張孝存，鄭榮躍，王鳳來

（1.寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 寧波 315211，E-mail:zhangxiaocun@nbu.edu.cn；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

建筑業(yè)消耗了全球 30%~40%的能源，貢獻(xiàn)了全球約36%的碳排放[1]，是我國(guó)節(jié)能減排的重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域之一。統(tǒng)計(jì)年鑒資料顯示，截至2018年底，我國(guó)現(xiàn)有鄉(xiāng)村人口 5.64億人，占全國(guó)人口總數(shù)的40.4%。2012年，我國(guó)農(nóng)村居民人均住房面積即達(dá)37.1m2。因此，現(xiàn)階段我國(guó)鄉(xiāng)村建筑體量巨大，具有重要的節(jié)能減排潛力。

立足“美麗鄉(xiāng)村建設(shè)”的國(guó)家政策，已有研究綜合利用太陽能、生物沼氣和蓄熱材料等，從鄉(xiāng)村建筑運(yùn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的角度開展了理論分析與實(shí)踐工作[2]。隨著運(yùn)行能效的提高，建筑物化階段節(jié)能減排的重要性日益突出。為此，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)不同鄉(xiāng)村建筑結(jié)構(gòu)體系的碳排放水平開展了一定的研究。Yu等[3]對(duì)某單層竹木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了案例研究，結(jié)果表明與磚混結(jié)構(gòu)相比，竹木結(jié)構(gòu)具有顯著的減排效益。杜書廷等[4]研究發(fā)現(xiàn)，夯土結(jié)構(gòu)房屋由于采用天然材料，其碳排放水平顯著低于其他結(jié)構(gòu)。Sim 等[5]通過對(duì)韓國(guó)某傳統(tǒng)民居的碳排放分析，發(fā)現(xiàn)混凝土是物化碳排放的主要來源。

目前針對(duì)鄉(xiāng)村建筑結(jié)構(gòu)的碳排放分析仍然較少，且不同案例研究采用的系統(tǒng)邊界與數(shù)據(jù)清單亦存在差異，為評(píng)價(jià)結(jié)果的應(yīng)用增加了不確定性因素。此外，我國(guó)傳統(tǒng)鄉(xiāng)村民居多采用竹木、磚石等作為主要建筑材料，并采用現(xiàn)澆施工方式。而隨著經(jīng)濟(jì)水平與生活條件的不斷提高，在結(jié)構(gòu)體系方面，鄉(xiāng)村建筑亦逐漸采用承載力與抗震性能更好的混凝土框架結(jié)構(gòu)，故有必要針對(duì)其碳排放水平進(jìn)行分析。本文在綜合分析國(guó)內(nèi)典型碳排放數(shù)據(jù)清單的基礎(chǔ)上，對(duì)砌體結(jié)構(gòu)和混凝土框架結(jié)構(gòu)的物化碳排放開展對(duì)比分析，從而為鄉(xiāng)村建筑結(jié)構(gòu)的低碳發(fā)展提供參考。

1 建筑物化碳排放計(jì)算模型

1.1 功能單元與系統(tǒng)邊界

建筑碳排放分析常以“整座建筑”或“單位面積”作為功能單元[6]。本文以“單位建筑面積（1m2）”作為功能單元，便于案例碳排放的比較分析。建筑生命周期碳排放的來源復(fù)雜，故利用適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化與假設(shè)，劃分合理的系統(tǒng)邊界尤為重要。在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，本文采用“從搖籃到現(xiàn)場(chǎng)（cradle-to-site）”的系統(tǒng)邊界[7]，并將建筑物化階段劃分為材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工過程。

1.2 碳排放計(jì)算方法

建筑碳排放的計(jì)算方法可分為過程分析法和投入產(chǎn)出法兩大類[8]。前者以碳排放因子和各過程活動(dòng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的碳排放分析；而后者通過部門碳排放強(qiáng)度與經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出模型追溯全產(chǎn)業(yè)鏈的碳足跡，適用于宏觀研究。因此，在上述功能單元與系統(tǒng)邊界的基礎(chǔ)上，本文采用過程分析法實(shí)現(xiàn)物化碳排放的計(jì)算，即:

式中，Cemb為建筑物化階段的碳排放；Cm、Ct和Cc分別為生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工過程的碳排放。

1.2.1 材料生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算

材料生產(chǎn)過程的碳排放，可按如下公式計(jì)算:

式中，A為建筑面積；n為材料種類；Qm,i和 EFm,i分別為第i種材料的消耗量及碳排放因子。

理論上，碳排放計(jì)算時(shí)應(yīng)包含生產(chǎn)與建造活動(dòng)涉及的所有主體材料及輔材。但實(shí)踐中，受限于數(shù)據(jù)收集與分析難度，常采用一些簡(jiǎn)化假設(shè)，如按建筑信息模型（BIM）中的主材確定[9]，考慮累計(jì)重量占比或造價(jià)占比超過80%~95%的建筑材料[10,11]，或按工程材料消耗清單計(jì)算[12]等。

1.2.2 材料運(yùn)輸過程碳排放計(jì)算

材料運(yùn)輸過程的碳排放可按如下公式計(jì)算:

式中，k為運(yùn)輸方式數(shù)；Gm,ij和Dm,ij分別為采用第j種運(yùn)輸方式的第 i種材料重量及運(yùn)輸距離；EFt,j為第j種運(yùn)輸方式的碳排放因子。鑒于鄉(xiāng)村建筑具有就地、就近取材的特點(diǎn)，分析中假設(shè)采用中小型運(yùn)輸車輛，平均運(yùn)距取50 km。

1.2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工過程碳排放計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)施工過程的碳排放可按如下公式計(jì)算:

式中，q為能源種類；Qe,p和EFe,p分別為第p種能源的消耗量及碳排放因子。

在建筑施工活動(dòng)中，常以電力、汽油和柴油作為主要能源。在設(shè)計(jì)階段，施工能耗可根據(jù)機(jī)械使用清單與臺(tái)班能耗定額估算，而決算階段可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄及內(nèi)業(yè)資料確定。

2 清單分析與情景設(shè)定

2.1 清單分析

已有研究針對(duì)碳排放因子開展了大量的分析工作?，F(xiàn)行《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51366-2019（以下簡(jiǎn)稱“碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)”）以IPCC 2006報(bào)告和CLCD數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)[11]，列出了部分常用建材與能源的碳排放因子參考值。然而，由于生產(chǎn)工藝與統(tǒng)計(jì)方法不同，國(guó)內(nèi)其他相關(guān)研究[12~19]的結(jié)果與上述數(shù)據(jù)存在一定差異。為研究清單選擇對(duì)建筑碳排放分析結(jié)果的影響，結(jié)合案例工程的材料消耗，整理并分析了國(guó)內(nèi)不同研究機(jī)構(gòu)提出的典型數(shù)據(jù)清單[11~19]如表1所示。

2.2 情景設(shè)定

為研究不同數(shù)據(jù)清單及系統(tǒng)邊界選擇對(duì)建筑物化碳排放分析結(jié)果的影響，根據(jù)表1總結(jié)的典型數(shù)據(jù)清單，設(shè)定如下分析情景與基本假設(shè):

（1）考慮“碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)”提供的推薦清單，設(shè)定基礎(chǔ)情景S-01，即依據(jù)清單Q-01，按實(shí)際工程材料消耗量進(jìn)行碳排放分析；由于上述標(biāo)準(zhǔn)未提供混凝土砌塊的碳排放因子，綜合考慮生產(chǎn)工藝及孔洞率影響，計(jì)算中按混凝土實(shí)心磚的60%估算。

表1 國(guó)內(nèi)典型碳排放數(shù)據(jù)清單整理

（2）考慮不同數(shù)據(jù)清單影響，設(shè)定情景S-02，即依據(jù)清單Q-02至Q-09，按實(shí)際工程材料消耗量進(jìn)行碳排放分析；當(dāng)上述碳排放因子清單僅提供了同類材料的相關(guān)數(shù)據(jù)，但具體材料類型與案例建筑差異較大時(shí)，數(shù)據(jù)按“碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)”取用。

（3）考慮不同系統(tǒng)邊界的影響，設(shè)定情景S-03和 S-04。情景 S-03根據(jù)“碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)”6.1.3條第1款，采用不同數(shù)據(jù)清單進(jìn)行分析時(shí)僅計(jì)入累計(jì)重量占比達(dá) 95%以上的主要材料；而情景 S-04在上述要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)6.1.3條第2款進(jìn)一步計(jì)入重量比>0.1%的材料。

3 工程案例實(shí)證分析

3.1 工程基本信息

選取一棟二層鄉(xiāng)村民居為例，分別采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和混凝土砌塊砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并開展物化碳排放的對(duì)比分析。該房屋的總建筑面積為188.78m2，其中一層面積為101.32m2，二層面積為87.46m2。建筑層高為3m，采用坡屋頂及水泥瓦屋面，屋脊至室外地面高度為7.45m。建筑抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為丙類。

框架結(jié)構(gòu)方案中，框架梁、柱采用C25混凝土和HRB400鋼筋設(shè)計(jì)，主要截面尺寸分別為200 mm×400 mm和300 mm×300 mm。柱下采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸為800 mm×800 mm。框架填充墻采用輕集料混凝土小型空心砌塊砌筑。

砌塊砌體結(jié)構(gòu)方案中，承重墻厚度為190mm，采用MU10混凝土小型空心砌塊和Mb5砂漿砌筑。墻體轉(zhuǎn)角及縱橫墻交接處等關(guān)鍵位置設(shè)有鋼筋混凝土芯柱，芯柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。墻下采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度為600mm。

根據(jù)上述建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，土建及裝飾工程的材料用量及施工能耗如表2所示。

表2 兩種結(jié)構(gòu)方案的材料用量與施工能耗

3.2 基礎(chǔ)情景的碳排放分析

根據(jù)上述工程量資料，按“碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)”推薦的碳排放因子，得出的基礎(chǔ)情景碳排放如表 3所示?？蚣芎推鰤K砌體結(jié)構(gòu)方案的物化碳排放分別為69.75 tCO2e和65.72 tCO2e。而兩種結(jié)構(gòu)的碳排放構(gòu)成相近，其中材料生產(chǎn)過程占比>95%，而運(yùn)輸及施工過程占比分別約為4%和1%。與砌塊砌體結(jié)構(gòu)相比，框架結(jié)構(gòu)的鋼筋與水泥消耗量較高，相應(yīng)的材料生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)加工過程碳排放分別增加 6.6%和46.4%；而由于框架結(jié)構(gòu)自重較小，材料運(yùn)輸碳排放相應(yīng)降低了12.9%?？傮w而言，框架結(jié)構(gòu)物化碳排放總量相較于砌塊砌體結(jié)構(gòu)增加了6.1%。

表3 基礎(chǔ)情景的物化碳排放對(duì)比（kgCO2e/m2）

3.3 不同清單選擇的對(duì)比分析

以基礎(chǔ)情景S-01為參考，根據(jù)情景S-02的基本假設(shè)，采用表1整理的典型數(shù)據(jù)清單，分別對(duì)案例建筑的物化碳排放進(jìn)行計(jì)算與對(duì)比分析，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同清單選擇的碳排放計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖1可知，采用不同數(shù)據(jù)清單時(shí)，框架結(jié)構(gòu)方案的物化碳排放范圍為356.6~507.2 kgCO2e/m2，平均值為425.1kgCO2e/m2；而砌塊砌體結(jié)構(gòu)方案的物化碳排放為 340.2~482.6 kgCO2e/m2，平均值為404.2kgCO2e/m2。與基礎(chǔ)情景的計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提供的碳排放因子并不全面，相應(yīng)計(jì)算得出的物化碳排放量低于根據(jù)國(guó)內(nèi)已有數(shù)據(jù)清單計(jì)算結(jié)果的平均值約13.5%。上述結(jié)果表明，數(shù)據(jù)清單選擇對(duì)建筑物化碳排放的估計(jì)值具有較為顯著的影響。與基礎(chǔ)情景相比，不同清單選擇導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果變化幅度可達(dá)38.5%。

表4的分析表明，采用不同數(shù)據(jù)清單計(jì)算時(shí)，框架結(jié)構(gòu)方案的碳排放均高于砌塊砌體結(jié)構(gòu)方案，平均增加20.8kgCO2e/m2（3~7%），其中鋼筋和水泥生產(chǎn)的碳排放增加了28.2~47.3 kgCO2e/m2。此外，選用不同數(shù)據(jù)清單時(shí)，生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工過程對(duì)碳排放總量的貢獻(xiàn)比例亦較為相近。上述對(duì)比結(jié)果與基礎(chǔ)情景分析數(shù)據(jù)相一致，因此按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)清單實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)方案的碳排放對(duì)比分析是可行的。

4 討論

4.1 系統(tǒng)邊界影響分析

為分析系統(tǒng)邊界選擇對(duì)碳排放計(jì)算結(jié)果的影響，依據(jù)情景S-03和S-04的設(shè)定對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案的物化碳排放進(jìn)行分析，并與按實(shí)際工程材料消耗量計(jì)算的碳排放對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

表4 清單選擇對(duì)不同設(shè)計(jì)方案對(duì)比結(jié)果的影響

圖2 系統(tǒng)邊界選擇對(duì)物化碳排放計(jì)算的影響

當(dāng)按情景S-03僅考慮累計(jì)重量比超過 95%的材料時(shí)，砌塊砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的碳排放計(jì)算結(jié)果將被平均低估17.8%和33.2%。此外，兩種結(jié)構(gòu)方案的碳排放差異平均為78.5 kgCO2e/m2，顯著高于表4的計(jì)算結(jié)果。進(jìn)一步的分析表明，產(chǎn)生上述誤差的主要原因是砂石、水等自重大而對(duì)碳排放總量的貢獻(xiàn)較小，僅按累計(jì)重量比確定計(jì)算范圍時(shí)，可能導(dǎo)致部分高碳排放的材料被忽略。

當(dāng)按情景S-04進(jìn)一步計(jì)入重量比>0.1%的材料時(shí)，計(jì)算結(jié)果被平均低估約3.6%，兩種結(jié)構(gòu)方案的碳排放差值平均為20.8kgCO2e/m2，與表4計(jì)算結(jié)果一致。因此，按情景S-04基本假定進(jìn)行簡(jiǎn)化分析時(shí)，計(jì)算結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性與可靠性。

4.2 碳排放貢獻(xiàn)分析

鑒于采用不同數(shù)據(jù)清單時(shí)，物化碳排放的構(gòu)成比例相近，故采用平均值進(jìn)行碳排放的貢獻(xiàn)分析。

（1）對(duì)于材料生產(chǎn)過程，表 1所列各類建材對(duì)碳排放及材料總重量的貢獻(xiàn)如圖3所示。從材料重量的角度分析，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)和砌塊砌體結(jié)構(gòu)，砂石和水對(duì)材料總重量的貢獻(xiàn)分別為75%和65%。然而，二者的碳排放因子較低，僅約為鋼材的0.5%和0.01%，故對(duì)碳排放總量的貢獻(xiàn)不足2%。從碳排放貢獻(xiàn)的角度分析，水泥、鋼筋和砌塊是兩種結(jié)構(gòu)方案中最主要的碳排放來源，累計(jì)碳排放貢獻(xiàn)可達(dá)80%，而相應(yīng)的對(duì)材料總重量的貢獻(xiàn)分別為20%和30%。上述分析結(jié)果表明，從單位重量材料的碳排放角度來說，不同建筑材料的差異較大，實(shí)踐中應(yīng)注重對(duì)高碳排放因子材料的分析和優(yōu)化。

圖3 不同材料的重量及碳排放貢獻(xiàn)對(duì)比

（2）對(duì)于材料運(yùn)輸過程，考慮鄉(xiāng)村建筑具有就地取材的特點(diǎn)，假定平均運(yùn)距50 km時(shí)，得出其對(duì)物化碳排放的貢獻(xiàn)約為 4%。而“碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)”給出的運(yùn)輸距離默認(rèn)值為500 km，若按此計(jì)算，則運(yùn)輸碳排放將提高9倍，對(duì)物化碳排放的貢獻(xiàn)亦將增加至約30%。因此，鄉(xiāng)村建筑施工應(yīng)盡量采用本地材料，以便降低運(yùn)輸碳排放水平。

（3）對(duì)于施工過程，由于鄉(xiāng)村建筑通常體量較小，無需大型施工設(shè)備與機(jī)具。案例建筑亦采用了現(xiàn)澆體系、人工為主的建設(shè)方式，故相應(yīng)的施工能耗較低，對(duì)物化碳排放的貢獻(xiàn)僅為1%，可忽略不計(jì)。

5 結(jié)語

在鄉(xiāng)村建筑中，相較于砌塊砌體結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)方案的物化碳排放量會(huì)有所增加，但通過提高技術(shù)水平及利用再生材料等途徑，鋼材及水泥的生產(chǎn)碳排放可不斷降低，兩種結(jié)構(gòu)方案的碳排放差異亦將縮小。故從低碳可持續(xù)的角度考慮，混凝土框架結(jié)構(gòu)方案具有發(fā)展?jié)摿?。不同建筑材料?duì)總重量及碳排放量的貢獻(xiàn)具有明顯的區(qū)分度。在確定系統(tǒng)邊界與計(jì)算范圍時(shí)，除按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重量比選擇主要建材外，尚應(yīng)考慮自重占比小而碳排放因子或造價(jià)較高的材料，以減小計(jì)算誤差。