基于節能設計的建筑全生命周期碳排放分析

孔繁藝 熊海亭 嚴歡

[摘? 要]：文章以四川省廣元市某鋼框架建筑群為例，分析基于節能設計的建筑全生命周期內的碳排放強度。結果顯示，節能設計能夠顯著減少該建筑群全生命周期碳排放量，節能減排效果明顯。

[關鍵詞]：建筑碳排放; 生命周期評價; 節能設計

TU201.5A

建筑碳排放主要指的是建筑物全生命周期溫室氣體的排放總量，包括與其有關的建筑設計、建材生產及運輸、建造及拆除、運行階段產生的溫室氣體排放[1]。建筑碳排放計算方法主要有實測法、物料衡算法、排放系數法和模型法等[2]。通常來說，建筑設計階段的碳排放量較少，因此住房和城鄉建設部發布的GB T51366-2019《建筑碳排放計算標準》[3]忽略了該階段的碳排放，并基于碳排放因子的排放系數法計算建筑物全生命周期溫室氣體的排放量。李靜等[4]研究了北京市某剛框架結構廠房全生命周期的碳排放強度。陳莎等[1]對比了北京市某辦公樓和教學樓全生命周期的碳排放量。王晨楊[5]研究長三角地區某高層辦公建筑全生命周期內的碳排放量。葛小榕[6]研究了大連市某大型辦公建筑年單位面積碳排放量。李遠釗等[7]對比了天津市29棟高層辦公建筑生命周期內的碳排放量。秦驁等[8]研究了成都某地鐵車站全生命周期碳排放研究。研究發現，不同地區、不同類型建筑全生命周期碳排放差異較大。更為重要的是，近來年各地方相繼發布并執行建筑節能設計標準[9-10]，但少有研究分析采用節能設計前后建筑物全生命周期碳排放量的變化，建筑節能設計在建筑碳減排方面的效果難以量化。

本文以四川省廣元市某鋼框架建筑群為研究對象，分別計算該建筑群基于節能設計和基于非節能設計的全生命周期內的碳排放量和構成，以便量化建筑節能設計在建筑節能減排方面的成效。該建筑群包括1座綜合辦公樓、1座綜合倒班樓、1座輔助用房、2座值班室。

相關碳排放計算方法及碳排放因子選取主要參考GB T 51366-2019《建筑碳排放計算標準》[3]， 以下統一簡稱標準。

1 建筑碳排放的計算基礎

1.1 碳排放計算單位

根據標準，建筑物碳排放計算應以二氧化碳當量（CO2e）表示。由于不同溫室氣體導致地球溫室效應的強度有所不同，為統一度量不同氣體的溫室效應結果，將各種溫室氣體（包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫）按二氧化碳的排放量進行折算。

1.2 碳排放因子

碳排放因子指的是消耗單位質量能源或者單位體積建筑材料所產生溫室氣體的排放量，是建筑碳排放計算的基礎。本文采用的碳排放因子根據標準附錄A～附錄E。

1.3 碳排放計算邊界

建筑碳排放計算邊界指的是與建筑物有關的建筑設計、建材生產及運輸、建造及拆除、運行及維護階段產生的溫室氣體排放量之和。

2 建筑全生命周期碳排放計算

在計算建筑全生命周期碳排放時，將其整個生命周期分為建筑設計、建材生產、建材運輸、建筑建造、建筑運行、建筑拆除共計6個階段分別進行碳核算，并匯總得到整個生命周期碳排放量。需要注意的是，標準規定在評價建筑物碳排放強度時，需要以其全生命周期內單位建筑面積的碳排放量為評價標準。因此，建筑全生命周期碳排放量按式（1）計算：

C=CSJ+CSC+CYS+CJZ+CM+CCCA（1）

式中：C表示建筑全生命周期內單位建筑面積的碳排放量（kgC02e/m2）;CSJ、CSC、CYS、CJZ、CM、CCC分別表示建筑設計、建材生產、建材運輸、建筑建造、建筑運行和建筑拆除階段的碳排放量（kgC02e）;A表示建筑面積（m2）。根據標準要求，納入計算的主要建筑材料總重量不應低于建筑中所耗建材總重量的95%，重量比小于0.1%的建筑材料可不計算。雖然采用節能設計和非節能設計的建筑材料可能有所不同，但生產這些建筑材料過程中的碳排放差異其實不大，因此本文主要考慮建筑節能設計對建筑運行階段碳排放量的影響，其他階段的碳排放量相同。

2.1 建筑設計階段碳排放

根據標準要求，建筑設計階段碳排放量忽略不計（CSJ=0）。

2.2 建材生產階段碳排放

根據標準要求，建材生產階段碳排放應按式（2）計算：

CSC=∑ni=1MiFi

（2）

式中：CSC表示建材生產階段的碳排放量（kgCO2e）;Mi表示第i種主要建材的消耗量;Fi表示第i中主要建材的碳排放因子（kgCO2e/單位建材數量），按標準附錄D取值。

2.3 建材運輸階段碳排放

根據標準要求，建材運輸階段碳排放應按式（3）計算：

CYS=∑ni=1MiDiTi（3）

式中：CYS表示建材運輸過程的碳排放量（kgCO2e）; Mi表示第i種主要建材的消耗量（t）;Di表示第i種建材平均運輸距離（km）;Ti表示在第i種建材的運輸方式下，單位重量運輸距離的碳排放因子[kgCO2e/（t·km）]。

2.4 建筑建造階段碳排放

根據標準要求，建筑建造階段的碳排放量應按式（4）計算：

CJZ=∑ni=1EJZ，iEF，i

（4）

式中：CJZ表示建筑建造階段的碳排放量（kgCO2e）;EJZ，i表示建筑建造階段第i種能源總用量（kWh或kg）;EF，i第i類能源的碳排放因子（kgCO2e/kWh或kgCO2e/kg），按標準附錄A確定。

2.5 建筑運行階段碳排放

根據標準要求，建筑運行階段碳排放量應根據各系統不同類型能源消耗量和不同類型能源的碳排放因子確定，建筑運行階段單位建筑面積的總碳排放量應按式（5）計算：

CM=[∑ni=1EiEF，i-CP]y

（5）

式中：CM表示建筑運行階段的碳排放量（kgCO2e）;Ei表示建筑第i種能源能源年消耗量（單位/a）;EF，i第i類能源的碳排放因子（kgCO2e/kWh或kgCO2e/kg），按標準附錄A確定; i表示建筑消耗終端能源類型，包括電力、燃氣、石油、市政熱力等;CP表示建筑綠地碳匯系統年減碳量（kgC02/a）;y表示建筑設計壽命（a）。

2.6 建筑拆除階段碳排放

根據標準要求，建筑拆除階段的碳排放量應按式（6）計算：

CCC=∑ni=1ECC，iEF，i

（6）

式中：CCC表示建筑拆除階段的碳排放量（kgCO2e）;ECC，i表示建筑拆除階段第i種能源總用量（kWh或kg）;EF，i表示第i類能源的碳排放因子（kgCO2e/kWh），按標準附錄A確定。

3 碳排放計算實例

3.1 項目介紹

該項目位于四川省廣元市劍閣縣鹽店鎮，包括1座綜合辦公樓、1座綜合倒班樓、1座輔助用房、2座值班室等附屬設施。綜合辦公樓占地面積701 m2，地上4層，建筑高度15.6 m，建筑共計面積2 653 m2。綜合倒班樓占地面積799 m2，地上4層，建筑高度15.0 m，建筑面積共計3 028 m2。輔助用房為地上1層，建筑高度5.4 m，建筑面積733 m2。值班室均為地上1層，建筑面積共計56 m2。該建筑群主要為鋼框架結構體系，建筑總面積6 470 m2，設計使用年限50年，建筑節能設計主要依據GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》[11]，GB 50176《民用建筑熱工設計規范》[12]，GB/T 7106-2008《建筑外門窗氣密，水密，抗風壓性能分級及檢測方法》 [13]，GB/T 21086-2007《建筑幕墻》 [14]， JGJ 134-2010《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》 [15]，DB 51/5027-2019《四川省居住建筑節能設計標準》[9]， DBJ51/143-2020《四川省公共建筑節能設計標準》[10] 。綜合辦公樓、綜合倒班樓和輔助用品的首層平面圖分別如圖1～圖3所示。

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3.2 建筑全生命周期碳排放計算

由于建筑設計階段的碳排量較小，忽略不計。根據該項目鋼構件、鋼筋、水泥、混凝土等主要建材的種類和使用量，結合規范提供的建材碳排放因子，依據式（2）計算建材生產階段碳排放量。在計算建材運輸階段碳排放量時，混凝土的運輸距離值設為40 km，其他建材的默認運輸距離值設為500 km，采用18 t重型柴油貨車運輸方式，依據式（3）得到建材運輸階段碳排放量。根據建筑建造階段各類型機械的能源使用量和能源碳排放因子，依據式（4）得到建筑建造階段的碳排放量。建筑運行階段的碳排放采用簡化計算， 根據《中國建筑能耗研究報告（2016）》，非節能設計時該建筑群運行階段單位面積耗能強度23.32 kgCO2e/m2a，采用節能設計時該建筑群運行階段單位面積耗能16.32 kgCO2e/m2a，乘以設計使用年限得到建筑運行階段的碳排放量。根據建筑拆除階段各類型機械的能源使用量和能源碳排放因子，依據式（6）得到建筑拆除階段的碳排放量。最后，將上述6個階段的碳排放量求和并除以該建筑群的建筑總面積，即得建筑全生命周期單位建筑面積的碳排放量。

3.3 結果分析

該建筑群基于非節能設計和基于節能設計的全生命周期碳排放量分別如表1和表2所示。由表1和表2可以看出，建筑運行階段和建材生產階段的碳排放量占該建筑群全生命周期碳排放量的絕大部分：建筑運行階段，采用非節能設計CM高達81.8%，即使采用節能設計CM仍高達75.9%;建材生產階段，采用非節能設計CSC 為10.3%，采用節能設計CSC為13.7%。因此，建筑運行階段和建材生產階段是我國建筑行業節能減排的關鍵環節，也是我國兌現2030碳達峰、2060碳中和這一鄭重承諾的重要路徑。此外，采用非節能設計時，該建筑群全生命周期單位建筑面積碳排放量高達1 425 kgCO2e/m2;而采用節能設計時，該建筑群全生命周期單位建筑面積的碳排放降至1 075 kgCO2e/m2，降幅高達24.6%，節能減排效果明顯。

4 結束語

通過某一項目實例，定量研究了基于非節能設計和節能設計的建筑全生命周期碳排放。研究表明，建筑節能設計可以大幅降低建筑運行階段的碳排放量。此外，研究還發現，即使采用節能設計，建筑運行階段碳排放仍占其全生命周期碳排放的絕大部分。因此，通過建筑節能設計減少建筑碳排放的潛力仍然較大。

參考文獻

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