基于全生命周期凈零碳排放理念的建筑設(shè)計方法研究

王濤 蔡昳宣

中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司 陜西 西安 710018

引言

我國建筑年度能耗總量占據(jù)總體能耗的27%，建筑碳排放總量占據(jù)總體排放量的40%，在城市化持續(xù)發(fā)展過程中，建筑規(guī)模正在以5%～8%的速度持續(xù)增長，建筑規(guī)模的增長進一步增加了能源和資源的消耗，提高了碳排放總量，因此，研究建筑全生命周期下的零碳排放建筑設(shè)計方法對解決環(huán)境、能源與人類發(fā)展之間的矛盾具有重要意義。本文主要通過構(gòu)建建筑時空矩陣模型，分析建筑全生命周期碳排放量，并提出以凈零碳排放理念為基礎(chǔ)的建筑設(shè)計方法。

1 建筑全生命周期凈零碳排放時空矩陣模型

1.1 時空矩陣模型

傳統(tǒng)建筑建造施工模式下，建筑全生命周期凈零碳排放模型主要包括空間和時間兩方面，從凈零碳排放定義來看，建筑碳排放是空間與時間的集合。建筑全生命周期主要分為4個階段，即材料生產(chǎn)階段、施工階段、使用階段和拆除階段，每個階段涉及的材料運輸、加工和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)都會消耗大量的能源，該能源損耗通常也被稱為間接能源損耗，建筑凈零碳排放時空矩陣模型如表1所示。

表1 建筑碳排放時空矩陣模型

1.2 凈零碳排放核算邊界

在分析建筑全生命周期凈零碳排放過程中，除了需要明確建筑碳排放時空矩陣外，還需要確定建筑碳源核算邊界，不同碳源核算結(jié)果也不盡相同，只有在相同核算模型和核算邊界下分析比較建筑碳排放量才具有研究意義。

在建筑全生命周期4個階段中，各個階段都需要對關(guān)鍵碳源進行核算，然后探討核算碳源和合理性，同時根據(jù)碳源的特點編制相應(yīng)的核算規(guī)則，并形成碳源核算模型[1]。

建筑全生命周期碳排放計算公式：

式中：P為建筑全生命周期碳排放總量；P1為建筑材料生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放；P2為建筑施工過程中產(chǎn)生的碳排放；P3為建筑施工階段和維護階段產(chǎn)生的碳排放；P4為建筑拆除階段產(chǎn)生的碳排放。

2 建筑全生命周期碳排放核算

2.1 材料生產(chǎn)階段

材料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放主要包括材料生產(chǎn)和原材料開采過程中施工天然氣、石油和煤等化石能源造成的溫室氣體排放。材料生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放量在建筑整個生命周期占10%～30%。材料生產(chǎn)階段碳排放量計算公式為：

式中：P1為建筑生產(chǎn)階段總碳排放量；Pj1為建筑生產(chǎn)階段間接空間總碳排放量；Vk為第k種回收系數(shù)的碳排放因子；Qk為k材料用量，主要包括混凝土、鋼筋等施工主要材料以及施工中使用的腳手架和模板等臨時材料。

2.2 建筑施工階段

建筑施工階段是建筑生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是建筑單位根據(jù)施工文件，利用物料和機具，按照施工工藝將圖紙上的建筑物質(zhì)化的過程。施工階段會造成噪聲污染、土壤污染、水污染和大氣污染以及產(chǎn)生碳排放[2]。施工階段主要包括建筑施工和材料運輸兩部分，其中建筑施工產(chǎn)生的碳排放主要包括機械設(shè)備損耗和施工工藝產(chǎn)生的碳排放；施工材料運輸產(chǎn)生的碳排放主要包括運輸工具、運輸方式產(chǎn)生的碳排放，建筑施工階段產(chǎn)生的碳排放計算公式為：

式中：P2為建筑施工階段總碳排放量；Pi2為施工階段直接空間總碳排放量；Pj2為施工階段空間總碳排放量

2.3 建筑使用階段

建筑使用階段產(chǎn)生的碳排放主要包含兩方面，一方面是建筑使用過程中產(chǎn)生的碳排放，如照明耗電、熱水供應(yīng)、電梯使用、采暖和空調(diào)等；其中空調(diào)和采暖、照明總碳排放量占總體比例的65%；熱水供應(yīng)總排放量占總體比例的15%；電梯和其他電氣設(shè)備總碳排放量占總體比例的14%；其他碳排放量占總體比例的6%。另一方面是建筑維護產(chǎn)生的碳排放，包括建筑修繕和維護及能耗，建筑在使用過程中部分構(gòu)件或材料達到自然壽命時需要進行維護和更換，而該過程中也會產(chǎn)生碳排放。建筑使用階段產(chǎn)生的碳排放分為直接排放和間接排放，直接排放具體是指天然氣、石油和煤炭燃燒等；間接排放時滯蒸汽、熱水、電力供應(yīng)產(chǎn)生的碳排放[3]。建筑使用階段碳排放計算公式為：

式中：P3為建筑使用階段產(chǎn)生的總碳排放量；Pi3為建筑使用階段產(chǎn)生的直接碳排放；Pj3為建筑施工階段產(chǎn)生的間接碳排放。

2.4 建筑拆除階段

建筑拆除階段產(chǎn)生的碳排放主要分為3個方面，一是建筑拆除過程中機械設(shè)備和施工工藝產(chǎn)生的碳排放，例如腳手架搭建、鋁合金門窗、利用大型設(shè)備拆除建筑結(jié)構(gòu)框架等；二是廢棄材料搬運和處理產(chǎn)生的碳排放，例如材料分類、裝在清運、材料處理等；三是材料回收再利用產(chǎn)生的碳排放，例如廢棄材料再利用、再循環(huán)和焚燒等。建筑拆除階段產(chǎn)生的碳排放計算公式為：

式中：P4為建筑拆除階段產(chǎn)生的總碳排放；Pi4為建筑拆除階段產(chǎn)生的直接碳排放；Pj4為建筑拆除階段產(chǎn)生的間接碳排放。

3 基于全生命周期凈零碳排放理念的建筑設(shè)計方法

3.1 材料生產(chǎn)階段建筑設(shè)計方法

材料生產(chǎn)階段減排重點有兩方面，一是使用低碳環(huán)保材料，例如開發(fā)高性能環(huán)保材料以及輕集料混凝土等；利用環(huán)保材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)高能材料，進而減少材料生產(chǎn)過程中的碳排放；發(fā)展3R材料；減少使用混凝土和水泥等無機材料，間接減少碳排放；提高材料耐久性、延長材料使用壽命，進而減少建筑重建和維修成本，降低對自然資源的使用；優(yōu)化和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰落后產(chǎn)品和工藝，降低能源損耗。

二是提高材料利用率。木材、金屬、塑料等可回收垃圾站總體垃圾比例的10%，在材料生產(chǎn)過程中首先應(yīng)當加大可回收材料在建筑中的比例，其次發(fā)展塑料、木材和金屬分離技術(shù)，取代傳統(tǒng)垃圾填埋模式；混凝土和磚塊材料在建筑垃圾中占據(jù)的比例為90%，目前，我國對于混凝土和磚塊的處理主要采用堆放和填埋處理方式，為提高該類材料利用率，可以將磚塊再生骨料制作混凝土，以此來對廢棄磚塊進行再利用。

3.2 施工階段建筑設(shè)計方法

節(jié)電措施：首先采用節(jié)能光能裝置和照明燈具，并采用電路過載保護裝置和計量裝置等，減少電能損耗；其次，根據(jù)機械功率對施工設(shè)備電能損耗進行控制，減少不必要電能損耗。最后采用性能較好的大型機械設(shè)備，由于施工過程中塔吊平面布置和設(shè)備數(shù)量，集中堆放吊運物件，減少設(shè)備運能浪費，進而達到節(jié)約電能的目的。

節(jié)水措施：施工階段節(jié)水措施重點在于提高自然水源利用率：首先施工單位可以收集廢水和雨水等，并將其存儲于沉淀池中，用于場地灑水、洗車等；其次在施工現(xiàn)場搭建循環(huán)水池和蓄水箱，對自然水源進行再利用；最后利用水源限流設(shè)備和節(jié)水控制裝置，減少水源浪費。

材料節(jié)約措施：首先提高可拆卸設(shè)備或輔助設(shè)備使用率，如腳手架設(shè)備、模板等；其次對可拆卸材料和臨時使用設(shè)備進行重復(fù)利用，臨時設(shè)備與材料可以采用對外租賃等方式；最后根據(jù)施工任務(wù)劃分施工階段，推動施工作業(yè)的有序開展，進而縮短施工周期，減少成本、能源的浪費。

3.3 使用階段建筑設(shè)計方法

3.3.1 使用階段。建筑使用階段減少碳排放的具體措施主要包括以下幾點。

3.3.1.1 加強地熱能、太陽能等新能源的利用，利用新型清潔能源代替以發(fā)電為主的能源消費模式，進一步減少使用階段能源損耗和碳排放。此外，將建筑太陽能供熱系統(tǒng)和和鍋爐供暖系統(tǒng)進行結(jié)合，采用太陽能供暖方式可以進一步減少能源損耗，并且可以達到35%的減排率；將燃氣鍋爐、地源熱泵和空調(diào)采暖系統(tǒng)進行結(jié)合，由地源熱泵承擔建筑60%的熱負荷，可以達到25%的減排率。

3.3.1.2 近年來，我國人均住宅面積不斷增長，2021年人居住房面積達到了46.1m2，為降低建筑使用階段碳排放量，可以適當減少人口密度，增加人均住宅面積。

3.3.1.3 與發(fā)達國家相比，我國建筑圍護結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)存在一定差距，如果將北京相近地區(qū)建筑平均傳熱系數(shù)提高至外墻0.6，外窗2.8，屋頂0.6則可以達到19%的減排率；如果將建筑照明標準7W/m2下降至6W/m2，則可以減少3%碳排放量，由此可見，進一步提高建筑結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能，可以進一步減少碳排放量。

3.3.2 建筑維護階段。建筑在使用過程中應(yīng)當減少二次裝修次數(shù)，同時對可拆卸材料和結(jié)構(gòu)進行重復(fù)利用。目前，大部分新購置的房子都只進行了簡單的裝修，客戶在入住后通常需要進行二次裝修，并將原本的衛(wèi)生潔具、瓷磚和墻面等進行替換，這樣的裝修方式會進一步造成資源浪費。目前，我國每年拆除舊建筑和建筑裝修產(chǎn)生的建筑垃圾已經(jīng)超過3000萬噸，而建筑垃圾的處理和搬運會造成能源的浪費。針對該問題，建筑商可以通過提前預(yù)售的方式銷售住房，并按照購房用戶的意見進行裝修，實現(xiàn)建筑與裝修作業(yè)的一體化，同時在建筑裝修過程中也需要多使用可拆卸材料和結(jié)構(gòu)，減少資源浪費和碳排放。

3.4 建筑拆除階段

3.4.1 加強拆除作業(yè)管理，并引入先進的拆除技術(shù)，盡量減少建筑拆除過程中的碳排放。爆破、液壓和水壓拆除方法可以減少建筑拆除過程中揚塵和噪音的產(chǎn)生，同時降低對周邊居民和環(huán)境的影響，同時該類建筑拆除方法也可以實現(xiàn)低碳排放、無污染和環(huán)保化的目的。

3.4.2 建筑拆除完成后需要將可重復(fù)利用材料進行回收，并采用就地處理方式對垃圾進行焚燒、填埋處理等，減少建筑垃圾運輸過程中產(chǎn)生的碳排放。垃圾在回收完成后，可以利用對自動回收分類設(shè)備和混凝土破碎設(shè)備對建筑垃圾進行處理，并制成其他建筑材料，以此來提高建筑材料利用率。

3.4.3 針對可以回收性材料，包括鉛材、鋼筋、木材和玻璃等，由爆破公司、建筑公司和建筑垃圾回收部門對建筑垃圾進行現(xiàn)場回收再利用，或者將可回收垃圾運輸至工廠進行二次加工；針對不可回收垃圾，如混凝土土塊、磚塊等，可以用于路基填料或者坑外地區(qū)填充料等。

4 結(jié)束語

本文主要對建筑全生命周期碳排放進行了研究，并構(gòu)建了建筑全生命周期碳排放時空矩陣模型，包括建筑材料生產(chǎn)階段、施工階段、使用階段和拆除階段，明確了建筑各階段碳排放計算公式，并針對各階段存在的問題，提出了降低建筑碳排放量的具體措施。