綠色居住建筑全生命周期碳排放研究

郭而郛 崔雅楠 王 瀛 曹 晨（天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司，天津 300467）

綠色居住建筑全生命周期碳排放研究

郭而郛 崔雅楠 王 瀛 曹 晨（天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司，天津 300467）

建筑領(lǐng)域碳排放占全社會(huì)總能耗的1/3，這僅僅是建筑運(yùn)行使用過程，若考慮建筑全生命周期，比例將會(huì)更高。在現(xiàn)行的綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)下，綠色建筑是否比普通建筑全生命周期更低碳，目前相關(guān)研究甚少。本項(xiàng)研究基于LCA理論，在總結(jié)前人研究基礎(chǔ)上，明確綠色建筑全生命周期碳排放計(jì)算方法，并以天津生態(tài)城75棟綠色居住建筑為樣本，計(jì)算并比較了不同星級(jí)綠色居住建筑全生命周期碳排放水平。結(jié)果表明，單位建筑面積年碳排放量為43-64kgCO2/m2·a，且碳排放水平與綠色建筑星級(jí)無明顯關(guān)系。本項(xiàng)研究為建立天津地區(qū)建筑全生命周期碳排放清單數(shù)據(jù)庫(kù)和評(píng)價(jià)體系提供支撐。

綠色建筑；全生命周期碳排放；減碳策略

建筑、交通以及工業(yè)是能源消耗的三大主要領(lǐng)域，也是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要途徑。就全球范圍內(nèi)，根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署統(tǒng)計(jì)，建筑領(lǐng)域的能耗大約占到全社會(huì)總能耗的30%-40%，全球溫室氣體排放的1/3與之相關(guān)，這僅僅是建筑運(yùn)行使用過程，如果考慮建材的生產(chǎn)和運(yùn)輸，建筑施工與拆除等環(huán)節(jié)，溫室氣體排放比例將會(huì)更高。

眾所周知，綠色建筑的核心在于其全生命周期內(nèi)能最大限度的節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材），保護(hù)環(huán)境、減少污染和減少溫室氣體的直接或間接排放，我國(guó)作為能源大戶，更重視綠色建筑的發(fā)展和推廣，可是綠色建筑到底為節(jié)能減排做了多少貢獻(xiàn)，很少有量化的數(shù)據(jù)作為論證。

近些年，國(guó)內(nèi)的很多研究者均對(duì)建筑全生命周期的能源消耗、碳排放核算以及環(huán)境影響做了探索。清華大學(xué)彭渤[1]通過文獻(xiàn)調(diào)研、案例計(jì)算和分析，分析了建筑全生命周期過程中建筑建材含能和碳排放影響因素，住宅建筑和公共建筑碳排放的差異以及綠色建筑不同星級(jí)意見的差異，但是由于其計(jì)算案例中綠色建筑的案列僅包含1個(gè)三星級(jí)綠色住宅和4個(gè)一星級(jí)綠色住宅，案列太少，說服力較弱。

本項(xiàng)研究通過查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)并確定建筑全生命周期碳排放計(jì)算模型和方法，選取中新天津生態(tài)城已獲綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)的項(xiàng)目，采用建筑全生命周期評(píng)價(jià)（LCA)的方法，通過計(jì)算其建筑全生命周期二氧化碳排放，分析比較綠色建筑不同星級(jí)的碳排放關(guān)系，研究減碳措施。

1 綠色建筑全生命周期碳排放計(jì)算方法

建筑在其生命周期內(nèi)直接或間接產(chǎn)生CO2排放，從建材的生產(chǎn)與運(yùn)輸，建筑的施工與建造，到建筑的運(yùn)行使用，以及更新拆除，都會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)和能源消耗，造成CO2排放。建筑全生命周期碳排放計(jì)算公式如下：

其中Pm、Pt、Pc、Po、Pw、Pd分別為建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、建筑建造施工、建筑運(yùn)行、建筑維護(hù)及建筑拆除過程中的CO2排放量。

選取單位建筑面積年CO2排放量c作為建筑CO2排放量評(píng)價(jià)指標(biāo)，單位為kgCO2/(m2·y)，該指標(biāo)按照下式計(jì)算：

其中S為建筑面積，Y為建筑使用年限，本文涉及的計(jì)算案例設(shè)計(jì)使用年限均為50年。

1.1 建材生產(chǎn)階段碳排放計(jì)算

建材生產(chǎn)階段的二氧化碳排放是指建材開采、生產(chǎn)導(dǎo)致的碳排放。此階段的二氧化碳排放主要包含兩部分：一是生產(chǎn)每單位建材產(chǎn)品所需要消耗的能源產(chǎn)生的碳排放，包括直接排放和間接排放，其中直接排放包括消耗煤、天然氣產(chǎn)生的碳排放，間接排放包括耗電、耗蒸汽而產(chǎn)生的碳排放；二是生產(chǎn)單位建材產(chǎn)品所需要消耗的原材料的碳排放。

通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外關(guān)于建材生產(chǎn)階段二氧化碳排放的相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)出常用的幾種計(jì)算方法，匯總于表1。本研究課題采用表1中方法3計(jì)算建材生產(chǎn)階段碳排放。其中主要金屬材料回收系數(shù)見表2。主要建材碳排放系數(shù)見表3。

表1 建材生產(chǎn)階段碳排放計(jì)算公式匯總

表2 金屬材料可回收利用率[7][8]

表3 建材碳排放系數(shù)

1.2 建材運(yùn)輸階段的碳排放計(jì)算

建材運(yùn)輸階段的二氧化碳排放計(jì)算模型相對(duì)統(tǒng)一，其計(jì)算公式為：

其中，Di：為從供應(yīng)商運(yùn)輸至建筑工地的平均距離；（km）

ti：為不同運(yùn)輸方式的碳排放因子；（kgCO2/104t·km）

mi：為運(yùn)載建材的質(zhì)量。

建材用量按照實(shí)際項(xiàng)目使用情況確定；運(yùn)輸距離的確定有兩種方法：一種是地區(qū)統(tǒng)計(jì)平均值，如臺(tái)灣成功大學(xué)對(duì)臺(tái)灣的建材運(yùn)輸距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，得到了臺(tái)灣地區(qū)各種建材的平均運(yùn)輸距離[9]；另一種辦法即是實(shí)際追溯。本文的研究按照實(shí)際項(xiàng)目具體追溯來確認(rèn)。

本研究假定運(yùn)輸均為公路運(yùn)輸，消耗能源為柴油，根據(jù)《中國(guó)交通年鑒2008》中公路運(yùn)輸?shù)钠骄芎膹?qiáng)度，以及我國(guó)《綜合能耗計(jì)算通則》給出的各種能源的平均低位發(fā)熱量和《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》（試行）中給出的單位熱值含碳量和氧化率，計(jì)算出柴油貨車的碳排放因子為1670.24kg/104t·km（柴油密度：0.83kg/L、氧化率：0.98、低位發(fā)熱量：42652kJ/kg、單位熱值含碳量：20.2tC/TJ）。此外，在使用貨車運(yùn)輸時(shí)，一般從施工工地返回的車輛都是空荷，而載貨時(shí)的油耗平均要比空載時(shí)增加50%，環(huán)境負(fù)荷是滿載時(shí)的0.67倍[10]，因此，取貨車返回空車修正系數(shù)為1.67。

1.3 建造施工階段的碳排放計(jì)算

建造施工階段是指建材運(yùn)輸?shù)浇ㄖ┕?chǎng)地后建筑營(yíng)造的過程，該過程中涉及到的二氧化碳排放主要包括機(jī)械設(shè)備用電、耗油等。建造施工階段的碳排放計(jì)算主要有三種計(jì)算方法，主要根據(jù)施工工藝法、施工機(jī)械法和經(jīng)驗(yàn)公式法，見表4。

表4 建造施工階段碳排放計(jì)算方法

鑒于施工建造階段碳排放占建筑全生命周期碳排放比例較小，且施工工藝法和施工機(jī)械法相關(guān)數(shù)據(jù)不易獲得，本研究課題采用臺(tái)灣學(xué)者張又升的經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算建筑施工階段的二氧化碳排放量。

1.4 運(yùn)行階段的碳排放計(jì)算

建筑運(yùn)行階段的二氧化碳排放是整個(gè)建筑全生命周期碳排放的主要階段。建筑運(yùn)行階段的二氧化碳排放量計(jì)算公式為：

其中，qi：建筑物第i種能源的年耗量；

ei：第i種能源的碳排放因子；

y：建筑物的使用年限。

目前運(yùn)行階段能耗的統(tǒng)計(jì)主要有兩種方法，一是對(duì)實(shí)際能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；二是能耗模擬。由于計(jì)算案例實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)較少，本研究課題采用eQUEST能耗模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑運(yùn)行階段的碳排放計(jì)算。能源的碳排放因子見表5。

表5 運(yùn)行階段能源碳排放因子

1.5 建筑維護(hù)階段的碳排放計(jì)算

建筑經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用過程后，有些建材或者某些部位會(huì)變舊、老化，因此需要維護(hù)更新。對(duì)于空調(diào)采暖設(shè)備、家用電器、太陽(yáng)能熱水設(shè)備等機(jī)電設(shè)備以及涉及到的管線，在建筑全生命周期碳排放方面，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)此部分的研究很少，首要原因是這部分涉及到的原材料眾多復(fù)雜，施工工藝較多且難以統(tǒng)計(jì)，另外，國(guó)內(nèi)天津大學(xué)的董雷、浙江大學(xué)的燕艷對(duì)這部分進(jìn)行過研究，根據(jù)其計(jì)算結(jié)果來看，在整個(gè)建筑全生命周期中占的比例很小。因此，本研究課題在建材碳排放計(jì)算式不予考慮這部分，同樣在建筑維護(hù)階段也不予考慮，僅考慮由于外窗的維護(hù)更新產(chǎn)生的二氧化碳排放量。建筑維護(hù)階段碳排放計(jì)算公式為：

其中，Pi：為需要更新維護(hù)的建材碳排放量；

Ki：為維護(hù)系數(shù)；

yb：為建筑的使用壽命；

yc：為需維護(hù)更新的建材使用壽命。

1.6 拆除處置階段的碳排放計(jì)算

臺(tái)灣學(xué)者張又升[9]對(duì)建筑拆除處置階段的能耗進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)與研究，得到了建筑拆除處置過程二氧化碳排放與建筑層數(shù)的擬合關(guān)系，其計(jì)算公式為：

其中X為建筑物地上建筑層數(shù)。

2 綠色居住建筑全生命周期碳排放

按照上述計(jì)算方法，本文選取天津生態(tài)城已竣工住宅項(xiàng)目作為案例，共計(jì)算了8個(gè)項(xiàng)目75棟樓的全生命周期碳排放量，項(xiàng)目基本信息見表6。單位建筑面積年碳排放量分布（圖1）在43~64kgCO2/m2·a，其中占比最大的兩個(gè)階段為建筑運(yùn)行階段碳排放及建材生產(chǎn)階段碳排放，平均分別占全生命周期碳排放的80%及16% （圖2）。

表6 案例基本信息

圖1 單位建筑年碳排放量分布

圖2 各階段碳排放比例

圖3 各類型建材碳排放比例

2.1 建材生產(chǎn)階段各建材類型碳排放比例

由于不同項(xiàng)目建材用類及用量的差異，使得建材部分單位平米碳排放不盡相同，浮動(dòng)區(qū)間在275-525kg/m2,且主要變動(dòng)區(qū)間在400-500kg/m2。建材部分碳排放的平均組成比例情況如圖3所示。各個(gè)案例結(jié)構(gòu)類型均為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，因此建材碳排放方面，混凝土所占比例最大，達(dá)到了54%，其次是鋼筋，占26%，二者之和達(dá)到了80%，其余建材共占20%。

2.2 建筑層高對(duì)建筑全生命周期碳排放的影響

根據(jù)建筑層數(shù)的不同將住宅建筑分為四個(gè)類型：低層（1-3層），多層（4-6層），中高層（7-9層）和高層（10層以上）。不同層數(shù)的住宅建筑案例的建材碳排放分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4所示。從圖中可以看出，不同建筑層數(shù)對(duì)建材碳排放的影響并不明顯。

圖4 不同層數(shù)住宅建筑案例建材碳排放分布

圖5 建筑星級(jí)與建材生產(chǎn)碳排放關(guān)系

2.3 建筑星級(jí)與建筑全生命周期碳排放的關(guān)系

根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2006），綠色建筑劃分為一星級(jí)、二星級(jí)、三星級(jí)。統(tǒng)計(jì)案例中，二星級(jí)住宅50個(gè)，三星級(jí)住宅25個(gè)。各案例單位建筑面積建材碳排放、單位建筑面積年二氧化碳排放分別如圖5及圖6所示。從計(jì)算結(jié)果可知，建材生產(chǎn)階段的碳排放量、建筑全生命周期單位建筑面積年二氧化碳排放量和建筑星級(jí)均沒有明顯的關(guān)系。對(duì)于建材碳排放，二星級(jí)均值為423.38kgCO2/m2，三星級(jí)均值為435.43 kgCO2/m2；對(duì)于整個(gè)全生命周期，二星級(jí)和三星級(jí)的單位建筑面積年二氧化碳排放量均值分別為52.19 kgCO2/（m2·a）和55.13kgCO2/（m2·a），差別不顯著。

3 綠色建筑全生命周期減碳策略

從綠色居住建筑全生命周期碳排放計(jì)算結(jié)果可以看出，綠色建筑星級(jí)與碳排放之間無明顯關(guān)系，這是由于2006年版本的綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)未提出對(duì)建筑碳排放的要求。標(biāo)準(zhǔn)更新后，2015年執(zhí)行的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2014）中創(chuàng)新項(xiàng)已明確提出“進(jìn)行建筑碳排放計(jì)算分析，采取措施降低單位建筑面積碳排放強(qiáng)度”，但由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足，尚未提出類似于BREEM或CASBE評(píng)價(jià)體系中碳排放分級(jí)給分的標(biāo)準(zhǔn)。

由于建筑運(yùn)行階段及建材生產(chǎn)階段碳排放比例較大，愈實(shí)現(xiàn)綠色建筑節(jié)能減排、環(huán)境友好的初衷，應(yīng)從建筑運(yùn)行階段及建材生產(chǎn)階段分別進(jìn)行總量控制。

在設(shè)計(jì)階段提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，采用高效供冷供熱設(shè)備，設(shè)計(jì)合理的建筑能源管理系統(tǒng)，在最大限度的降低建筑能源需求的基礎(chǔ)上，輔以可再生能源利用技術(shù)，可有效降低綠色建筑運(yùn)行階段能耗。除此之外，市場(chǎng)手段是推動(dòng)綠色建筑發(fā)展、提高公民節(jié)能環(huán)保意識(shí)最有力的抓手。應(yīng)將民用建筑參與碳排放權(quán)交易市場(chǎng)，但由于民用建筑尤其是居住建筑存在交易主體混亂的問題，想要在全國(guó)實(shí)行民用建筑碳排放交易還存在很多的困難。可考慮在國(guó)家自愿減排項(xiàng)目先行先試，但目前自愿減排項(xiàng)目與民用建筑相關(guān)的方法學(xué)均直接從CDM方法學(xué)翻譯而來，由于這些方法學(xué)均由國(guó)外開發(fā)，對(duì)我國(guó)建筑領(lǐng)域CCER項(xiàng)目適用性差、開發(fā)CCER成本較高，幾乎不具有可操作性。因此，現(xiàn)階段應(yīng)開發(fā)符合中國(guó)國(guó)情的、統(tǒng)一的建筑領(lǐng)域碳排放計(jì)算方法學(xué)，放寬政策，促進(jìn)建筑節(jié)能減排市場(chǎng)化發(fā)展。

為了降低建材生產(chǎn)階段碳排放，設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)合理輕量化，從而降低建材的用量，同時(shí)就地取材，降低建材運(yùn)輸階段的能源消耗，最重要的是應(yīng)采用環(huán)境負(fù)荷影響較低的綠色建材。目前國(guó)家正在推進(jìn)III型環(huán)境聲明（EPD）及產(chǎn)品碳足跡認(rèn)證，但由于全生命周期碳排放尚未引起設(shè)計(jì)師或開發(fā)商的關(guān)注，因此發(fā)展進(jìn)程緩慢。

4 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)研究基于LCA理論，在總結(jié)前人研究基礎(chǔ)上，明確綠色建筑全生命周期碳排放計(jì)算方法，并以天津生態(tài)城75棟綠色居住建筑為樣本，計(jì)算并比較了不同星級(jí)綠色居住建筑全生命周期碳排放水平。結(jié)果表明，單位建筑面積年碳排放量為43~64kgCO2/m2·a，且碳排放水平與建筑層高及綠色建筑星級(jí)無明顯關(guān)系。本項(xiàng)研究為天津生態(tài)城建立綠色建筑全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)提供支撐，為進(jìn)一步提出綠色建筑全生命周期碳排放定量化指標(biāo)奠定基礎(chǔ)。市場(chǎng)手段是推動(dòng)綠色建筑發(fā)展、提高公民節(jié)能環(huán)保意識(shí)最有力的抓手。積極推動(dòng)民用建筑碳排放權(quán)交易將有利于綠色建筑的發(fā)展，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或方法學(xué)尚需進(jìn)一步完善。

[1]彭渤. 綠色建筑全生命周期能耗及二氧化碳排放案例研究[D]. 北京，清華大學(xué)，2012.

[2]燕艷. 浙江省建筑全生命周期能耗和CO2排放評(píng)價(jià)研究[D].浙江大學(xué),2011.

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[5]董蕾. 集成建筑生命周期能耗及CO2排放研究[D].天津大學(xué),2012.

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[12]李翔.城市住宅建筑能耗的評(píng)價(jià)方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

Study on life-cycle carbon emissions of green residential buildings

Carbon emissions in the construction field accounts for the social energy consumption of the whole society 1/3,that only involves the use of building operation. If considering the full life cycle, the proportion will be higher. Under the current green building evaluation criteria, whether the carbon emission in green building is lower than it in ordinary building, the current research is very little. Based on the LCA theory, on the basis of previous studies, this research proposed a clear green building full life cycle carbon emissions calculation method. While, the study takes the Tianjin eco-city 75 green residential buildings as the sample,comparing the different star green building life cycle carbon emissions. The results show that the carbon emissions per unit of building area is 43~64kgCO2/m2·a, which has no obvious relationship with the green building star. The study is to provide support for the establishment of the full life cycle carbon emissions inventory database and the evaluation system in Tianjin area.

Green building ; Life-cycle carbon emissions ; Carbon reduction strategy

中新天津生態(tài)城中新科技合作計(jì)劃課題：綠色建筑指標(biāo)庫(kù)及適宜技術(shù)研究

]TK01+l;TU24l

B

1003-8965(2017)05-0009-04