物流配送过程的碳排放研究

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0引言

随着我国城乡建筑面积逐渐增加，建筑业对我国碳排放的贡献愈加显著，建筑业中大量建筑材料的产生、建筑施工及运行过程中消耗的能源，都有大量CO2排放的产生[1]。近年来，我国提出碳达峰与碳中和的相关政策，这对我国各工业领域的碳排放标准做出严格的规定，如何有效减少碳排放并实现“双碳”目标已然成为各领域学者研究和探讨的重点所在。为响应国家“双碳”政策，近几年装配式建筑得到大力发展，这种新型建造方式能够有效降低建筑建造过程中的碳排放量，减少资源浪费和能源消耗。因此，研究装配式建筑在建造过程中碳排放的产生机制，并结合实际给出碳减排的相关意见和建议，对于实现我国装配式建筑的绿色化发展具有重要的价值意义。国外有许多学者对装配式建筑进行了研究，FangYou等发现85%~90%的二氧化碳排放来自建筑运营阶段，7%~11%来自建筑材料生产和运输阶段，3%来自建筑施工阶段[2]；HainingWang模拟了装有不同数量预制构件运输车辆的实际碳排放，并对运输车辆的碳排放系数和相关参数进行了实验测量，结果提高了运输阶段碳排放计算的准确性[3]；KaitongXu研究并构建出组合梁等构件在物流运输阶段中的碳排放计算模型，研究发现中型柴油卡车在运输阶段产生的碳排放最多[4]；ZhikunDing等基于建筑信息建模，采用碳排放系数法建立了预制住宅碳排放测量模型，该系统在中国深圳的一个项目中的实施表明，超过90%的碳排放是在建筑材料生产和施工阶段产生的[5]。我国学者通过对建筑的生产到施工，再到建筑的运行这一过程中所产生的碳排放展开深入的研究。王玉建立了预制装配式建筑的碳排放计量模型，分析并核算出各阶段的碳排放量，同时对各相关参数进行了设定[6]。刘莹在对运输阶段的碳排放进行研究时，考虑到了预制构件的运输重量、运输距离等关键要素，将碳排放源归结为运输工具的化石燃料消耗，以及吊车等起重机械所产生的电力消耗[7]。郑晓云等基于各类能源消耗量基础数据，对碳排放贡献率和灵敏度进行了评价，最后提出改进的建议[8]。马彩云则将水平运输阶段的碳排放影响因素总结为交通运输工具的选取、运输距离、运输路线规划等，并提出可有效降低建筑整体碳排放量的相关建议[9]。预制构件的物流配送过程是建筑物流供应链中的关键一环，是预制构件从工厂生产到现场组装成为装配式建筑的关键所在，扮演着桥梁的角色。在“双碳”政策下，将装配式建筑碳排放问题融入到预制构件的物流配送过程中进行分析具有重要的应用价值和意义。查阅文献发现，鲜有学者研究装配式建筑物流配送过程的碳排放，因此本文在前人研究的基础上，结合理论与实际，对装配式建筑预制构件在物流配送过程中的碳排放展开进一步的研究。

1装配式建筑碳排放的相关研究基础

1.1生命周期评价理论

生命周期评价（LCA）是指某类产品在其产生到终结的周期内，对其环境影响进行评估的方法。它在建筑领域应用广泛，可用于建筑碳排放的定量分析，本文将借助该理论对装配式建筑预制构件物流配送过程的碳排放进行研究。

1.2碳排放系数法

该方法是通过获得实际的活动水平数据与碳排放因子，对建筑物生命周期各阶段碳排放进行加权计算来得到准确的结果[10]。碳排放量通常是由能源消耗量等数据和与之对应的能源碳排放因子相乘得到的[11]。碳排放因子是计算碳排放的关键参数，它是指某一种能源燃烧过程中，每单位该能源产生的碳排放数量[12]，为了计算结果的准确性，本研究选取的是如表1中所示的国家标准规定的碳排放因子E。

1.3系统边界

明确建筑生命周期各个阶段碳排放的来源，对碳排放系统边界进行划分和界定，对于建筑碳排放的计量具有重要的作用[13]。本研究所构建的预制构件物流配送过程碳排放系统边界，如图1所示。

2装配式建筑物流配送过程碳排放计量模型的构建

依据生命周期评价理论对预制构件的物流配送过程进行系统边界的界定，将该过程划分为预制厂内装载、场外运输、施工现场吊装三个阶段，然后运用碳排放系数法构建装配式建筑物流配送过程的碳排放模型。

2.1预制厂内装载阶段碳排放模型

该阶段的碳排放主要产生于预制构件装载过程中的机械能耗。由专家调查法确定关键参数：单位体积预制构件消耗的台班数、单位台班能源消耗量等，模型构建如下：Cv=ni=1ΣVi×Ti×R×Ec（1）式中：Cv为预制厂内装载阶段的碳排放总量；Vi为构件的体积；Ti为装载单位体积预制构件所耗费的台班数；R为单位台班能源消耗量。通过现场调研和文献参考，本研究案例将选取的预制构件包括预制叠合板、叠合梁、楼梯、剪力墙以及AAC板。在曹西等人分析得出的施工吊装阶段单位体积预制构件台班数的基础上，由专家调查法，计算得出预制厂内装载阶段的数据[14]。结果如表2第二列数据所示。此外，汽车吊的单位台班能源消耗量R为38.41kg[15]。根据公式（1）计算预制厂内装载阶段单位体积预制构件碳排放量Cvi，其计算过程如下所示：Cv1=T1×R×Ec=0.030×38.41×2.73=3.15Cv2=T2×R×Ec=0.021×38.41×2.73=2.20Cv5=T5×R×Ec=0.016×38.41×2.73=1.68计算结果如表2所示。

2.2场外运输阶段碳排放模型

该阶段的碳排放大多来自运输设备和起重机械的能源消耗，可以划分为水平运输和垂直运输两个运输阶段。经专家调查法发现，在进行场外运输时，需综合考虑运输时间、运输路径、运输方式等因素，还要选择高效的运输设备以避免二次运输。构件体积、运输距离等参数对于该阶段碳排放的影响较大，两者呈正比例相关关系，因此将其作为该阶段模型构建所需参数，碳排放模型构建如下：（1）水平运输阶段Cl=ni=1ΣVi×Di×Ei×K=ni=1ΣVi×Di×H×Ec×Y÷Vci()×K（2）式中：Cl为该阶段的碳排放总量；Di为运输车辆从预制厂到施工现场的平均运输距离；Ei为单位体积单位运距的预制构件碳排放因子；K为空载系数；H为单位换算系数；Y为车辆的每公里耗油量；Vci为车辆满载运输时预制构件的体积。根据公路运输方式下的碳排放相关参数（如表3所示），计算参数Ei，计算过程如下：E1=H×Ec×Y÷Vc1=0.85×0.4×2.73÷9.46=0.0981E2=H×Ec×Y÷Vc2=0.85×0.4×2.73÷9.06=0.1025E5=H×Ec×Y÷Vc5=0.85×0.4×2.73÷25.55=0.0363参数Ei的计算结果如表4所示。（2）垂直运输阶段该阶段的碳排放计算原理与预制厂内装载阶段相近，是预制厂内装载阶段的逆过程，因此两者的碳排放量可视为相等，即Cv=Cv'，模型构建如下：Cv'=ni=1ΣVi×Ti×R×Ec（3）式中：Cv'为垂直运输阶段的碳排放总量；Ti为该阶段卸载预制构件时，机械所耗费的台班数；其它参数含义同上。

2.3施工现场吊装阶段碳排放模型

该阶段碳排放量的多少主要与吊装机械台班数密切相关，台班数越高，则机械耗能越多，施工所产生的碳排放量就越多。模型设计如下：Cd=ni=1ΣVi×Ti×R×Ed（4）式中：Cd为施工现场吊装阶段的碳排放总量；Ti为该阶段机械吊装单位体积预制构件所耗费的台班数；Ed为电力碳排放因子。塔吊单位台班能源消耗量266.04kW·h[15]，根据式（4）计算吊装阶段单位体积预制构件碳排放量，计算过程如下：Cd1=T1×R×Ed=0.050×266.04×0.7921=10.54Cd2=T2×R×Ed=0.043×266.04×0.7921=9.06Cd5=T5×R×Ed=0.032×266.04×0.7921=6.74计算结果如表5所示。考虑到以上各阶段的权重问题，本研究将各阶段视为等权来对上述各碳排放模型进行整合，得到碳排放总量模型，模型如下：C=Cv+Cl+Cv'+Cd（5）式中：C为装配式建筑预制构件在物流配送过程中的碳排放总量；Cv为预制厂内装载阶段的碳排放总量；Cl为水平运输阶段的碳排放总量；Cv'为垂直运输阶段的碳排放总量；Cd为施工现场吊装阶段的碳排放总量。

3案例分析

3.1案例背景

本研究选取宁波市的一个装配式建筑项目进行实证分析，计算预制构件在物流配送过程中产生的碳排放量并对各阶段碳排放作对比分析。该建筑占地面积约9000平方米，结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构，建造形式为装配式建造和传统现浇建造相结合。预制构件从预制厂内的堆放场地装载至运输车辆，采用的机械为汽车吊，在施工现场进行预制构件吊装所使用的机械为塔吊。运输车辆为30t重型牵引柴油车，假定每一次运输都为同种类型构件且为满载运输、空载返回，预制构件厂到施工现场的平均运距为70km。

3.2预制构件物流配送过程碳排放计算

假设运输车辆一次只运输一种类型的构件，且在满载的情况下进行预制构件的运输，空车返回系数K为1.67[16]。同时结合实际得知，大多数建筑工地采取的吊装流程是直接从车辆上对到达的预制构件进行吊装，这样就避免了预制构件卸载阶段所带来的时间上的浪费。因此，在场外运输阶段中只考虑水平运输阶段产生的碳排放Cl，不需要再对卸载阶段的碳排放量Cv'进行计量。综上所述，结合碳排放计量模型及表6工程量清单计算各阶段的碳排放量[14]，计算过程如下：（1）预制厂内装载阶段Cv=ni=1ΣVi×Ti×R×Ec=8.89（2）场外运输阶段Cl=ni=1ΣVi×Di×Ei×K=32.92（3）施工现场吊装阶段Cd=ni=1ΣVi×Ti×R×Ed=32.89（4）物流配送过程碳排放总量C=Cv+Cl+Cd=74.7将碳排放计算结果进行汇总，得到预制构件物流配送过程各阶段碳排放量，结果如表7所示。为了更直观地了解各阶段产生碳排放量的多少，并对结果进行进一步的分析，依据表7绘制如图2和图3所示的各预制构件与各阶段碳排放对比图。

3.3结果分析

通过案例分析得出，该装配式建筑预制构件在整个物流配送过程当中共产生了74.7t碳排放，通过对比各预制构件和各阶段的碳排放量发现，剪力墙在运输过程中产生的碳排放最多，AAC板次之，而且场外运输阶段和施工现场吊装阶段产生的碳排放量最多，大约占到碳排放总量的88.10%。

4结论与建议

本研究基于生命周期评价理论，将装配式建筑预制构件的整个物流配送过程分为预制厂内装载、场外运输和施工现场吊装三个主要运输阶段，对碳排放量进行了建模与计算，并对模型和方法进行了案例的验证。研究得出以下结论：场外运输阶段和施工现场吊装阶段是整个物流配送过程碳排放的主要来源。分析其原因，主要包括：（1）在进行预制构件的场外运输时，常常会由于外部环境的干扰而导致运输时间的延长，或因不能综合考虑运输路线规划、运输方式、运输载具与能源等因素而无法选择最佳的运输方案，以至于该阶段碳排放量的大幅提升；（2）在施工现场吊装阶段，虽然采取的是从运输车辆上直接起吊的方式，节约了吊装时间，但往往受到起重机械台班数较高等自身因素的影响，导致吊装效率较低，产生不必要的隐含碳排放。总而言之，物流配送过程中的碳排放主要来源于机械设备运行时伴随的能源消耗，在对预制构件进行物流配送时，如果能够按照预制构件的规格条件选择合适的运输设备和起重机械，则可以大大减少碳排放的产生。结合本研究所设计的装配式建筑物流配送过程碳排放计量模型及实际的建筑施工活动，有针对性地提出碳减排建议：（1）在装载和吊装阶段，应选择施工功率较小的施工机械，这样可以大大降低吊装预制构件所耗费的台班数，缩短吊装时间，从而实现该阶段的低碳控制；（2）在进行场外运输时，需综合考虑运输时间、运输路径及运输方式等因素，同时选择高效的运输设备，避免二次运输，从而大大降低该阶段的碳排放量[9]。

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作者：董树修 王淋 黄月 王梦涵 单位：北华大学土木与交通学院