建筑碳排放分析與減碳路徑研究

董瑩，劉軍，董恒瑞，羅干，孫浩然

（中煤科工重慶設計研究院（集團）有限公司 綠色建筑設計研究院，重慶 400042）

0 引言

據中國建筑節能協會發布的《中國建筑能耗與碳排放研究報告（2021）》[1]顯示，2019 年全國建筑業全過程能耗和碳排放總量分別達到22.33 億噸標準煤和49.97 億噸二氧化碳，占全國總量的比例分別達45.8%和50.6%，是我國能耗與碳排放“大戶”。據相關估計，到2050 年，我國建筑業對全社會碳減排量的貢獻量將超56%，潛在節能減排空間巨大，是落實國家“雙碳”目標的重點領域[2]。由此可見，在我國推動節能減排以實現碳達峰、碳中和目標過程中，建筑節能減排路徑的實施是關鍵一環，對全方位邁向低碳社會，實現高質量發展具有重要意義。

近年來，我國對如何逐步實現“雙碳”目標持續釋放出政策“加碼”信息，建筑業相關政策陸續發布。2021 年9 月，住建部發布《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（GB 55015—2021），首次明確建筑碳排放報告成為建筑設計文件中的強制性要求，并要求新建居住和公共建筑碳排放強度應在2016 年節能設計標準基礎上平均降低40%，碳排放強度平均降低7kg CO2/(m2·a)以上[3]。2021 年10 月，國務院發布《關于印發2030 年前碳達峰行動方案的通知》，其中對“優化建筑用能結構”做出了明確規定。2022 年3 月，住建部發布《關于印發“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃的通知》，明確指出建筑領域需加強統計與監測能力的建設，完善建筑領域能源消費統計制度和指標體系，探索建立城市基礎設施能源消費統計制度。建筑碳排放相關標準、制度及方法學作為建筑“雙碳”工作的基礎技術備受關注。因此，在全球碳達峰、碳中和背景下，亟需厘清建筑領域碳排放計算問題，明晰建筑節能減碳機制，提升建筑節能技術水平，探究建筑“雙碳”目標的實施路徑。

1 建筑碳排放計算概述

建筑碳排放分析計算是建筑“雙碳”研究的基礎，國際上絕大部分研究針對建筑運行階段展開，而國內則對全生命周期范圍計算更加青睞。全生命周期理論由卡曼于1966 年首次提出，之后經過眾多學者的發展并引入各個領域。廣義來講，全生命周期理論是指一個事物從其興起到結束的過程。建筑全生命周期則是指從建筑的最初設計、施工，再到建筑整個壽命期間的運行，最后廢棄拆除的連續的全過程。由于建筑項目建成所需技術復雜多樣、建設周期長、風險高，對其全過程進行階段劃分至關重要。因此，建筑領域學者根據建筑項目過程的性質，將建筑全生命周期分為了建材生產與運輸階段、建造階段、運行階段、拆除階段等四個階段，并得到普遍認同。

1.1 標準理論基礎

1.1.1 主流標準

目前，我國建筑領域的綠色低碳化標準體系仍在建設中，涉及建筑碳排放計算的主流標準包括《建筑碳排放計算標準》（GBT 51366—2019）、《民用建筑綠色性能計算標準》（JGJ ∕T 449—2018）、《建筑和土木工程的可持續性：現有建筑在使用階段的碳計量》（ISO 16745—2017）和《建筑碳排放計量標準》（CECS 374—2014）。四部標準均闡述了建筑碳排放計算的方法學和原則，主要包含實測法、碳排放因子法、物料衡算法、施工工序能耗估算法等。在具體的計算內容和側重點上，各標準存在一定的差異（表1）。

表1 各標準不同階段碳排放計算要求

（1）《建筑碳排放計算標準》提出建筑全生命周期的碳排放計算具體方法，要求計算建材生產及運輸、建造、運行、拆除階段全過程的碳排放總量，重點闡述各階段碳排放計算方法。

（2）《民用建筑綠色性能計算標準》僅對建材生產及運輸、運行階段的碳排放計算做出要求和分析。

（3）《建筑和土木工程的可持續性：現有建筑在使用階段的碳計量》是僅針對建筑運行階段碳排放計量、報告和核證的國際標準，具有較強的國際認可度。

（4）《建筑碳排放計量標準》是由中國工程建設協會編制發布的我國第一部真正意義上的建筑碳排放分析計算標準，適用于新建、改建和擴建及既有建筑的全生命周期碳排放計算，重點介紹數據收集與處理方法。

1.1.2 建筑全生命周期碳排放計算要點

根據《京都議定書》規定，建筑碳排放計算時應包含《IPCC國家溫室氣體清單指南》《京都議定書》和《多哈修正案》中規定控制的7 種溫室氣體排放量，具體為：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化合物（HFCs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6）、三氟化氮(NF3)。根據上述四種建筑碳排放計算標準，總結建筑全生命周期碳排放計算要點如下：

（1）建材生產及運輸階段碳排放。主要包括鋼筋、水泥、磚等主要建材生產及從產地運輸到施工現場過程的碳排放之和，通過查詢設計圖紙、采購清單等工程建設相關技術資料，確定建筑的建材消耗量。計算時選取主要建材重量不能低于建筑所耗建材總重量的95%，在此條件下，重量占比低于0.1%的建筑材料可不列入計算；

（2）建造階段碳排放。主要包括完成分部分項工程施工與措施項實施過程碳排放和施工人員在現場辦公及生活產生的碳排放。基于建設項目所處階段（設計、竣工），可選擇采用實際施工能源消耗數據統計計算法和施工能耗估算值計算法（施工能耗定額法、工程預算決算書法、經驗公式法）進行計算；

（3）運行階段碳排放。主要來自能源和資源消耗。以住宅為例，能源和資源消耗主要集中在空調系統、照明系統、動力設備系統、生活熱水及燃氣等，碳排放即來自于各個系統運行耗能釋放。本階段建筑碳排放核算以一個完整的自然年為時間單位，乘以建筑使用壽命得出運行階段碳排放總量。對于已建成的項目可采用能耗監測法、資源統計法，對未建成的項目可采用能耗模擬法和按設計標準各項參數指標測算法；

（4）拆除階段碳排放。主要包括機械拆除、人工拆除和建筑廢棄物運輸所用能耗產生的碳排放。核算方法與建造階段類似；

（5）碳匯減排量主要包括綠化、水體等碳匯措施的碳吸收量，建筑碳匯以植被綠化為主。建筑碳匯種類及建設面積可從建筑的景觀圖紙中獲得。

1.2 建筑碳排放工具現狀

隨著標準體系的完善及市場需求增大，建筑碳排放計算工具逐步發展，從其推廣規模和實用性來看，可分為以下幾類：

（1）軟件建模工具：軟件建模是實現建筑碳排放分析計算的工具之一，《建筑節能與可再生能源利用通用規范》發布實施以來，其使用率大幅提升。此類工具主要通過建模分析，預測建筑的碳排放情況，如“PKPM-CES 建筑碳排放軟件”“T20-CEV5.0”等；

（2）小眾定制軟件工具：基于客戶需求和自身需要，部分團隊自主研發了建筑碳排放計算軟件，相較于大眾商業化軟件，其普及率相對較低但針對性更強。如東禾建筑碳排放計算分析專用軟件，部分高科技企業基于云服務提供或開發的IaaS、PaaS、SaaS 解決方案等；

（3）人工分析計算工具：除軟件工具外，行業內許多研發團隊自主開發基于已建成項目實體的建筑碳排放人工分析計算方法。與軟件工具不同，人工分析計算的自主性更強，數據更貼近于實際，但數字化程度偏低，分析計算周期較長。

由于建筑碳排放計算分析受發展階段和已有基礎條件等因素的限制，工作中還面臨一些待解決問題：一是碳排放因子數據不統一、不完備；二是缺乏針對裝配式、市政工程、環境工程的配套碳排放核算標準；三是建筑全生命周期中各種不確定性導致碳排放計算可能存在較大誤差；四是計算工具的數據集和輸出報告還不夠完善。

2 建筑節能減排路徑

根據碳排放的主要來源，通過對建筑工程項目從設計、建造及運行、拆除分析入手，因地制宜采取經濟合理的措施，實現建筑節能減排目標。

2.1 設計階段

項目設計對項目全生命周期的成本和質量具有重大影響，此部分設計階段包含建筑項目的前期設計和建材生產及運輸部分。

（1）嚴控節能標準落實效果。近年來，隨著綠色化、低碳化概念對各領域的滲透，我國建筑節能標準不斷提高（圖1），針對標準特性衍生出綠色建筑、超低能耗建筑、零碳建筑等概念。當前，重慶市實施的《居住建筑節能65%（綠色建筑）設計標準》（DBJ 50-071—2020）、《公共建筑節能（綠色建筑）設計標準》（DBJ 50-052—2020）不僅增加了建筑的結構、景觀等節能設計，還提高了綠色建材應用比例[4-5]。2022 年4 月1 日起執行的《建筑節能與可再生能源利用通用規范》強制要求新建居建和公建平均設計能耗水平在原標準基礎上再下降30%和20%，公建平均節能率達72%，嚴寒和寒冷地區、其他氣候區居建平均節能率分別達75%、65%。嚴格執行節能標準，推動綠色建筑與低碳建筑發展，有助于建筑節能減排目標的實現。

圖1 節能建筑發展歷程（標準）

（2）加大綠色建材使用比例，合理制定建材運輸方案。在建材生產及運輸方面，選取節能環保型材料是執行節能設計標準的重點措施之一。就建材壽命和循環利用方面考慮，選擇高強度、耐高溫、抗腐蝕的高性能與可回收建材，能夠有效降低在建筑運營維護階段由于建筑修繕所帶來的碳排放以及二次使用回收建材所減少的新建材用量碳排放。此外，“就地取材”能直接減少建材運輸距離，根據不同建材需求采用合理運輸工具能提高運輸效率，均有助于降低建材運輸過程碳排放總量。

2.2 建造階段

推進建筑綠色建造發展，是建筑業邁向“雙碳”目標的關鍵技術之一。綠色建造是指通過科學化的管理與技術創新，以節能降碳和高質量發展為目標，利用工業化、信息化技術開展建筑建造的方式。綠色建造兼具綠色化、工業化、信息化、集約化和產業化特征[6]，是對傳統建造活動的全過程與全要素“脫碳”，有助于建筑全過程建造效率的提升，促進建筑綠色低碳轉型。

（1）提升綠色化水平。在建筑建造項目的策劃、設計、建材、施工、交付全過程采用綠色統籌一體化方式，回收建筑建造垃圾，降低建造過程能源資源消耗量，提升資源利用率。

（2）提升工業化水平。利用建筑標準化設計、建材工業化生產、現場裝配式施工、室內一體化裝修和全過程信息化管理手段，完成建筑工業化建造。裝配式建筑是工業化生產的重要技術，合理運用建筑外墻、樓梯、樓板等預制構件，可減少施工階段碳排放。

（3）提升信息化水平。信息共享與集成支撐建造規劃與設計、生產與施工各環節綠色化發展，提升各專業與各參與方的協同工作效率。信息化與工業化的融合促使建筑建造綠色化、智能化與精細化深度發展。

試驗組與對照組樣本量均按等比例分配。從有效性角度，根據統計學要求，按等組間比例1∶1安排例數，根據以往研究文獻結果，三伏貼療法預期的有效率約70%，取α=0.05，β=0.1，雙側檢驗，每組33例，考慮脫落因素，適當增加例數20%，故每組40例，總計120例。

（4）提升集約化水平。建造集約化發展有助于解決建筑產業的“碎片化”、信息孤島、協同不足等問題，使建造過程更具組織化、系統化、精細化等特征。

（5）提升產業化水平。產業化即通過資源共享與上下游利益共謀進行產業資源整合，實現全產業鏈綠色化發展。刺激前端建材產品綠色轉型，引領下游綠色建筑、低碳（零碳）建筑產品發展，形成完整綠色產業鏈。

2.3 運行階段

建筑運行階段碳排放占比超過建筑全生命周期碳排放總量的一半以上[7]，是建筑節能降碳的重點環節。依據建筑運行階段碳排放來源，應從提升建筑運行能效和優化能源結構兩方面進行改進。

（1）淘汰落后、能效水平低的設備，提升設備性能。淘汰國家明令禁止的設備，選用高效節能型產品，如中央空調、冰箱、電梯、照明燈具及變壓器等主要用能設備，提升暖通系統、電梯系統、照明系統設備能效水平，實現運行設備節能降碳目標。

（2）提高建筑構件及設備品質，加強維護管理，提升運行壽命。對建筑外墻、門窗及燈具、通風機等易損耗構件與設備進行定期保養維護，減少在建筑運行期間的更換頻次，避免更換新產品所帶來的生產及運輸過程碳排放[8]。

（3）優化能源結構，提高清潔能源利用率。大力發展清潔能源是實現“雙碳”目標的重要抓手，低碳、零碳建筑建設離不開負碳技術的支持。構建高效合理的建筑可再生能源系統，如太陽能光伏發電、太陽能熱水、水源熱泵、分布式風能發電等，打造“源網荷儲”一體化運營模式，有助于實現建筑綠色可持續發展。

（4）采用智慧技術，構建信息化運營系統。以數字化技術助推建筑能源的“開源節流”，構建建筑智慧化運營平臺，從通風、空調、照明等方面減少建筑用能，融合全生命周期能源管理系統，實現能耗指標參數可視化及高能耗響應，進行能源調度和能源管理，降低用能成本與運行過程碳排放。

2.4 拆除階段

（1）選擇合理經濟的拆除方案。主流建筑拆除方式包括人工拆除、機械拆除、爆破拆除，其中機械拆除與爆破拆除較為普遍，兩者均有拆除速度快的特點，但其建筑材料可回收率低，增加建筑垃圾處理碳排放。相關研究表明，拆解比拆毀方式鋼鐵回收率高20%[9]。根據建筑類型合理制定人工拆除與機械拆除相結合的方式，提升資源循環利用率，減少下游處理過程碳排放。

（2）降低建筑廢棄物運輸碳排放。對建筑廢棄物進行分類，針對不同廢棄物合理選擇運輸工具和就近廢棄物處理點，減少運輸次數與總運輸距離，降低廢棄物運輸過程碳排放總量。

從全生命周期角度出發，通過對碳排放因素的分析，采取針對性的減碳措施（圖2），加強建筑全過程節能減排管控，為實現建筑低碳排放甚至零碳排放提供有力支撐。

圖2 建筑節能減排路徑措施

3 結語

20 世紀90 年代，建筑全生命周期碳排放在國際上被納入綠色建筑標識評價體系，碳量化及減碳量指標成為綠色建筑評估的重點內容。從國家及地方、行業政策來看，建筑業節能減排“當下行動”日漸緊迫。基于低碳化發展背景，本文對建筑全生命周期碳量化的標準依據進行分析，從碳排放來源角度出發，總結提煉了全生命周期各階段的減碳技術路徑，為建筑低碳化技術體系建立及推廣應用提供理論支撐。

盡管建筑節能減排相關研究如火如荼，其實施路徑發展仍待突破，碳排放量化技術與數據管理還存在一定不足。一方面，碳排放量化技術體系不夠完備，缺乏精細化計量分支和準確碳盤查方法，衡量指標不明確，與日新月異的市場和政策脫節；另一方面，智慧運營系統不夠完善，缺乏設備故障監測系統和柔性調度、節能優化及需求側的主動負荷響應。針對各項不足，行業內還需進一步開展技術支撐研究。