建筑全生命周期碳排放量計算模型

沈丹丹

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署計算，建筑行業(yè)消耗了全球30%～40%的能源，并排放了幾乎占全球30%的溫室氣體，如果不提高建筑能效，降低建筑用能和碳排放，到2050年建筑行業(yè)溫室氣體排放將占總排放量的50%以上。

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷深入和人民生活水平的日益提高，建筑能耗不斷攀升。提升建筑能效，降低建筑能耗，發(fā)展清潔能源、可再生能源在建筑中的應用技術(shù)是未來建筑領域低碳減排的必要途徑，也將是我國實現(xiàn)低碳減排目標的重要手段[1]。中國已明確力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。

基于此，本文以《建筑碳排放計算標準》[1]為依據(jù)，采用全生命周期的方法建立碳排放計算模型，分析各階段的建筑碳排放量，為優(yōu)化設計方案、建造方案和運行方案提供指導。

1 計算方法

建立碳排放計算模型，根據(jù)建筑物不同階段的碳排放因子，計算建材生產(chǎn)及運輸、建造及拆除、運行階段產(chǎn)生的溫室氣體排放的總和。

1.1 建材生產(chǎn)階段碳排放

建筑材料生產(chǎn)階段的碳排放主要是指主體結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)和填充體使用的材料、構(gòu)件、部品、設備的獲取、生產(chǎn)過程中由于消耗能源而產(chǎn)生的碳排放[2]。

建材生產(chǎn)階段碳排放計算如式（1）所示。

式中：Csc——建材生產(chǎn)階段碳排放，以CO2計，kg；

Mi——第i種主要建材的消耗量，t；

Fi——第i種主要建材的碳排放因子，以CO2計，如表1所示。

表1 建筑材料碳排放因子

1.2 建材運輸階段碳排放

建材運輸階段的碳排放是指建材從生產(chǎn)地到施工現(xiàn)場的運輸過程的直接碳排放和運輸過程所耗能源的生產(chǎn)過程的碳排放。建材運輸階段碳排放計算如式（2）所示。

表2 碳排放因子

1.3 建造階段碳排放

建造階段的碳排放應包括完成各分部分項工程施工產(chǎn)生的碳排放和各項措施項目實施過程中產(chǎn)生的碳排放。建造階段碳排放計算如式（3）所示。

式中：Cjz——建造階段碳排放，以CO2計，kg；

Qfx,i——施工分部分項工程中第i個項目的工程量；

1.4 運行階段碳排放

運行維護階段主要包括建筑使用和建筑維護，建筑使用階段的碳排放包括暖通空調(diào)、生活熱水、照明及電梯、可再生能源系統(tǒng)在運行期間的碳排放量。建筑維護階段的碳排放量主要是指對建筑物修繕等基本維護工作而產(chǎn)生的碳排放量。運行階段碳排放計算如式（4）所示。

1.5 拆除階段碳排放

拆除階段的碳排放主要包括建筑物拆除時人工拆除和使用小型機具機械拆除使用的機械設備消耗的各種能源動力產(chǎn)生的碳排放，以及廢棄物在處理過程中由于運輸所產(chǎn)生的碳排放。其中運輸所產(chǎn)生的碳排放計算方法與建材運輸階段碳排放計算方法一致，拆除階段碳排放計算方法如式（5）所示。

式中：Ccc——拆除階段碳排放，以CO2計，kg。

1.6 回收階段碳排放

在整個建筑中，會使用鋼筋、電纜、木材、幕墻龍骨、石膏板、玻璃等可循環(huán)材料。雖然這些材料在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了碳排放，但在回收進行循環(huán)再利用后，這部分碳排放又進入了新的建筑生命周期中，沒有對環(huán)境造成實質(zhì)影響，應予以核減，回收階段碳排放計算方法如式（6）所示。

式中：Chs——回收階段碳排放，以CO2計，kg；

ηhs,i——材料的回收比例。

1.7 建筑全生命周期碳排放

建筑全生命周期碳排放量計算如式（7）所示。式中：Clc——建筑全生命周期碳排放，以CO2計，kg。

2 案例研究

2.1 案例概況

本項目地處上海，為大型公共建筑，建筑面積為244 630.21 m2，地下2層、地上10層，包括辦公、商業(yè)、酒店等多種業(yè)態(tài)。

建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)采用冷水機組加鍋爐的常規(guī)冷熱源系統(tǒng)，其中制冷冷源為6臺離心式冷水機組，制熱熱源為7臺天然氣鍋爐。

2.2 建材生產(chǎn)階段碳排放

在建材生產(chǎn)階段，根據(jù)工程預算清單或者建材的采購合同核算建材的碳排放量，本項目建材生產(chǎn)階段碳排放量計算見表3。

表3 建材生產(chǎn)階段碳排放量計算

各種建材的碳排放量如圖1所示。從圖中可以看出，建筑建材生產(chǎn)階段主要的碳排放量來自于混凝土和鋼材，其次是玻璃，占比分別為32.84%、50.03%和13.48%。主要是因為本項目采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，圍護結(jié)構(gòu)采用的是玻璃幕墻體系，混凝土、鋼材和玻璃的用量大，且這3種建材的碳排放因子也較高，導致碳排放量大。但是鋼材和玻璃等屬于可再循環(huán)材料，在項目回收階段可以循環(huán)再利用，回收階段的碳排放核減后，這2種材料的碳排放量占比并不高。根據(jù)上述分析，要降低建材生產(chǎn)階段的碳排放量可以通過選擇可再循環(huán)材料，碳排放因子小的材料以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計和建造過程管理降低材料的用量來實現(xiàn)。

圖1 生產(chǎn)階段各種建材的碳排放量及占比

2.3 建材運輸階段碳排放

經(jīng)過施工現(xiàn)場的調(diào)查，項目建材運輸采用的交通工具見表4。使用的燃料為柴油，每種建材的運輸碳排放量具體見表5。

表4 交通工具的特性參數(shù)

表5 建材運輸階段的碳排放量

各種建材運輸階段的碳排放量如圖2所示。從圖中可以看出，本項目建筑建材運輸階段碳排放量最高的為砌塊，其次為鋼材，占比分別為39.24%和26.04%。

圖2 運輸階段各種建材的碳排放量及占比

雖然在建材生產(chǎn)階段混凝土的碳排放量比較高，但是因為本項目混凝土的運輸距離短且混凝土攪拌車的載重大，使得整個運輸階段混凝土的碳排放量占比有所降低，為21.02%。而砌塊本身用量大，運輸距離較遠，且采用普通貨車運輸載重也較小，所需運輸?shù)能嚧屋^多，導致砌塊的運輸碳排放量最高。由此可見，建材量和運輸距離是決定運輸階段碳排放量的重要因素，項目實際采購材料時應盡可能地選擇離項目地點距離近的材料廠家來降低建材運輸過程中的碳排放量。

2.4 建造階段碳排放

本項目在建造階段，制訂合理建造能耗指標，統(tǒng)計建造過程的水耗、電耗和油耗，計算的建造階段碳排放量見表6。

表6 建造階段碳排放

2.5 運行階段碳排放

運行階段是建筑全生命周期中持續(xù)時間最久的一個階段，其碳排放比例相對其他階段來說也較大。在建筑沒有運行電耗、水耗、氣耗數(shù)據(jù)時，可以通過能耗模擬的方式預估建筑運行階段的全年電耗和氣耗，用水量計算預估建筑運行階段的全年水耗。如果已經(jīng)運行可以通過建筑分項計量的水耗、電耗和氣耗數(shù)據(jù)計算運行階段的碳排放量。

本項目通過能耗模擬和用水量計算的方式獲得運行階段的全年電耗、氣耗和水耗數(shù)據(jù)。能耗模擬采用e-QUEST軟件對建筑進行全年8 760 h的能耗模擬，計算出的供暖、供冷、風機、水泵、照明和插座的全年能耗見表7。

表7 建筑全年分項能耗

建筑室內(nèi)外全年用水總量計算結(jié)果見表8。

表8 室內(nèi)外年用水量計算

根據(jù)上述電耗、氣耗和水耗的計算結(jié)果，建筑全生命周期50 a運行階段的碳排放量見表9。

表9 運行階段碳排放量

2.6 拆除階段碳排放

拆除清理階段的碳排放主要包括建筑物拆除解體消耗能源所產(chǎn)生的碳排放、廢棄物在處理過程中由于運輸所產(chǎn)生的碳排放。根據(jù)國內(nèi)研究結(jié)論[8-12]，拆除階段碳排放約占新建階段的9%，計算拆除階段碳排放見表10。

表10 建筑新建碳排放

2.7 回收階段碳排放

當建筑拆除后，廢棄的建筑材料，如鋼材、木材、鋁材、玻璃，甚至保溫材料都可以回收再利用，本項目主要的可再回收建材有鋼材、玻璃、鋁合金型材、石膏制品和木材，計算回收階段核減的碳排放量見表11。

2.8 建筑全生命周期碳排放

根據(jù)上述各階段碳排放計算，建筑全生命周期碳排放計算結(jié)果見表12，各階段碳排放量分布如圖3所示。

從圖3中可以看出，建筑全生命周期總碳排放量為655 233.90 t，其中運行階段的碳排放量為499 311.30 t，占全生命周期碳排放的76.2%。

圖3 建筑全生命周期各階段碳排放量分布示意

項目運行階段的碳排放量主要集中于照明插座、供暖空調(diào)、設備用能以及水耗，因此從建筑全生命周期節(jié)能減排來說，降低運行期間的碳排放效果最為顯著，可以重點考慮采用高效燈具、高性能供暖空調(diào)設備、智能化控制、完善運行管理等方式減少建筑運行所需要的能源消耗，降低碳排放量。

其次為建材生產(chǎn)階段的碳排放量，占建筑全生命周期碳排放量的28.35%。

建材生產(chǎn)階段的碳排放主要集中于建筑主體結(jié)構(gòu)的材料碳排放量，可以考慮選擇可再循環(huán)和碳排放因子小的建材，同時，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，完善建造過程管理，減少建筑材料的使用和浪費，降低建材生產(chǎn)階段的碳排放量。

3 結(jié)語

本文通過建立建筑全生命周期碳排放量計算模型，研究建材生產(chǎn)、建材運輸、建造、運行、拆除和回收不同階段的碳排放量，并以上海某公共建筑為例進行了全生命周期的建筑碳排放量計算。

計算結(jié)果表明，該建筑全生命周期單位面積碳排放量指標為2.72 t/m2。對比建筑全生命周期各階段的碳排放量可以發(fā)現(xiàn)，運行期間建筑的碳排放量占比最高，為76.2%，其次為建材生產(chǎn)階段。因此，降低建筑全生命周期碳排放量最有效的方式是控制運行階段的碳排放，通過采用高效燈具、高性能供暖空調(diào)設備、智能化控制、完善運行管理等方式減少建筑運行所需要的能源消耗，降低碳排放量。合理選擇建材種類，選擇可再循環(huán)和碳排放因子小的建材，同時，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計、完善建造過程管理，減少建筑材料的使用和浪費。

該模型的建立，為建筑全生命周期碳排放計算提供依據(jù)，為優(yōu)化設計方案、建造方案和運行方案提供指導。