基于LCA的建筑全生命周期能耗研究*

王艷 馮群

(濟(jì)南大學(xué)商學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

0 引言

建筑業(yè)是三大能源消耗產(chǎn)業(yè)之一，也是導(dǎo)致全球持續(xù)變暖的溫室氣體排放的主要來源[1]。隨著全球氣候條件的惡化和低碳經(jīng)濟(jì)的興起，世界各國越來越重視能源效率和能源減排。發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)表明，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和生活水平的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)中消耗的能源占比會(huì)不斷下降，與此同時(shí),建筑業(yè)和交通業(yè)消耗的能源占比會(huì)持續(xù)上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來建筑業(yè)能耗占全球總能源消耗的39%[2]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)在第四次評(píng)估報(bào)告中指出，到2030年，全球建筑業(yè)的碳減排潛力可以達(dá)到每年60億t，是所有產(chǎn)業(yè)中最高的。因此，降低建筑業(yè)能耗是2030年實(shí)現(xiàn)碳峰值、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要舉措，也是實(shí)現(xiàn)將全球溫度上升控制在1.5℃以內(nèi)長期目標(biāo)的關(guān)鍵組成部分。

2018年，我國建筑業(yè)的能源消耗達(dá)到21.41億t標(biāo)準(zhǔn)煤，二氧化碳排放量達(dá)到49.32億t，占全國二氧化碳排放總量的46%，面臨巨大的碳減排壓力[3]。然而，目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)ㄖ芎牡恼J(rèn)識(shí)差異很大，缺少近20年我國建筑能耗的統(tǒng)一數(shù)據(jù)。對(duì)建筑能耗認(rèn)知的差異，主要源于建筑能耗計(jì)算方法和統(tǒng)計(jì)口徑不同，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差異較大。建筑能耗的統(tǒng)計(jì)口徑可分為狹義與廣義。狹義上的建筑能耗是指建筑物運(yùn)行所需的能源，包括現(xiàn)有建筑中使用的能源，主要用于供暖、空調(diào)、照明、電器和烹飪?cè)O(shè)備等。而廣義上的建筑能耗，參考的是建筑的整個(gè)生命周期[4]，包括建筑產(chǎn)品生命周期內(nèi)的總能耗，僅關(guān)注運(yùn)行階段的建筑能耗是不全面的。因此，本文將建筑能耗分為建筑材料生產(chǎn)和加工階段、施工階段、建筑運(yùn)行使用階段及建筑的拆除處置階段，并采用全生命周期分析方法，構(gòu)建建筑全生命周期能耗模型，計(jì)算并分析2000—2019年建筑全生命周期能耗[3]。

1 建筑能耗模型

1.1 生命周期分析方法

生命周期分析也稱為全生命周期評(píng)價(jià)(LCA)，是對(duì)一個(gè)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期從初始到結(jié)束的研究，是從原材料采購、設(shè)計(jì)、制造到使用，再到回收和最終處置全過程的研究[5]。按照國際標(biāo)準(zhǔn)，LCA主要包括4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的階段，其中目標(biāo)和范圍的定義是LCA的第一步，需要明確指出LCA分析的目標(biāo)、背景、理由等；清單分析是計(jì)算產(chǎn)品整個(gè)生命周期的能源投入和資源消耗等，是目前LCA中發(fā)展最為完善的一部分，也是本文主要使用的部分；環(huán)境影響評(píng)估是指在清單分析的基礎(chǔ)上對(duì)各種問題潛在影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)價(jià)；結(jié)果解釋則主要是指清單分析和影響評(píng)估、總結(jié)與建議[6]。

20世紀(jì)90年代初，西方學(xué)者將LCA方法引入建筑能耗研究，指出建筑能耗發(fā)生在建筑生命周期的每個(gè)階段：建筑材料準(zhǔn)備階段、建筑建造階段、建筑使用階段、建筑拆除階段和廢舊建筑材料處置階段[7]。

1.2 建筑全生命周期能耗模型

基于LCA分析，本文將建筑能耗的整個(gè)生命周期分為4個(gè)階段：建筑材料生產(chǎn)和加工階段、建筑施工階段、建筑運(yùn)行使用階段及建筑的拆除處置階段。

(1)建筑材料生產(chǎn)和加工階段。該階段產(chǎn)生的能耗主要包括挖掘原材料、進(jìn)行原材料的處理加工以及運(yùn)輸建筑材料所消耗的能源。此階段能耗的構(gòu)成主要是生產(chǎn)加工及運(yùn)輸水泥、鋼鐵、鋁、玻璃、塑料、石材等建筑材料產(chǎn)生的能耗。

(2)建筑施工階段。該階段的能源消耗是指對(duì)建筑物進(jìn)行施工時(shí)使用的能源，如使用的水和電等。

(3)建筑運(yùn)行使用階段。該階段產(chǎn)生的能耗是指在建筑物使用階段消耗的能源，主要由各種終端設(shè)備耗能構(gòu)成，其中包括為維持建筑環(huán)境所使用的能源，如供暖、制冷、通風(fēng)、空調(diào)和照明，以及為建筑物內(nèi)各種活動(dòng)所使用的能源，如辦公、廚房使用等。

(4)建筑的拆除處置階段。該階段的能耗是指建筑在經(jīng)過一定的使用年限后將其進(jìn)行拆除并處置拆除廢棄物所消耗的能源，主要包括拆除用水、拆除用電、垃圾處置等消耗的能源。

以上4個(gè)階段的能耗也是本文的主要研究范疇。基于生命周期評(píng)價(jià)法，對(duì)建筑全生命周期的各階段能耗進(jìn)行全過程系統(tǒng)分析，能夠更加準(zhǔn)確地找出建筑能耗變化的真正原因。因此，基于全生命周期分析，可以得出建筑全生命周期能耗為

QLCE=QME+QCE+QUE+QDE

式中，QLCE為建筑全生命周期能耗；QME為建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗；QCE為建筑施工階段能耗；QUE為建筑運(yùn)行使用階段能耗；QDE為建筑的拆除處置階段能耗。

其中，建筑施工階段能耗與建筑的拆除處置階段能耗在《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》中被統(tǒng)一計(jì)算為建筑業(yè)能耗。為了與廣義的建筑業(yè)能耗區(qū)分，本文將此兩部分能耗統(tǒng)稱為建筑建造施工階段能耗，其能源消耗主要與建筑企業(yè)的生產(chǎn)有關(guān)。

從建筑物的生命歷程，即原材料加工運(yùn)輸→建造施工→運(yùn)行→拆除施工角度出發(fā)，建筑物的整個(gè)生命周期能耗可劃分為三個(gè)主要階段：與建筑材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸有關(guān)的能源消耗，即建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗；與建筑物的建造施工、拆除施工有關(guān)的能源消耗，即建筑建造施工階段能耗；與建筑物的運(yùn)行有關(guān)的能源消耗，即建筑運(yùn)行使用階段能耗。

2 建筑全生命周期能耗計(jì)算

2.1 建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗

建筑材料類別眾多，主要包括鋼鐵、鋁、銅等金屬材料，以及水泥、平板玻璃、石材、石灰和塑料等非金屬材料。其中，由于鋼材與鋁材在金屬材料中占比很高，且考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性，對(duì)金屬建筑材料的生產(chǎn)能耗主要考慮鋼材能耗與鋁材能耗。考慮到水泥占非金屬材料能耗的70%，對(duì)非金屬材料能耗主要以水泥能耗為主要統(tǒng)計(jì)條目，并根據(jù)所占比例推算建筑材料工業(yè)能耗[8]。

本文主要采用實(shí)物消耗測(cè)算法進(jìn)行建筑材料生產(chǎn)加工能耗的測(cè)算，其基本思路是根據(jù)當(dāng)年建筑業(yè)主要建筑材料消費(fèi)量及其能耗強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)算。測(cè)算公式如下

QME=∑Ai×Ii

式中，QME表示建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗；Ai表示建筑材料產(chǎn)品i的消耗量；Ii表示建筑材料產(chǎn)品i單位產(chǎn)品的能耗強(qiáng)度。

相關(guān)的建筑材料消費(fèi)數(shù)據(jù)主要取自《中國建筑業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，建筑材料產(chǎn)品單位能耗強(qiáng)度數(shù)據(jù)主要取自《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》中的建筑材料產(chǎn)品單位能耗數(shù)據(jù)。2000—2019年建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗及所占比例如圖1所示。

圖1 2000—2019年建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗及所占比例

2.2 建筑建造施工階段能耗

《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》對(duì)建筑企業(yè)建造施工能耗進(jìn)行了單獨(dú)統(tǒng)計(jì)。2000—2019年全國建筑建造施工階段能耗及所占比例如圖2所示。

圖2 2000—2019年全國建筑建造施工階段能耗及所占比例

2.3 建筑運(yùn)行使用階段能耗

對(duì)建筑運(yùn)行使用階段能耗的計(jì)算，考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性和真實(shí)性，采用基于能源平衡表的測(cè)算方法。我國能源平衡表中終端能耗部門共有7類，而能源消費(fèi)主要為建筑能耗的有批發(fā)零售餐飲業(yè)、其他、生活消費(fèi)3個(gè)部門，因此選擇這3個(gè)部門作為建筑運(yùn)行能耗基礎(chǔ)量進(jìn)行下一步測(cè)算并考慮以下問題：①由于我國能源消費(fèi)是按照行業(yè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，在建筑運(yùn)行能耗基礎(chǔ)量中也統(tǒng)計(jì)了相關(guān)行業(yè)企業(yè)或者私人交通工具的用能；②其他能耗部門中包含部分建筑運(yùn)行能耗，如辦公樓的運(yùn)行等；③我國能源平衡表中對(duì)建筑集中供暖能耗的統(tǒng)計(jì)是明顯偏低的，建筑能耗基礎(chǔ)量中的熱力消費(fèi)相比建筑集中供暖能耗明顯偏低，因此需要進(jìn)行修正[9]。

建筑物在運(yùn)行使用階段的能源消耗的計(jì)算公式可表示為

QUE=QBV-QT+QH+QM

式中，QUE表示建筑物運(yùn)行使用階段能耗；QBV表示建筑的能耗基礎(chǔ)量；QT表示交通能耗扣除量；QH表示供暖能耗修正量；QM表示其他部門的建筑能耗量。

建筑能耗基礎(chǔ)量QBV由《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》中批發(fā)零售餐飲業(yè)、其他、生活消費(fèi)3個(gè)部門的能源消耗相加得出。交通運(yùn)輸扣除量QT根據(jù)商業(yè)和公共服務(wù)業(yè)(涉及基礎(chǔ)量中批發(fā)零售餐飲業(yè)和其他兩個(gè)部門)95%的汽油、35%的柴油用于交通運(yùn)輸，居民生活和農(nóng)業(yè)消費(fèi)的全部汽油、居民生活消費(fèi)的95%的柴油用于交通運(yùn)輸進(jìn)行測(cè)算得到[10]。供暖能耗修正量QH通過北方城鎮(zhèn)集中供熱能耗減去建筑能耗基礎(chǔ)量中的熱力消費(fèi)得到[11]。其他部門的建筑能耗QM通過交通運(yùn)輸、倉儲(chǔ)和郵政業(yè)中的建筑能耗與工業(yè)、建筑業(yè)能耗中的建筑能耗相加得到，其中交通運(yùn)輸、倉儲(chǔ)和郵政業(yè)中建筑能耗由交通運(yùn)輸、倉儲(chǔ)和郵政業(yè)的煤耗與交通運(yùn)輸、倉儲(chǔ)和郵政業(yè)建筑用電量相加得到，并假定工業(yè)、建筑業(yè)能耗中的建筑能耗與交通運(yùn)輸、倉儲(chǔ)和郵政業(yè)中的建筑能耗相當(dāng)[12]。

2000—2019年建筑運(yùn)行使用階段能耗及所占比例如圖3所示。

圖3 2000—2019年建筑運(yùn)行使用階段能耗及所占比例

2.4 建筑物全生命周期能耗

將上述各階段的能耗進(jìn)行匯總后，得出我國建筑物全生命周期能耗。2000—2019年建筑全生命周期能耗及所占比例如圖4所示。

圖4 2000—2019年建筑全生命周期能耗及所占比例

3 建筑全生命周期能耗分析

3.1 建筑能耗周期變化分析

從整體上看，2000—2019年我國建筑全生命周期能耗的變化趨勢(shì)主要分為4個(gè)階段：

(1)2000—2005年，建筑全生命周期能耗處于加速增長階段，年均增長率約為12.6%。這一階段的增長主要是由基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展推動(dòng)的。

(2)2005—2010年，建筑能耗持續(xù)增長，特別是2008年以后，由于建筑材料生產(chǎn)能耗的快速增長，建筑全生命周期能耗增長速度尤為明顯，年均增長速度約為10.6%。

(3)2010—2015年，建筑能耗經(jīng)過快速增長，在2012年達(dá)到自2000年以來的峰值，此后出現(xiàn)震蕩下降趨勢(shì)并趨于平穩(wěn)。

(4)2015—2019年，處于平穩(wěn)增長階段，年均增長速度約為6.5%。

3.2 建筑能耗結(jié)構(gòu)變化分析

從建筑全生命周期能耗總量構(gòu)成來看，建筑運(yùn)行使用階段能耗與建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗占絕大部分比重，建筑建造施工階段能耗所占比重較小且所占比例較為穩(wěn)定，占建筑全生命周期能耗的3%～5%。其中，建筑運(yùn)行使用能耗與建筑材料生產(chǎn)和加工能耗的主要變化階段可以分為以下兩個(gè)時(shí)間段：

(1)2000—2010年，建筑運(yùn)行使用能耗在2010年前是建筑全生命周期能耗的最大組成部分，占全生命周期能耗的50%～60%。在此時(shí)間段，建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗占比相對(duì)于建筑運(yùn)行使用階段能耗略低，占建筑全生命周期能耗的30%～40%。

(2)2010—2019年，建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗所占比例開始逐漸高于建筑運(yùn)行使用階段能耗，建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗所占比重為50%～60%，建筑運(yùn)行使用能耗所占比重為30%～40%。

4 結(jié)語

通過對(duì)2000—2019年建筑全生命周期能耗進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2019年全國建筑全生命周期能耗為24.79億t標(biāo)準(zhǔn)煤。其中，建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗為13.51億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占建筑全生命周能耗的比例最高；建筑運(yùn)行使用階段能耗次之，為10.76億t標(biāo)準(zhǔn)煤；建筑建造施工階段能耗最低，為0.91億t標(biāo)準(zhǔn)煤。自2010年開始，建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗所占比重為50%～60%，建筑運(yùn)行使用階段能耗所占比重為30%～40%，建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗成為建筑全生命周期能耗的主要組成部分。因此，降低建筑材料生產(chǎn)和加工階段能耗對(duì)于降低建筑全生命周期能耗具有重要意義。