现阶段，随着对绿色环保的关注，在节能减排的同时尽可能优化成本成为发展装配式建筑的必然选择。能耗是装配式建筑研究中的一个重要对象。国内外关于装配式建筑能耗的研究主要集中在三个方面：一是不同装配式建筑建筑结构全生命周期的环境性能对比；二是建造阶段能耗所占比例的分析研究；三是对不同成分的建筑材料能耗和环境性能的研究。目前，对于装配式建筑的能耗研究多集中在节能设计和规划的研究评价方面，对于装配式技术产生的施工能耗的研究较少。

能耗量化研究具有突出价值，通过全面准确地进行能耗量化，能够在施工过程中根据效益值，选择节能减排的目标阶段及对象，也能为随后的能耗预测和评价提供基础。因此，为量化装配式建筑施工能耗，解决施工阶段能耗统计步骤复杂、多参数影响等问题，本文建立一种新的施工能耗量化模型。

相比于传统现浇式建筑，装配式建筑具有设计标准化、生产预制化、施工装配化、管理信息化等特点，施工工序简单，可以减少由于施工过程中的粉尘和噪声污染，降低了对环境的不良影响。另外，装配式建筑的施工生产、施工运输、施工现场阶段与传统现浇式建筑也有明显区别。

本文在充分考虑装配式建筑特点的基础上，首先选取生产线直接能耗统计法和简约式生命周期评估法进行研究，并对其在国内的适用情况进行适用性分析；然后，利用WBS方法，将装配式建筑施工能耗项目逐层分解，并按照一定的规则进行编码；最后，从施工生产阶段、施工运输阶段、施工现场阶段三个阶段着手，建立装配式建筑施工能耗量化模型。

通过该模型，从施工生产、施工运输、施工现场三个阶段得到比较精确的施工能耗量化结果，简化了已有研究中的分析步骤和数据，减少了统计步骤的人力物力消耗。

1 装配式建筑施工能耗量化研究方法与清单制定

目前国内的节能建筑形式多样，如装配式混凝土结构、预制装配式钢结构、木结构等。在各种建筑形式里，最适合我国国情的装配式建筑结构是预制装配式混凝土结构。本文研究以装配式混凝土建筑为基础，对装配式建筑的施工能耗进行清单制定、量化。

1.1 施工能耗量化研究方法

国内外关于能耗量化的研究方法众多，主要有产业关联表统计法、生产线直接耗能统计法、宏观建筑全生命周期能耗模型法、全生命周期清单数据库法、简约式生命周期评估等方法。本文结合生产线直接能耗统计法和简约式生命周期评估法进行能耗量化。

生产线直接能耗统计法，是根据建筑材料制造商的产量与能耗结构直接计算出建筑材料的能耗。在目前产业竞争加剧与节能效率逐步提升的背景下，虽然不同建材制造商的能耗效率与能源使用结构可能不尽相同，但最终产品能耗量的差异日渐缩小。生产线直接能耗统计法中，生产线的能耗量为全部生产过程的能源统计，及所有分项燃料的消耗总和，再加上其他的加工或组装的间接能耗。

在研究生产线直接能耗统计法的基础上，有学者提出了简约式生命周期评估方法，并提供了完整的简约式生命周期评估方法和体系，即限定生命周期的特定阶段，将部分影响较小的参数进行了删除，专注于特定的使用条件，减少了人力物力消耗。以下对这两种量化方法在国内的适用情况进行适用性分析，如表1所示。

  

表1 适用性分析  下载原图

 

 

生产线直接能耗统计法和简约式生命周期评估法两种方法的结合能优劣互补，可以有效地解决生产线直接能耗统计法的工作量大，以及简约式生命周期评估法精确度不高的问题。最后，按照生产线直接能耗统计的科学方法，从生产、运输、现场施工对施工能耗进行清单制定，按照简约式生命周期评估方法的思路，仅对主要建材、预制构件、建筑部品进行分析计算。

1.2 装配式建筑施工能耗清单制定

1.2.1 施工能耗项目分解

本研究利用WBS方法，根据装配式建筑的施工能耗组成，将装配式建筑施工能耗项目层层分解，并按照一定的规则进行编码。以混凝土及钢筋混凝土工程为例，混凝土及钢筋混凝土工程可以分为预制混凝土梁、板等，预制混凝土柱的能耗又可以分为预制混凝土生产、运输、施工现场能耗。运用WBS对施工能耗项目的分解，见图1。

图1 装配式建筑施工能耗项目分解  下载原图

 

装配式建筑施工能耗项目编码体系包括五级：第一级，施工能耗阶段码，E表示施工生产能耗、T表示施工运输能耗、P表示施工现场能耗；第二级，施工能耗工程码，占2位，如建筑工程、装饰装修工程；第三级，专业工程码，占2位，如土石方工程、混凝土与钢筋混凝土工程等；第四级，分部工程顺序码，占2位，如预制混凝土梁、预制混凝土板、预制混凝土柱等；第五级，分项工程项目名称顺序码，如预制混凝土整体板等。装配式建筑施工能耗项目编码体系见图2。

图2 装配式建筑施工能耗项目编码体系  下载原图

 

1.2.2 施工能耗项目特征及设备分析

装配式建筑施工能耗项目特征是指对分解后形成的每一个能耗项目的能源消耗的描述，如预制混凝土整体板，可以根据其安装高度进行描述。项目特征直接决定能源的消耗数量。在施工过程中能源消耗的来源是各类用能机械设备，应该从每个施工能耗项目所使用的机械设备及消耗的能源种类出发，进行数据采集。

1.2.3 施工能耗清单的确定

在对施工能耗项目进行WBS项目分解、项目特征及设备分析后，就可以确定装配式建筑施工能耗清单，以表格的形式表示，如表2所示。

表2 装配式建筑施工能耗清单  下载原图

 

2 装配式建筑施工能耗量化模型

施工能耗包括三方面的内容：施工生产能耗、施工运输能耗、施工现场能耗。装配式建筑施工能耗组成见图3。

图3 装配式建筑施工能耗组成  下载原图

 

2.1 施工生产能耗量化模型

装配式建筑施工生产能耗(E_e)是指在装配式建筑施工中使用的建筑材料、预制构件、建筑部品等在预制工厂的生产过程中，实际消耗的能源总量，包括在生产预制构件的过程中使用的一次能源(原煤、原油、天然气等)和二次能源(电力、汽油、柴油等)。对生产阶段的能源进行综合量化，得到装配式建筑施工生产能耗公式：

导出到EXCEL

 

 

表2 装配式建筑施工能耗清单
能耗项目编码	能耗项目名称	能耗项目特征		机械设备	能耗种类	能源台班使用量(kW·h)	机械台班产量(m3)	平均能耗(MJ/m3)
P010506003	预制混凝土叠合板施工现场能耗	安装高度	60m以下	设备1	能源1	A	C	A/C
			60m以上	设备2	能源2	B	D	B/D

 

 

 

E_ej=∑ⁿ_i=1e_ji×q_i×Q_j (1)

E_e=∑^m_j=1E_ej　　　 (2)

式中：E_e为施工生产总能耗(MJ)；E_ej为第j项分项工程的施工生产能耗(MJ)；e_ji为生产阶段第j项分项第i种能源的单位产量使用量(kg/m³，m³/kg等)；q_i为生产阶段第j项分项第i种能源的发热值(MJ/kg，MJ/m³等)；n为生产阶段第j项分项的能源种类数；m为生产阶段的分项工程数；Q为生产阶段第j项分项的清单产量(m³，kg等)。

2.2 施工运输能耗量化模型

装配式建筑施工运输能耗(E_t)是指在装配式建筑施工中使用的建材、预制构件、建筑部品等运输至施工现场的能源消耗的总量，包括在运输过程中各类运输工具所产生的能源消耗。结合装配式建筑的特点，主要的运输方式是公路运输，消耗的能源主要有电力、柴油、汽油。装配式建筑中施工运输能耗公式：

E_tj=∑ⁿ_i=1e_ji×q_i×Q_j×L_ji (3)

E_t=∑^m_j=1E_tj　　　　　 (4)

式中：E_t为施工运输总能耗(MJ)；E_tj为第j项分项工程的施工运输能耗(MJ)；e_ji为运输阶段第j项分项第i种运输能源的单位产量距离使用量(kg/(m³*km)，m³/(kg*km)等)；q_i为运输阶段第j项分项第i种运输能源的发热值(MJ/kg，MJ/m³等)；n为运输阶段第j项分项的运输能源种类数，一般仅为一种；m为运输阶段的分项工程数；Q_j为运输阶段第j项分项的清单产量(m³，kg等)；L_ji为运输阶段第j项分项使用第i种能源的运输距离。

2.3 施工现场能耗量化模型

装配式建筑施工现场能耗(E_p)是指在装配式建筑施工现场中将建筑材料、预制构件、建筑部品等组合成一个合格的建筑工程的过程中实际消耗的各类能源总量，包括施工生活能耗、施工废弃物能耗、施工直接能耗。

施工生活能耗主要包括照明用电、生活用水等，可通过现场实测，安装电表、水表获得；施工废弃物能耗则作为一项分项清单列入清单表中，通过计算废弃物处置的人力、机械能耗获得；施工直接能耗则是施工现场作业区的能耗，能源类型主要包括汽油、柴油和电力。

由于施工现场的环境复杂，能耗数据难以直接采集，因此采用简约式生命周期评估法的思想，删除影响较小的参数。以下是施工现场能耗的量化公式：

E_pj=∑ⁿ_i=1e_ji×q_i×B_j (5)

E_p=∑^m_j=1E_pj　　　　 (6)

式中：E_p为施工现场总能耗(MJ)，E_pj为第j项分项工程的施工现场能耗(MJ)，e_ji为施工现场第j项分项第i种能源的单位产量使用量(kg/m³，m³/kg)等)，q_i为施工现场第j项分项第i种能源的发热值(MJ/kg，MJ/m³等)，n为施工现场第j项分项的能源种类数，m为施工现场的分项工程数；B_j为施工现场第j项分项的清单产量(m³，kg等)。

相比于施工生产阶段和施工运输阶段，施工现场阶段的数据采集工作相对复杂，因此，本文对于施工现场的电耗、油耗的数据采集进行说明。

(1)工程机械的电耗测定

1)工程机械的台班电耗理论计算公式为：

S=8NW₁W₂×β

式中：S为电力台班消耗(kW·h)；

N为电动机额定功率(kW)；

W₁为时间利用系数，W₂为损耗系数，β为负荷率，满负荷运行为1.0。

2)工程机械也可以进行现场实测，在工程机械内部接入电表，在设备正常运行的情况下测定每8小时的电力消耗量，即：S=ΔS。

本研究电耗测定以现场实测为主，难以实测的则采取理论计算的方式。

(2)工程机械的油耗测定

本研究的油耗测定方法是以容积法为基础进行一定的改良：

第一步，对于清单里面的油耗工程机械，在进行施工前通过移动加油车加满油；

第二步，使用油耗工程机械正常运作一个台班，不产生闲置停歇；

第三步，正常运作一个台班后关闭油耗工程机械，再次加油，测定第二次加油量，则可得到工程机械的台班油耗量。

2.4 施工人工能耗的确定

在装配式建筑施工过程中，从生产到运输再到施工现场，每一项分项工程都有一定的人工消耗。根据《“体力劳动强度分级标准”研究》，一个建筑工日8小时消耗能量1175大卡，1卡=4.184kJ，所以一个人工工日的人工能耗为：

1175×4.184/1000=4.92(MJ)

每项分项工程都会产生一定的人工能耗，将其作为一种能源消耗量代入量化模型，即可获得每个清单项的完整能耗。

3 装配式建筑施工能耗量化应用

3.1 案例概况

以广州某栋装配式建筑为例进行案例分析，该办公楼地上建筑3层，层高3.6m，建筑总高度11.1m，总建筑面积2721.9m²，建筑基地面积1085m²。

3.2 量化计算

(1)施工生产阶段能耗

计算装配式混凝土建筑的能耗首先要计算主要建材的单位能耗，以水泥为算例：1t水泥需要204kg原煤及123kg电能，所以1t水泥所需能耗为204×20.908+123×3.596=4707.54MJ。以此方法得到全部建材单位能耗，将所统计数据代入模型，可以得到施工生产阶段能耗。平均燃料发热值如表3所示，其余主要建材单位能耗如表4所示：

  

表3 燃料发热值  下载原图

 

 

  

表4 主要建材单位能耗  下载原图

 

 

(2)施工运输阶段能耗

运输阶段能耗主要来源于货车所消耗的柴油能源。运输过程中消耗的能源单一，运输距离比较容易确定，计算方式相对简单，代入能源消耗量即可获得最终的能耗。

(3)施工现场阶段能耗

施工现场阶段的能耗是最复杂的，以预制混凝土叠合板的施工现场能耗为例：

第一步，能耗项目分解，通过WBS得到预制混凝土叠合板施工现场能耗项目编码为P010506003；

第二步，项目特征及设备分析，预制混凝土叠合板项目特征为安装高度；一般60m以下使用塔式起重机QTZ80，60m以上使用塔式起重机QTZ100，接头焊接使用交流弧焊机，两种机械均消耗电力；

第三步，测算能耗；

通过现场调研得到安装高度60米内时QTZ80塔式起重机台班电耗量为252.38kW·h，机械台班产量为47.45m³，在该情况下交流弧焊机消耗的电耗为442.5kW·h；安装高度60米上时QTZ100塔式起重机台班电耗量为284.20kW·h，机械台班产量为41.61m³，在该情况下交流弧焊机的电耗为372.54kW·h，人工能耗消耗较少，忽略影响较小的因素，最终得到预制混凝土叠合板施工现场能耗清单。

进行施工能耗的总量计算，根据项目的统计数据代入能耗量化模型，将每个分项的施工能耗填入清单，最终得到的能耗数据如表6所示。

  

表5 预制混凝土叠合板施工现场能耗清单  下载原图

 

 

  

表6 总能耗清单  下载原图

 

 

图4 施工能耗各阶段占比  下载原图

 

4 结 论

基于生产线直接能耗统计法和简约式生命周期评估法进行装配式建筑能耗量化，主要结论如下：

(1)本文通过装配式建筑能耗量化研究，建立一种施工能耗量化模型，简化了能耗量化的分析步骤和数据，从生产线的角度考虑已能基本描述的装配式建筑能耗，同时将部分影响较小的参数进行了删除，解决了施工阶段能耗统计步骤复杂、多参数影响等问题，保证了施工能耗量化的全面性以及量化过程的可行性。

(2)通过施工能耗量化模型，从施工生产阶段、施工运输阶段、施工现场阶段能够得到不同的量化结果，最后得到总施工能耗。通过量化模型对广州某栋装配式建筑的能耗量化发现其施工生产能耗占施工能耗的80.81%，进行节能的可能性最大。同时，可以将该项目结论类推到未建设的装配式建筑中去，分解项目的施工能耗，对项目的施工生产能耗采取针对性的节能减排措施。

(3)通过建立施工能耗量化模型，能够更加全面科学地进行能耗数据计量，量化数据也能为之后的能耗监控、预测、评价提供了基础。