張思凡, 楊 暉, 湯小芳, 崔 哲, 佟雨柔

(北京建筑大學(xué) 供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044)

1 概述

近年來,全球氣候變暖逐漸成為世界范圍內(nèi)廣泛關(guān)注的問題。建筑業(yè)、工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)是主要能源消耗領(lǐng)域,其中建筑業(yè)能耗占全球能耗的30%～40%[1]。推動(dòng)建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)是降低建筑能源消耗、減少建筑業(yè)的碳排放的重要途徑,對(duì)推動(dòng)社會(huì)節(jié)能減排、緩解氣候變暖有著至關(guān)重要的意義。

建筑工業(yè)化包括工業(yè)化現(xiàn)澆體系、鋼結(jié)構(gòu)體系與預(yù)制裝配式體系,其中預(yù)制裝配式體系是建筑工業(yè)化的主要代表[2]。裝配式建筑是指在工廠中預(yù)制化生產(chǎn)建筑所需配件和構(gòu)件,再運(yùn)輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝形成的建筑產(chǎn)品[3],裝配式建造方式是以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、構(gòu)件及配件工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應(yīng)用為特征的綠色環(huán)保、節(jié)能減排的建造方式[4]。

Fortuna等[5]對(duì)比了傳統(tǒng)建筑和裝配式建筑施工工藝,發(fā)現(xiàn)裝配式建筑產(chǎn)生的碳排放較低。一些學(xué)者[6-13]對(duì)具體裝配式建筑全生命周期內(nèi)的碳排放進(jìn)行研究,研究表明裝配式建筑因采用工廠化的生產(chǎn)方式,與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑相比具有能耗少、施工期短、碳排放量低、環(huán)保性能高等眾多優(yōu)勢(shì),采用裝配式預(yù)制施工方式是減少碳排放的有效方案。近年來,裝配式建筑每年新建面積不斷增加。2021年,全國新建裝配式建筑面積達(dá)到7.4×108m2,占新建建筑比例24.5%[14],因此有效碳減排策略可以使裝配式建筑的碳排放效益得到進(jìn)一步提升,進(jìn)而降低建筑領(lǐng)域的碳排放量。

隨著裝配式建筑發(fā)展,越來越多的學(xué)者對(duì)裝配式建筑的碳排放進(jìn)行了相關(guān)研究,但現(xiàn)有相關(guān)研究較為分散,因此,理清裝配式建筑碳排放的影響因素,明晰裝配式建筑減碳路徑對(duì)于建筑節(jié)能減碳有重要意義。本文以裝配式建筑、預(yù)制建筑、碳排放、碳排放權(quán)交易為中文關(guān)鍵詞,以prefabricated buildings、carbon emissions、carbon emissions trading為英文關(guān)鍵詞,在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫、EI數(shù)據(jù)庫和SCI數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,篩選獲取相關(guān)中文期刊論文與學(xué)位論文224篇,相關(guān)英文期刊論文101篇,重點(diǎn)對(duì)近10年來發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜合回顧,梳理和總結(jié)裝配式建筑碳排放計(jì)算方法、減排策略,以期為建筑領(lǐng)域節(jié)能減碳提供參考。

2 裝配式建筑碳排放量核算

準(zhǔn)確核算裝配式建筑碳排放量是有效減少建筑物碳排放、合理分配建筑物能源使用的必然要求,碳排放量核算為研究裝配建筑碳排放的影響因素提供了分析的基礎(chǔ)。裝配式建筑全生命周期內(nèi)的碳排放研究能夠?yàn)槠涮紲p排工作提供更加充分的研究基礎(chǔ)[15-23],因此本文從裝配式建筑全生命周期各階段碳排放進(jìn)行分析。

裝配式建筑全生命周期內(nèi)的碳排放測(cè)算范圍包括物化階段、運(yùn)營階段、拆除階段產(chǎn)生的碳排放[4],其中裝配式建筑物化階段的碳排放又分為建筑材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段、預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段、建筑施工階段的碳排放。裝配式建筑全過程碳排放階段劃分見圖1。

圖1 裝配式建筑全過程碳排放階段劃分

目前,還沒有較為明確的裝配式建筑碳排放計(jì)算方法,國際上較為認(rèn)可的建筑物碳排放量的計(jì)算方法主要有實(shí)測(cè)法、物料衡算法、排放因子法[24]。

① 實(shí)測(cè)法

實(shí)測(cè)法直接基于實(shí)地觀測(cè)和測(cè)量獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù),將其匯總計(jì)算得到相關(guān)碳排放量。實(shí)測(cè)法在測(cè)量和計(jì)算時(shí)必須符合相關(guān)規(guī)定,否則所得數(shù)據(jù)無效[25]。實(shí)測(cè)法是一種通過直接對(duì)環(huán)境中的樣本進(jìn)行測(cè)試來獲取數(shù)據(jù)的方法,具有中間環(huán)節(jié)少、精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)[26]。然而,實(shí)測(cè)法工作量大、檢測(cè)條件相對(duì)較為苛刻、適用范圍較窄[13,27],而且成本相對(duì)較高。

② 物料衡算法

物料衡算法是一種定量分析的方法,遵循質(zhì)量守恒定律,即原料的質(zhì)量等于原料殘余與排放物質(zhì)的質(zhì)量之和[24]。物料衡算法需要全面研究建筑物全生命周期,從生產(chǎn)源頭直至最后處理,涉及各種行業(yè)各種工藝。物料衡算法可以通過對(duì)物質(zhì)的衡量和計(jì)算來反映實(shí)際排放情況,其優(yōu)點(diǎn)是可以反映發(fā)生地的實(shí)際排放,結(jié)果精度高。但物料衡算法存在統(tǒng)計(jì)誤差大、對(duì)數(shù)據(jù)需求較多、工作量較大的缺點(diǎn)[24]。

③ 排放因子法

排放因子法是根據(jù)每種排放源建立其活動(dòng)數(shù)據(jù)和其對(duì)應(yīng)的碳排放因子,投入的每種能源使用量和其對(duì)應(yīng)的碳排放因子相乘即為碳排放量估算值[26]。排放因子法簡單明確,它利用已有的公式和碳排放因子數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計(jì)算[26],具有實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。然而,由于不同生產(chǎn)狀況、技術(shù)水平、能源水平等因素,會(huì)導(dǎo)致碳排放因子在不同情況下存在較大差異。

3種計(jì)算方法中,排放因子法相對(duì)來說易于理解、便于計(jì)算,并且通過國內(nèi)外學(xué)者、權(quán)威組織和機(jī)構(gòu)的調(diào)研整理已經(jīng)得到了較為成熟的碳排放因子數(shù)據(jù)庫,是目前研究和規(guī)范中最為常用的方法。

3 裝配式建筑減排策略研究

3.1 建筑技術(shù)層面減排策略

基于建筑全生命周期角度對(duì)建筑技術(shù)層面進(jìn)行分析,包括建筑物化階段、運(yùn)營階段、拆除階段的各個(gè)環(huán)節(jié),研究各個(gè)階段的碳排放影響因素,探討技術(shù)層面減排路徑,包括設(shè)計(jì)創(chuàng)新、材料優(yōu)化、市場(chǎng)管理等方面,有利于加強(qiáng)對(duì)碳排放量的控制[28-33]。

高宇[17]基于全生命周期理論,構(gòu)建裝配式建筑的評(píng)價(jià)模型,識(shí)別各個(gè)階段碳排放的影響因素,得出構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)的原材料消耗是物化階段的碳排放量的主要來源。鄭曉云等[15]通過分析裝配式建筑全生命周期內(nèi)的碳排放,歸納識(shí)別其各個(gè)階段的碳排放來源,研究結(jié)果表明,運(yùn)營階段是裝配式建筑全生命周期中碳排放量最高的階段。趙愈等[31]通過研究分析裝配式建筑碳排放的23個(gè)影響因素,得到建筑材料和能源消耗是裝配式建筑物化階段碳排放的主要來源。明確各階段碳排放來源,分析總結(jié)裝配式建筑碳減排措施對(duì)推動(dòng)裝配式建筑降低碳排放有重要幫助。

① 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段是降低建筑碳排放的重要的環(huán)節(jié)。采用節(jié)能設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中運(yùn)用高效節(jié)能建筑設(shè)計(jì)理念,優(yōu)化調(diào)整施工工藝和施工方案,盡可能采用被動(dòng)太陽能設(shè)計(jì)、遮陽板、熱反射外墻涂層、屋頂綠化、生物質(zhì)能源等節(jié)能設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化建筑外墻保溫層,采用高效隔熱材料,盡量選用低碳建筑材料。建筑中80%的碳來自結(jié)構(gòu)材料,選擇低碳建筑材料能夠有效降低碳排放[8]。同時(shí)預(yù)制構(gòu)件使用能減少施工階段建筑材料浪費(fèi)。

② 建筑材料生產(chǎn)階段

在此階段可以優(yōu)先選擇低碳排放材料,建立材料生產(chǎn)的碳足跡追蹤系統(tǒng),并選擇符合碳排放標(biāo)準(zhǔn)的材料供應(yīng)商,可參考相關(guān)的碳排放認(rèn)證體系,如LEED和BREEAM體系等,確保材料的生產(chǎn)過程符合低碳要求。使用可再生材料、回收再利用材料以及經(jīng)過環(huán)境認(rèn)證的綠色建筑材料,這些材料在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生較低碳排放,有助于減少裝配式建筑碳足跡,以及通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝和技術(shù),減少材料生產(chǎn)過程中的能源消耗和碳排放。例如,采用改進(jìn)電能轉(zhuǎn)換技術(shù)[16],以一次能源為原料,提高能源利用率。

③ 建筑材料運(yùn)輸階段

合理規(guī)劃和組織裝配式建筑材料運(yùn)輸,優(yōu)化材料的裝載。制定最優(yōu)化的運(yùn)輸路線,選擇較短、更高效的路徑,縮短運(yùn)輸距離和時(shí)間,從而降低碳排放。優(yōu)先選擇環(huán)保的運(yùn)輸方式,如海運(yùn)、鐵路或內(nèi)陸水運(yùn),以減少更高碳排放的空運(yùn)或公路運(yùn)輸。

④ 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段

改進(jìn)和優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)工藝,采用高效的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備。例如,采用先進(jìn)的制造技術(shù),如數(shù)控機(jī)械加工和自動(dòng)化生產(chǎn)線,提高生產(chǎn)效率和能源利用效率。在預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過程中,鼓勵(lì)遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則。例如,通過回收和再利用廢棄材料和廢料,減少對(duì)原材料的需求,降低資源消耗和碳排放。在預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過程中,盡量使用清潔能源來供電,如太陽能、風(fēng)能或水能等,這可以減少傳統(tǒng)能源的使用量,降低碳排放。

⑤ 預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸階段

制定最優(yōu)化運(yùn)輸計(jì)劃,選擇合適的運(yùn)輸工具,縮短運(yùn)輸距離和時(shí)間,從而降低碳排放。優(yōu)化裝載方式和材料分配,充分利用運(yùn)輸工具裝載空間,提高材料的裝載率。減少空運(yùn)和分散運(yùn)輸,采取集中配送或批量運(yùn)輸?shù)姆绞?降低運(yùn)輸成本和碳排放。

⑥ 建筑施工階段

制定合理的施工計(jì)劃,以最短施工時(shí)間和最少資源消耗,減少施工期間的能源消耗和碳排放。合理安排現(xiàn)場(chǎng)施工順序和工作流程,避免不必要的往返運(yùn)輸和重復(fù)操作。在施工現(xiàn)場(chǎng)使用節(jié)能設(shè)備和工具,如節(jié)能照明設(shè)備、高效利用能源的施工機(jī)械和設(shè)備等,盡可能標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件,減少施工操作過程,加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理。

⑦ 運(yùn)營階段

使用低能耗、環(huán)保的電器設(shè)備,對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)和保養(yǎng),確保其運(yùn)行高效。合理設(shè)置設(shè)備工作參數(shù),提高能源利用效率,減少能源消耗和碳排放。鼓勵(lì)居民和使用者采取低碳生活方式,增強(qiáng)用戶的節(jié)能減排意識(shí)。

⑧ 拆除階段

在建筑拆除過程中,優(yōu)先拆卸與回收可再利用的構(gòu)件和材料。用拆解代替拆除,通過回收利用,可以減少新材料生產(chǎn),并減少建筑垃圾,進(jìn)而降低碳排放。將拆除產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行分類處理,以便最大程度地回收和利用。通過正確處理廢棄物,減少填埋和焚燒,以減少環(huán)境污染和碳排放。

3.2 政府及市場(chǎng)協(xié)同管理減排策略

除了在裝配式建筑全生命周期的各個(gè)階段進(jìn)行技術(shù)層面減排,政府以及碳排放交易市場(chǎng)協(xié)同管理對(duì)于裝配式建筑碳排放影響也十分重要[32-34]。政府通過制定相關(guān)政策,引導(dǎo)市場(chǎng)和社會(huì)各方面在特定方向上行動(dòng)。相較于傳統(tǒng)的強(qiáng)制性碳管制政策,政府和市場(chǎng)協(xié)同管理引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。Ding等[35]認(rèn)為裝配式建筑的可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜而模糊的問題,因此,要實(shí)現(xiàn)裝配式建筑的可持續(xù)發(fā)展,就必須系統(tǒng)地考慮其綜合效益,要借助政府的力量,推行相關(guān)綠色政策。李東芳等[36]提到我國近年來建筑行業(yè)高速發(fā)展,建筑能耗也大幅度增加,建筑減排任務(wù)艱巨,僅僅依靠政府或者是相關(guān)法律是完全不夠的,需要利用市場(chǎng)機(jī)制來進(jìn)行調(diào)節(jié),從而更好地進(jìn)行節(jié)能減排工作。一些學(xué)者[37-39]研究發(fā)現(xiàn),就現(xiàn)階段而言,同實(shí)際情況相結(jié)合,應(yīng)該將碳稅和碳交易結(jié)合起來實(shí)施,在制度方面刺激企業(yè)減排。一些學(xué)者[40-43]借鑒已有的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我國建筑行業(yè)的實(shí)際狀況進(jìn)行研究,認(rèn)為推進(jìn)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)機(jī)制十分必要。利用市場(chǎng)機(jī)制并進(jìn)行碳排放權(quán)交易,可以有效控制和減少二氧化碳排放,這一方式已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外應(yīng)對(duì)氣候變化的主流方式之一[33]。

建筑碳排放交易市場(chǎng)是指當(dāng)今全球溫室氣體排放產(chǎn)生的碳排放量有限制的情況下,政府設(shè)立的一種碳排放配額市場(chǎng)。通過市場(chǎng)機(jī)制合理配置碳排放權(quán),可以降低減排成本,從而控制溫室氣體排放[44]。基本原理是:政府規(guī)定特定企業(yè)在單位時(shí)間或單位產(chǎn)出中最多可以排放溫室氣體量,這就是企業(yè)獲得排放配額的類型和總量。如果某個(gè)企業(yè)在特定時(shí)間內(nèi)的碳排放量超出了政府規(guī)定的配額,他們就需要在碳排放配額市場(chǎng)上進(jìn)行碳交易,并支付相應(yīng)的稅費(fèi),若購買碳配額的成本高于降低碳排放的成本,就會(huì)激勵(lì)企業(yè)通過技術(shù)手段降低碳排放,從而達(dá)到碳減排的目的[45]。企業(yè)擁有更多的碳配額后,他們可以選擇將剩余的碳配額放置在建筑碳交易市場(chǎng)進(jìn)行交易,從中獲得經(jīng)濟(jì)利益。這為企業(yè)提供了進(jìn)一步采取建筑節(jié)能減排策略和更新設(shè)備等措施來獲取更多的碳配額的動(dòng)力[34]。

通過政府及市場(chǎng)協(xié)同管理可以激勵(lì)企業(yè)降低碳排放,具體如下。

① 推進(jìn)低碳技術(shù)應(yīng)用

在政府制定低碳、綠色產(chǎn)業(yè)政策的支持下,裝配式建筑企業(yè)可以在建筑設(shè)計(jì)、材料選擇、生產(chǎn)制造和管理等各個(gè)環(huán)節(jié)推進(jìn)低碳、綠色技術(shù)的應(yīng)用,降低碳排放量,提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)。

② 加大政府扶持力度

政府可以增加裝配式建筑減碳相關(guān)的資金補(bǔ)貼和財(cái)政支持,用于項(xiàng)目建設(shè)和技術(shù)研發(fā)。這包括直接資金投入、低利率貸款、稅收優(yōu)惠和獎(jiǎng)勵(lì)等,幫助企業(yè)降低成本、提高競(jìng)爭力,推動(dòng)裝配式建筑減碳技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

③ 實(shí)行建筑碳排放配額交易制度

政府可以通過限制裝配式建筑企業(yè)的碳排放配額,從而引導(dǎo)企業(yè)降低碳排放。企業(yè)如果在建設(shè)項(xiàng)目所需碳排量超過其擁有的碳排放配額,就需要在碳交易市場(chǎng)上購買附加的碳排放配額,同時(shí)也會(huì)承擔(dān)額外的成本。較高的碳排放價(jià)格可以促使企業(yè)高度重視降低各個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放量,激勵(lì)企業(yè)更加積極地進(jìn)行碳減排,推動(dòng)裝配式建筑企業(yè)降低碳排放,加速實(shí)現(xiàn)低碳、綠色建設(shè)。

④ 加強(qiáng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化管理

在政府建立的碳排放配額市場(chǎng)的監(jiān)管下,建立一系列行業(yè)的碳排放標(biāo)準(zhǔn),引導(dǎo)裝配式建筑企業(yè)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化管理,優(yōu)化工藝和流程,切實(shí)降低碳排放。

總的來說,借助政府及市場(chǎng)協(xié)同管理,引導(dǎo)企業(yè)加大低碳技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用,有助于減少裝配式建筑的碳排放,實(shí)現(xiàn)低成本減碳[32]。增強(qiáng)企業(yè)的環(huán)保意識(shí)和減排意識(shí),并推動(dòng)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。政府及市場(chǎng)協(xié)同管理可以有效地控制溫室氣體排放,實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。

4 存在的問題

① 數(shù)據(jù)和評(píng)估方法不完善

裝配式建筑碳排放的研究需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持和可靠的評(píng)估方法。然而,目前關(guān)于裝配式建筑碳排放的數(shù)據(jù)集不完善,且缺乏統(tǒng)一的評(píng)估方法和標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致研究結(jié)果的可比性和準(zhǔn)確性有限。

② 宏觀管理不足

裝配式建筑碳排放涉及政府、企業(yè)和市場(chǎng)等多個(gè)主體的協(xié)同管理。然而,目前宏觀管理層面的政策和規(guī)劃還不夠完善,缺乏一套全面的政策框架和戰(zhàn)略指導(dǎo),限制了裝配式建筑碳排放管理的有效性和全面性。

③ 對(duì)碳排放問題認(rèn)識(shí)不足

公眾對(duì)于裝配式建筑碳排放問題的認(rèn)識(shí)還相對(duì)較淺,缺乏足夠的關(guān)注和理解。需要加強(qiáng)相關(guān)宣傳,提高公眾對(duì)于碳排放問題的認(rèn)識(shí)和意識(shí),從而推動(dòng)社會(huì)各方面共同參與減排工作。

5 結(jié)束語

裝配式建筑的發(fā)展對(duì)于建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和低碳化發(fā)展具有重要意義。隨著規(guī)模擴(kuò)大,裝配式建筑的減排效果逐漸顯現(xiàn),并與傳統(tǒng)建筑碳排放差距越來越大。為了有效減少碳排放量,需要準(zhǔn)確核算裝配式建筑的碳排放,并進(jìn)行全生命周期的碳排放分析,以制定相應(yīng)的減排策略。

目前,國際上常用的建筑物碳排放計(jì)算方法中排放因子法最為常用。通過在建筑技術(shù)層面上的減排措施以及政府和市場(chǎng)的協(xié)同引導(dǎo),可以有效降低裝配式建筑的碳排放,推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展并實(shí)現(xiàn)國家的減排目標(biāo)。