綠色建材應用碳減排潛力測算研究

牛凱征，薛東昊，李潔芯

(中國建筑材料工業規劃研究院，北京 100035)

0 前 言

我國是人口大國，也是建筑業大國，據統計，我國實有建筑面積超過680億m2。近年來，隨著人民生活水平的提高，人均建筑面積和建筑用能強度都快速增長，使得我國城鄉建設領域近年來碳排放總量和強度持續上升。隨著中共中央國務院《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》等系列“雙碳”政策文件的出臺，城鄉建設領域碳達峰、碳減排的任務和路徑逐步明晰。作為全生命周期內具有節能、減排、安全、便利和可循環特征的一類建筑材料，大力發展綠色建材不僅有利于節能降耗、清潔生產，而且是健全綠色建材市場體系，增加綠色建材產品供給，提升綠色建材產品質量，促進建材工業和建筑業轉型升級的有效途徑，也是我國城鄉建設領域實現雙碳目標的重要抓手。

但是由于產品品種多樣、排放邊界不清、測算方法差異等問題的存在，在綠色建材應用減碳效果的量化測算方面，仍存在較多的盲點。制約全生命周期綠色建材減碳效果分析測算以及相關政策的制定。亟需建立一套較為科學有效的測算方法，實現對綠色建材應用端減碳能力的量化分析測算。

1 研究邊界

碳排放首先要界定碳排放測算邊界，按照產生的邊界建筑業碳排放可劃分為三類，直接碳排放、隱含碳排放和間接碳排放，具體含義及產生途徑見表1。

表1 建筑業碳排放分類、含義及產生途徑

前兩項之和為建筑運行碳排放，全部三項之和稱為建筑全壽命周期碳排放。本研究中建筑領域范圍針對建筑運行階段碳減排效益，主要由建筑圍護結構涉及的建筑門窗、墻體材料和保溫材料的品質性能提升提供。

2 分析方法及估算結果

從提高建筑圍護結構保溫隔熱性能的角度，保溫系統材料、砌體材料、建筑門窗是決定最終建筑節能效果的關鍵因素。本研究在綠色建材產品認證目錄中選取了與上述建筑節能關聯度較大的砌體材料、建筑門窗、保溫系統材料，分別對其產品應用端的減碳潛力進行分析。

2.1 測算方法

本部分中綠色圍護材料應用的碳排放計算主要考慮應用綠色建材替代相應傳統材料在建筑運維過程中每年可減少的碳排放量。

綠色圍護材料應用的減碳量(ΔQ應)用下式進行估算：

ΔQ應=Q標-Q綠=(Q標冷+Q標熱)-(Q綠冷+Q綠熱)

(1)

式中，ΔQ應為應用綠色圍護材料后可提供的減碳量，kgCO2；Q標為標準狀況下的碳排放量，kgCO2；Q綠為應用綠色圍護結構材料后的碳排放量，kgCO2；Q標冷為標準狀況下制冷時的碳排放，kgCO2；Q標熱為標準狀況下采暖時的碳排放，kgCO2；Q綠冷為應用綠色圍護結構材料后制冷時的碳排放，kgCO2；Q綠熱為應用綠色圍護結構材料后采暖時的碳排放，kgCO2。

其中，夏季采用空調制冷時的碳排放量用式(2)進行估算：

Q冷=K綜×CDD26/COPC×24×C電

(2)

式中，Q冷為夏季制冷碳排放量，kgCO2；K綜為圍護結構綜合傳熱系數，W/(m2·K)；CDD26為空調度日數，℃·d；COPC為供冷系統綜合性能系數；C電為電力碳排放因子，kgCO2/kWh。

其中，冬季北方地區采用鍋爐集中采暖時的碳排放量用式(3)進行估算：

Q熱=K綜×HDD18/η鍋爐×C燃料

(3)

式中，Q熱為冬季采暖時的碳排放，kgCO2；K綜為圍護結構綜合傳熱系數，W/(m2·K)；HDD18為采暖度日數，℃·d；η鍋爐為供暖系統綜合效率；C燃料為燃料碳排放因子，kgCO2/kg。

其中，冬季南方地區采用熱泵熱風機采暖時的碳排放量用式(3)進行估算：

Q熱=K綜×HDD18/COPH×C電

(4)

式中，Q熱為冬季采暖時的碳排放，kgCO2；K綜為圍護結構綜合傳熱系數，W/(m2·K)；HDD18為采暖度日數,℃·d;COPH為供暖系統綜合性能系數;C電為電力碳排放因子,kgCO2/kWh。

2.2 估 算

為區分我國不同地區氣候條件對建筑影響的差異性，考慮到不同氣候對建筑圍護結構、節能措施和制冷采暖方式等方面的要求均存在較大差異，本文綠色圍護材料應用的減碳估算參考《建筑氣候區劃標準》(GB 50178—93)，即把我國實有建筑分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和五個建筑氣候區，并分別從每個氣候區中選取氣候較具代表性，且建筑規模較大的沈陽、石家莊、南京、廣州和昆明這五座具有代表性的城市作為每個氣候區的典型城市，采用上述城市典型建筑節能做法和制冷采暖方式進行典型估算。

圍護結構節能作為建筑節能的重要措施，其材料品質屬性的優劣影響實現建筑節能的效果，進而在支撐建筑運維節能碳減排的過程中可以發揮關鍵性作用。在已經發布并實施的“綠色建材系列標準”中，砌體材料、建筑門窗及配件和保溫系統材料中都在品質屬性中對產品的導熱系數或傳熱系數都作出了比現行標準更嚴格的規定。相關品質屬性要求詳見表2。

表2 綠色建材相關品質屬性與現行標準要求對照表

根據《建筑節能與可再生能源利用通用規范》(GB 55015—2021)，各典型城市建筑圍護結構設計要求見表3。

表3 各典型城市建筑圍護結構設計要求

此外，本部分估算對建筑及其運行過程做以下假設。

1)建筑圍護結構窗墻比為3∶7。

2)建筑層數不低于3層。

3)參考《建筑節能與可再生能源利用通用規范》(GB 55015—2021)附錄C，供冷系統綜合性能系數(COPC)和南方供暖系統綜合性能系數(COPH)分別取3.6和2.6。

4)參考《建筑節能與可再生能源利用通用規范》(GB 55015—2021)附錄C，冬季北方地區供暖系統綜合效率取0.81。

5)煤炭單位產品熱值和CO2排放因子參考《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366—2019)；電力消費CO2排放因子參考《2020—2021年度全國電力供需形勢分析預測報告》。

6)建筑綜合應用減碳效益按使用EPS為保溫材料和現澆混凝土墻體計算。

7)砌體材料(保溫型)熱惰性D≥2.5。

基于以上假設，不同氣候區單位建筑面積綠色圍護材料應用減碳效益估算詳見表4。

表4 不同氣候區單位建筑面積綠色圍護材料應用后碳排放估算表

進而計算不同氣候區單位建筑面積綠色圍護材料應用后減碳量，見表5。

表5 不同氣候區單位建筑面積綠色圍護材料應用后減碳量估算表

3 結 論

3.1 五區碳排狀況和減碳效益差異明顯

根據圖1可以發現，基準碳排放按照嚴寒、寒冷、夏熱冬冷地區順序依次降低且降幅明顯，而夏熱冬暖和溫和地區基準碳排放相對最低且二者相差不大。應用綠色圍護材料后帶來了相應的碳減排，而減碳量趨勢與以上基準碳排放差異趨勢相似，減碳量與基準碳排放的比值即綠色建材提供的減碳效率，嚴寒和寒冷地區應用綠色圍護材料所提供的減碳效率相近，均高于22%；夏熱冬冷和夏熱冬暖地區應用綠色圍護材料所提供的減碳效率略低于前兩者；而溫和地區綠色建材提供的減碳效率低于前四地區，且差距較大。由于建筑氣候區的劃分標準中一級區劃主要是根據1月和7月的平均氣溫作為劃分標準，故以上可以總結為氣候越冷，綠色建材提供的減碳量越多，且減碳效率越高，減碳效果越明顯，在地理上可認為由南到北減碳效率逐漸升高。因此，在北方應用綠色建材將提供更多的減碳量，帶來更高的減碳效率。

圖1 五區基準碳排放與減碳量及其占比

3.2 綠色建筑門窗的應用能提供更多減碳量

根據圖2可以發現，單獨更換門窗或保溫系統材料、砌體材料時，更換門窗帶來的減碳量總是超過更換保溫系統材料、砌體材料提供的減碳量，且差距較為明顯，原因在于在綠色建材標準中，綠色建筑門窗的傳熱系數下降比例要求更大，這將直接影響最終的減碳效果。

圖2 五區綠色建筑門窗與綠色保溫系統材料、砌體材料減碳量對比

3.3 冬季碳減排更為重要

在減碳效益估算表的制作計算過程中，發現嚴寒、寒冷和夏熱冬冷地區的冬季采暖碳排放要多于夏季制冷產生。

根據表6，可以發現在綠色建材的應用前后，嚴寒寒冷和夏熱冬冷地區冬季的碳排放都遠大于其夏季碳排放，這是由于在碳排放測算方法中該三地區的采暖度日數均遠大于空調度日數。因此，關于冬季采暖過程中的碳排放控制應該受到更多的關注。同時，嚴寒和寒冷地區冬季采暖使用的是以煤炭為燃料的鍋爐采暖裝置，相比較于電的使用，化石燃料燃燒轉化為熱的過程中碳排放因子更大，這一點也印證了相比于化石燃料，用電是更為環保的方式。

表6 五區基準與應用綠色建材后夏冬兩季碳排放對比

3.4 基于減碳效益估算對實際情況的擴展

根據減碳效益估算中選取的采暖度日數和空調度日數的定義，在實際應用中將需要更長的制冷和制熱時間，這樣一來，應用綠色建材將會提供更多的減碳量，綠色建材將會成為建筑環保減碳的重要一環。

4 說 明

本研究所采用的五個典型城市是在每個建筑氣候區中選取的地理位置相差較大且知名度較高的五個省會城市，無法證明每個典型城市相對于相應的建筑氣候區平均氣候條件的代表性程度。且本研究中做出的假設以及相關參數的選取是為了此次研究的進行而選擇的通用性情況，不具備特殊性，也無法證實與實際情況的貼合度。此外，本研究所選取的測算方法僅為綠色建材減碳效果估算方法中的一種，測算模型的選取對實際情況的準確性存在偏差，因此，本研究僅為綠色建材在應用領域提供碳減排的潛力分析，更為準確的減碳數據需要進行進一步的研究。

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