行业类型和建筑结构类型对农村住宅碳排放的影响——以南中国为例的案例研究

《Case Studies in Thermal Engineering》：Impact of Industry Type and Building Structure Type on Carbon Emission from Rural Dwellings——A Case Study in South China

　　杨新怡|陈华兰|何丽萍|王梅燕
浙江农林大学，中国浙江省杭州市

摘要
农村住宅建设是中国乡村振兴战略的重要支柱，也是实现双碳目标的关键领域。轻钢预制装配式住宅（LSPRDs）作为一种绿色低碳建筑类型，在浙江省的农村地区得到了广泛推广。本研究聚焦于农村住宅这一被严重忽视的领域，其在建筑实践、居住者行为和功能需求方面与城市建筑存在显著差异。然而，这些结构的减排效果尚未得到验证，尤其是在农村住宅功能要求日益多样化的背景下。本文提出了一种更全面的分析框架，用于评估建筑整个生命周期的碳排放。首先，使用相同的平面图和位置对LSPRDs和传统混凝土住宅（BCRDs）进行了直接的同类比较，有效隔离了结构系统和围护结构性能的影响，同时最小化了其他比较研究中的混淆变量。然后，该框架比较了在四种不同住宅模型（M1～M4）下LSPRDs和BCRDs的生命周期评估结果，这些模型超越了标准住宅能源模型，以捕捉乡村旅游业和混合用途模式对建筑生命周期碳足迹的影响。

研究结果表明，根据使用模型的不同，LSPRDs相比BCRDs可以减少12-27%的全生命周期碳排放。在两种结构类型中，建筑材料的生产阶段的碳排放占嵌入式碳排放的最大比例，分别为LSPRDs的91.6%和BCRDs的97%。运行消耗（OCE）超过了嵌入式碳排放，并且与建筑使用模式密切相关：对于LSPRDs，OCE分别占95%、87%、98%和98%；对于BCRDs，这些数字分别为87%、66%、95%和94%。在所有模型下，LSPRDs在整个生命周期内的建筑碳排放均低于BCRDs。随着中国农村生活水平的提高和乡村旅游业的发展，推广绿色能源和可持续结构形式将有助于减少农村住宅的碳排放。

1. 引言
全球气候变化问题日益突出。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告，2021年至2040年间全球变暖将持续加剧，可能达到工业化前水平的1.5°C [1]。能源使用产生的温室气体排放是推动环境问题的主要因素，而建筑行业是实现节能和减少碳排放的关键领域之一。过去十年中，全球建筑行业的生命周期碳排放年增长率约为1% [2][3]。根据国际能源署（IEA）的数据，2022年中国碳排放量为10,613.171 Mt CO2，占全球总量的31%，排名世界第一 [4]。其中，建筑行业相关的电力和供暖碳排放占中国总碳排放量的56%。

另一方面，随着中国的快速城市化，大量农村居民迁往城市和城镇。然而，第七次全国人口普查数据显示，仍有36%的中国人口居住在农村地区。自2017年实施乡村振兴战略以来，中国农村经历了建筑热潮。官方统计数据显示，到2022年，中国的总建筑面积达到约696亿平方米，其中农村住宅占224亿平方米 [5]，占总面积的32%。从2014年到2022年，中国人均农村住宅能源消耗（商业和非商业能源使用总和）呈现轻微下降趋势，人均能源消耗从0.54 tce降至0.51 tce，相应的人均碳排放从1.03 tCO2e降至0.97 tCO2e [6][7]。在全国范围内，新增建筑面积为324.5亿平方米，其中农村地区贡献了71.8亿平方米，占22% [8]。与城市住宅相比，中国的农村住宅主要是自设计、自建造的，通常设计标准不足，建造技术简单。因此，这些建筑通常具有高能耗、室内舒适度低和缺乏系统性低碳管理的特点。统计数据显示，到2024年，农村住宅的能源消耗和建筑碳排放分别达到250 Mt煤当量（tce）和480 Mt二氧化碳（tCO2），占全国建筑运营能源消耗的22% [6]。根据清华大学建筑能源研究中心的研究，城市住宅建筑的单位建筑面积碳排放强度为17.5 kgCO2/m2，而农村住宅为21 kgCO2/m2，高于城市水平 [9]。这些发现表明，乡村振兴战略的实施提高了农村居民的生活水平，并促进了农业旅游等新型农村产业的发展，从而增加了住宅的能源需求和舒适度要求。

为了实现“2030年碳达峰和2060年碳中和”的目标，住房和城乡建设部（MOHURD）于2022年发布了《建筑业发展“十四五”规划》。该计划提出，到2035年，中国将建立绿色建筑的初步政策、技术和实施体系，并大力推广预制建筑。同年，中共中央办公厅和国务院发布了《农村建设行动实施方案》，强调“根据当地条件推广安全可靠的新建筑方法，如预制钢结构和木结构”，作为提高农村住宅质量和安全性的关键措施。其中，LSPRDs已成为中国农村建设过程中广泛推广的一种新建筑形式。目前，浙江、河北、四川、安徽和湖北等省份已经启动了LSPRDs的试点项目，并取得了显著成果。作为预制建筑的一种，轻钢结构（LS）系统相比传统BCRDs具有多个优势，包括更短的建造周期、轻质组件、高机械效率、优异的抗震性能和易于施工管理。这些特点使其特别适合在农村地区广泛应用 [10]。然而，其建筑碳排放性能尚未得到系统验证。

目前，建筑碳排放问题已成为全球生态和能源研究的主要焦点。国内外 numerous 研究考察了不同建筑阶段的生命周期碳排放。研究发现表明，结构系统对总生命周期碳排放有重大影响 [11]。例如，林等人比较了预制钢结构办公建筑、预制混凝土结构和现浇钢筋混凝土结构的生命周期碳排放，发现预制钢结构在减排性能方面表现更好 [12]。蔡等人研究了预制轻钢结构建筑和传统现浇结构的生命周期碳排放，这两种都是低层建筑，结果发现预制轻钢结构建筑的减排潜力更大 [12]。塔瓦雷斯等人通过对单户住宅进行生命周期评估，比较了两种建筑系统（预制与传统建造）和不同结构材料 [13]。郭等人分析了两种预制结构系统（混凝土和钢结构）下的四个不同案例，研究了传统建造技术和场外预制方法之间的差异 [14]。一些研究关注单个建筑组件（包括建筑材料、系统和土木工程）及其对生命周期碳排放的贡献 [15]。例如，赫拉维等人通过采用精益技术改进了预制钢结构构件的生产、运输和安装过程，降低了能源消耗和碳排放 [16]。里维拉等人在加拿大多伦多的高层住宅建筑中应用了五种被动设计措施，并结合生命周期评估（LCA）和能源模拟来评估不同围护结构设计变体的有效性 [17]。同样，蒙特罗等人使用LCA方法评估了西南欧两种建筑围护结构运行模式的环境影响 [18]。

虽然之前的研究比较了结构系统，但它们大多忽略了农村住宅的独特背景以及由乡村振兴和旅游业驱动的多样化、不断变化的用途模式的重要影响。具体来说，存在以下问题：
(1) 大多数研究关注城市建筑，而农村住宅在性能、室内环境、家庭结构和居住者行为方面存在显著差异。
(2) 尽管存在不同结构系统的比较研究，但许多案例在空间布局和居住者方面存在差异，可能会导致结果偏差。
(3) 大多数先行研究在单一标准条件下模拟运行消耗（OCE），没有考虑不同使用模式下的碳排放变化。

这些限制可能导致建筑碳排放估计的不准确性。因此，本研究提出了一种用于建筑生命周期碳排放的分析和评估框架。为了有效隔离结构系统和围护结构性能的影响，我们使用相同的平面图和位置对LSPRDs和BCRDs进行了直接的同类比较。随后，该框架比较了它们在四种不同住宅模型（M1～M4）下的生命周期评估结果，以捕捉乡村旅游业和混合用途模式对建筑生命周期碳足迹的影响。

为了验证所提出的方法，在浙江省杭州市临安区高洪镇进行了案例研究——这是中国最早的LSPRDs试点地区之一。研究内容包括以下方面：
1) 量和比较LSPRDs和BCRDs的嵌入式碳排放（ECE）；
2) 模拟和比较两种结构在四种代表性使用模式下的运行消耗（OCE）；
3) 评估总生命周期碳排放并确定关键影响因素。

2. 方法
生命周期评估（LCA）已被国际公认为评估建筑碳排放的成熟方法，并在相关分析中得到广泛应用 [16][19]。混凝土和钢材是浙江农村建筑的主要建筑材料，其碳足迹已得到广泛研究 [20][21]。本研究中使用的建筑材料（包括钢材和混凝土）的碳排放计算方法和碳足迹符合GB/T 51366-2019标准。该标准由中国主管部门制定，基于与国际公认的LCA方法一致的基础。

2.1 LCA碳排放构成
在建筑行业中，学者们采用各种方法对建筑全生命周期碳排放的各个阶段进行分类。最常用的方法是将这些碳排放分为四个阶段：建筑材料生产、建造、运行和拆除。在本研究中，全生命周期碳排放分为两个主要组成部分：嵌入式碳排放（ECE）和运行消耗（OCE）。ECE包括材料生产、建造和拆除阶段，代表建筑物物理结构中固有的碳排放。这些排放主要由所用原材料和建造技术决定。建筑完成后的ECE通常保持稳定，除了常规维护外变化很小。OCE则指建筑使用期间产生的排放，与居住者活动和设施运营密切相关，因此具有动态性。建筑的全生命周期碳排放可按以下公式计算：
（公式1）
其中 表示建筑整个生命周期的总碳排放， 表示嵌入式碳排放， 表示运行消耗。

在整个建筑生命周期中，嵌入式碳排放包括建筑材料生产、运输、建造和拆除阶段的碳排放：
（公式2）
分别表示建筑材料生产、运输、建造和拆除阶段的碳排放。

在整个建筑生命周期中，运行消耗（OCE）指建筑运行阶段（包括供暖、制冷、照明、烹饪、热水供应和电器使用）的能源消耗产生的碳排放：
（公式3）
表示供暖、制冷、照明、烹饪和热水供应以及电器使用的碳排放。

计算碳排放的方法包括排放因子法、直接测量法和质量平衡法。其中，排放因子法由于其高准确性和实用性而被最广泛采用，已成为建筑行业碳排放评估的主流方法。在这项研究中，ECE（建筑生命周期碳排放）是根据实际建筑项目的工程量清单估算的，而OCE（运营生命周期碳排放）则是通过使用DesignBuilder软件进行模拟分析，并结合现场实地调查得出的。2.2 ECE计算 2.2.1 建筑材料生产阶段 原材料的提取、建筑材料的生产以及后续处理过程都需要投入能源和资源。这些过程中产生的能源消耗和废物排放会对环境造成一定的影响。计算公式如下 [22]：（公式4）其中：Csc 表示生产阶段的总碳排放量（kgCO2e）；i = 1, 2, ...，分别代表不同类型的原材料。Fi 表示第i种原材料的消耗量。ηi 表示第i种建筑的碳排放系数（kgCO2e/单位）[22]，[23]。2.2.2 建筑材料运输阶段 在建筑材料和预制构件的运输过程中，运输车辆的能源消耗是材料运输阶段碳排放的主要来源。计算公式如下 [22]：（公式5）其中：Cys 表示建筑材料运输期间的总碳排放量（kgCO2e）；i = 1, 2,...,n 表示不同类型的建筑材料；Mi 表示第i种建筑材料的消耗量；D 表示第i种材料的平均运输距离；Ti 表示第i种材料运输方式的单位重量和距离的碳排放系数（kgCO2e/(t·km)）。在本研究中，所有建筑材料的运输距离均统一假设为50公里。这一假设基于两个考虑因素：首先，它符合GB/T 51366-2019标准中推荐的值，该标准建议混凝土的运输距离为40公里，其他建筑材料为500公里；其次，根据项目区域的建筑材料市场调查，主要材料如混凝土、砖、水泥和钢材均来自半径50公里内的设施，这使得这一假设能够代表典型的区域供应链状况。这种简化旨在提高计算方法的实用性，同时确保不同材料之间的比较结果一致性。2.2.3 建设阶段 在建设阶段，碳排放主要来源于各种施工机械设备运行过程中的能源消耗。具体计算公式如下 [22]：（公式6）其中：Cjz 表示建设阶段的单位建筑面积碳排放量（kgCO2e/m2）；i = 1, 2, ...，表示不同类型的能源；Ei 表示建设阶段能源类型的总能耗（kWh或kg）；εi 表示能源类型i的碳排放系数（kgCO2e/kWh或kgCO2e/kg）。2.2.4 建筑拆除阶段 建筑拆除阶段的碳排放主要来源于拆除作业中的能源消耗和建筑废物的处理。由于拆除方法的不确定性以及拆除过程与建设过程的相似性，采用了一种常见的简化方法，即将拆除排放量假设为建设排放量的90% [24]。因此，单位建筑面积的碳排放量可以如下估算：（公式7）其中：CCC 表示生产阶段的总碳排放量（kgCO2e）；Cjz 表示拆除作业产生的碳排放量（kgCO2e/m2）。2.3 OCE计算 OCE（运营生命周期碳排放）是指建筑物使用过程中因照明、供暖、制冷、烹饪、热水供应等运营功能而产生的碳排放。通过将每种能源的消耗量与其相应的碳排放系数相乘，可以得到运营阶段的总碳排放量。OCE的计算还考虑了建筑物整个使用寿命期间的累计能源消耗。计算公式如下 [22]，[25]：（公式8）其中：Coc 表示运营碳排放量（kgCO2e）；i 表示建筑物消耗的终端用途能源类型，包括电力、天然气和石油；Ei 表示能源类型的年能耗（单位/年）；Ly 表示建筑物的设计使用年限。建筑物的设计使用年限是OCE计算的关键参数。在本研究中，y根据现行中国标准[26]的规定设定为50年。建筑物年生活热水消耗量的计算基于标准和规定的居住人数。具体计算公式如下 [22]：（公式9）其中：Qr 表示年生活热水能耗（kWh）；Cw 表示水的比热容，取值4.187 (kJ/kg·°C)；m 表示居住人数；qr 表示每人每天的热水配额，计算为30升[27]；ηw 表示热水系统的性能系数；tr 表示设计热水温度（°C）；tl 表示设计冷水温度（°C）。3. 案例研究 3.1 研究对象 本研究的研究对象位于浙江省杭州市临安区高洪镇石门村（纬度：N 30°16′；经度：E 120°12′）。杭州是中国首批LSPRD（低碳乡村旅游住宅）试点地区之一，而临安区则是国内最早的LSPRD试点之一。截至2023年，临安区已建设了400多套新的LSPRD，总面积约为150,000平方米，如图1所示。位于临安区高洪镇石门村的安置房是临安区LSPRD的示范社区之一。该安置房距离临安市中心30公里，距离杭州市中心70公里，包括15栋三层连排的乡村住宅，可容纳30户家庭。每栋住宅占地面积约102平方米，总建筑面积为275平方米，建筑高度为9.8米。其中有8栋建筑是LSPRD，其余7栋是传统的砖混结构（BC）。这两种类型的建筑内部空间布局相同，外观风格一致，其外观和平面图细节分别见图2和图3。两种建筑类型的建筑围护结构的热性能参数见表1。各种材料的热性能和建筑构件热性能的计算方法均按照《民用建筑热设计规范》（GB 50176-2016）[28]确定。下载：下载高分辨率图片（314KB）下载：下载完整尺寸图片 图1. 2020–2023年临安区LSPRD分布图 下载：下载高分辨率图片（373KB）下载：下载完整尺寸图片 图2. LSPRD的建筑结构和外观 下载：下载高分辨率图片（619KB）下载：下载完整尺寸图片 图3. 案例研究的典型建筑平面图和立面图 表1. 仿真建筑的基本信息 类型1：BCRD（砖混住宅） 类型2：LSPRD（低碳乡村旅游住宅） 位置 纬度：N 30°16′；经度：E 120°12′ 纬度：N 30°16′；经度：E 120°12′ 布局 南北向 南北向 结构 砖混结构 预制轻钢结构 窗墙比 南部：45%；北部：52% 南部：45%；北部：52% 外墙 240毫米烧结多孔砖墙；U值：1.49 W/(m2·K) 240毫米水泥砂浆墙；U值：0.71 W/(m2·K) 外窗 普通铝合金单层玻璃窗；U值：6.5 W/(m2·K) 铸造热处理铝合金双层玻璃；U值：W/(m2·K) 屋顶 钢筋混凝土屋顶；U值：4.71 K W/(m2·K) 预制轻钢结构屋顶；U值：W/(m2·K) 平屋顶 钢筋混凝土屋顶；U值：2.95 K W/(m2·K) 钢筋混凝土屋顶；U值：1.03 W/(m2·K) 气密性 0.7 ach/h 0.7 ach/h U值：热传导率，W/(m2·K)。3.2 数据收集 本研究使用DesignBuilder软件开发典型乡村建筑的三维模型进行模拟分析。该软件基于经过验证的EnergyPlus仿真引擎，该引擎已经通过ASHRAE Standard 140和实证测试得到了广泛验证 [29]，[30]。为了最小化输入不确定性，所有输入参数（如建筑围护结构性能、时间表、内部负荷、暖通空调设置）均严格来源于施工图纸、现场调查或相关标准。由于本研究对两种结构类型的建筑碳排放进行了比较分析，这些参数的一致性确保了比较结果的可靠性。下面展示了代表性的模型和参数设置。3.2.1 典型模型 乡村住宅的主要功能是居住。实地调查显示，约90%的受访家庭采用这样的居住模式：老年居民留在家中，而中年和年轻人在外工作，这代表了中国乡村的典型居住模式。近年来，乡村振兴战略鼓励年轻人返回家乡创业和长期居住。随着农村居民生活水平的逐步提高，乡村住宅的能源消耗也随之增加。同时，随着农村旅游的发展，村民们越来越多地利用闲置房间开展民宿业务或将住宅出租给民宿经营者。为了分析不同结构系统的乡村住宅在不同模式下的碳排放阈值，本研究结合实地调查和相关标准，确定了四种典型的乡村住宅模型，分别适用于自住和民宿模式，如图4所示。下载：下载高分辨率图片（332KB）下载：下载完整尺寸图片 图4. LCAM模型的系统边界 模型1（M1）：标准自住模式：老年居民、中年夫妇及其孙辈共同居住，生活标准和习惯与城市居民相当。 模型2（M2）：低能耗自住模式：老年居民长期居住在家；中年夫妇在外工作，周末和假期回家；第三代子女全年在外学习，暑假回家。 模型3（M3）：标准民宿模式：乡村住宅仅作为民宿使用，按照《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015-2021）中的酒店使用要求运营。 模型4（M4）：民宿运营模式：老年居民居住在住宅中，在非高峰期将闲置房间用于民宿服务。实地调查和相关研究表明，旅游业具有明显的季节性需求特征，需求高峰集中在周末和公共假期 [31]。因此，在该模型下，家庭在周末、暑假和公共假期为访客提供住宿和餐饮服务。3.2.2 参数设置 在自住模式（M1和M2）中，传统的BCRD和LSPRD的设备和照明功率密度相同，分别设置为3.8 W/m2和5.0 W/m2。主要房间的照度标准如下：客厅100 lx；餐厅150 lx；厨房100 lx；卧室75 lx；浴室100 lx。居住房间夏季保持在26°C，冬季保持在18°C [28]，未居住的房间则不使用空调。其他建筑参数根据GB55015-2021的住宅建筑部分进行配置，详见表2。模型1和2的年度和典型每日活动模式见图5(a)(b)。表2. 主要区域的内部负荷和温度设置 区域 人员（人/房间） 代谢率（W/人） 温度（°C） 照明（W/m2） 设备（W/m2） 夏季 冬季 M1 M2 M3/M4 M1 M2 M3/M4 M1 M2 M3/M4 M1/M2 M3/M4 M1/M2 M3/M4 M1/M2 M3/M4 GR//2 100 //2 26 //2 25 63.8 15 BR 2 22 100 26 30 26 18 16 22 56 3.8 15 LR 6 21 21 10 26 30 26 18 16 22 56 3.8 15 厨房 2 12 160 // // 56 30 70 DR 6 21 21 10 26 30 26 18 16 22 56 3.8 15 WC 1 11 120 // // 56 3.8 15 GR：客房；BR：卧室；LR：客厅；DR：餐厅；WC：卫生间。下载：下载高分辨率图片（598KB）下载：下载完整尺寸图片 图5. 居住者活动时间表 DAOR：日均入住率；MAOR：月均入住率；在M3和M4中，访客要求更高的生活环境舒适度 [32]。传统BCRD和LSPRD的设备 và 照明功率密度相同，分别设置为15 W/m2和6 W/m2。功能房间的照度标准见表2。由于空调开关对能源消耗有显著影响，主要居住区域的室内温度夏季保持在26°C，冬季保持在22°C [33]。其他相关建筑参数根据GB55015-2021的酒店建筑规范进行配置，详见表2。模型3和4的年度和典型每日活动模式见图5(c)(d)。4. 结果与讨论 4.1 ECE的比较分析 根据第2.2节描述的ECE计算方法，图中展示了包括建筑材料生产、运输、建设和拆除/回收在内的四个阶段中，预制LS结构（Light Steel Structure）和BC结构（Brick-Concrete Structure）的碳排放情况。下载：下载高分辨率图片（543KB）下载：下载完整尺寸图片 图6. BCRD和LSPRD的ECE分解 4.1.1 建筑材料生产阶段 建筑的碳排放量主要由所用材料的数量和类型决定 [34]。图6(a)显示，传统BCRD的主要建筑材料包括砌块、砂浆、混凝土和钢材。其中，混合材料占比最大，为50.5%，其次是砌块21.5%，钢材23.1%，骨料和胶凝材料4.9%。LSPRD使用复合墙体，包括LS骨架和石膏基砂浆。这些墙体通过机械喷涂在现场建造，采用LS立柱作为框架，石膏基砂浆作为填充材料。与传统砖墙相比，该系统具有明显的优势，包括施工简化、材料消耗减少和更好的抗震性能 [28]。史门村LS型农村住宅的填充材料是一种基于高强度石膏的聚苯乙烯颗粒保温砂浆，其成分包括70%的石膏、17%的粉煤灰、10%的水泥、3%的聚丙烯单丝防裂纤维和0.8%的聚苯乙烯颗粒，水灰比为0.6，导热系数为0.71 [28]。LS型预制结构材料在生产阶段的碳排放量为220千克二氧化碳当量/吨。图6(b)显示，可回收钢材占45.6%，无机非金属材料产品占44.1%，有机材料和产品占10.3%。图7表明，BCRD材料在生产阶段的碳排放量明显高于LSPRD材料，其中初级BC材料的碳排放量比LS材料高出91%。从原材料角度来看，BCRD中使用的混凝土和砂浆等复合材料的碳排放量最高，其次是钢材。对于LSPRD来说，钢材的碳排放量最大，其次是无机非金属材料产品。计算结果显示，建筑材料的生产阶段占BCRD总碳排放量的91.6%，占LSPRD总碳排放量的96.9%。

4.1.2 建筑材料运输阶段
公路运输是主要的运输方式，最常用的车辆是重型柴油卡车（载重10吨）。碳排放系数设定为0.2千克二氧化碳当量/吨·公里。LSPRD组件的生产设施位于临安市区内，大部分关键建筑材料可以就地采购。对于次要建筑材料，采购地点和运输距离在实际操作中难以追踪。此外，各种建筑材料的生产地点分散在多个地点，这使得统计汇总变得复杂。因此，如2.2.2节所述，材料运输距离统一设定为50公里。对于公路运输，重型柴油卡车（载重10吨）的碳排放系数为0.2千克二氧化碳当量/吨·公里。计算框架（图4）显示，BCRD的碳排放量为7,576千克二氧化碳当量，其中混合材料占50.5%，砌块占21.5%，钢材占23.1%，骨料和水泥材料占4.9%。LSPRD的碳排放量为1,202千克二氧化碳当量，其中钢材占45.6%，无机非金属材料产品占44.1%，有机材料和产品占10.3%。计算结果显示，材料运输排放占BCRD总碳排放量的4.8%，占LSPRD总碳排放量的1.2%。图6显示，BCRD的建筑材料运输排放量比LSPRD高出537%。这种显著差异源于LS结构的轻便和预制特性，从而降低了与运输相关的碳排放。

4.1.3 建设阶段
在建筑施工阶段，碳排放主要来自各种施工机械和设备运行过程中的能源消耗。大多数设备使用电能，部分设备依赖燃油。确定施工机械使用率有两种方法：一种是基于工程量清单；当清单不可用时，可以使用软件模拟生成清单，或者根据《建筑施工与装饰项目消耗定额》中规定的标准费率进行计算。本研究采用上述标准，并结合实际项目数量进行计算。2022年发布的中国电网平均碳排放系数为0.6千克二氧化碳当量/千瓦时。计算结果显示，BCRD的建筑施工阶段碳排放量为669千克二氧化碳当量，其中焊接设备占75.3%，钢筋加工设备占9.1%，搅拌设备占9.9%，施工用电占5.7%。LSPRD的建筑施工阶段碳排放量为283千克二氧化碳当量，其中焊接设备占64.4%，搅拌设备占34.2%，施工用电占1.4%。建筑施工阶段的碳排放占BCRD总碳排放量的0.4%，占LSPRD总碳排放量的0.4%。这表明与其他阶段相比，BCRD和LSPRD的碳排放量均相对较低。由于施工方法的不同，BCRD和LSPRD使用的机械设备也有很大差异。BCRD施工阶段使用的设备主要包括干混砂浆搅拌机、钢筋矫直机和钢筋切割机，而LSPRD则主要使用砂浆搅拌机、交流弧焊机和现场浇筑混凝土所需的电力。图6显示，BCRD的建筑施工阶段碳排放量比LSPRD高137%。

4.1.4 建筑拆除阶段
(1) 拆除工作和废物运输
计算表明，BCRD的拆除产生的碳排放量为602千克二氧化碳当量，LSPRD的拆除产生的碳排放量为254千克二氧化碳当量。拆除后，建筑废物经过破碎、筛分和分类处理，再根据材料类型进行回收、填埋或焚烧。建筑废物运输的碳排放采用与建筑材料运输相同的方法进行计算，运输距离为30公里 [35]。计算得出，BCRD的废物运输阶段碳排放量为4,545千克二氧化碳当量，LSPRD的废物运输阶段碳排放量为721千克二氧化碳当量。拆除和废物运输阶段分别占BCRD总碳排放量的3.2%和1.2%。
(2) 回收和再利用
有效回收和再利用建筑材料可以减少碳排放并减轻环境影响，从而实现碳抵消。不同建筑材料的可回收性存在差异，这取决于回收难度和利用价值等因素。BCRD的主要可回收材料是钢筋和混凝土，而LSPRD的主要可回收材料是钢材。回收系数如下表所示：
表3. 主要建筑材料的回收率 [36]
| 建筑材料 | 回收率（%） |
| ------- | ------- |
| 混凝土 | 50 |
| 钢筋 | 30 |
| 铝材 | 30 |
| 玻璃 | 80 |
| ... | ... |

BCRD中废弃混凝土和废弃钢筋的碳补偿量分别为3,046千克二氧化碳当量和10,107千克二氧化碳当量。LSPRD中废弃混凝土和废弃钢筋的碳补偿量分别为489千克二氧化碳当量和25,375千克二氧化碳当量。BCRD和LSPRD的建筑材料回收产生的碳补偿量分别为13,153千克二氧化碳当量和38,985千克二氧化碳当量。整个BCRD的拆除过程总共实现了8,005千克二氧化碳当量的碳抵消，而LSPRD的拆除过程产生了38,011千克二氧化碳当量的碳抵消。金属材料具有最高的回收率，只需简单处理后即可直接送往回收市场。混凝土可以加工成再生骨料，回收的钢筋和结构钢可以重新加工成新的钢材产品。这种回收过程能有效减少废物产生并促进可持续发展。对于BCRD来说，废弃钢筋和废弃混凝土的碳抵消比例最高，分别为23.2%和39.1%。对于LSPRD来说，废弃钢筋的碳抵消比例最高，为10,107千克二氧化碳当量；废弃混凝土的碳抵消量为3,046千克二氧化碳当量。尽管LSPRD使用的建筑材料较少，但其碳补偿量几乎是BCRD的两倍。这是因为LSPRD中使用的钢材比BC结构中的钢筋更易于回收和再利用，因此回收率更高，从而实现了更高的碳抵消。

计算表明，建筑拆除过程中产生的后续废物处理挑战显著影响了整个拆除阶段的总碳排放量。科学回收和再利用建筑废物不仅具有显著的环境效益，还带来了巨大的经济效益。

4.2 生命周期环境影响（OCE）分析
图8展示了不同模型下BCRD和LSPRD的生命周期环境影响（OCE）模拟结果，显示出两者之间的碳排放存在显著差异。这四种模型下BCRD的年碳排放量分别为20,199千克二氧化碳当量、5,620千克二氧化碳当量、61,200千克二氧化碳当量和47,757千克二氧化碳当量；而LS结构的年碳排放量分别为15,431千克二氧化碳当量、4,940千克二氧化碳当量、45,469千克二氧化碳当量和34,958千克二氧化碳当量。

总体而言，所有模型下BC结构的碳排放量均高于LS结构，且波动性更大。具体而言，BCRD在实际客房模型下的碳排放量最高，而在实际住宅模型下的碳排放量最低。相比之下，LS结构在标准客房条件下的碳排放量最高，在实际住宅模型下的碳排放量最低，且整体波动性较小。在标准住宅和M4条件下，BC结构的碳排放量分别比LS结构高出约37%，这是最大的差异。M2条件下的差异最小，仅为14%，两个数值均接近最低运行阶段水平。这表明运行阶段的碳排放量受建筑功能和使用强度的显著影响。特别是对于实际运行条件下的客房类型建筑，其碳排放水平明显高于普通住宅。相比之下，LS结构在不同模型下的碳排放波动较小，整体碳排放水平较低，显示出其在运行阶段的减排优势。

4.3 生命周期碳（LC）的组成和分析
基于第2.1节对BCRD和LSPRD整个生命周期内ECE（ embedded carbon）和OCE（operational carbon）组成的分析，结果如图9和表4所示。
图9显示，在M1条件下，BCRD的运行排放占LC（Life Cycle Assessment）排放的主要部分，约为87.3%，而嵌入式排放仅占12.7%。在嵌入式排放中，主要结构框架和建筑围护结构是主要来源。嵌入式碳排放主要来自主结构和建筑围护结构，分别占53.1%和45.8%。在主结构中，水平承力构件的贡献最大；在建筑围护结构中，墙体的贡献最大。运行阶段的碳排放主要由制冷和供暖系统造成，分别占总OCE的43.7%和38.3%。图9(b)显示，在M1条件下，LSPRD的碳排放主要集中在运行阶段，运行排放占约95.1%，嵌入式排放仅占4.9%。嵌入式碳的主要部分集中在建筑围护结构中，占59.6%，其中墙体贡献最大。运行阶段的碳排放主要由制冷和供暖系统造成，分别占43.3%和38.3%。
图9(c)显示，在M2条件下，BCRD的OCE占比增加到34.2%，而LSPRD的OCE占比降至65.8%。OCE的组成更加均衡，制冷、供暖和照明分别贡献了22.8%、25.3%和24.0%。图9(d)显示，在这种模式下，LSPRD的OCE显著增加到13.9%。OCE表现出多样化的模式，其中照明占最大份额，为27.3%，其次是供暖和制冷，分别为20.6%和20.3%。设备和水电系统的贡献分别为19.0%和12.9%。
图9(e)显示，在M3条件下，BCRD的OCE占比增加到34.2%，而LSPRD的OCE占比降至65.8%。OCE的组成更加平衡，制冷、供暖和照明分别贡献了22.8%、25.3%和24.0%。图9(f)显示，在M3条件下，LSPRD的OCE占比增加到13.9%。OCE显示出多样化的模式，其中照明占比最高，为27.3%，其次是供暖和制冷，分别为20.6%和20.3%。设备和水电系统的贡献分别为19.0%和12.9%。
图9(g)显示，在M3条件下，BCRD的OCE主要集中在运行阶段，占比达到95.4%，而LSPRD的OCE仅占4.6%。运行阶段主要由供暖和制冷驱动，分别占37.5%和35.2%，合计超过了总OCE的七成。其余部分来自设备、水电系统和照明。
图9(h)显示，在M4条件下，LSPRD的OCE依赖程度进一步增加，达到98.4%，而嵌入式碳占比仅为1.6%，主要来自主结构。运营阶段的 composition 发生了变化，其中冷却环节的贡献最大，占 39.9%，其次是设备 24.1%，水系统 16.0%，以及供暖 15.5%。图 9 还显示了一个有趣的异常现象：在 M2 模型中，LSPRD 的碳排放减少了 12.1%，而在其他模型中则减少了 23-27%。这是因为 M2 模型中较低的能量使用量降低了 LSPRD 更好隔热性能的优势，导致隐含碳（embodied carbon）在总碳排放中所占的比例相对较大。总体而言，这两种结构系统在其整个生命周期的碳排放中都表现出运营上的主导作用，尽管它们的构成差异显著。BCRDs（传统建筑结构，Basic Building Structures）在不同模型中的敏感性更强，运营碳与隐含碳的比例波动较大，主要受建筑围护结构和热环境控制要求的驱动。相比之下，LSPRDs（低能耗高性能住宅，Low-Energy Performance Residential Buildings）的碳组成更加可持续，隐含碳的比例较低，尽管其运营能耗的内部来源较为复杂。这些发现也提供了明确的政策启示：虽然材料选择会影响隐含碳排放，但农村住宅建筑实现脱碳的最大潜力在于提高运营能源效率（例如改进建筑围护结构和电器）以及推动更清洁的绿色电力网络的发展。

5. 结论
以浙江省的农村地区为案例研究，本文提出了一种分析方法，用于评估建筑物整个生命周期的碳排放。通过比较四种不同运营模式下 LSPRDs 和 BCRDs 的 ECE（Environmental Carbon Emission）、OCE（Operational Carbon Emission）和 LCCA（Life Cycle Carbon Assessment），结果发现 LSPRDs 的碳排放低于 BCRDs。具体结论如下：
(1) 在建筑材料生产、运输、建造和拆除/回收的各个阶段，BCRDs 分别占 ECE 的 91.6%、4.8%、0.4% 和 3.2%；LSPRDs 分别占总生命周期排放的 96.9%、1.5%、0.4% 和 1.2%。建筑材料生产阶段产生的碳排放占隐含碳的最大比例。
(2) 对于 BCRDs 和 LSPRDs 来说，运营碳（OCE）都占比较高，前者占总排放的 66～95%，后者占 87～98%。OCE 与建筑功能和使用者的能源使用行为密切相关。因此，推广绿色能源消费将显著降低碳排放。
(3) LSPRDs 的 ECE 显著低于 BCRDs。材料生产、运输、建造和拆除阶段的碳排放分别减少了 47.7%、84.1%、57.8% 和 81.1%。此外，在拆除过程中通过材料回收产生的碳抵消量，LS 结构（LSPRD 结构）是 BC 结构的 2.96 倍。显然，LSPRDs 在建筑物生命周期的所有阶段都具有显著的碳减排效果。
(4) 与 BCRDs 相比，LSPRDs 在四种不同条件下的生命周期碳排放分别减少了 23.6%、12.1%、25.7% 和 26.8%。在 M2 条件下，农村住宅表现出较低的能源消耗，但隐含碳强度较高。条件 2、3 和 4 表明，随着农村生活水平和工业结构的发展，OCE 将显著增加。
(5) 钢结构具有优异的机械性能，需要的建筑材料较少，从而在生产 and 运输阶段的碳排放较低。预制组件的使用促进了高效施工，进一步降低了建造阶段的碳排放。钢框架墙体采用高效隔热材料，提供了优异的热性能，减少了运营过程中的供暖和制冷能耗。LSPRDs 中使用的钢材具有高回收率，简单处理后可以重新使用，从而在拆除过程中实现大量碳抵消。

上述发现为国家政策提供了有力支持，鼓励在农村地区推广 LSPRDs 作为实现碳峰值和碳中和目标的有效途径。然而，这项研究仍存在一些局限性需要承认：首先，分析依赖于某些假设，这些假设可能会影响绝对估计的准确性，包括使用标准化的运输距离、简化的拆除模型以及未经实地验证的模拟 OCE。其次，该研究仅限于中国南方的一个气候区，这可能限制了研究结果在供暖需求更高的寒冷地区的普遍适用性。第三，尽管 LSPRDs 在降低隐含碳和运营碳排放方面具有明显优势，但其较高的初期成本没有得到充分考虑，这可能会影响评估的全面性。

针对这些局限性，未来的研究应朝以下几个方向进行：首先，需要进行技术经济分析，将碳减排发现与成本数据结合起来，以量化选择 LSPRDs 相对于 BCRDs 的碳减排成本。其次，将现场可再生能源系统（如太阳能光伏）纳入 LCA 框架，有助于明确这种整合如何影响运营碳的相对贡献。最后，进行实际建筑物能耗监测的实地研究对于验证和校准本研究中的模拟模型至关重要，从而提高未来比较评估的可靠性。

**作者贡献声明：**
杨新毅：撰写原始稿件、可视化处理、验证、软件开发、数据调查。
何丽萍：监督、资金筹措、概念构思。
陈花兰：可视化处理、软件开发、数据调查。
王美燕：撰写修订稿件、监督、软件开发、方法论研究、形式分析、概念构思。