碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)背景下建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的路徑

蒲云輝，王清遠(yuǎn)，吳啟紅，董建輝，唐嘉陵

(成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610106)

0 引 言

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2020年5月，全球空氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)417×10-6，該數(shù)據(jù)是地球迄今300萬年來的最大值，相比工業(yè)前時代，2020年全球的平均氣溫增高1.2 ± 0.1 ℃[1].全球氣溫升高導(dǎo)致氣候變暖會造成冰川融化、干旱洪澇和物種滅絕等一系列災(zāi)害性氣候事件.據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計》報告，全球2019年的碳排放總量為342億t，其中中國的二氧化碳排放量為98億t，占全球碳排放總量的28.76%[2].2020年9月，我國向世界宣布了2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，簡稱“3060雙碳”目標(biāo).為此，提早實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)成為我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略.

建筑業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，消耗了全球約40%的能源，并排放了占全球約36%的溫室氣體，且建筑業(yè)的能耗和碳排放還會隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提升而增加[3].相關(guān)研究指出，盡管建筑業(yè)的碳排放量持續(xù)增長，但其減排的潛力巨大，其減排潛力在建筑業(yè)、工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)三大行業(yè)中占據(jù)首位，是工業(yè)部門的1.5倍，可為碳排放提前達(dá)峰貢獻(xiàn)50%的指標(biāo)[4].由此可見，建筑業(yè)是節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域.因此，本研究將針對我國建筑業(yè)能耗和碳排放量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于全壽命周期視角，分別從政府、建設(shè)者和消費(fèi)者三大參與方提出我國建筑業(yè)低碳可持續(xù)發(fā)展的路徑建議，以期促進(jìn)我國建筑業(yè)提早實現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)和碳中和愿景.

1 碳排放量的計算方法

建筑的全壽命周期包括：建筑材料的生產(chǎn)運(yùn)輸、建筑的施工、運(yùn)行維護(hù)、拆除以及再利用等階段.建筑全壽命周期碳排放量是指建筑在全壽命周期內(nèi)排放的所有溫室氣體的總和，并以CO2當(dāng)量表示.常見的溫室氣體有CO2、CH4和N2O等，其他溫室氣體的CO2當(dāng)量是以該氣體的數(shù)量乘以其全球變暖潛力值(GWP)轉(zhuǎn)換為CO2當(dāng)量匯總計算.事實上，全球變暖潛力值會隨著時間而變化，評價的累計時間有20年、100年和500年，政府間氣候變化專門委員會(IPCC)建議采用100年為評價年限.CH4和N2O在100年的評價值分別為25和298.

建筑的碳排放量包括隱含碳排放量和運(yùn)行碳排放量兩大類，如圖1所示.隱含碳排放量是指建材生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工階段，以及對建筑實施改造和拆除階段的碳排放量.運(yùn)行碳排放量主要包括：① 建筑環(huán)境能耗(供熱、供冷、通風(fēng)、 照明)；② 建筑公用設(shè)施能耗(電梯、供水、生活熱水、供配電)；③ 功能性能耗(電器、信息系統(tǒng)、辦公設(shè)備、電動車充電等)[5].

圖1 建筑全壽命周期碳排放量示意圖

建筑全壽命周期的碳排放量常采用碳排放因子法計算，即首先統(tǒng)計建筑在每一個階段每一種碳排放源的數(shù)量，然后將該碳排放源與其碳排放因子相乘，匯總得出該建筑的碳排放總量[6].

LCCO2=Cm+Ct+Cc+Co+Cd

(1)

式中,LCCO2是指建筑全壽命周期的碳排放總量，Cm、Ct、Cc、Co和Cd分別指建筑在原材料材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、建筑施工、運(yùn)行和拆除各階段的碳排放總量.

(2)

式中,Mi是材料生產(chǎn)階段所需的第i種材料的質(zhì)量；MFi是生產(chǎn)1 kg第i種材料的碳排放量.

(3)

式中,Li是第i種材料的運(yùn)輸距離；TFi是運(yùn)輸1 kg第i種材料1 km的碳排放量.

(4)

式中,CEi是施工階段所消耗的第i種能耗的數(shù)量；CFi是每消耗1 KJ第i種能耗的碳排放量.

(5)

式中,OEi是在運(yùn)行階段每年所消耗的第i種能耗的數(shù)量；OFi是每消耗1KJ第i種能耗的碳排放量；Y是建筑物設(shè)計使用年限.

(6)

式中,DEi是拆除階段所消耗的第i種能耗的數(shù)量；DFi是每消耗1KJ第i種能耗的碳排放量.

在統(tǒng)計分析時，可將建材生產(chǎn)階段和運(yùn)輸階段統(tǒng)歸為建材生產(chǎn)，施工階段和拆除階段統(tǒng)歸為施工階段.

2 中國建筑業(yè)碳排放量

2.1 建筑業(yè)能耗和碳排放量

建筑全過程的能耗如圖2所示.由圖2可知，在建筑全壽命周期內(nèi)，運(yùn)營階段和建材生產(chǎn)運(yùn)輸所需的能耗較高，施工階段所需的能耗最少，約占總能耗的2%～3%.“十一五”期間，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，新建建筑面積增加使建筑業(yè)能耗平穩(wěn)增長，平均增速為5.9%，該時期運(yùn)營階段的能耗略高于建材生產(chǎn)能耗;“十二五”期間，由于建材生產(chǎn)的能耗急劇增加，該時期建材生產(chǎn)的能耗開始超過運(yùn)營階段的能耗，天然原材料因早期開發(fā)逐漸減少，導(dǎo)致開發(fā)原材料的能耗更高，天然原材料從更偏遠(yuǎn)的開采區(qū)運(yùn)至建設(shè)點(diǎn)增加了運(yùn)輸?shù)哪芎?“十三五”期間，盡管新建建筑穩(wěn)步增長，但對既有建筑進(jìn)行節(jié)能改造，以及采用再生材料替代天然材料等措施，使該階段能耗的增速逐漸減緩，其平均增速約為3.6%.

圖2 建筑全過程的能耗圖

建筑全過程的碳排放量如圖3所示.由圖3可知，建筑全過程的碳排放量和能耗有相似的規(guī)律，即建筑全壽命周期碳排放量主要集中在建筑運(yùn)營階段和建材的生產(chǎn)運(yùn)輸階段，施工階段的碳排放量較少，表明建筑的碳排放量與能源消耗量有較強(qiáng)的相關(guān)性.“十一五”期間，建筑業(yè)的碳排放量平穩(wěn)增加，平均增速約為7.4%，略高于能耗的增速;“十二五”期間因建材生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)哪芎闹悼焖僭黾樱寂欧帕康钠骄鏊贋?%；“十三五”期間建筑業(yè)碳排放量的平均增速降至3.1%.

圖3 建筑全過程的碳排放量圖

2.2 建筑各階段能耗和碳排放量

2018年全國建筑全過程各分項的能耗和碳排放量如圖4所示.從圖4(a)中可以看出，全國建筑業(yè)的能源消耗總量為21.47億tce(1tce 表示1t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量)，占全國能源消費(fèi)總量的46.5%.其中，建材生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)哪芎臑?1億tce，占全國能源消耗總量的23.8%；建筑運(yùn)營的能耗為10億tce，占全國能源消耗總量的21.7%；施工階段的能耗為0.47，占全國能源消耗總量的1%.建筑材料生產(chǎn)中的能耗主要為生產(chǎn)鋼鐵(4.97億tce)、鋁材(2.78億tce)和水泥(2.33億tce)所用的能耗.運(yùn)營階段的能耗主要為城鎮(zhèn)建筑的能耗，其中，城鎮(zhèn)居民住宅和公共建筑所消耗的能耗相當(dāng).

圖4 建筑各階段能耗和碳排放量情況(2018年)

建筑全過程的碳排放量如圖4(b)所示.建筑全過程的碳排放量為49.3億 t CO2,占全國碳排放總量的51%.其中，建材生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕繛?7億t CO2,占全國碳排放總量的28%；運(yùn)營階段的碳排放量為21億t CO2，占全國碳排放總量的22%.建材生產(chǎn)時的碳排放量仍然集中在鋼鐵、水泥和鋁材.對比圖3可以發(fā)現(xiàn)，盡管水泥生產(chǎn)的能耗比鋁材生產(chǎn)低，但是水泥生產(chǎn)的碳排放量明顯比鋁材生產(chǎn)高很多，這主要是由于水泥生產(chǎn)時碳酸鈣受熱分解會釋放大量CO2所致.據(jù)報道，每生產(chǎn)1t普通硅酸鹽水泥將釋放約1t CO2[7].運(yùn)營能耗主要集中在城鎮(zhèn)居民建筑和公共建筑運(yùn)營時消耗的能耗.

3 建筑業(yè)低碳發(fā)展的路徑建議

3.1 政府建立健全約束和激勵機(jī)制

3.1.1 健全約束機(jī)制

政府是建筑業(yè)實現(xiàn)低碳發(fā)展的核心責(zé)任主體，應(yīng)聯(lián)合住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部、工業(yè)與信息化部和生態(tài)環(huán)境部，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長、城鎮(zhèn)化率、建筑業(yè)發(fā)展和CO2排放之間的關(guān)系.分別從戰(zhàn)略層、戰(zhàn)術(shù)層、執(zhí)行層和操作層依次建立建筑業(yè)低碳發(fā)展的法律體系.首先，在戰(zhàn)略層面建立應(yīng)對氣候變化的法律，明確各地區(qū)應(yīng)對氣候變化的工作安排;其次，在戰(zhàn)術(shù)層面完善降低建筑業(yè)碳排放的政策法規(guī);第三，在執(zhí)行層面頒布指導(dǎo)建筑業(yè)低碳發(fā)展的規(guī)章制度；最后，在操作層面制訂評估建筑業(yè)低碳發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，建筑低碳建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)需注重強(qiáng)制性和自愿性相結(jié)合.

3.1.2 健全激勵機(jī)制

相比傳統(tǒng)建筑，低碳建筑初期會產(chǎn)生增量建設(shè)成本，但低碳建筑具有降低溫室氣體排放的環(huán)境效益，建議政府采用多元的補(bǔ)貼激勵機(jī)制，促使建設(shè)單位、材料生產(chǎn)商和施工單位落實低碳建筑建設(shè)政策.一方面，可以對從事生產(chǎn)和使用低碳建材和設(shè)備的單位進(jìn)行直接性的財政補(bǔ)貼資助；另一方面，也可以對取得特定低碳標(biāo)識的建筑物給予貸款利率或稅收的優(yōu)惠.

3.2 建設(shè)者貫徹落實全生命周期低碳技術(shù)

建筑業(yè)發(fā)展涉及的鏈條長、環(huán)節(jié)多，因而低碳建筑發(fā)展理應(yīng)貫穿于建筑材料的生產(chǎn)運(yùn)輸、施工建造、運(yùn)營維護(hù)以及拆除等全生命周期內(nèi).

3.2.1 規(guī)劃設(shè)計階段

中國地域遼闊，城鄉(xiāng)差異較大，應(yīng)針對不同地域的資源狀況和氣候條件，因地制宜地建立健全當(dāng)?shù)氐慕ㄖ?biāo)準(zhǔn)體系，做好本地發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)路線.踐行公園城市建設(shè)觀，規(guī)劃階段逐步從“大拆大建”過渡到“改造修繕”，通過職住平衡、住宅產(chǎn)業(yè)化等方式降低社會通勤的碳排放量.

在項目設(shè)計階段，充分利用價值工程原理全面優(yōu)化項目設(shè)計，具體可采用適當(dāng)增加建設(shè)投資，以實現(xiàn)大幅度降低碳排放量的目的.在設(shè)計階段不但要考慮方案對成本的影響，還應(yīng)考慮方案對項目全生命周期碳排放總量的優(yōu)化，優(yōu)先選用木質(zhì)結(jié)構(gòu)、裝配式建筑等，優(yōu)先采用高強(qiáng)度、高性能、耐久、耐腐蝕性以及抗老化的材料，延長建筑的使用壽命，降低構(gòu)件更換頻次，從源頭上降低原材料的消耗.施工方提前介入項目的方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工圖設(shè)計階段，充分運(yùn)用建筑信息化(BIM)技術(shù)，實現(xiàn)協(xié)同多專業(yè)化設(shè)計，減少項目的錯漏碰缺和減少施工階段的返工浪費(fèi)，以提高項目的可施工性.

3.2.2 材料生產(chǎn)運(yùn)輸階段

目前，中國城鎮(zhèn)化率每年增長約0.7%，年新增建筑面積約占全球新增建設(shè)面積的50%[8].新建建筑對材料的大量需求，導(dǎo)致因制備材料產(chǎn)生的碳排放量也大幅增加.對建筑材料(如鋼材、水泥和玻璃等)生產(chǎn)所需的能耗和碳排放量應(yīng)做統(tǒng)計和標(biāo)識，并優(yōu)選用低碳材料.

水泥生產(chǎn)的溫室氣體排放量高，可充分利用工業(yè)廢料(如硅灰、粉煤灰和高爐礦渣等)替代水泥，減少水泥用量.堅持就近取材的原則，避免長距離運(yùn)輸材料.創(chuàng)新研究并全面推廣新型固碳材料，水泥基材料的使用量大，固碳能力高(約為其質(zhì)量的50%)，可實現(xiàn)永久封存二氧化碳的作用，開發(fā)零碳甚至負(fù)碳的新型建筑材料.

3.2.3 施工階段

降低現(xiàn)澆施工的建設(shè)項目數(shù)量，全面推廣工業(yè)化建筑.裝配式建筑中預(yù)制構(gòu)件的模塊化和工業(yè)化生產(chǎn)能最大限度地降低碳排放量.采用恰當(dāng)?shù)陌惭b工法和工藝，減少施工現(xiàn)場支模板和腳手架的使用.施工材料采用工廠預(yù)加工，可落實施工材料精準(zhǔn)管理和精準(zhǔn)下料，減少施工材料的損耗.加強(qiáng)施工材料和設(shè)備的進(jìn)場、安裝、使用、維護(hù)保養(yǎng)及拆除管理，以降低施工中的資源消耗.

3.2.4 運(yùn)營階段

我國既有建筑的存量較大，運(yùn)營階段的碳排放量高，因而加大既有建筑節(jié)能低碳改造十分重要.一方面，采用高性能的維護(hù)結(jié)構(gòu)，降低供熱需求，提升供熱效率，可降低建筑物的間接碳排放量.另一方面，建筑終端用能電氣化或使用可再生能源，可降低建筑的直接碳排放量.具體可推廣煤改氣或煤改電，推廣電動炊具、電熱水器，變頻智能空調(diào)等，農(nóng)村地區(qū)建議使用太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等清潔能源.

此外，創(chuàng)新發(fā)展低碳甚至零碳的集中供暖和建筑柔性用電技術(shù)，充分利用工業(yè)核電廠的預(yù)熱,采用全電氣化光、儲、直、柔建筑用能系統(tǒng).

3.2.5 拆除階段

傳統(tǒng)的建筑固體廢棄物大多傾倒于垃圾填埋場，不但會侵占寶貴的土地資源，還會增加運(yùn)輸所產(chǎn)生的碳排放量.拆除建筑物時應(yīng)通過拆解的方法，首先將仍滿足要求的構(gòu)件直接再次使用，然后將一些有價值的廢棄物經(jīng)資源化處理后再次用作建筑材料，如將廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分和清洗后制備成再生粗細(xì)骨料可用于取代天然骨料制備再生混凝土，這樣既可以解決廢棄物的處置問題，還可以解決骨料的來源問題，使建材的使用路徑由傳統(tǒng)的線性方式轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)的方式，達(dá)到多次循環(huán)使用.

3.3 消費(fèi)者

規(guī)范建筑建材的低碳標(biāo)識是保障消費(fèi)者購買到貨真價實的低碳產(chǎn)品的前提，也是消費(fèi)者持續(xù)接受低碳建筑建材良性循環(huán)的基礎(chǔ).通過低碳科普進(jìn)社區(qū)、義務(wù)教育等方式普及低碳觀念，提高消費(fèi)者低碳消費(fèi)的生活意識；倡導(dǎo)消費(fèi)者主動購買低能耗、低碳的建材和建筑產(chǎn)品，踐行低碳生產(chǎn)生活方式.

建筑業(yè)低碳高質(zhì)量發(fā)展的路徑建議框架圖如圖5所示.

圖5 建筑業(yè)低碳發(fā)展路徑框架圖

4 結(jié) 論

“3060雙碳”目標(biāo)是我國應(yīng)對全球氣候變暖的重要舉措.數(shù)據(jù)表明，我國建筑業(yè)的碳排放量約占全國碳排放總量的50%，在建筑的全壽命周期中，建材生產(chǎn)運(yùn)輸和建筑運(yùn)營的碳排放量約占建筑業(yè)碳排放總量的98%,屬于碳排放控制的關(guān)鍵階段.近年來，建筑業(yè)的碳排放量仍存在穩(wěn)步增長的趨勢.面對建筑業(yè)的碳排放量基數(shù)大、涉及面廣、減碳任務(wù)重以及潛力大的特點(diǎn)，降低建筑業(yè)的碳排放不能追求一蹴而就，需要循序漸進(jìn)地系統(tǒng)推進(jìn)，制定跨部門的協(xié)同、全鏈條、全周期的解決方案.政府部門需建立健全約束和激勵機(jī)制；建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位和材料制造商需在建筑的規(guī)劃設(shè)計、材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、運(yùn)營和拆除等全生命周期貫徹落實低碳技術(shù)；消費(fèi)者應(yīng)主動選擇有低碳標(biāo)識的建筑建材，自覺踐行低碳生活方式.