摘要:通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)、建材采購和運(yùn)輸、建造施工、投產(chǎn)使用、拆除回收等各個(gè)環(huán)節(jié)的碳足跡特征分析,構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型,并將其應(yīng)用于實(shí)際工程案例。結(jié)果表明,鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在使用階段和物化階段的碳排放量占總排放量的99%,因此,這兩個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵階段。通過探索不同建筑結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)廠房碳排放量,對(duì)比分析不同建筑結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)廠房節(jié)能減排關(guān)鍵因素和階段。期望通過建立鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房碳足跡核算模型,以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型,并為建筑行業(yè)全生命周期的碳足跡評(píng)價(jià)研究提供參考。
關(guān)鍵詞:全生命周期;碳足跡;碳排放因子;鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房
0 引言
溫室氣體的排放已導(dǎo)致全球氣候變暖,海平面上升,地球極端天氣災(zāi)害頻發(fā),生物多樣性受到嚴(yán)重影響。作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),據(jù)IPCC 統(tǒng)計(jì),全球建筑業(yè)消耗能源占總消耗的40%,其碳排放量更是占全球碳排放總量的36%[1],這對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成巨大的威脅。為全面降低能耗與碳足跡,建筑行業(yè)亟須在良好的外部環(huán)境支持下,建立起貫穿建筑業(yè)全生命周期的全局觀,科學(xué)規(guī)劃各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗與碳排放,實(shí)現(xiàn)在“雙碳”目標(biāo)下建筑行業(yè)全生命周期的低碳發(fā)展。
2022年4 月1 日,隨著《建筑設(shè)計(jì)環(huán)保與可再生能源利用通行標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布,對(duì)建筑物的碳足跡進(jìn)行精確的評(píng)估和控制變得更加重要和嚴(yán)格。近年來,為響應(yīng)國家能源相關(guān)政策,不少學(xué)者開始關(guān)注建筑業(yè)碳足跡測(cè)算,并取得了一定的成果。
李靜等[2]結(jié)合施工定額、施工機(jī)械臺(tái)班消耗、能源及材料碳足跡因子,精準(zhǔn)地測(cè)定了裝配式建筑三種不同類型的碳足跡,為裝配式建筑的綠色建設(shè)提供重要依據(jù)。鄭曉云等[3]深入探討裝配式建筑的全生命周期,詳細(xì)評(píng)估每個(gè)階段碳足跡的影響程度,并且提出一系列有效的措施,以降低各階段的碳排放量。楊尚榮等[4]通過采取綜合能耗分析法,大大降低了預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程中的碳排放量,并且可以更好地體現(xiàn)企業(yè)的全面經(jīng)濟(jì)效益,從而更有效地控制和減少工程項(xiàng)目的碳排放量。Bonamente等[5]基于全生命周期對(duì)意大利預(yù)制建筑部門進(jìn)行分析,得出影響碳足跡的重要因素,從而為評(píng)估不同設(shè)計(jì)選擇的環(huán)境性能提供方案。Tumminia等[6]利用非穩(wěn)態(tài)建筑模擬技術(shù)與生命周期評(píng)價(jià)技術(shù),對(duì)意大利西西里地區(qū)的預(yù)制建筑模塊的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行深入研究,并發(fā)現(xiàn)它們?cè)诒Wo(hù)自然資源的同時(shí),也具有良好的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Αye等[7]對(duì)預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)的復(fù)合建筑進(jìn)行量化研究,旨在檢驗(yàn)其在保護(hù)自然資源的同時(shí)也具有良好的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Αhang等[8]從生產(chǎn)力和資源的角度分析中國預(yù)制建筑的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),并對(duì)中國預(yù)制建筑的發(fā)展提出建議。
綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者多利用全生命周期理論對(duì)裝配式建筑的碳足跡進(jìn)行分階段研究,但對(duì)于工業(yè)建筑,尤其是鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的碳足跡測(cè)算研究較少。因此,本文通過構(gòu)建可用于計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房全生命周期碳足跡模型,分析鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房實(shí)現(xiàn)低碳減排的關(guān)鍵步驟,衡量其對(duì)環(huán)境的影響,可為工業(yè)廠房投資決策提供參考。
1 全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型
生命周期評(píng)價(jià)(以下簡(jiǎn)稱“LCA”)旨在評(píng)價(jià)一種物質(zhì)的全生命周期,以及它如何通過采購、制造、銷售、維護(hù)等過程,減少或避免給周圍自然環(huán)境帶來的不利影響。
建筑物的碳排放是由多種因素造成的,其中包括二氧化碳、甲烷和氧化亞氮。國際能源署通過對(duì)這些因素的定量分析來確定建筑物的碳排放量[9]。
研究人員已經(jīng)開發(fā)出3種常見的方法來評(píng)估建筑的碳足跡,即實(shí)驗(yàn)法、物料平衡法、碳足跡系數(shù)法。這些方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。例如,劉珊[10]提出一種基于BIM 的裝配式住宅物理過程中的碳足跡評(píng)估方法,該方法擁有一個(gè)完整的參數(shù)庫、基本信息庫和清單庫。
通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)、物化、使用、拆除回收4個(gè)生產(chǎn)階段的綜合評(píng)估,可以準(zhǔn)確地估算出其在不同階段的碳排放量。建筑全生命周期碳排放進(jìn)程如圖1所示。建筑全生命周期碳足跡計(jì)算公式如下
E=E1+E2+E3+E4 """(1)
式中,E為建筑全生命周期碳排放量(kgCO2eq);E1為設(shè)計(jì)階段碳排放量(kgCO2eq);E2為物化階段碳排放量(kgCO2eq);E3為使用階段碳排放量(kgCO2eq);E4為拆除回收階段碳排放量(kgCO2eq)。
1.1 設(shè)計(jì)階段
設(shè)計(jì)階段的碳排放量主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中所消耗能源和設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生的總碳排放量。通常設(shè)計(jì)單位使用辦公室電腦進(jìn)行圖樣設(shè)計(jì),辦公照明、空調(diào)能源消耗造成的碳排放量為設(shè)計(jì)階段的主要碳排放量,公式如下
式中,Pi 為第i 種能源的月平均消耗量(kW·h);M表示使用時(shí)間(月);Qi為第i 種能源碳足跡因子(kgCO2eq/kW·h);Qr為人工消耗量(工日);Fr為人工碳足跡因子(kgCO2eq/工日)。
1.2 物化階段
建筑物化階段碳排放量可具體分為建材生產(chǎn)階段碳排放量、建材運(yùn)輸階段碳排放量及建造施工階段的碳排放量。物化階段碳排放量計(jì)算公式如下
E2=E21+E22+E23 """"(3)
式中,E2為物化階段碳排放總量(kgCO2eq);E21、E22、E23分別為建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、建造施工階段碳排放量。
1.2.1 建材生產(chǎn)階段
建材生產(chǎn)階段的碳排放量可根據(jù)材料消耗量與相應(yīng)的材料碳足跡因子進(jìn)行測(cè)算,公式如下
式中,Pi為第i種材料消耗量(kg);Qi為i種材料碳足跡因子(kgCO2eq/單位材料消耗量)。
1.2.2 建材運(yùn)輸階段
運(yùn)輸過程碳排放量主要的是將建材、設(shè)備機(jī)械等固體物資運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)所產(chǎn)生的,運(yùn)輸過程產(chǎn)生的碳排放量主要與材料重量、運(yùn)輸方式和運(yùn)輸距離等因素有關(guān)。本文選用公路運(yùn)輸作為材料的運(yùn)輸方式,車輛燃料為柴油,且只考慮建材運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的碳排放量,不考慮運(yùn)輸返回的碳排放量。公式如下
式中,Mi為第i種材料的重量(kg);Di為第i種材料運(yùn)輸?shù)木嚯x(km);Ei為每千米柴油消耗數(shù)量(L/km);Qi為柴油碳足跡因子(kgCO2/L)。
1.2.3 建造施工階段
鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的施工階段碳排放量主要包括鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中由施工機(jī)械運(yùn)行和人員在勞作期間所產(chǎn)生的碳排放量。施工階段碳排放量,公式如下
式中,E23為施工過程機(jī)械運(yùn)行和人員勞作期間所產(chǎn)生的碳排放總量(kgCO2eq);E23a為施工階段施工機(jī)械運(yùn)行所產(chǎn)生的碳排放量(kgCO2eq);E23b表為施工階段人工消耗產(chǎn)生的碳排放(kgCO2);Qi為第i種施工機(jī)械碳足跡因子(kgCO2eq/單位);Pi為第i種機(jī)械每臺(tái)班所消耗能源量(kgCO2eq);Ri為第i 種施工機(jī)械臺(tái)班數(shù)(班);Qr為人工消耗量(工日);Fr為人工碳足跡因子(kgCO2/工日)。
1.3 使用階段
鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房使用階段的碳排放量主要涉及設(shè)備、照明等方面的能源消耗造成的溫室氣體排放量,相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)制造廠房,照明所用電量可以忽略不計(jì),本文使用階段碳排放量只考慮廠房機(jī)械設(shè)備用電消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放量,計(jì)算公式如下
E3=Ehea×EF×N""" (9)
式中,E3為使用階段碳排放量(kgCO2eq);Ehea為鋼結(jié)構(gòu)制造廠房年能耗量(kW·h);EF為電力碳足跡因子(kgCO2eq/kW·h);N為廠房設(shè)計(jì)年限。
1.4 拆除回收階段
拆除階段的碳排放量包括建筑拆除、拆卸物運(yùn)輸以及回收過程中所產(chǎn)生的碳排放量。建筑廢棄物不會(huì)詳細(xì)分類直接裝車運(yùn)輸填埋處理,而對(duì)于這部分的碳排放量只需計(jì)算建筑垃圾的運(yùn)輸能源消耗碳量。根據(jù)已有文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì),沒有具體數(shù)值時(shí)可按建材的80%進(jìn)行估算。本文拆除階段的碳排放量按建材運(yùn)輸和建造施工的80%進(jìn)行簡(jiǎn)單估算[11]。計(jì)算公式為
E4=E22×80%+E23×80%""" (10)
2 案例分析
2.1 項(xiàng)目介紹
吉安市鼎欣鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房項(xiàng)目位于江西省吉安市吉安縣高新區(qū)鳳凰園區(qū),擬布置5條鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線,2條鋁合金門窗生產(chǎn)線和1條幕墻生產(chǎn)線,達(dá)到年產(chǎn)8萬t鋼結(jié)構(gòu),20萬m2鋁合金門窗,6萬m2幕墻。其中,工程新建2座鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房:1號(hào)廠房共1層,建筑面積59 834.88m2,高21.65m;2號(hào)廠房共4層,建筑面積21 158.51m2,高21.15m。均采用裝配整體式鋼框架結(jié)構(gòu),樓面及屋面結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆組合樓蓋結(jié)構(gòu)體系,采用獨(dú)立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)形式,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防烈度為6度,抗震設(shè)防類別為丙類,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年。
本次研究只考慮了鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房土建基礎(chǔ)、金屬結(jié)構(gòu)工程的空間分隔功能,不包括進(jìn)一步的美觀、舒適和經(jīng)濟(jì)性,因此,墻面、地面、門窗等裝飾工程、末端設(shè)備及廠房機(jī)械設(shè)備均未包含在碳足跡核算范圍之內(nèi)。
2.2 碳足跡因子的選取
碳足跡因子是指消耗單位能源所產(chǎn)生的碳排放量。對(duì)于能源碳足跡因子的測(cè)定,不同機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)來源、實(shí)驗(yàn)條件和選用的測(cè)定方法,得到的數(shù)據(jù)結(jié)果有差異。國內(nèi)學(xué)者通常引用《2006年IPCC國家溫室氣體清單編制指南》和四川大學(xué)研發(fā)的億科Ebalance 數(shù)據(jù)庫CLCD,在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房全生命周期中,碳足跡因素包括建筑材料、運(yùn)輸方式、電力能源和人工四大類。本文的碳足跡因子采用黃秋蘭[12]的研究成果。
2.2.1 建材碳足跡因子
案例中鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的常用材料包括鋼筋、混凝土、鋼材、水泥、砂、汽油、柴油、油漆、涂料、模板及防水卷材等,碳足跡因子從文獻(xiàn)中獲取。
2.2.2 運(yùn)輸方式碳足跡因子
各類運(yùn)輸方式的碳足跡因子見表1。
2.2.3 電力碳足跡因子
電力能源在生產(chǎn)過程會(huì)產(chǎn)生碳足跡,電力碳足跡因子等于生產(chǎn)每單位電力所產(chǎn)生的碳排放量。我國地域遼闊,不同省市的各種電力占比不完全相同,本文選取華中區(qū)域電網(wǎng)電力排放因子作為碳足跡核算數(shù)據(jù)。電力碳排放因子見表2。
2.2.4 人工碳足跡因子
在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的建設(shè)過程中,人工是必不可少的。主要將居民生活能源消費(fèi)碳排放量折算為每工日人工碳排放量,中國人均碳排放量為2203~2333kg/年,取平均值 2268kg/年,從而得到人工碳足跡因子,為2.07kg CO2eq/人·工日[12]。
2.3 全生命周期碳足跡核算
2.3.1 設(shè)計(jì)階段碳足跡核算
本項(xiàng)目為EPC總承包項(xiàng)目,設(shè)計(jì)周期為3個(gè)月,設(shè)計(jì)人員為10人,辦公室照明、空調(diào)用電每月約200kW·h,根據(jù)式(2)計(jì)算設(shè)計(jì)階段碳排放量,即
E1=0.6671×3×200+10×30×2.07=1021(kg)
2.3.2 物化階段碳足跡核算
(1)建材生產(chǎn)階段。選取主要建材作為核算的對(duì)象,進(jìn)行列表計(jì)算,計(jì)算得到建材生產(chǎn)的碳排放量為E21=18 023 680kg,主要建材碳排放量見表3。
(2)建材運(yùn)輸階段。主要考慮從建材產(chǎn)地到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸工具的碳排放量,本工程的運(yùn)輸方式主要是公路運(yùn)輸。根據(jù)已有數(shù)據(jù)估算,以10t 的柴油車為例,耗油量約為40L/100km,用需要運(yùn)輸?shù)慕ú募皺C(jī)械設(shè)備的噸位數(shù)估計(jì)出運(yùn)輸次數(shù),根據(jù)式(5)計(jì)算如下
1)鋼筋、砂、水泥(除型鋼)等每輛柴油車運(yùn)10t,平均運(yùn)距取30km,即
18680÷10×2×30÷100×40×0.1168=5236.378(kg)
2)大型型鋼等每輛柴油車運(yùn)20t,平均運(yùn)距取5km,即
4411.641÷20×2×5÷100×40×0.1168=103.056(kg)
3)混凝土運(yùn)輸車每一車15m3,平均運(yùn)距取20km,即
17178.597÷15×2×20÷100×40×0.1168=214.11(kg)
4)混凝土砌塊每車運(yùn)輸20m3,平均運(yùn)距取30km,即
203.051÷20×2×30÷100×40×0.1168=28.460(kg)
5)合計(jì)建材運(yùn)輸碳排放總量E22=5582.008kg
(3)建造施工階段。本工程主要機(jī)械為裝機(jī)施工和吊裝施工兩大類,可通過《全國統(tǒng)一施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各施工機(jī)械耗能情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出各機(jī)械臺(tái)班的碳足跡放因子,作為碳核算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。機(jī)械臺(tái)班(kgCO2eq/kg)碳足跡因子計(jì)算方法示例見表4。
基于本工程新建的兩座鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的機(jī)械臺(tái)班數(shù)和人工工日,根據(jù)定額表計(jì)算得到建造施工階段碳排放量E23=54 171kg。
(4)本工程物化階段碳排放總量E2=18 023.68+5.582+54.171=18 083 433kg。
2.3.3 使用階段碳足跡核算
本工程使用階段的碳排放量主要由鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房各條生產(chǎn)線用電產(chǎn)生的溫室氣體排放量構(gòu)成,擬布置5條鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線、兩條鋁合金門窗生產(chǎn)線及一條幕墻生產(chǎn)線,產(chǎn)能為一期的2倍,可以根據(jù)一期的生產(chǎn)線用電情況推算出本工程使用階段的年度總用電量,一期廠房年用電量約為82萬kW·h,設(shè)計(jì)使用年限為50年,則本工程使用階段碳排放量,公式如下
E3=820000×2×0.6671×50=54702200(kg)
2.3.4 拆除回收階段碳足跡核算
根據(jù)式(10)計(jì)算得到本工程拆除回收階段碳排放量,即
E4=5.582×80%+54.171×80%=47802(kg)
2.4 總結(jié)與分析
經(jīng)過計(jì)算,整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房碳排放總量E=72834 456kg。通過各階段的碳排放量占總碳排放量的比重(表5),可以看出鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房全生命周期碳排放主要集中在使用階段,占總排放量的75.11%,其次是物化階段,占總排放量的24.83%,且使用階段的碳排放量約為物化階段的3倍。因此,使用階段和物化階段應(yīng)作為減排的關(guān)鍵階段。
3 結(jié)語
通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房工程的各階段進(jìn)行碳足跡特征分析,建立了一種新的全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型,并以吉安市鼎欣鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房項(xiàng)目為例進(jìn)行碳足跡核算,得到以下三點(diǎn)結(jié)論:
(1)使用階段和物化階段的碳排放量可占總碳排放量的99%,因此,這兩個(gè)階段是進(jìn)行節(jié)能減排的關(guān)鍵階段。
(2)物化階段碳足跡主要集中體現(xiàn)在建筑材料生產(chǎn)階段,尤其是大中型鋼材、鋼筋的生產(chǎn),后續(xù)可以研究生產(chǎn)工藝對(duì)碳足跡的影響,尋求更加環(huán)保的建筑材料來降低生產(chǎn)階段的碳排放量。
(3)后期可以探索核算不同建筑結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)廠房碳排放量,對(duì)比分析不同建筑結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)廠房節(jié)能減排的關(guān)鍵因素和重點(diǎn)階段,為企業(yè)工業(yè)廠房選型提供參考。
本研究仍存在一些局限性,例如,未考慮到土地資源、末端設(shè)備、地面墻面裝飾工程等消耗,在今后的研究中將過程和清單數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整,以期通過建立的一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房碳足跡核算模型,來幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型,并為建筑行業(yè)全生命周期的碳足跡評(píng)價(jià)研究提供參考。
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收稿日期:2023-08-22
作者簡(jiǎn)介:
李貴(通信作者)(1988—),男,工程師,一級(jí)建造師,研究方向:工程管理、低碳管理。
梅益(1974—),男,教授,博士,研究方向:智能制造工藝及設(shè)備、制造業(yè)信息化、數(shù)值模擬技術(shù)。