大型公共建筑全生命周期碳排放核算及評(píng)價(jià)

李同燕++孫錦++史翀祺++云福++張清華++陶懷亮

摘要：以生命周期理論為研究基礎(chǔ)，對(duì)大型公共建筑全生命周期碳排放核算與評(píng)價(jià)的范圍進(jìn)行了界定，并分析建立了大型公共建筑全生命周期碳排放核算模型。以北京某大型公共建筑為例，根據(jù)核算模型測(cè)算了其全生命周期碳排放量并進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，提出了針對(duì)大型公共建筑節(jié)能減排的措施。

關(guān)鍵詞：大型公共建筑；生命周期評(píng)價(jià)；碳排放；溫室氣體

中圖分類號(hào)：F407.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）16001304

1引言

溫室氣體排放是全球氣候變暖的主要原因[1]，而初級(jí)能源消耗是溫室氣體排放的主要源頭。建筑行業(yè)是世界上最大的能源消耗行業(yè)之一，占全球最終能源消耗的30%[2]，建筑業(yè)初級(jí)能源消耗占30%～40%，全球約有40%～50%的溫室氣體來源于建筑業(yè)[3]。目前，我國(guó)處在經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)時(shí)期，建筑行業(yè)所消耗的資源和材料約為我國(guó)資源利用量的40%～50%，所消耗的能源約占全社會(huì)各項(xiàng)活動(dòng)總能耗的30%[4]。建筑物在施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和拆除過程中所引起的溫室氣體排放量，預(yù)計(jì)在2030年將占全社會(huì)總排放量的25%左右[5]。如何行之有效的減少建筑物建造施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和拆除過程的碳排放已經(jīng)成為世界各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）方法是對(duì)某一產(chǎn)品（或服務(wù)）在整個(gè)生命周期內(nèi)相關(guān)的環(huán)境因素和潛在影響進(jìn)行評(píng)估[6，7]，已被廣泛用作建筑行業(yè)綜合環(huán)境影響評(píng)估方法。生命周期評(píng)價(jià)通過為各類型建筑物和建筑材料產(chǎn)品生命周期的每個(gè)階段定義一個(gè)分析范圍來評(píng)估能源消耗和環(huán)境污染物排放水平[8，9]。劉念雄等[10]將建筑物的生命周期劃分為建材生產(chǎn)準(zhǔn)備、建筑物建造施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、拆除4個(gè)階段，并對(duì)建筑物各個(gè)階段的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。Stephan A 等[11]將建筑物生命周期框架分為建筑材料生產(chǎn)、建筑物建造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、拆除及建材產(chǎn)品處理階段，并將建筑物生命周期碳排放過程劃分為物化、運(yùn)輸和運(yùn)營(yíng)三個(gè)層次。筆者以生命周期評(píng)價(jià)理論為研究基礎(chǔ)，將北京市某大型公共建筑作為實(shí)例研究對(duì)象，分析建立了大型公共建筑全生命周期碳排放核算模型，根據(jù)核算結(jié)果對(duì)案例建筑碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，以期為我國(guó)現(xiàn)階段大型公共建筑節(jié)能減排和綠色發(fā)展提供理論支撐和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2建筑業(yè)生命周期評(píng)價(jià)理論原理

2.1核算邊界

建筑物生命周期，是指建筑物從開始設(shè)計(jì)建造到建筑物拆除處置的全過程，包括建筑材料開采和生產(chǎn)，建筑構(gòu)配件生產(chǎn)加工，建材產(chǎn)品運(yùn)輸，建筑工程建造施工，建筑物運(yùn)營(yíng)維護(hù)，循環(huán)再利用及拆除處置等階段，如圖1所示[12]。對(duì)大型公共建筑進(jìn)行碳排放核算應(yīng)將視角聚集在建筑物的全生命周期內(nèi)，但由于大型公共建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃、招投標(biāo)等階段的數(shù)據(jù)不可得且占比非常少，案例中暫時(shí)只考慮對(duì)大型公共建筑碳排放數(shù)據(jù)影響較大的主要階段，即大型公共建筑碳排放核算范圍界定為物化、運(yùn)營(yíng)和拆除階段。

2.2功能單位

建筑物碳排放量會(huì)因建筑物規(guī)模、使用材料、使用機(jī)械器具、拆除方式的不同而大不相同；而運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳排放將會(huì)在建筑物全生命周期內(nèi)持續(xù)發(fā)生，因此建筑物的使用年限對(duì)碳排放數(shù)據(jù)的影響也非常大。因此，選取一個(gè)合適的功能單位是大型公共建筑生命周期評(píng)價(jià)指標(biāo)準(zhǔn)確的關(guān)鍵，該指標(biāo)要兼顧單個(gè)建筑碳排放量的縱向可比性和各個(gè)建筑碳排放量橫向可比性。選取單位面積年碳排放量作為建筑物生命周期碳排放評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅能夠減少因建筑物規(guī)模、使用材料、機(jī)具不同而引起的影響，也能使得各建筑物間指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的一致性和可比性，故大型公共建筑生命周期碳排放核算的功能單位是單位建筑面積年碳排放量。

2.3清單分析

建筑物生命周期碳排放清單分析，是指為實(shí)現(xiàn)建筑物特定的研究目的，對(duì)研究所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集，即針對(duì)所研究建筑物形成的一份詳細(xì)的輸入輸出數(shù)據(jù)清單，如圖2所示[13]。

2.4核算模型

建筑物全生命周期碳排放一般以產(chǎn)生的CO2排放量來衡量。核算模型公式為[14]：

CT=Cc+Cu+Cd （1）

式（1）中，CT表示CO2總排放量；Cc表示物化階段CO2排放量；Cu表示運(yùn)營(yíng)階段CO2排放量；Cd表示拆除階段CO2排放量。

由此可以得出建筑物單位面積年碳排放量，即建筑物生命周期CO2排放量評(píng)價(jià)指標(biāo)C：

C=CT/（S·Y）（2）

式（2）中，S代表建筑物的總建筑面積，Y代表建筑物的使用年限，文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)表示，我國(guó)一般房屋使用年限為50年。

建筑物物化階段CO2排放量分為三個(gè)部分，即：

Cc=cc1+cc2+cc3（3）

式（3）中，cc1表示物化階段建材產(chǎn)品生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2排放量；cc2表示物化階段建材產(chǎn)品運(yùn)輸所產(chǎn)生的CO2排放量；cc3表示物化階段施工過程所產(chǎn)生的CO2排放量。

建筑物運(yùn)營(yíng)階段CO2排放量Cu分為三個(gè)部分，即：

Cu=cu1+cu2+cu3（4）

式（4）中，cu2表示運(yùn)營(yíng)階段建筑物供暖消耗能源所產(chǎn)生的CO2排放量；表示運(yùn)營(yíng)階段建筑物空調(diào)及照明等消耗能源所產(chǎn)生的CO2排放量；表示運(yùn)營(yíng)階段建筑物空調(diào)及照明等消耗二次能源所產(chǎn)生的CO2排放量。

建筑物拆除階段CO2排放量分為三個(gè)部分，即：

Cd=cd1+cd2（5）

式（5）中，cd1表示拆除階段建筑廢棄物處理所產(chǎn)生的CO2排放量；cd2表示拆除階段建筑廢棄物運(yùn)輸所產(chǎn)生的CO2排放量。

3北京市某公共建筑生命周期評(píng)價(jià)

選取北京市某大型公共建筑作為實(shí)例研究對(duì)象，其建設(shè)用地面積為4.14萬m2，總建設(shè)面積為36.9萬m2（辦公樓地上建設(shè)面積為24.0萬m2，地下建設(shè)面積為12.9萬m2），設(shè)定該大型公共建筑的使用壽命為 50 年。因設(shè)計(jì)規(guī)劃和招投標(biāo)階段碳排放量占比相當(dāng)少且數(shù)據(jù)不可得，案例只核算物化、運(yùn)營(yíng)和拆除階段的碳排放量。endprint

3.1數(shù)據(jù)清單

該案例建筑物物化階段的數(shù)據(jù)來源于具體的施工方案和工程量清單。

建筑物物化階段碳排放主要包括建筑材料生產(chǎn)和運(yùn)輸、施工過程消耗能源和資源所引起的排放。案例選取施工用量最大的10種建材產(chǎn)品進(jìn)行分析，具體數(shù)值如表1所示。

表1建筑材料消耗量

種類水泥/萬t鋼筋/萬t砂/萬t石/萬t粘土磚/萬塊木材/m3玻璃/萬t鋁材/萬t涂料/萬t陶瓷/萬t

消耗量15.925.6734.2143.501.791371.10.270.180.131.70

該案例中大型公共建筑所用的建筑材料主要是從北京周邊地區(qū)購(gòu)進(jìn)，其運(yùn)輸方式以公路運(yùn)輸為主，因無法準(zhǔn)確衡量建材產(chǎn)品運(yùn)輸距離，在此統(tǒng)一選取35 km。其中公路運(yùn)輸?shù)膯挝贿\(yùn)輸碳排放為1.92E-4 t/（t·km）[15]。施工過程主要是各種施工機(jī)械消耗化石燃料所產(chǎn)生的碳排放。

建筑物運(yùn)營(yíng)階段碳排放主要包括建筑物照明、采暖、空調(diào)等等日常生活和工作所需的能源消耗排放，其數(shù)據(jù)主要來源于建筑物使用過程中的能耗數(shù)據(jù)，設(shè)定該大型公共建筑的使用壽命為50年，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

建筑物拆除階段碳排放主要包括建筑廢棄物處理和運(yùn)輸所產(chǎn)生的碳排放，建筑廢棄物運(yùn)輸量與消耗量一致，建筑物廢棄物處理工程量具體如表3所示。

3.2碳排放核算

由表1～3的數(shù)據(jù)可以分別計(jì)算出該大型公共建筑物化階段、運(yùn)營(yíng)階段和拆除階段碳排放量，具體如表4所示。

3.3結(jié)論與分析

由表4可見，該大型公共建筑生命周期碳排放總量為835.27萬t，每平方米年碳排放量為452.72 kg/（a·m2）。其中運(yùn)營(yíng)階段碳排放量最多，為804.92萬t，占總排放量的96.37%，每平方米年碳排放量為15.77 kg/（a·m2）；其次為物化階段，碳排放為29.10萬t，占總排放量的3.48%，每平方米年碳排放量為436.27kg/（a·m2）；拆除階段碳排放量為1.24萬t，占總排放量的0.15%，每平方米年碳排放量為0.67 kg/（a·m2）。因此，大型公共建筑節(jié)能減排的重點(diǎn)方向在于運(yùn)營(yíng)階段和物化階段[16]。

運(yùn)營(yíng)階段碳排放主要包括電力和取暖耗能兩大部分。照明和空調(diào)是電能的主要消耗項(xiàng)目，因此在大型公共建筑設(shè)計(jì)階段就要考慮到能源消耗問題。一是在保證人們辦公和生活質(zhì)量的情況下，充分利用自然光和改變大型公共建筑的電源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源，推廣高效清潔的供電體系；二是養(yǎng)成良好的用電習(xí)慣，減少長(zhǎng)明燈和空調(diào)無效運(yùn)行等方面的能源浪費(fèi)；三是在滿足照明、取暖制冷需求的情況下，要盡量采用節(jié)能環(huán)保型燈具，減少空調(diào)等大型耗能設(shè)備的使用，降低建筑運(yùn)營(yíng)耗能。

物化階段碳排放主要集中在建筑材料生產(chǎn)和施工機(jī)械運(yùn)用方面，故可針對(duì)這兩方面進(jìn)行節(jié)能減排改造。一是增強(qiáng)建筑材料生產(chǎn)工藝和新型建筑材料的研究開發(fā)，提高建筑材料行業(yè)的能源利用率，提高建筑材料使用壽命；二是鼓勵(lì)建筑材料生產(chǎn)商實(shí)施清潔生產(chǎn)，從而進(jìn)一步降低材料損耗；三是選用新型節(jié)能型施工機(jī)械，實(shí)現(xiàn)建筑工地用能的最優(yōu)化管理；四是合理安排施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，盡量減少夜間施工。

4結(jié)語(yǔ)

基于生命周期評(píng)價(jià)理論為研究基礎(chǔ)，分析了大型公共建筑生命周期碳排放核算方法和評(píng)價(jià)原理，對(duì)大型公共建筑生命周期碳排放核算范圍及功能單位進(jìn)行了界定，同時(shí)對(duì)大型公共建筑生命周期物化、運(yùn)營(yíng)和拆除階段分別進(jìn)行了清單分析，建立了大型公共建筑生命周期碳排放核算模型。選取了北京市某大型公共建筑為公共建筑生命周期碳排放核算和評(píng)價(jià)案例，定量分析與評(píng)價(jià)了案例建筑生命周期各階段能耗及碳排放特點(diǎn)，為生命周期理論在大型公共建筑方面的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)，進(jìn)一步為大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及其節(jié)能減排措施的制定奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]

張強(qiáng)， 韓永翔， 宋連春. 全球氣候變化及其影響因素研究進(jìn)展綜述[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展， 2005（9）：990～998.

[2]IEA. CO2 Emissions from Fuel Combustion Highlights[M]. Paris， France：International EnergyAgency （IEA）， 2013：600.

[3]Asif M， Muneer T， Kelley R.Life cycle assessment： a case study of a dwelling home in Scotland[J]. Building and Environment， 2007， 42（ 3） ： 1391～1394.

[4]吳星. 建筑工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系和應(yīng)用研究[D]. 北京： 清華大學(xué)，2005.

[5]周笑綠. 循環(huán)經(jīng)濟(jì)與中國(guó)建筑垃圾管理 [J]. 建筑經(jīng)濟(jì)， 2005（6）： 14～16.

[6]ISO. ISO 14040，Environmental Management-Life Cycle Assessment-Principles and Framework[R].International Organization for Standardization，2006.

[7]Chang Y， Ries J R， Wang Y W. The quantification of the embodied impacts of construction projects on energy， environment and society based on I-O LCA[J]. Energy Policy， 2011， 39（10）： 6321～6330.

[8]Russell S， Lepech M D， Fruchter R， et al. Sustainable target value design： integrating life cycle assessment and target value design to improve building energy and environmental performance[J]. Clean. Prod，20104（19）.

[9]王婉瑩. 建筑施工低碳化研究[D]. 西安： 西安建筑科技大學(xué)， 2013.

[10]劉念雄， 汪靜， 李嶸. 中國(guó)城市住區(qū)排放量計(jì)算方法[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2009（49）： 1433～1446.

[11]Stephan A， Crawford R H， MyttenaereK.Towards a comprehensive life cycle energy analysis framework for residential buildings[J]. Energy and Buildings， 2012（9）： 1～9

[12]尚春靜， 張智慧. 建筑生命周期碳排放核算[J].工程管理學(xué)報(bào)， 2010， 24（1）： 7～12.

[13]Roger F， Graham T， Iyer-Raniga U. Life-cycle Energy Analysis of Buildings： a Case Study[J]. Building Research and Information， 2000， 28（1）： 31～41.

[14]邵鈺涵. 基于建筑項(xiàng)目全生命周期碳排放量計(jì)算方法下的低碳建筑評(píng)價(jià)[J]. 甘肅科技， 2015， 31（4）： 104～107.

[15]佘潔卿. 基于LCA的夏熱冬暖地區(qū)公共建筑碳排放及減排策略研究—以廈門市為例[D].北京： 清華大學(xué)， 2014.

[16]萬振華， 郭艷紅， 李升才. 基于全生命周期的建筑節(jié)能措施探討[J]. 嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報(bào)（ 自然科學(xué)版）， 2011， 27（ 6）： 56～59.endprint