基于生命周期理論的建筑碳足跡分析

徐西蒙

(云南省生態環境科學研究院, 云南 昆明 650034)

0 引言

“碳足跡”的概念最早來源于“生態足跡”[1]分析，是指運用生命周期評價[2-3](Life cycle assessment, LCA)的方法，定量化計算產品全生命周期過程中相關的溫室氣體排放量。碳足跡分析作為LCA方法的重要應用之一，已逐漸成為世界范圍內評估產品碳排放的主導方法。生命周期評價(LCA)已經在工業產品的決策中應用了超過40年，隨著可持續性建筑的發展，LCA也已成為評價建筑環境影響的重要客觀方法[4]。基于LCA方法的建筑碳足跡分析，實際就是計算建筑從建材生產、建造、使用維護及廢棄過程產生的全部碳排放量，因此針對LCA適用的方法和標準也同樣適用于建筑碳足跡分析。

經過多年的發展，LCA方法論已經逐步實現了國際標準化。自1997年起，國際標準組織相繼推出了《ISO14040環境管理-全生命周期評價-原則與框架》《ISO14041環境管理-全生命周期評價-目標與范圍的確定，清單分析》《ISO14042環境管理-全生命周期評價-全生命周期影響評價》等文件。我國參照國際標準，也相繼頒布了《GB/T 24040-1999環境管理生命周期評價原則與框架》《GB/T 24041-2000環境管理生命周期評價目標與范圍的確定和清單分析原則》《GB/T 24042-2002環境管理生命周期評價生命周期影響評價》和《GB/T 24043-2002環境管理生命周期評價生命周期解釋》[5]。2014年，首部采用中、英雙語編制的中國工程建設協會標準《CECS 374:2014建筑碳排放計量標準》[6](以下簡稱《標準》)由中國計劃出版社出版。《標準》結合了相關的國際標準和經驗，采用建筑全生命周期碳足跡追蹤的方法學，提出了建筑碳排放數據采集、核算、發布的標準化計量方法，規范了建筑的全生命周期各階段(材料生產、施工建造、運行維護、拆解直至回收)由于能源、資源和材料使用所產生的二氧化碳排放量的核算方法，同時對核算過程涉及的活動水平數據及碳排放因子的來源渠道做出了相應規定。

本文以位于昆明市的典型綜合建筑—世博生態城低碳中心大樓為研究目標，基于生命周期理論，對其碳足跡進行分析計算，以期為云南省典型建筑的低碳化設計、改造以及溫室氣體排放核算提供參考。

1 研究對象概況

世博生態城低碳中心位于昆明市市區，是集文體設施及辦公為一體的全鋼框架型綜合建筑。總占地30956.7m2，總建筑面積143924m2，地上86329m2，地下57595m2。容積率2.99，建筑密度25.7%，綠地率40.2%。由A、B兩棟高層辦公建筑和C棟綜合性多層建筑組成，其中A棟22層，B棟17層，C棟5層。世博生態城低碳中心項目由A、B兩棟高層辦公建筑和C棟綜合性多層建筑組成。本文納入碳足跡計算范圍為低碳中心A、B、C三棟建筑。

2 研究方法

本文將根據《CECS 374：2014建筑碳排放計量標準》的要求，以世博生態城低碳中心相關支持文件和數據為依據，對其進行碳足跡核算分析。

2.1 計算流程

根據《CECS 374：2014建筑碳排放計量標準》要求，建筑碳排放計量將按下列步驟進行：

(1)界定建筑物的核算范圍和區域；

(2)界定建筑碳排放單元過程；

(3)采集碳排放單元過程的活動水平數據；

(4)采集碳排放單元過程的相關碳排放因子；

(5)按照《標準》規定的方法核算建筑碳排放量。

2.2 核算范圍及核算單元

研究目標全生命周期內的排放單元包括：

(1)材料生產階段：建筑主體結構材料構件的使用；建筑圍護結構材料、構件、部件的使用；建筑填充體材料、構件、部品、設備的使用。

(2)施工建造階段：建筑材料、構件、部品、設備的運輸；施工機具的運行；施工現場辦公。

(3)運行維護階段：建筑設備系統的運行；建筑材料、構件、部件、部品、設備的維護與更替；更替的建筑材料、構件、部品、設備的運輸。

(4)拆解階段：拆解機具的運行；廢棄物的運輸。

2.3 核算準則

此次核算除《CECS 374：2014建筑碳排放計量標準》以外，還參考了《GB/T50378-2014綠色建筑評價標準》以及《IPCC 國家溫室氣體清單指南》，并以世博生態城低碳中心建設方提供的支持文件和數據為依據。

3 結果與分析

3.1 各單元過程數據統計

3.1.1 材料生產階段主要排放源數據

建筑材料、構件、部品、設備從原料開采、加工制造，直至最終形成成品，各個環節都會消耗能源，因此可認為每一個建材、構件、部品、設備都是碳排放固化的產物，都有其固化的碳排放量。

(1)建筑主體結構材料構件

主體結構材料和構件類別主要包括梁、板、柱、承重墻體等支撐建筑整體框架的部位。根據建筑材料清單，主體結構所用材料主要為混凝土和鋼筋，具體使用量如表1所示。

目前我國尚未建立起能夠滿足建筑全生命周期的碳排放因子數據庫，為了滿足碳排放量計算的實際需要，本文通過查閱相關參考文獻和第三方機構數據庫，獲得相關建材主體結構材料、構件的碳排放因子，如表2所示。

表1 建材主體結構材料、構件的活動水平數據匯總表

表2 建材主體結構材料、構件的碳排放因子匯總表[7-9]

(2)建筑圍護結構材料、構件、部件

建筑圍護結構材料和構件類別主要包括屋面、墻體、門窗、地面等部位。根據建筑材料清單，圍護結構所用材料包括砂、碎石、水泥、水泥砂漿等，具體使用量如表3所示。

相關建材圍護結構材料、構件的碳排放因子同樣通過查閱相關參考文獻和第三方機構數據庫獲得，見表4。

(3) 建筑填充體材料、構件、部品、設備

建筑填充體材料、構件、部品、設備類別主要包括建筑內裝飾、廚衛設備、電氣設備、通風空調設備、電梯、管線等部分。根據建筑材料清單，具體類別及使用量如表5所示。

相關建材填充體材料、構件的碳排放因子同樣通過查閱相關參考文獻和第三方機構數據庫獲得，見表6所示。

表3 建材圍護結構材料、構件的活動水平數據匯總表

表4 建材圍護結構材料、構件的碳排放因子匯總表[7,9～10]

3.1.2 施工建造階段主要排放源數據

(1)建筑材料、構件、部品、設備的運輸

基于對同類型建筑相關部分產生的排放調研結果，建筑材料、構件、部品、設備的運輸排放占總排放的比例<1%，對總排放量影響較小，故本文忽略不計。

(2)施工機具運行

施工機具運行的活動水平數據見表7。

表5 建材填充體材料、構件的活動水平數據

表6 建材填充體材料、構件的碳排放因子[7,10]

表7 施工機具運行的活動水平數據匯總表

《建筑碳排放計量標準》中給出了部分能源的碳排放因子以及常用能源的熱值，本文中的能源碳排放因子全部來源于《建筑碳排放計量標準》，云南省級電網平均二氧化碳排放因子取0.0921kg CO2/kWh。由于《建筑碳排放計量標準》沒有給出水資源的碳排放因子，為了滿足碳排放量計算的實際需要，本文通過查閱相關參考文獻獲得水資源的碳排放因子。各類能源和資源的碳排放因子見表8和表9。

表8 常用能源的熱值[6]

表9 常用能源和水的碳排放因子[11]

(3)施工現場辦公

施工現場辦公耗電的活動水平數據見表10。

表10 施工現場辦公耗電的活動水平數據匯總表

電力碳排放因子見表9。

3.1.3 運行維護階段主要排放源數據

根據丁洪濤等[12]的研究，低碳中心項目的運行能耗可根據不含供暖的公共建筑的單位面積能耗計算，如式(1)所示。其中單位面積能耗取值116.07kwh/m2.a，建筑的設計年限是50年，建筑面積為143924m2。

(1)

式中：n—建筑設計使用年限(年)；Ej—單位建筑面積能耗(kwh/m2.a)；Fj—j種能源的碳排放因子，針對低碳中心項目主要為電力能源(kg CO2/kwh)；S—建筑面積(m2)。

3.1.4 拆解階段主要排放源數據

由于建筑廢棄物的回收利用在建筑材料的開采和生產階段已經被納入計算，為避免重復核算，該階段不對其進行考慮。該階段只對建筑拆除機械耗能和運輸建筑廢棄物運輸機械耗能產生的碳足跡進行計算，如式(2)所示。其中，建筑拆除機械耗能碳足跡按照施工階段施工機械產生的碳足跡的8.95%計算，建筑廢棄物的運輸質量按照建材總質量的80%計算，運輸距離選擇30 km，柴油消耗量根據《中國交通年鑒》中的公路運輸柴油火車單位能耗量取值(5.28*10-2kg/t.km)結合運輸距離進行計算，柴油排放因子為3160 tCO2/t。

E4=∑jQj×Fj+∑d,jmd×L×Ejk×Fj

(2)

式中：Qj—j種能源消耗量(t)； Fj—j種能源排放因子(tCO2/t)；md—廢棄物質量(t)；L—運輸距離(km)；Ejk—j種能源消耗量(t)。

由于各類建筑材料的計量單位不統一，為方便計算，通過查閱相關資料[13]，對主要建筑材料的體積重量轉化系數進行了統計，如表11所示。

表11 常用建筑材料體積重量表

將表1、表3、表5中的活動水平數據結合表11進行轉換后，計算可得項目所用建筑材料總重量約為491446.89t。

3.2 各階段碳排放量

每個建筑生命周期階段的碳排放量為該階段的活動水平數據與碳排放因子的乘積。

3.2.1 材料生產階段碳排放量

材料生產階段建筑碳排放量按下式進行計算：

(3)

式中：E1—材料生產階段建筑碳排放量(t CO2)；ADZT—主體結構材料用量(t)；EFZT—主體結構材料碳排放因子(tCO2/t)；ADWH—圍護結構材料用量(t)；EFWH—圍護結構材料碳排放因子(tCO2/t)；ADTC—填充體材料用量(t)；EFTC—填充體材料碳排放因子(tCO2/t)；i—材料種類。

(1)建筑主體結構材料構件的碳足跡

表12 建材主體結構材料、構件對應的碳排放量

(2)建筑圍護結構材料、構件、部件的碳足跡

表13 建材圍護結構材料、構件對應的碳排放量

(3)建筑填充體材料、構件、部品、設備的碳足跡

表14 建材填充體材料、構件、部品、設備的碳排放量

經計算，材料生產階段產生的碳足跡E1為145812.91t。

3.2.2 施工建造階段碳排放量

施工建造階段建筑碳排放量按下式進行計算：

(4)

式中：E2—施工建造階段建筑碳排放量(tCO2)；ADSGD—施工建造階段某單元過程中的耗電量(kWh)；EFD—電力碳排放因子(tCO2/kWh)；ADSGY—施工建造階段某單元過程中的耗油量(t)；EFY—燃油碳排放因子(tCO2/t)；ADSGM—施工建造階段某單元過程中的耗煤量(t)；EFM—燃煤碳排放因子(tCO2/t)；ADSGQ—施工建造階段某單元過程中的耗燃氣量(Nm3)；EFQ—燃氣碳排放因子(tCO2/Nm3)；ADSGQT—施工建造階段某單元過程中的其他能源消耗量(tce)；EFQT—其他能源碳排放因子(tCO2/tce)；ADSGSH—施工建造階段某單元過程中的耗水量(t)；EFSH—水碳排放因子(tCO2/t)；i—單元過程種類。

(1)施工機具運行的碳足跡

表15 施工機具的運行對應的碳排放量

表16 施工現場辦公耗電對應的碳排放量

(2)施工現場辦公的碳足跡

經計算，施工建造階段能耗的碳足跡E2為1259.6t。

3.2.3 運行維護階段碳排放量

將活動水平數據代入式(1)計算，即：

E3=0.0921×116.07×50×143924

經計算，運行維護階段能耗的碳足跡為76927.72t。

3.2.4 拆解階段碳排放量

將活動水平數據代入式(2)計算，即：

E4=8.95%×1259.6+30×80%×491446.89×5.28*10-2×3160.5

經計算，拆解階段能耗的碳足跡為2080.96t。

4 結論

根據逐個單元的碳足跡核算，低碳中心各生命周期階段的碳排放量如表17所示。由此可知，該建筑全生命周期的碳足跡為226081.19t。

表17 建筑設計階段(材料生產階段和施工建造階段)碳排放量

根據表17所示各生命周期的碳足跡可以看出，材料生產階段和運行維護階段所產生的碳排放分別占全生命周期的64.5%和34.03%，應作為降低同類建筑總排放量的關鍵環節。具體看來，表12～表14的數據顯示，材料生產階段中鋼材、商品混凝土、水泥、水泥砂漿、玻璃、鋁板帶和地磚對應的碳排放量又分別占全生命周期總排放量的27.39%、29.30%、0.42%、1.13%、0.60%、1.10%和1.18%。商品混凝土的主要成分是水泥，因此，鋼材和水泥是該類建筑碳排放量最大的兩種建材。通過回收利用的方式，可以有效減少鋼材使用產生的碳排放；對于水泥產品，則可以通過在建材原料采購階段選用持有低碳產品認證的產品來降低這部分的碳排放。