鐘春玲 蔡笑天
(吉林建筑大學(xué),吉林 長(zhǎng)春 130000)
據(jù)相關(guān)研究認(rèn)為,國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的能耗以及碳排放量?jī)身?xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo),分別在全國(guó)能耗總量與排放總量中占比約27%和40%,與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,單位面積能耗接近前者的2.2倍,已有建筑中高能耗結(jié)構(gòu)占比高于95%,新建結(jié)構(gòu)中超過(guò)八成屬于高能耗,故而,研究建筑行業(yè)的能耗與碳排放問(wèn)題是現(xiàn)階段的重要課題。對(duì)于汽車等工業(yè)產(chǎn)品而言,想要突破實(shí)現(xiàn)20%左右的節(jié)能效果,還有很大的技術(shù)難關(guān)需要攻克,而對(duì)于建筑體的節(jié)能控制,尚且容易達(dá)到50%以上的節(jié)能效果,而且與其他的工業(yè)產(chǎn)品相比,建筑擁有更長(zhǎng)的使用壽命,因此研究建筑的節(jié)能減排意義深遠(yuǎn)。當(dāng)下,建筑業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展,必須要同步關(guān)注建設(shè)規(guī)模、質(zhì)量以及節(jié)能降耗等問(wèn)題。整體裝配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu),一般是先行預(yù)制建筑體的整體構(gòu)件,經(jīng)運(yùn)輸、裝配后完成實(shí)體建設(shè),從而完成了傳統(tǒng)建筑業(yè)的升級(jí)改造,對(duì)建筑資源配置大有裨益。通過(guò)對(duì)整體裝配式混凝土住宅全生命周期碳排放的研究,積極探索降低預(yù)制整體裝配式混凝土住宅建筑碳排放的路徑,可進(jìn)一步推動(dòng)建筑業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。
整體裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu),是基于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與裝配式結(jié)構(gòu)而發(fā)展的新結(jié)構(gòu)樣式,主要是要求利用工廠預(yù)制部分建筑構(gòu)件,運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng),并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行其他部分的澆筑,從而將各部分進(jìn)行安裝連接,以打造整體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可體現(xiàn)更加靈活的施工技術(shù)與工藝,操作便捷,體現(xiàn)工期短、造價(jià)低、施工垃圾少、施工質(zhì)量高等特點(diǎn)。因此,整體裝配式混凝土建筑,是更為理想的綠色節(jié)能工業(yè)化生產(chǎn)工程結(jié)構(gòu)。整體裝配式住宅建筑的結(jié)構(gòu)體系可歸為三類,包括預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、輕型鋼結(jié)構(gòu)。其中,依靠預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)而建成的整體裝配式混凝土住宅建筑,能夠突出發(fā)揮混凝土的抗壓性能與鋼筋的抗拉性能,擁有極高可塑性。
現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)建筑全生命周期的研究已形成大量成果,大家對(duì)于概念的界定以及具體的階段劃分各有所見(jiàn)。如Bribian等認(rèn)為住宅建筑的生命周期應(yīng)包括生產(chǎn)、建設(shè)、應(yīng)用、結(jié)束四個(gè)階段,而且還可直接將生命周期按照建筑系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行拆分,以方便研究。Deepak所構(gòu)建的建筑綜合評(píng)價(jià)體系中,涵蓋了建筑能效模擬、主成分應(yīng)用以及生命周期評(píng)價(jià)等內(nèi)容,其中,認(rèn)為生命周期可按五個(gè)部分進(jìn)行劃分,即材料生產(chǎn)、工程建設(shè)、材料更新、核心設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、建筑終結(jié)等。國(guó)內(nèi)的陳國(guó)謙等[3]對(duì)建筑全生命周期的研究中,認(rèn)為可細(xì)致分解全生命周期為施工、裝修、室外建設(shè)、運(yùn)輸、運(yùn)轉(zhuǎn)、垃圾處置、物業(yè)管理、拆除、廢物處理九大階段,強(qiáng)調(diào)各階段均會(huì)出現(xiàn)碳排放,并將計(jì)量碳排放的方法詳列于其專著《建筑碳排放系統(tǒng)計(jì)量方法》中。于萍等[4]認(rèn)為,建筑全生命周期主要包括五個(gè)時(shí)期,從材料生產(chǎn)開(kāi)始,經(jīng)過(guò)建設(shè)、應(yīng)用、維護(hù),最后到建筑廢物處理階段而終止全生命期。劉念雄等認(rèn)為,針對(duì)住宅建筑全生命周期,應(yīng)按照耗材準(zhǔn)備、主體施工、應(yīng)用維護(hù)、實(shí)體拆除等四個(gè)階段來(lái)劃分。
因此,全生命周期主要是圍繞一個(gè)產(chǎn)品、一類工藝或一項(xiàng)活動(dòng)的從生到無(wú)的過(guò)程而言,包括原料采集、加工、生產(chǎn),產(chǎn)品制造、配送,產(chǎn)品應(yīng)用、復(fù)用、維護(hù),終結(jié)以及廢物處理等環(huán)節(jié)。本文確定的建筑全生命周期,主要涵蓋建筑耗材產(chǎn)出、工廠化構(gòu)件制造、構(gòu)件運(yùn)輸、裝配連接、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、拆解回收等階段。
全生命周期評(píng)價(jià)是圍繞產(chǎn)品、工藝或活動(dòng)的整個(gè)生命周期各階段所形成的環(huán)境負(fù)荷所進(jìn)行的評(píng)估過(guò)程。一般會(huì)積極識(shí)別把握不同階段的能量消耗與物質(zhì)釋放,并量化衡量相關(guān)消耗或釋放的影響環(huán)境的程度,以期尋求抑制影響的方案。
建筑碳排放的全生命周期評(píng)價(jià)步驟如圖1所示。
圖1 建筑碳排放的全生命周期評(píng)價(jià)步驟
由圖1可知,建筑碳排放的全生命周期評(píng)價(jià)主要有四個(gè)步驟,其中,確定建筑體對(duì)象與建設(shè)施工范圍,是具有關(guān)鍵意義的基礎(chǔ)準(zhǔn)備環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)需要明確實(shí)施全生命周期評(píng)價(jià)的目的,重點(diǎn)確定擬評(píng)價(jià)的具體對(duì)象與客觀范圍,辨識(shí)功能單元與系統(tǒng)界限,對(duì)所需要的數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)內(nèi)容等進(jìn)行規(guī)范,提升量化評(píng)價(jià)所需要的數(shù)據(jù)質(zhì)量,并為后期的評(píng)價(jià)復(fù)核工作制定更有效的制度方案。
在收集數(shù)據(jù)并分析清單的環(huán)節(jié),對(duì)于數(shù)據(jù)的調(diào)查和收集要體現(xiàn)全面性和系統(tǒng)性。由于清單分析所使用的方法可能不同,因此也就會(huì)導(dǎo)致建筑碳排放的全生命周期評(píng)價(jià)所用方法存在差異性,可以重點(diǎn)關(guān)注施工建設(shè)過(guò)程來(lái)實(shí)施全生命周期評(píng)價(jià),可以收集與經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)施評(píng)價(jià),還可以綜合各類數(shù)據(jù)形成混合型的生命周期評(píng)價(jià)思路。
確定量化計(jì)算模型,是確保整個(gè)評(píng)價(jià)工作是否達(dá)到預(yù)期效果的重要保障,模型算法要有較強(qiáng)的邏輯,而且還能夠積極對(duì)定量化或半定量的指標(biāo)建立更有價(jià)值的參數(shù),從而保障模型的普適性。
研析評(píng)價(jià)環(huán)境影響程度的環(huán)節(jié),要認(rèn)真總結(jié)清單分析環(huán)節(jié)的相關(guān)結(jié)果,積極掌握通過(guò)評(píng)價(jià)系統(tǒng)解析或過(guò)程梳理而存在的不同參數(shù),合理轉(zhuǎn)化為可以定量操作的指標(biāo),對(duì)指標(biāo)參數(shù)的完整性與合理性進(jìn)行控制,從而有效評(píng)價(jià)對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的不同程度的影響效果。
目前看,有關(guān)建筑體的碳排放所使用的計(jì)算方法包括但不限于碳排放系數(shù)法、生產(chǎn)線直接能耗法、質(zhì)量平衡法等。碳排放系數(shù)法的通用思路就是緊密遵循公式“碳排放量=Σ活動(dòng)數(shù)據(jù)×排放系數(shù)”。公式中的活動(dòng)數(shù)據(jù)表示的是與建筑體相關(guān)的建設(shè)耗材以及能源的應(yīng)用數(shù)據(jù),排放系數(shù)也被稱為排放因子,代表在單位產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程中,單元能源的消耗過(guò)程所向外釋放的CO2總量。與其他的計(jì)算度量方法相比,碳排放系數(shù)法體現(xiàn)出操作便捷、可信度高、數(shù)據(jù)量少、適用性強(qiáng)等特點(diǎn),因此屬于當(dāng)前衡量評(píng)價(jià)碳排放量的主流方法。
對(duì)于整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期的碳排放,也可以采用碳排放系數(shù)法來(lái)完成計(jì)算,可將全生命周期的碳排放計(jì)算表達(dá)式整理為如式(1):
式中C-整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期的碳排放總量;
C1-整體裝配式混凝土住宅建筑在建筑耗材產(chǎn)出階段的碳排放量;
C2-整體裝配式混凝土住宅建筑在工廠化構(gòu)件制造階段的碳排放量;
C3-整體裝配式混凝土住宅建筑在建材構(gòu)件運(yùn)輸階段的碳排放量;
C4-整體裝配式混凝土住宅建筑在裝配連接階段的碳排放量;
C5-整體裝配式混凝土住宅建筑在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放量;
C6-整體裝配式混凝土住宅建筑在拆解回收階段的碳排放量。
該階段主要內(nèi)容涉及建筑施工所需要的原材料的開(kāi)發(fā)、采集、運(yùn)輸以及建筑耗材在加工工廠的生產(chǎn)制造??梢?jiàn),原料的開(kāi)發(fā)采集以及運(yùn)輸、耗材在工廠生產(chǎn)加工所出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)、生產(chǎn)作業(yè)所消耗的能源,都會(huì)產(chǎn)生CO2排放,按照碳排放系數(shù)法,其碳排放的計(jì)算公式如式(2):
式中M i-建筑體施工所需要的第i類建筑材料的實(shí)際用量;
FM,i-建筑體施工所消耗的第i類建筑耗材生產(chǎn)的碳排放系數(shù)。
該階段主要內(nèi)容涉及整體裝配式混凝土住宅建筑的部分構(gòu)件的生產(chǎn)制造。與其他建筑體的施工相比較,工廠化構(gòu)件制造階段屬于整體裝配式混凝土建筑的特有階段??梢?jiàn),該階段部分建筑構(gòu)件的生產(chǎn)制造所消耗的電能或各類燃料,會(huì)向外部環(huán)境進(jìn)行碳排放。按照碳排放系數(shù)法,其碳排放計(jì)算公式如式(3):
式中Ej-構(gòu)件制造過(guò)程中的第j類能源的實(shí)際用量;
FE,j-構(gòu)件制造過(guò)程中的第j類能源消耗的碳排放系數(shù)。
該階段主要內(nèi)容涉及通過(guò)車輛運(yùn)輸將建筑耗材以及部分建筑構(gòu)件運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)??梢?jiàn),該階段的車輛等運(yùn)輸工具對(duì)油品等燃料能源的消耗,是碳排放的主要來(lái)源。按照碳排放系數(shù)法,計(jì)算公式如式(4):
式中Gi-建筑體施工所需第i類建筑耗材的實(shí)際總量;
Di-建筑體施工所需第i類建筑耗材以及構(gòu)件從產(chǎn)地至施工地的運(yùn)輸里程;
FT,i-建筑體施工所需第i類建筑耗材以及對(duì)應(yīng)運(yùn)輸手段的碳排放系數(shù)。
該階段主要內(nèi)容涉及運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)的建筑耗材以及部分建筑構(gòu)件被應(yīng)用后基本建成建筑體的過(guò)程。可見(jiàn),該階段的碳排放來(lái)源主要是各類施工所用設(shè)施設(shè)備在運(yùn)行所外排的CO2,以及現(xiàn)場(chǎng)參與作業(yè)人員的生活起居所外排的CO2。按照碳排放系數(shù)法,計(jì)算公式如式(5):
式中Xp-施工作業(yè)過(guò)程中所使用的第p類機(jī)械設(shè)備的實(shí)際總量;
FX,p-施工作業(yè)過(guò)程中所使用的第p類機(jī)械設(shè)備的碳排放系數(shù);
Qq-施工作業(yè)過(guò)程中施工人員生活起居所消耗第p類能源或物質(zhì)的實(shí)際總量;
FQ,q-施工作業(yè)過(guò)程中施工人員生活起居所消耗第p類能源或物資的系數(shù)。
該階段主要內(nèi)容涉及整體裝配式混凝土住宅建筑的使用與維護(hù)。在運(yùn)營(yíng)使用階段的碳排放來(lái)源,就是包括但不限于水、電、氣等不同能源以及物資資源的實(shí)際消耗;而在維護(hù)階段的碳排放來(lái)源則主要包括建筑體經(jīng)歷維修或翻新的過(guò)程所形成的建筑耗材的實(shí)際消耗。按照碳排放系數(shù)法,計(jì)算公式如式(6):
式中Q r-建筑體運(yùn)營(yíng)使用中對(duì)第r類能源與物資資源的年均用量;
F Q,r-建筑體運(yùn)營(yíng)使用中第r類能源與資源的碳排放系數(shù);
Y-整體裝配式混凝土住宅建筑運(yùn)營(yíng)使用壽命;
Rs-建筑體運(yùn)營(yíng)使用中第s類執(zhí)行更換計(jì)劃的建筑耗材的用量;
Ns-建筑體運(yùn)營(yíng)使用中第s類建筑耗材的計(jì)劃更換更換次數(shù);
FM,s-執(zhí)行更換計(jì)劃的第s類建筑耗材的生產(chǎn)的碳排放系數(shù)。
該階段主要內(nèi)容涉及整體裝配式混凝土住宅建筑的拆除與所用建筑耗材的回收復(fù)用。其中,建筑體被逐步拆解中,發(fā)揮拆除作用的各種機(jī)械設(shè)備以及負(fù)責(zé)外運(yùn)建筑垃圾的車輛在運(yùn)行中所排CO2是主要的碳排放來(lái)源。值得一提的是,整體裝配式混凝土建筑,由于是通過(guò)構(gòu)件裝配而成,因此體現(xiàn)一定的模塊化特性,而得到回收的部分構(gòu)件,還是可以繼續(xù)在下一個(gè)裝配建筑結(jié)構(gòu)中循環(huán)使用的。因此,裝配式混凝土建筑在拆解回收階段,還要積極關(guān)注到建筑耗材回收中存在的負(fù)碳排放的事實(shí)。實(shí)際計(jì)算中,拆解階段的機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行與廢物運(yùn)輸所消耗的能源,可結(jié)合能源繳費(fèi)清單確定,當(dāng)然還可以按照建筑體拆除方案,選擇施工裝配連接階段的公式完成計(jì)算。
隨著整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期碳排放量計(jì)算評(píng)價(jià)工作的開(kāi)展,建筑施工可積極依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果形成更好的材料節(jié)約效益。一是,整體裝配式混凝土住宅建筑主要使用鋼制模板,因而大大降低對(duì)木制模板的使用,合理節(jié)省木材消耗;二是,裝配式建筑的外墻在預(yù)制過(guò)程中可直接將混凝土覆于保溫層以及隔熱層上,這樣就會(huì)省去傳統(tǒng)施工中對(duì)外墻保溫層以及砂漿材料的使用,還對(duì)預(yù)制件的保溫層等增加了保護(hù),延長(zhǎng)了使用壽命;三是,裝配式混凝土建筑在構(gòu)件預(yù)制階段往往采用水體或水蒸氣進(jìn)行養(yǎng)護(hù),這樣較之傳統(tǒng)的混凝土養(yǎng)護(hù)會(huì)省出很多養(yǎng)護(hù)用水量;四是,整體裝配式混凝土建筑還能夠持續(xù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)力消耗進(jìn)行控制,構(gòu)件的預(yù)制已于工廠完工,因而在施工現(xiàn)場(chǎng)將降低用工需求,工期也會(huì)相應(yīng)縮減,從而降低了生活物資的消耗。
整體裝配式混凝土建筑的碳排放積極被識(shí)別評(píng)價(jià)后,盡可能降低建筑全生命周期各階段的碳排放來(lái)源,能一定程度上降低能源消耗。如在裝配連接施工階段,使用塔吊等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行作業(yè),這與其他機(jī)械工具的使用相比,碳減排效益是顯著的。在運(yùn)營(yíng)使用階段,由于混凝土建筑的外墻構(gòu)件在預(yù)制過(guò)程中已將保溫層埋于混凝土中,因而可以延緩隔熱層老化,這樣可降低整體建筑的熱工性能衰減程度,從而有效增強(qiáng)能效。此外,整體裝配式混凝土住宅建筑可積極設(shè)計(jì)搭配太陽(yáng)能技術(shù)工藝,增大太陽(yáng)能的應(yīng)用,減少建筑體的碳減排。
整體裝配式混凝土住宅建筑所產(chǎn)生垃圾廢物,往往較之同等規(guī)模的現(xiàn)澆混凝土建筑要少,因而從碳減排目標(biāo)來(lái)看,整體裝配式混凝土住宅建筑可有效控制建筑垃圾的產(chǎn)生,是切斷碳排放來(lái)源的積極手段。而從碳減排的角度來(lái)看裝配式混凝土住宅建筑垃圾減少的效益可知,首先,該類型建筑的構(gòu)件可循環(huán)復(fù)用,其次,由于部分構(gòu)件均在工廠完成標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制,因此會(huì)大大控制原材料的消耗,保障更高的質(zhì)量,也就會(huì)在后期的拆解回收階段降低建筑垃圾廢物的產(chǎn)生。
如今,建筑行業(yè)對(duì)綠色發(fā)展理念的執(zhí)行落實(shí)變得越來(lái)越嚴(yán)謹(jǐn),積極致力于在碳排放方面做出努力,實(shí)現(xiàn)更大的碳減排目標(biāo)。整體裝配式混凝土住宅建筑全生命周期的碳排放,可通過(guò)建筑耗材產(chǎn)出、工廠化構(gòu)件制造、構(gòu)件運(yùn)輸、裝配連接、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、拆解回收等階段的碳排放計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行分析評(píng)價(jià),在掌握全生命周期的碳排放量化情況后,積極采取對(duì)應(yīng)措施,才能不斷地降低碳排放量,形成有效降低資源消耗、能源消耗、建筑垃圾等現(xiàn)實(shí)效益,為實(shí)現(xiàn)真正的綠色發(fā)展提供助力。