錢生澤

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300222）

1 緒論

近年來，全球變暖與大氣顆粒物污染引起人們廣泛關(guān)注。政府間氣候變化專業(yè)委員會(intergovernmental panel on climate change，IPCC)發(fā)布的《全球1.5℃溫升特別報告》指出[1]，全球變暖幅度達(dá)到2℃將會帶來比現(xiàn)在更嚴(yán)重的后果，包括對水資源、土地利用、糧食生產(chǎn)和人類健康的嚴(yán)重負(fù)面影響。建筑業(yè)是最大的能源消耗部門，也是溫室氣體排放部門之一。2020年，全球建筑部門的CO2排放總量約為117億t[2]，該部門占全球最終能源消耗的36%和與能源相關(guān)的CO2排放量的37%。所以，降低建筑領(lǐng)域的CO2排放對控制全球變暖與大氣顆粒物污染至關(guān)重要。

大量研究表明，在建筑全生命周期中，運營階段排放量最大，占總排放量的70%～80%，物化階段排放量占比為20%～30%[3]。雖然物化階段整體環(huán)境排放占比較小，但建筑物化階段持續(xù)時間較短，若考慮年均碳排放量，建筑物化階段要大大超過建筑使用階段的環(huán)境排放影響，因此建筑物化階段與運營階段的環(huán)境影響都不容小覷。在量化建筑環(huán)境排放時，研究人員常用生命周期評價(LCA)方法，國內(nèi)外眾多學(xué)者分別針對建筑的不同結(jié)構(gòu)形式、地區(qū)、材料進(jìn)行環(huán)境影響的對比分析。此外，物化階段會有大量的相關(guān)人員參與其中，這些相關(guān)人員會在物化階段的持續(xù)時間內(nèi)產(chǎn)生大量CO2，因此將這一部分CO2納入計算當(dāng)中是十分必要的，而且也是碳排放計算中很重要的一部分，但是現(xiàn)有研究基本都忽略建筑工人在工地生活作業(yè)所產(chǎn)生的碳排放，為了解決這種問題，筆者充分考慮了人員的碳排放計算。

筆者首先將建筑物化階段按照不同工序進(jìn)行分解，建立單元工序的碳排放計算模型；然后對運營階段的能耗進(jìn)行分析，集成得到整個工程的碳排放計算模型；最后以某軌道交通車站為案例進(jìn)行分析，驗證了模型的可行性，并得到了該站房物化階段和運營階段的碳排放量。

2 全生命周期評價(LCA)研究方法

1990年，國際環(huán)境毒理學(xué)和化學(xué)協(xié)會(international society for environmental toxicology and chemistry，SETAC)第1次使用“生命周期評價”概念 。1993年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(international organization for standardization，ISO)成立環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(TC207)，LCA被正式納入ISO環(huán)境管理體系。同時，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(United Nations Environment Program，UNEP)也開始參與LCA研究，陸續(xù)發(fā)表了報告《LCA：概念和方法》和《面向全世界的LCA應(yīng)用》[4]。

LCA方法的實施框架最初由SETAC確定，該框架以三角形模型為基礎(chǔ)，將LCA方法分為4個組成部分，如圖1(a)所示。其中目標(biāo)與范圍(goal and scope definition)明確了研究目的、功能單位和系統(tǒng)邊界以及后續(xù)的指標(biāo)選擇[5]；清單分析(life cycle inventory analysis，LCI)選用了中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)；影響評價(life cycle impact assessment，LCIA)采用中點破壞環(huán)境影響評價計算CO2排放。ISO[6]在SETAC技術(shù)框架的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，刪去了改善分析，添加了結(jié)果解釋，并指出結(jié)果解釋和前3個部分相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。其完整的LCA也包含4個階段，各階段之間的相互關(guān)系如圖1(b)所示。

圖1 生命周期評價技術(shù)框架Figure 1 Technical framework for life cycle assessment

3 建筑物化階段環(huán)境排放計算模型

3.1 模型邊界

3.1.1 物化階段生命周期界定

建筑的整個生命周期可分為物化階段、使用階段和拆除階段。其中物化階段環(huán)境影響評價可以理解為“建筑工程LCA”的組成部分，即可以把建筑工程物化階段視為一種特殊的產(chǎn)品，包含建筑在投入使用前的所有前期階段過程中的全部活動。

物化階段產(chǎn)生的環(huán)境排放主要包括：①建筑工程建造過程中所用材料在物化過程中的環(huán)境排放(包括開采、運輸、工廠加工等環(huán)節(jié))；②建筑工程施工過程產(chǎn)生的直接和間接的環(huán)境排放(包括建筑材料的運輸、施工建造等過程)。

對于建筑來說，使用階段可分為兩類，公共建筑的使用階段是建筑運營時的階段，而住宅建筑的使用階段即為居民在建筑中正常生活的階段。

3.1.2 溫室氣體核算范圍界定

由于不同溫室氣體的輻射特性不同，它們影響全球氣候變暖的程度也會有所不同。目前，國際上通常以CO2為基準(zhǔn)排放物，根據(jù)不同溫室氣體在一段時間內(nèi)造成的全球變暖潛值，將其折為二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等[7]，本研究中將以溫室氣體中最典型的CO2作為研究對象。

3.1.3 物質(zhì)能源系統(tǒng)邊界

本研究中建筑物化階段的物質(zhì)系統(tǒng)邊界為：建設(shè)過程中所需的各類建筑材料和輔助材料，以及由各種建材預(yù)制生產(chǎn)的建筑構(gòu)件，如預(yù)制板、墻等；但各種材料生產(chǎn)設(shè)備、空調(diào)設(shè)備以及施工機(jī)械等，在其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的物質(zhì)損耗和環(huán)境影響不包含在系統(tǒng)邊界內(nèi)。值得說明的是，通常碳排放按照直接排放、間接排放、供應(yīng)鏈排放3部分分析，但本文是基于全生命周期的方法進(jìn)行分析，因此在排放分類中是按照材料生產(chǎn)、施工建造以及運營階段進(jìn)行分析。

3.2 模型構(gòu)建

本研究的建筑物化階段，包含材料生產(chǎn)、運輸和施工建造3部分，各階段的CO2排放計算方法如下。

3.2.1 材料生產(chǎn)階段

本階段包含建筑工程各單位工程內(nèi)所有分部分項工程中所需的全部建筑材料以及預(yù)制構(gòu)件，從原材料開采與運輸、材料生產(chǎn)到出廠運輸?shù)娜窟^程，部分材料在建筑生命周期內(nèi)需要更換時，其更換所需材料在生產(chǎn)過程中的環(huán)境排放，也在此階段考慮。期間的CO2排放通過各單元工序的材料消耗量與相應(yīng)的材料CO2排放系數(shù)相乘而得，如式(1)：

其中，Emat,C為材料生產(chǎn)階段的CO2排放量，kgCO2eq；n為單元工序；EFmat,i,C為第i種材料的CO2排放系數(shù)。

3.2.2 運輸階段

本階段包含建筑工程所需全部材料從工廠運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的過程，期間的CO2排放由運輸機(jī)械能源消耗產(chǎn)生。本階段的CO2排放量計算公式如式(2)所示：

其中，Etra,C為運輸階段的CO2排放量，kgCO2eq；EFtra,C為運輸?shù)腃O2排放系數(shù)。

建筑材料的主要運輸方式為公路運輸。取中國統(tǒng)計年鑒中公路貨物運輸平均運距為176 km[8]。根據(jù)李學(xué)東[9]的研究，公路運輸?shù)娜加拖牧繛?.015 2 kg/t·km，則EFtra,j,C=0.055 6 kgCO2eq/(t·km)。所以，本階段CO2排放量的計算公式可簡化為式(3)：

3.2.3 施工建造階段

本階段包含建筑工程在施工現(xiàn)場內(nèi)所有耗能的過程，以及由于材料損耗產(chǎn)生的建筑垃圾的運輸及處理過程，期間的CO2排放由施工機(jī)械、建筑垃圾運輸處理和額外施工過程的能耗產(chǎn)生。具體計算公式如式(4)所示：

其中，Econ,C為施工建造階段的CO2排放量，kgCO2eq；EFmach,j,C為第j種機(jī)械的CO2排放系數(shù)，kgCO2eq/臺班；EFdis,i,C為處理第i種材料產(chǎn)生垃圾的CO2排放系數(shù)；Econe,C為額外施工過程的CO2排放系數(shù)。

建筑垃圾運輸過程排放的計算方法同運輸階段，處理過程的方式包括填埋、堆肥、焚燒，各處理方式的能耗和排放因子見表1。

表1 中國建筑垃圾處理能源消耗排放因子Table 1 Energy consumption emission factors of construction waste treatment in China

綜合上述3個階段，建筑工程物化階段的CO2排放總量如式(5)所示：

3.2.4 施工人員碳排放計算方法

現(xiàn)場施工人員主要分為工人與管理人員，主要對其生活與辦公區(qū)域所消耗的水、電、燃?xì)馀c產(chǎn)生的生活垃圾進(jìn)行計算。若在項目初期無統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，可根據(jù)各個房間設(shè)施的電器數(shù)量、功率進(jìn)行估算。計算公式如式(6)所示：

其中，EH為施工人員碳排放，kgCO2eq；EE為人員消耗電碳排放，kgCO2eq；EW為人員消耗水碳排放，kgCO2eq；EL為人員消耗燃?xì)馓寂欧?，kgCO2eq；EG為人員產(chǎn)生生活垃圾處理碳排放，kgCO2eq。

人員消耗電、水、燃?xì)馀c產(chǎn)生的生活垃圾處理碳排放計算公式如式(7)～(10)所示：

其中，EFE為電力排放因子，kgCO2eq/Kwh；I為耗電量，kWh；EFW為非工業(yè)農(nóng)業(yè)用水排放因子，kgCO2eq/kg；W為耗水量，kg；EFL為燃?xì)馀欧乓蜃樱琸gCO2eq/m3；L為燃?xì)庥昧?，m3；EFG為生活垃圾處理排放因子，kgCO2eq/kg；G為垃圾量，kg。

本文所采用的材料排放因子主要以《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51366-2019)為依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)中沒有的材料，其CO2排放因子選用GABI軟件中的數(shù)據(jù)庫?；茉词褂眠^程中CO2排放因子采用標(biāo)準(zhǔn)中選用的IPCC的數(shù)據(jù)。機(jī)械排放因子根據(jù)《全國統(tǒng)一施工機(jī)械臺班費用定額》確定。

3.2.5 車站運行階段碳排放計算方法

車站運行階段碳排放主要來自通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、自動扶梯系統(tǒng)的用電。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是指通風(fēng)、空調(diào)等相關(guān)設(shè)備。其耗電量的計算[10]如式(11)所示：

式中：W為車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗，kWh；Y為車站高峰小時熱負(fù)荷，kW；η為設(shè)備功率系數(shù)；T為設(shè)備運行時間，h。

其中，Y的計算如式(12)所示：

式中：D為車站公共區(qū)域面積，m2；c、a為系數(shù)。由相關(guān)文獻(xiàn)[11]可知，對于南方城市屏蔽門車站，c=–1 181.935，a=0.516 3；對于南方城市閉式車站，c=5.414 3，a=0.0317 3；對于北方城市閉式車站，c=746.453 8，a=0.132 9。

車站一般采用節(jié)能燈具和智能控制系統(tǒng)。照明系統(tǒng)耗電量的計算如式(13)所示：

式中：LPD為照明功率密度，W/m2；D為車站公共區(qū)域面積，m2；t為照明持續(xù)時間，h。

自動扶梯系統(tǒng)的耗電量主要來自于發(fā)動機(jī)。計算公式[21]如式(14)所示：

式中：H為設(shè)備運行時間，h；Yi為運行功率(與運行時間和負(fù)載有關(guān)系)；hi為以Yi運行的運行時間，h。

4 案例分析

4.1 工程概況

本文案例選用某大型軌道交通車站，站房總規(guī)模11.4萬m2，建筑面積6.7萬m2。站房為線上式構(gòu)造，由東西站房和高架站房組成，分為出站層、站臺層、高架層和局部夾層。站房建筑最高點37.45 m，雨棚檐口高度5.50 m。

4.2 環(huán)境排放計算分析

本項目的總建筑面積為6.7萬m2，項目建造過程中使用的材料、機(jī)械與人工數(shù)量均是由該項目部提供的真實數(shù)據(jù)，相關(guān)碳排放因子來源于《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51366-2019)。根據(jù)該站房的材料信息，得到其總碳排因子為7.061×107kgCO2eq/m2，其中，材料碳排放為7.06×107kgCO2eq/m2，機(jī)械能源碳排放為6.25×103kgCO2eq/m2。材料碳排放和機(jī)械能源碳排放分別占總碳排放的99%和1%。

在該站房建設(shè)中，所用材料種類包括機(jī)械能源440種，可計算碳排放種類419種，即本項目碳排放計算中，材料碳排放可計算率高達(dá)95.23%。因此，在碳排放分析結(jié)果中，各類碳排放計算總和對項目中碳排放分析說明的可靠性很高。

4.2.1 材料碳排放分析

依據(jù)材料碳排放計算方法和材料碳排放因子，計算出該站房材料碳排放總和，由于材料種類數(shù)目大，本計算中只針對該項目中的主要材料(鋼材、混凝土、鋁材、木材、水泥、砌塊、砂)進(jìn)行分析。該站房主要材料碳排放結(jié)果見圖2，各材料碳排放占比見圖3。

如圖2所示，在該站房建設(shè)階段，在所有材料用量中，碳排放量從大到小依次為鋼材、混凝土、鋁材、木材、水泥、砌塊、砂。圖3中，鋼材的碳排放量為5.45×107kgCO2eq/m2，其總量占總材料碳排放的50.84%，混凝土的碳排放量為3.05×107kgCO2eq/m2，占材料總碳排放的28.46%，其余材料的碳排放總和不到21%。而從鋼材和混凝土的碳排放來看，鋼材的碳排放近乎是混凝土的2倍，可見在站房的建設(shè)中鋼材的使用占比非常大。這是因為，在該站房建設(shè)中，鋼材的用量主要來源于主體結(jié)構(gòu)中的鋼梁、鋼板、鋼筋、鋼檁條等。因此，在施工減排中，應(yīng)著重考慮鋼材和混凝土的使用量，合理規(guī)劃，采用更節(jié)能環(huán)保的替代材料來減少碳排放。

圖2 主要材料碳排放Figure 2 Carbon emissions of main materials

圖3 各材料碳排放占比Figure 3 Proportions of carbon emissions of all studied materials

4.2.2 機(jī)械碳排放分析

依據(jù)機(jī)械能源碳排放計算方法和能源碳排放因子，計算出站房機(jī)械能源碳排放總和，在該項目建設(shè)中，機(jī)械能源主要來源于柴油和電。站房的機(jī)械碳排放結(jié)果見圖4。

圖4 機(jī)械碳排放占比Figure 4 Carbon emissions from machinery

在該站房的機(jī)械能源碳排放中，柴油的碳排放量為1.84×103kgCO2eq/m2，電的碳排放量為4.42×107kgCO2eq/m2。由圖4可看出，機(jī)械碳排放中柴油和電分別占總機(jī)械碳排放的70.62%和29.38%。這說明，在站房項目中，使用柴油的機(jī)械用量居多，耗電的機(jī)械相對較少。而使用柴油的機(jī)械用量居多是因為在站房建設(shè)中，需要大型的吊裝和運輸設(shè)備，為獲取較大動力，所消耗的柴油便增多。因此在減排措施中，該項目應(yīng)著重考慮使用柴油較多的機(jī)械，通過高效的管理手段對該類機(jī)械的柴油消耗做控制。

4.2.3 人員碳排放分析

根據(jù)該站房工程項目部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該項目總?cè)藛T數(shù)為680人，建設(shè)項目工期總用電1 123 200 kWh、用水3.24×107kg、垃圾2.11×106kg，由于食堂使用電力加熱設(shè)備，故沒有燃?xì)馐褂昧?。項目總?cè)藛T碳排放為5.45×106kg，其中宿舍所占碳排放為5.17×105kg，食堂4.02×105kg，辦公室2.75×105kg，垃圾處理4.26×106kg。

從圖5可以看出，在宿舍、食堂、辦公室和生活垃圾處理所產(chǎn)生的碳排放中，由于垃圾處理包含了垃圾的運輸及處理，因此其碳排放所占比例最多，達(dá)到了78%。

圖5 人員碳排各分項所占比例Figure 5 Proportions of individual carbon emission items

4.2.4 運行階段碳排放分析

依據(jù)項目工程概況，公共區(qū)域面積有6.7萬m2。車站位于南方，屬于閉式車站，參數(shù)c、a選擇5.414 3、0.031 73，晚高峰小時負(fù)荷為Y=2 131.32，假定通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)每天平均工作20 h，則車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)每年耗電量為6 223 466.96 kWh。

根據(jù)車站的照明需求和規(guī)定，照明功率密度取5 W/m2，照明持續(xù)時間取20 h，則照明系統(tǒng)每年耗電量為2 445 500 kWh。

考慮車站客流量和實際運行情況，自動扶梯的運行速度為0.75 m/s，假設(shè)自動扶梯日平均負(fù)載為50%，此時運行功率為12.07 kW。則自動扶梯系統(tǒng)的年耗電量為4 229 170.32 kWh。

南方區(qū)域的加權(quán)平均電力碳排放因子為0.9183 kgCO2/(kW·h)，可得到各部分碳排放計算結(jié)果如表2所示。

表2 車站能耗數(shù)據(jù)Table 2 Station energy consumption data

4.3 節(jié)能減排措施

根據(jù)上述計算結(jié)果，對于該類軌道交通車站的物化階段及運營階段碳排放，可采取下列措施予以減少：

1) 優(yōu)先選擇節(jié)能機(jī)械。在成本和進(jìn)度允許的情況下，優(yōu)先考慮更節(jié)能的施工機(jī)械。對于大型工程，首選大型施工機(jī)械設(shè)備，既能保證進(jìn)度，又能提高效率，降低了單位工作量成本和能耗。

2) 推廣工業(yè)化施工方式。工業(yè)化施工是指依據(jù)設(shè)計圖紙，在工廠內(nèi)預(yù)制建筑構(gòu)件及配件(如樓板、樓梯等)，達(dá)到一定強(qiáng)度后運到施工現(xiàn)場使用。工業(yè)化施工的規(guī)?；菍崿F(xiàn)節(jié)能、高效、優(yōu)質(zhì)、降低成本的關(guān)鍵。它既能減少模板、腳手架等周轉(zhuǎn)材料的消耗，又能減少能源的使用，還能減少現(xiàn)場施工帶來的灰塵、噪聲、光、廢水和固體廢物對環(huán)境或人員的污染。

3) 加強(qiáng)可再生能源的使用。鼓勵在項目現(xiàn)場使用太陽能照明、太陽能熱水器、光伏發(fā)電等可再生能源；鼓勵建筑用水和建筑垃圾循環(huán)利用，取得更好的節(jié)能減排效果。

4) 優(yōu)化車站運營方式。在車站運營時采用智能能耗控制系統(tǒng)，改造車站空調(diào)系統(tǒng)及自動扶梯系統(tǒng)，最大限度減少不必要的能源消耗，從而達(dá)到車站節(jié)能減排目的。

5 結(jié)論

本文基于LCA研究建筑物化階段的CO2排放，建立CO2排放計算模型，并應(yīng)用在實際案例中，對其結(jié)果進(jìn)行分析。本研究的主要成果如下：

1) 首先將土建工程按照分部工程、子分部工程、分項工程分解至單元工序?qū)用?，采用目前世界先進(jìn)的工程環(huán)境影響評價模型，結(jié)合施工階段、物化階段和運營階段的碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，建立單元工序的碳排放計算模型；再采用集成的方法，建立了建筑工程建設(shè)期和運營期的碳排放計算模型。

2) 對建立的模型進(jìn)行案例分析，對建筑物化階段和運營階段的碳排放進(jìn)行了詳細(xì)的計算與分析，發(fā)現(xiàn)鋼材的碳排放量占總材料碳排放的50.84%，混凝土的碳排放量占材料總碳排放的28.46%；機(jī)械碳排放中柴油和電分別占總機(jī)械碳排放的70.62%和29.38%；而在人員碳排放中垃圾處理產(chǎn)生的碳排放所占比例達(dá)到了78%；在車站運營階段通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)碳排放占比最大為48.2%。

3) 對建筑工程物化階段環(huán)境排放的研究，分析影響建筑物化階段各組成部分碳排放的主要因素的技術(shù)替代性，以期對施工技術(shù)的改進(jìn)提供參考。