北京市住宅建筑生命周期碳足跡

肖雅心, 楊建新

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心， 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085

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北京市住宅建筑生命周期碳足跡

肖雅心, 楊建新*

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心， 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085

從生命周期角度看,建筑碳足跡與能源和建材生產(chǎn)系統(tǒng)具有密切關(guān)系。隨著技術(shù)的進(jìn)步和節(jié)能政策的推進(jìn),中國能源的生產(chǎn)和使用,以及建材生產(chǎn)過程中的環(huán)境排放都隨著時間在持續(xù)降低,這將間接地影響到建筑的環(huán)境表現(xiàn)。依據(jù)1990—2010年期間每5a的中國能源與建材生命周期清單數(shù)據(jù),對北京市20年間住宅建筑系統(tǒng)開展生命周期評價和碳足跡核算,以揭示北京市住宅建筑系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)荷變化特征。結(jié)果表明,北京市住宅建筑生命周期碳足跡隨時間推移呈現(xiàn)降低趨勢,主要來自能源系統(tǒng)和建材生產(chǎn)系統(tǒng)的碳減排貢獻(xiàn)。不同結(jié)構(gòu)建筑的碳足跡盡管有差異,但也呈現(xiàn)了相似的下降趨勢。從生命周期階段看,建筑碳足跡主要體現(xiàn)在建筑使用階段和建材生產(chǎn)階段。盡管建筑使用階段的節(jié)能對于降低建筑生命周期碳足跡具有重要貢獻(xiàn),但節(jié)能在經(jīng)濟(jì)成本及環(huán)境成本方面而言是有限度的。在可持續(xù)的環(huán)境政策管理制定中,應(yīng)從生命周期角度,統(tǒng)籌考慮協(xié)調(diào)各行業(yè)減碳的協(xié)調(diào)發(fā)展。論文同時也驗證了在生命周期評價中考慮時間變量將有助于更好地利用生命周期評價結(jié)果支持環(huán)境可持續(xù)管理。結(jié)論對于城市規(guī)劃的政策制定、量化環(huán)境表現(xiàn)是有益的。

住宅建筑；生命周期評價；碳足跡

全球30%—40%的初級能源消耗于建筑業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè),產(chǎn)生了全球40%—50%的溫室氣體排放[1]。從生命周期的角度,建筑碳足跡與整個能源系統(tǒng)和建材系統(tǒng)密切相關(guān),也與建筑的使用過程和拆除過程相關(guān)。本研究針對北京市住宅建筑開展生命周期評價和碳足跡核算,分析能源系統(tǒng)和建材生產(chǎn)系統(tǒng)的變化對住宅建筑碳足跡的貢獻(xiàn),以期為建筑可持續(xù)性評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為綠色建筑發(fā)展提供政策支持。

應(yīng)用生命周期評價(Life Cycle Assessment, LCA)方法開展建筑能源使用及環(huán)境影響評價的研究眾多。主要包括3個方面：比較建筑材料的環(huán)境影響[2-7],以支持綠色建材替代；評價建筑生命周期各階段的能源使用效率和環(huán)境影響,進(jìn)而提出優(yōu)化方案[8-10]；對單體建筑[11-12]或區(qū)域內(nèi)建筑系統(tǒng)開展全生命周期評價[13-15],著重于量化其環(huán)境影響,識別關(guān)鍵影響因素和提出政策建議。

在生命周期中引入時間變量,開展動態(tài)生命周期評價尚處于發(fā)展初期。已有學(xué)者開展了一些嘗試。Amit[16]等人利用動態(tài)物質(zhì)流建模分析了美國水泥庫存。William O. Collinge[17]等人提出了建筑動態(tài)生命周期評價(DLCA)方法框架。并應(yīng)用該方法對單體建筑進(jìn)行了動態(tài)與靜態(tài)評價,結(jié)果表明,動態(tài)評價在所有影響類型上都低于靜態(tài)評價結(jié)果。Hu M[18]等人應(yīng)用物質(zhì)流分析(MFA)方法,開展了北京城市住房系統(tǒng)的建設(shè)和拆除廢棄物管理研究。

1 北京市住宅建筑生命周期評價

本文嘗試基于不同時段的生命周期清單數(shù)據(jù)庫,對北京市住宅建筑系統(tǒng)開展碳足跡動態(tài)評價,以期揭示能源系統(tǒng)和建材系統(tǒng)變化條件下北京市住宅建筑碳足跡的變化特征,從而尋求降低建筑碳足跡的優(yōu)化策略。

研究遵循ISO14040系列標(biāo)準(zhǔn),按照生命周期評價的步驟開展研究。在碳足跡的核算上,采用SimaPro7.3軟件平臺進(jìn)行計算,碳足跡采用kgCO2eq表征。

1.1 研究邊界和功能單位

研究范圍定義為北京市住宅建筑從建材生產(chǎn),建材運(yùn)輸,建筑建設(shè),使用到最終拆除處置的整個生命周期。重點關(guān)注能源消耗,材料消耗和溫室氣體排放(圖1)。功能單位定義為100m2建筑面積/a。依據(jù)建設(shè)部《住宅建筑規(guī)范》要求,民用住宅建筑設(shè)計年限不得低于50a,因此本研究設(shè)定住宅建筑的使用壽命為50年。

圖1 北京市住宅建筑生命周期評價研究邊界Fig.1 The System Boundary of the LCA of Beijing Residential Buildings

1.2 碳足跡核算方法

建筑生命周期碳足跡主要來源是能源使用所導(dǎo)致排放的溫室氣體所產(chǎn)生的碳足跡。采用以下碳足跡計算模型：

CT=CM+CC+CU+CD

式中,CT表示建筑生命周期碳足跡；CM是材料生產(chǎn)階段碳足跡；CC代表建筑建設(shè)階段碳足跡；CU是建筑使用階段碳足跡；CD表示建筑拆除階段碳足跡。其中,建材生產(chǎn)階段：

式中,cmi1表示第i類建材生產(chǎn)工藝過程的碳排放量,cmi2表示第i類建材生產(chǎn)消耗化石燃料碳排放量,cmi3表示第i類建材生產(chǎn)消耗二次能源碳排放量,cmi4表示運(yùn)輸過程碳排放量；mj表示第i類建材生產(chǎn)消耗的第j類化石燃料量,αj表示對應(yīng)化石燃料的單位碳排放當(dāng)量,nk表示消耗的第k類二次能源量,βk表示對應(yīng)二次能源的單位碳排放當(dāng)量。

建筑建設(shè)階段：

式中，cc1表示建設(shè)過程中消耗化石燃料碳排放量,cc2表示建設(shè)過程中消耗二次能源碳排放量,cc3表示建設(shè)過程中運(yùn)輸碳排放量。

建筑使用階段：

式中，cu1表示使用過程中供暖消耗化石燃料碳排放,cu2表示使用過程中空調(diào)及照明等其他設(shè)備消耗化石燃料排放,cu3表示使用過程中空調(diào)及照明等其他設(shè)備消耗二次能源碳排放量；mj1是供暖消耗化石燃料用量,mj2是空調(diào)及照明等其他設(shè)備消耗化石燃料量。

建筑拆除階段：

式中，cd1表示拆除過程中消耗化石燃料碳排放量,cd2表示拆除過程中消耗二次能源碳排放量,cd3表示拆除過程中運(yùn)輸碳排放量。

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究選取1990,1995,2000,2005,2010年為節(jié)點,主要基于文獻(xiàn)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)編制了能源和建材生產(chǎn)、運(yùn)輸、建筑建設(shè)和拆除的活動水平數(shù)據(jù),并采用中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心開發(fā)的CAS-RCEES2012數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)清單數(shù)據(jù)。能源包括了一次性能源如煤炭、油、天然氣等,也包括二次能源,如電力,汽油等。能源生命周期過程包括了中國能源系統(tǒng)的開采生產(chǎn)(加工),運(yùn)輸及使用三個階段。建材生產(chǎn)主要考慮了相關(guān)能源消耗、運(yùn)輸和及生產(chǎn)工藝排放。建材類型主要包括了鋼材、水泥、木材、磚、石子、砂子、陶瓷、玻璃及保溫材料等九類。

1.4 碳足跡核算模型參數(shù)確定

研究以北京市住宅建筑為對象,按照建筑結(jié)構(gòu)分為磚混結(jié)構(gòu),框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)3類。生命周期過程設(shè)定為建材生產(chǎn)、建筑建設(shè)運(yùn)輸、建筑使用、建筑拆除運(yùn)輸4個階段。不同結(jié)構(gòu)建筑的建材消耗見表1；其他階段能源消耗參數(shù)見表2及表3。

建材生產(chǎn)階段主要考慮不同結(jié)構(gòu)在不同年代的建材用量變化；使用階段3種結(jié)構(gòu)建筑采用相同清單,主要考慮供暖及其他用途煤炭,燃料油,天然氣和電力；建設(shè)及拆除階段主要考慮了建設(shè)及拆除用柴油機(jī)燃料油、建設(shè)工程耗電,以及建設(shè)、拆除相關(guān)的的建筑材料及廢料運(yùn)輸,其中工程耗能分為2000年之前和2000年之后兩個清單進(jìn)行考慮。運(yùn)輸過程包括鐵路、公路和水路運(yùn)輸[19],并按照我國市場運(yùn)輸量設(shè)定為鐵路70%,公路20%,水路10%。

表1 100 m2不同結(jié)構(gòu)住宅建筑建材用量清單/t

1995年數(shù)據(jù)主要來源于劉天星[14]數(shù)據(jù),2000年數(shù)據(jù)來源于游方[20],2005年數(shù)據(jù)來源于趙艷華[21],2010年數(shù)據(jù)來源于谷立靜[22];另外參考王上[23]、王宇[24]、劉曉明[25]、陰世超[26]數(shù)據(jù)對缺乏的數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)全并對個別數(shù)據(jù)進(jìn)行修正

表2 100m2不同結(jié)構(gòu)住宅建筑建設(shè)及拆除工程能耗

建設(shè)及拆除工程能耗采用單元施工量消耗的能源與100m2面積工程量乘積。相關(guān)參數(shù)參考游方[19]、王婉瑩[27]、仲平[28]、王霞[29]等人論文數(shù)據(jù)

表3 100m2住宅建筑1年的運(yùn)行能耗

供暖數(shù)據(jù)參考凌浩怒[30]、徐俊方[31]等人的數(shù)據(jù)計算得到

1.5 碳足跡結(jié)果與解釋

北京市住宅建筑100m2的生命周期碳足跡反映了3種結(jié)構(gòu)建筑的平均狀況。按照3種結(jié)構(gòu)的實際比例進(jìn)行了幾何平均處理。結(jié)果表明,北京市100m2建筑面積的碳足跡呈現(xiàn)下降趨勢(表4)。1990年,100m2建筑的生命周期碳足跡總量達(dá)到8.68 t CO2eq,到2010年下降為6.51 t CO2eq,下降了25%。從生命周期階段來看,主要碳足跡來源于使用過程,占85.1%,其次是建材生產(chǎn),占12.5%,而建設(shè)階段和拆除階段所占比例極小。進(jìn)一步從各生命周期過程碳減排的速度看,建材生產(chǎn)的減碳效果最為明顯,下降了44%,使用階段碳足跡下降了21.2%。

表4 100m2住宅建筑生命周期碳足跡

從生命周期階段看,碳足跡主要來源于建筑使用階段(表5)和建材生產(chǎn)階段(表6)。因此以下將重點分析使用階段和建材生產(chǎn)階段的主要貢獻(xiàn)因子。

表5 100m2住宅建筑1年運(yùn)行的碳足跡

使用階段歷時較長,建筑碳足跡在生命周期各階段中最高。自1990—2010年,建筑使用階段減碳量約21.2%。使用階段的碳足跡主要來自于供熱和其他用能。而從減碳的具體活動看,供暖減碳幅度約35.8%,主要是由于北京市供暖天然氣的用量比例不斷增高。而其他活動的碳足跡在1990—2005年間處于上升的趨勢,在2005年達(dá)到峰值后開始趨于降低。

表6 100m2住宅建筑建材生產(chǎn)的碳足跡

圖2 北京市不同結(jié)構(gòu)住宅建筑生命周期碳足跡變化 Fig.2 The carbon footprint of 100m2 residential buildings by structure in Beijing

建材生產(chǎn)階段碳足跡主要來自鋼材、水泥和磚的碳足跡貢獻(xiàn),占83.8%—86.2%。建材生產(chǎn)碳足跡也呈現(xiàn)逐年降低的趨勢。其中磚的碳足跡持續(xù)降低,且減碳比達(dá)到74.9%,為建材生產(chǎn)的減碳量貢獻(xiàn)最大,主要得益于2008年實心磚限制使用政策后磚混結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)量降幅巨大。水泥的減碳比達(dá)38.9%,主要是因為水泥生產(chǎn)的節(jié)能減排工作造成單位碳足跡降低。而鋼材的碳足跡則在2000年時為最低峰值,之后有所升高,2010年較1990年減碳比為24.9%。盡管單位鋼材生產(chǎn)的碳足跡在持續(xù)降低,但鋼材的用量增加,抵消了一部分減碳效果。因此,建材行業(yè)的減碳要從工業(yè)優(yōu)化和材料減量兩個方面來考慮。

從北京市各類結(jié)構(gòu)建筑的碳足跡貢獻(xiàn)來看,各類結(jié)構(gòu)建筑的碳足跡呈現(xiàn)不同變化趨勢。圖2呈現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)建筑碳足跡的分布比例變化。在1990年,磚混結(jié)構(gòu)建筑的碳足跡最高,為3.88t CO2eq之后持續(xù)下降,到2010年已經(jīng)下降到1.47 t CO2eq。而1990年碳足跡最低的剪力墻結(jié)構(gòu),1995年以后卻持續(xù)上升,到2010年成為3種類型中碳足跡最高的建筑。這種碳足跡結(jié)構(gòu)上的變化主要是由不同結(jié)構(gòu)所占的比例所影響的,尤其是建筑運(yùn)行階段的比例；磚混結(jié)構(gòu)自1990至2010年間使用面積占比由近50%降低至不到25%,而剪力墻結(jié)構(gòu)的使用面積占比在1995年僅占15%左右,至2010年占比近40%。

2 結(jié)論和討論

(1)由于能源系統(tǒng)和建材系統(tǒng)節(jié)能減排行動計劃的推進(jìn),在過去20年里能源系統(tǒng)和建材生產(chǎn)的碳足跡總體上趨于降低。一定程度上影響了建筑生命周期碳足跡的變化。因此,在生命周期評價中引入時間變量是有意義的。

(2)北京市100m2建筑的碳足跡逐年降低。3種不同結(jié)構(gòu)的建筑的碳足跡也呈現(xiàn)下降趨勢,但3種結(jié)構(gòu)之間的碳足跡相差不大,因此城市建筑結(jié)構(gòu)的調(diào)整對城市建筑碳足跡的貢獻(xiàn)有限,應(yīng)著眼于挖掘3種結(jié)構(gòu)內(nèi)部的減碳潛力。

(3)北京市住宅建筑總碳足跡主要貢獻(xiàn)來自建筑使用過程,其次為建材生產(chǎn)階段。因此,未來建筑減碳的焦點應(yīng)該關(guān)注建筑使用階段的能源效率和建材生產(chǎn)階段。

(4)政府作為社會可持續(xù)發(fā)展的推動者和主要決策者,或通過強(qiáng)制的法律手段,或通過一定的經(jīng)濟(jì)措施及激勵機(jī)制,要求生產(chǎn)者進(jìn)行清潔生產(chǎn)并引導(dǎo)消費(fèi)者改變其消費(fèi)行為,朝著可持續(xù)的目標(biāo)前進(jìn)。政府未來在制定關(guān)于建筑的節(jié)能減排政策時,應(yīng)該考慮建筑的生命周期各階段碳足跡變化的影響因素制定有效的政策,并綜合實施,實現(xiàn)政策之間的協(xié)同作用,達(dá)成建筑業(yè)的低碳目標(biāo)。

(5)對能源業(yè)和建材生產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排會間接地影響建筑業(yè)的減排效果,因此政策制定時不應(yīng)只著眼于建筑業(yè),而應(yīng)兼顧其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)。一方面,應(yīng)大力發(fā)展清潔技術(shù),提倡使用新能源、清潔能源,在保證安全舒適的情況下,利用新技術(shù)、新方法減少建筑業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的能源消耗及碳排放。另一方面,引導(dǎo)可持續(xù)的生活方式,動員所有人參與到節(jié)能減排的行動中,倡導(dǎo)適度消費(fèi)、綠色消費(fèi),從而降低整個生產(chǎn)和消費(fèi)鏈的碳足跡。

(6)本研究是對生命周期動態(tài)評價的一個簡單嘗試,但是由于建立動態(tài)數(shù)據(jù)清單庫的數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)精度不高,因此在未來如何加入時間因子建立動態(tài)模型進(jìn)行評價還需要進(jìn)一步探究。

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Life cycle carbon footprint of residential buildings in Beijing

XIAO Yaxin, YANG Jianxin*

State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research center of Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

The carbon footprint of buildings relates to the energy system and building material production system from the perspective of life cycle. With the advancement of innovations in technology and energy conservation policies, emissions related to energy production and use as well as the production of building materials have been reducing in China. Consequently, this will influence the environmental performance of buildings indirectly. In this study, the life cycle carbon footprint of residential buildings in Beijing was calculated for the past 20 years, based on life cycle inventory databases in the context of energy and building materials, to determine the change in environmental performance of residential buildings. The results show that the carbon footprint in Beijing exhibited a decreasing trend, mainly as a result of carbon reduction in the energy mix and improvements in the building material production system. The carbon footprints of different structures also exhibited decreasing trends, although they varied in numbers. Considering life cycle stages, the use phase of buildings dominated the carbon footprint profile, which is mainly attributed to energy use. Although energy saving in the use phase was strongly correlated to the reduction of the carbon footprint of buildings, it had a limit in context of both economic cost and environmental cost. The coordination of various industrial sectors, such as energy production and material production industries should be paid sufficient attention while making policies for carbon reduction. Furthermore, as shown by the results, it is necessary to integrate the time parameter in life cycle assessment more efficient sustainable environmental management. The conclusions drawn from this study will be helpful for measuring the environmental performance in the policymaking of urban planning.

residential building; life cycle assessment; carbon footprint

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA05140200)

2015-04-07;

日期:2015-12-29

10.5846/stxb201504070695

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yangjx@rcees.ac.cn

肖雅心, 楊建新.北京市住宅建筑生命周期碳足跡.生態(tài)學(xué)報,2016,36(18):5949-5955.

Xiao Y X, Yang J X.Life cycle carbon footprint of residential buildings in Beijing.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5949-5955.