建筑全生命周期碳排放核算与低碳设计策略研究

引言

21 世纪，全球变暖问题越来越突出，已经对人类的生存和发展造成了巨大的威胁。持续的温室气体排放造成全球变暖，并由此引起一系列的生态环境问题，如极端气候事件、极地冰川消融加速、海平面升高等。为了有效遏制全球变暖的趋势，世界各国加快了系统的减排步伐，努力实现“净零”。在这一背景下，《巴黎协定》提出的“碳中和”目标是当前全球气候治理的重要方向，其中包括到本世纪末，全球变暖幅度不超过2 摄氏度，力争不超过1.5 摄氏度。当前，世界上已经有 130 多个国家把碳中和列入了国家战略，各国政府机构、国际组织和跨国公司正在通过政策协调、技术共享和资本投资等方式，建立起多层面的全球气候合作机制。中国在 2020年提出“碳达峰、碳中和”的战略目标后，在构建“1+N”的政策体系的同时，也通过成立“南南合作气候基金”，为世界应对气候变化提供了可资借鉴的经验。

1 低碳建筑全生命周期碳排放概述

全生命周期碳排放量是全球公认的定量评价环境效应的重要方法。本项目以标准化的分析架构和明确的制度界限为基础，对从原料获取、生产加工、使用到废弃处置各个阶段对大气、土壤、水体等环境介质的综合影响进行了全面的测量，是目前国际上对全球温室气体排放清单的主要研究手段。本项目具有系统性和准确性，不仅可以对重点高排放区域进行跟踪，还可以通过物质流和能流的协同分析，揭示污染物在各阶段、各环境介质之间的传递途径，达到可视化的目的。在此基础上，企业可以对能耗高、排放高的过程进行精确定位，以防止全生命周期内以及不同生态子系统间的“隐形”传递，为我国产品的绿色化设计、生产过程的绿色升级提供重要的数据支撑和决策依据。

2 建筑全生命周期碳排放的阶段划分梳理

按照研究视角的差异，可以将建筑物的整个生命周期分为若干阶段的集成模式。在碳排放会计研究中，将建筑全生命周期分为建筑材料的生产和运输、建造、运营、拆除处置和材料循环利用五个重要环节，综合测度各个阶段的温室气体排放量。在设计层次上，注重合理的空间功能布局，选用低碳建筑材料，综合使用高效的设备体系；施工工序包括建筑材料的工业化生产，运输物流，工地建设，建筑废料回收；在运营阶段，重点是对建筑物的能耗和直接排放进行研究；维修后的管理重点是对建筑物的可适应性更新、部件替换和生命结束后的处理。

2.1 基本的划分方法

本项目拟采用《建筑碳排放计算标准》（GB/T51366-2019），对建筑生命周期内的碳排放进行系统评价，并对其进行系统评价。第一个阶段是建筑材料的前期工作，主要内容是从原材料的挖掘，生产，加工，运输，到工地的整个流程。这一阶段的碳排放量来自于工业生产能耗、加工过程中的化学反应和燃料消耗。第二个阶段，就是施工，主要包括基础的挖掘，主体结构的施工，内外装修的施工。该阶段主要依靠大型机械设备进行，能耗高、临时物料用量大，而建筑废弃物的处置又会产生一定的碳排放。第三个时期是建筑的使用和维修期，也就是建成后的长时间运行。这一时期的碳排放量在整个过程中所占比重很大，既有供暖、制冷、照明、通风和家电等用能需求，又有设备更新和局部维修产生的间接排放。第四个阶段是建筑的拆迁处理期，主要是指房屋使用年限结束后的拆迁工作，以及对垃圾的清理、处理或回收。其中的机械操作、物料运输、填埋和焚烧等都会导致温室气体的排放，提高物料的循环利用效率将大大减少这一阶段的碳足迹。通过精确地测量和分析各个阶段的碳排放量，进而提出有针对性的节能减排措施，并优化其设计和管理策略，促进我国建筑业的低碳和可持续发展。

2.2 可行性研究

在建筑设计阶段推进节能减排工作，需要注意的是：对场地进行合理的规划，优先遵循原始地形，防止大面积挖土和回填，减少对周围环境的干扰；对城市中心区和其他用地需求较大的地区，可以对其进行科学的地下空间开发，从而达到集约利用的目的；综合考虑基地的朝向、主导风向、周围的生态、景观等因素，对其进行合理的空间组织，提高其自然采光和自然通风能力，降低对人工照明和机械通风的依赖。同时，将太阳能光伏、光热利用和地源热泵等新能源技术相结合，提高建筑能耗的洁净度，实现节能减排。

3 建筑生命周期碳排放的计算

3.1 计算方法

目前，国内外对建筑寿命周期内碳排放量的估算方法主要有LCA 法、能量平衡法和排放系数法等。其中，LCA 是一种系统的环境评价方法，它可以定量地分析从材料采购、加工运输、施工建设、运营维护到拆除等各个环节的能耗与物质流，从而为建筑的低碳化设计提供理论支撑。以热力学第一定律为基础，构建了建筑能耗模型，计算了建筑系统中各个环节的能耗，再与各种能源的碳排放系数相结合，计算出总体排放量。针对具体生产工艺（例如建筑材料运输、设备使用等），采用生产数据和排放系数的线性相关关系，结合现场观测或权威的数值，对碳排放进行快速估算。

3.2 碳排放计算特点

在建筑物的碳排放会计方面，有三种不同的计算层次：（1） 基本层次：这一层次侧重于对核心指标的快速估计，一般使用经验式或约简模式，只需要输入基本数据就能实现单因素或多因素的估计。该方法具有操作简单、计算效率高等优点，适合在方案设计阶段进行估算，但受模型精度限制，不能真实地反映工程项目全要素碳排放特性。（2）专业层次：该层次基于Ecosoft、EcoEffect等专业软件平台，通过建立 BIM（BIM）集成多元数据，实现能耗仿真、物料清单分析等功能。本项目提出了一种基于多学科交叉理论的新方法，该方法具有良好的工程应用背景，能有效应对复杂体系间的相互作用，将其预测精度提高 30%-50% ，适合在方案比选中进行碳排放优化。（3） 高级层次：在 ISO14040 标准的基础上，利用 SimaPro、Gabi 等LCA 的专门工具，建立一个完整的生命周期评估模式。这一层次需要构建一个覆盖原材料开采、生产运输、施工安装、运行维护和拆除处理的全过程数据链，并对其进行不确定性分析。本项目研究成果将为碳足迹认证、碳交易核算等更深层次的应用提供技术支撑。在选择计算层次时，要考虑到项目的阶段、数据的完整性和资源的投入：在方案设计阶段可以使用基本层次的快速筛选法；在方案设计阶段，选择专业层次对多个方案进行比较；在方案设计和运行过程中，需要对项目进行精细化的全要素成本核算，从而为项目的碳排放决策提供科学的支撑。

3.3 建筑单体的碳足迹核算

在微观层面，通过对住宅单体的碳排放估算，为绿色建筑评估、碳交易等提供支撑，以更好地把握建筑本身的碳排放量。目前，已有的研究多从不同材料、不同构件、构件到结构系统等多个层面开展研究。

3.4 宏观层面建筑碳排放的核算

本项目拟以全球、全国、地区或省级为主要研究对象，从宏观角度出发，对我国建筑行业的碳排放总量进行估算和评价。本项目的研究目标是综合反映某一地区的建筑能源消耗及碳排放状况，为相关部门制定节能减排政策提供科学依据。建筑的宏观碳排放可划分为两个方面：一是建筑施工阶段的碳排放，包括建筑施工、建筑维修和拆除处理。该过程贯穿于建材的生产、运输、工地建设和废弃物处置等各个环节，在各个环节都会伴随着能耗的增加而产生大量的温室气体。二是建筑物运营期间的碳排放量，是指建筑物在使用过程中，由于照明、供暖、制冷和各种电气设备等的能量消耗和各种能耗的排放。建筑在生命周期内的能量消耗是持续性的，因此，它与碳排放有着直接而紧密的联系。本项目的研究成果将为我国建筑业的绿色转型、能源结构的优化和“双碳”的实现奠定基础，并为我国建筑业的可持续发展奠定基础。

4 减碳策略与措施

在建筑生命周期的各个阶段，可以采用如下的减排战略和措施：在建筑设计阶段，采用低碳环境的理念，通过全生命周期评价、能源守恒等手段，选择低碳的建材和设备，进行施工方案的优化，实现从源头上减少整个生命周期的碳排放。在建造阶段，采用先进的建造工艺和手段，减少建筑能耗和排放，提高建筑效率，从而达到节能减排的目的。加强建筑垃圾的收集和处置，减少对环境的不利影响。在建设运行期，通过提高能效、使用节能工艺和装备，减少能源消耗和碳排放。同时，通过强化运行过程中碳排放的监控和记录，为低碳减排政策的制定提供数据支持。另外，要强化建筑物的维修和管理，定期进行节能改造和设备更新，提高能源利用率，降低碳排放量，并对建筑垃圾进行循环利用。可以特别采取下列措施：

（1） 建材选用及制造：建材选用对节能减排效果有直接的影响，不同材质的建材在制造过程中的碳排放量存在明显差异。建筑材料的使用要以节能环保为主，有条件的可考虑二次使用。（2） 建材的运输：建材的运输是一个很大的碳排放量，离工程现场越近的地方，运输的碳排放量就越小。此外，交通工具的合理选择也是十分重要的。（3）项目建设的组织管理：项目建设是一个复杂的、动态的过程，涉及到的因素很多。在施工过程中，开挖回填、土方运输、物料处理、施工、监理管理和工作人员的起居起居等环节均存在着施工浪费现象。合理、有效地进行建筑结构设计，可以有效地防止废弃物的产生，达到降低碳排放量的目的。（4） 投入期：这是一座大楼完工之后，开始投入使用的过程中，各种生产生活活动，设备的运行和维修，都需要不断地消耗能量。由于工期较长，这一时期的能耗在整个建筑寿命周期内所占的比重是最大的。（5） 拆除阶段：在建筑物服役年限届满或由于其它原因需要进行拆除时，拆除作业所产生的能源消耗和废弃物处置所产生的能量消耗，是产生碳排放的重要原因。采取合理、安全的拆除方法，不仅可以节省大量的能源，而且可以降低建筑的二氧化碳排放量。

结束语

开展建筑全生命周期的碳排放研究，是促进我国建筑业低碳转型，实现绿色可持续发展的关键。同时对全生命周期各个阶段的划分方法、碳排放估算模型、关键影响因素、探索高效的减排途径进行了系统的梳理，并对已有的研究成果进行总结和预测。但是，目前的研究和实践中还存在着许多问题，例如：如何通过结构优化来提高建筑的环保性能；如何推动先进建造技术的推广和建设全生命周期的能效提升。本项目拟对上述关键问题进行深入研究，以期为我国低碳建筑的发展提供更扎实的理论支持和可行的技术途径。

参考文献：

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[2] 刘娜 . 建筑全生命周期碳排放计算与减排策略研究 [D]. 石家庄铁道大学（ 原名： 石家庄铁道学院），2014.

[3] 李海峰 . 上海地区住宅建筑全生命周期碳排放量计算研究[C]// 国际绿色建筑与建筑节能大会.2011.