耗的碳排放和可再生能源及碳汇系统的减碳量。

建筑各系统的碳排放量应根据各系统不同类型能源消耗量和不同类型能源的碳排放因子确定，建筑运行阶段单位建筑面积的总碳排放量CM应按式（5）、式（6）计算：

特别说明的是：可再生能源系统应包括太阳能生活热水、光伏系统、地源热泵系统和风力发电系统，详细可参见GB/T 51366—2019。

2.4 拆除阶段碳排放计算

建筑拆除阶段的碳排放量应根据拆除阶段的各种燃料动力用量及对应能源碳排放因子按式（7）计算：

建筑物人工拆除和机械拆除阶段的能源用量按式（8）、式（9）计算：

装配式建筑具有节约资源、减少能耗、更加安全、更加环保，而且施工周期短、抗震性能好等优势。早在2016年国务院就出台《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》（国办发〔2016〕71号），要求大力发展装配式混凝土建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例。坚持标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，提高技术水平和工程质量，促进建筑产业转型升级。据资料统计，2005～2018年，建筑全过程碳排放量从22.34亿吨增长至49.32亿吨，十三年间CAGR达到6.28%，但“十三五”期间，碳排放量从2015年底的44.94亿吨增长到2018年底的49.32亿吨，三年CAGR仅为3.15%[10]。可见，受益于建筑行业的工业化，建筑全过程碳排放量增速已经明显放缓，装配式建筑的低碳红利初现。

汤煜等[11]的研究表明，装配式建筑全生命周期内比传统现浇建筑节约5.86%碳排放量，其中建材准备、建筑施工和建筑回收阶段碳排放节约10%以上。曹静[12]以南京市某项目为例，应用排放因子法建立混凝土装配式与现浇住宅建筑碳排放计算公式，测算比较构件生产阶段、运输阶段和施工阶段两种建筑碳排放的差异，结果表明，装配式建筑较现浇式建筑碳排放量总计减少3.74kg/m2。并提出装配式建筑在各个阶段相应的减碳措，如改进预制构件产品生产工艺、合理优化物流运输 方案和实现低碳施工管理方式等。刘洪娥等[13]则从建筑施工废弃物方面的碳排放量方面进行了研究，据《预制装配与现浇模式住宅建造节能减排评测比较》一文测算，预制装配式住宅在建筑施工废弃物方面的碳排放量较传统现浇住宅节省率达到24.99%。

由此可见，相比传统施工方式，装配式建筑在建筑施工阶段的节能减排效果显著，集中体现在施工过程中的能耗节约、人工节碳及用水节约。所以，装配式建筑是保障建筑业整体实现碳减排目标的必要手段和措施，为建筑业实现“碳达峰”“碳中和”目标任务提供有效支撑。

4.1 金隅智造房屋体系简介

金隅智造房屋主要包括装配式混凝土建筑、装配式钢结构、装配式外墙、工业化内装、超低能耗建筑五大产品复合体系，涵盖装配式建筑全领域、全链条。目前已研发标准、图集、技术手册40册，工艺、技术规程、施工工法30本，专利60余项，形成具有自身特色的产品集成组合体系。本文以玉田二期办公生活区宿舍楼为例，讨论装配式PC建筑全寿命碳排放问题。

4.2 项目概况

金隅住宅产业化（唐山）有限公司二期生活区项目，该项目总建筑面积5651.6m2，包括办公、宿舍和食堂等3个子项。其中，宿舍楼主体三层，层高3.6m，建筑面积2810m2，装配式剪力墙结构，外墙采用80%节能夹心保温外墙板（保温为复合石墨挤塑板，局部采用反打技术），非承重内墙采用200（100）mm厚B05级加气条板。依据GB/T 51129—2017《装配式建筑评价标准》计算，宿舍楼的装配率得分为93分，达到AAA级装配式建筑。

4.3 宿舍楼的碳排放核算

选用eQuest能耗模拟软件对宿舍楼建筑的运行阶段进行模拟，并采用PKPM-CES碳排放计算软件进行全生命周期的碳排放计算，分别对使用年限为30年、40年、 50年、60年时的碳排放情况进行分析。主要考虑由于使用年限的变化引起运行维护阶段采暖空调耗能的增加。计算结果见表1、表2。需要说明的是，鉴于零碳建筑的技术标准及评价方法还没有颁布，加之装配式建筑相关的碳排放因子数据有限，本研究结果仅供参考。

表1 不同使用年限全生命周期碳排放量计算

表2 分阶段碳排放汇总表

根据表1可以看出，随着建筑使用年限的增加，建筑全生命周期总碳排放量也在不断提高，主要原因是从建筑全生命周期的角度考虑，建筑建材生产、运输阶段、建造阶段、拆除阶段基本为固定值，而建筑运行阶段的碳排放量随着使用年限不断增加，所以随着使用年限的增加，单位建筑面积每年碳排放量不断降低（如图2所示）。随着建筑使用年限的增加，建筑全生命周期总碳排放量降低的趋势呈现渐缓，除建筑建材生产、运输阶段、建造阶段、拆除阶段按使用年限的影响外，另一方面原因是使用年限的变化引起运行维护阶段采暖空调耗能的增加。

图2 建筑使用年限对碳排放量影响

根据建筑全生命周期碳排放量计算结果可以发现，碳排放量最多的是建筑运行阶段，其次是建材生产阶段，这两个阶段约占总碳排放量的97.8%（如图3所示），所以采用低碳建筑材料、提升建筑固废资源重复利用、降低建筑运行能耗可有效降低建筑全生命周期的碳排放。

图3 建筑全生命周期碳排放量

4.4 宿舍楼的碳中和措施探讨

从上面的计算可知，该宿舍楼的全生命周期（按50年计算）碳排放总量约9839.2吨。我们就可以从规划、设计、施工以及运维等多个角度考虑，减排相应的CO2，从而使CO2综合值为零。

（1）规划阶段。利用场地的地形、阳光、树荫和风能促进节能；尽可能将建筑融入周围景观；选择好的位置，最大限度地减少碳足迹，并美化周围植被等。

（2）设计阶段。设计阶段是实现零碳的最重要的环节。本着“被动优先、主动优化”的原则，尽可能采取包括被动太阳能设计、遮阳板、中空low-e玻璃、热反射外墙涂层、零碳地板、屋顶绿化、BIPV、太阳能热水器、水源热泵系统、雨水回收、毛细管辐射、能耗监控系统、生物质能源等节能设计方法。

（3）选用低碳建材。建筑中80%的碳来自结构材料，所以碳中和建筑必须选择低碳建材。低碳建筑材料包括零碳地板、保温墙体、再生混凝土、高强钢以及由回收的建筑材料制成的砌块等。

（4）精益施工。利用BIM技术和现场的数字化协同等手段，提高项目管理能力，进一 步节省能源、节约时间和材料，消除浪费，减少碳排放。

（5）运营与维护。建议业主最大限度地提高供暖、制冷和暖通空调系统的效率，使用节能技术和大数据进行运维管理。如，通过先进的传感器和数字孪生构建不断更新的数字模拟模型，利用人工智能实现能源的监测、维护和综合优化，从而尽可能接近峰值效率。

（6）建筑拆除和材料再利用。在建筑物被拆开之前，尽可能地考虑对它的再利用，避免造成资源浪费。

建筑业是碳排放的重要源头之一。发展绿色零碳建筑，对于降低建筑能源消耗和减少碳排放有极其重要的意义。