中芬居住建筑生命周期碳排放測算及環(huán)境影響對比研究

齊新竹，史立剛*，卡琳·克羅克福斯，周夢菲

0 引言

面對溫室效應(yīng)帶來的極端天氣頻發(fā)威脅，全球主流力量正致力于遵循《巴黎協(xié)定》（2015），將全球溫度上升控制在低于2℃的范圍內(nèi)并努力將其限制在1.5℃以下的框架，通過政策指引和技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)減排目標和可持續(xù)發(fā)展。建筑業(yè)被認為是世界能源消耗和以CO2為主的溫室氣體排放的主要責(zé)任者，其排放的CO2占全球39%[1]。同時隨著世界城市化進程加速，預(yù)計未來40年全球?qū)⑾嗬^新建成居住建筑超過2.3×108m2[2]，建筑業(yè)將成為節(jié)能減排的首要對象。

歐盟各國制定了一系列應(yīng)對氣候變化的措施，包括零能耗建筑（nZEB）概念和標準[3]。芬蘭是歐洲人均森林面積最多的國家，且森林資源逐年增加[4]。基于木建筑配合相應(yīng)的可持續(xù)法規(guī)[5]，芬蘭在低碳建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了持續(xù)發(fā)展。在2030碳達峰和2060碳中和戰(zhàn)略目標下，盡管我國發(fā)展低碳建筑已卓有成效，但在低碳建筑定量化研究方面還相對滯后[6]。

1 建筑生命全周期碳排放測算

1.1 建筑生命周期評估的研究現(xiàn)狀

生命周期評估指用于定量化評估產(chǎn)品和服務(wù)“從搖籃到墳?zāi)埂钡倪^程中對環(huán)境的潛在影響的方法[7]，自1990年被國際環(huán)境毒理學(xué)和化學(xué)學(xué)會（SETAC）提出至今，在許多行業(yè)已得到廣泛使用。我國《綠色建筑評價標準》中認為，建筑物從規(guī)劃設(shè)計到施工，再到運行使用及最終的拆除，構(gòu)成一個全壽命期[8]（圖1）。根據(jù)ISO14040標準定義，LCA框架由目的與范圍確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋4個部分組成[9]。其目的是通過考慮整個產(chǎn)品系統(tǒng)，在過程中識別產(chǎn)品對環(huán)境影響的關(guān)鍵階段，從而實現(xiàn)源頭優(yōu)化管控[10]。

目前歐盟國家建筑領(lǐng)域的生命周期評估已較為成熟，并已被納入《可持續(xù)發(fā)展標準建筑》《建筑產(chǎn)品法規(guī)》和LEED、BREEAM等多項可持續(xù)建筑認證計劃[11-13]中。建筑的生命周期評估可定量化評價建筑對環(huán)境的影響，也可在前期設(shè)計與施工過程中指導(dǎo)方案設(shè)計、材料選擇及施工方法優(yōu)化[14]。其中羅爾夫·弗里施克內(nèi)西（Rolf Frischknecht）[15]領(lǐng)導(dǎo)了生命周期清單數(shù)據(jù)庫Ecoinvent的開發(fā)；伯納德特·蘇斯特·韋爾達格（Bernardette Soust Verdaguer）[16]等人探究了不同國家LCA標準差異的協(xié)調(diào)方法；亞歷山大·霍爾貝格（Alexander Hollberg）[17]等人針對LCA在意見指導(dǎo)過程的應(yīng)用中提出了雙重基準法。目前生命周期評估的應(yīng)用還有待進行參數(shù)化及云運算轉(zhuǎn)型[18]。

我國低碳建筑研究主要集中于建筑節(jié)能領(lǐng)域定性階段[6]。近年在建筑生命周期評估方面的研究明顯增加。其中于萍[19]、張智慧[20]等人對生命評價周期進行了階段劃分，林波榮、劉念雄[21]等人進行了碳排放計算方法探究，蔡向榮[22]等人對生命評價周期過程進行了計算分析。由于生命評價周期的階段及計算邊界劃分缺乏統(tǒng)一標準，且計算模型和數(shù)據(jù)庫存在差異，導(dǎo)致不同建筑間的全生命周期評估結(jié)果缺乏參考性及對比性。因此通用性的建筑生命周期評估方法亟待深入研究，以期切實推動我國低碳建筑建造和碳排放測算發(fā)展。

1.2 建筑生命周期評估的計算邊界確定

根據(jù)歐洲標準EN15978:2011的建筑生命周期階段定義（表1）[23]，材料準備階段至拆除與回收階段結(jié)果可用于計算全生命周期碳排放，外部影響階段可用于建筑材料再利用潛力評估。

表1 EN15978:2011定義下的建筑生命周期階段[23]

1.3 建筑生命周期評估的計算方法

盡管建筑生命周期評估已廣泛投入使用，但由于數(shù)據(jù)庫和邊界差異，其計算方法在各國家和地區(qū)間尚未統(tǒng)一。目前的生命周期評估軟件可大致分為兩種：丹麥的LCAbyg、德國的Caala和eLCA、美國的Gabi等建筑行業(yè)相關(guān)軟件，以及Openlca、SimaPro、eBalance等面向全社會的軟件。其中芬蘭Bionova公司開發(fā)的ONE-CLICK LCA軟件具有以下優(yōu)點：（1）專業(yè)性：為建筑行業(yè)設(shè)計，涵蓋生命周期評估、成本核算、早期碳優(yōu)化、隱含碳計算等功能板塊，可提供材料替換建議，并橫向設(shè)置對比設(shè)計幫助工作者進行方案優(yōu)化；（2）普適性：符合中、美、英、歐盟等地區(qū)40多個主流認證方案和國家標準的要求，集成幾乎所有可用的EPD平臺數(shù)據(jù)，并可對缺失的地方性數(shù)據(jù)提供可行性補償方法，在全球范圍內(nèi)廣譜使用。因此本文以O(shè)NE-CLICK LCA軟件進行測算（圖2）。

圖2 ONE-CLICK LCA軟件計算流程

2 中芬兩居住建筑碳排放計算

2.1 芬蘭某居住建筑基本信息

研究對象為獨棟3層坡地建筑，總面積約為90m2，位于赫爾辛基（Helsinki），北緯60.1699°，一月平均溫度為-6℃，七月平均溫度為17℃。其中底層為半地下層，主要材料為混凝土，其余部分主要為膠合木等木質(zhì)材料（表2）。該建筑可供1～2人居住，其設(shè)計使用壽命為50年。

2.2 中國某居住建筑基本信息

研究對象為獨棟3層建筑，總建筑面積約為365m2。設(shè)計使用壽命為50年。位于沈陽，北緯41.8057°，一月平均溫度為-18.2℃，七月平均溫度為29℃。具體建筑材料及數(shù)量如表3所示。

表3 中國某居住建筑主要材料清單

由于缺乏材料運輸信息，該過程以就近原則進行計算[24]，即運輸距離取距場地最近工廠與場地間的行車距離。運輸工具依據(jù)材料種類選擇軟件默認交通工具。

由于住宅項目使用者不同，其運行數(shù)據(jù)差異較大，且采暖能耗缺乏監(jiān)控數(shù)據(jù)，因此本研究僅從宏觀角度進行推算，即：該建筑為四臥室住宅，推測可居住4～8人，取中位數(shù)6人進行計算。通過《中國統(tǒng)計年鑒》[25]可知，人均年生活用電為722kWh，人均年生活消耗天然氣為33.6m3。且遼寧地區(qū)年供暖時長為148天，采暖期內(nèi)單位建筑面積耗熱量為16.71W/m2。由此推測該建筑年均耗電量約為4332kWh，年均消耗天然氣約為201.6m3，年均供熱消耗約為21,664.18kWh。

2.3 計算結(jié)果及對比分析

計算結(jié)果以CO2當(dāng)量（CO2e）作為度量標準。結(jié)果表明，芬蘭居住建筑全生命周期碳排放總量約為58,945.45kg，即13.10kg/(m2·a)（圖3）。中國居住建全生命周期碳排放總量約為929,168.20kg，即50.91kg/(m2·a)（圖4）。具體各階段碳排放量如表4所示。

圖3 芬蘭居住建筑全生命周期碳排放比例

圖4 中國居住建筑全生命周期碳排放比例

表4 中芬兩居住建筑碳排放環(huán)境影響對比

由此可見，中芬兩建筑在施工階段（A4）、建筑維護與材料更換階段（B1-B5）、拆除回收階段（C1-C4） 的單位碳排放量相對持平，但在材料準備階段 （A1-A3） 與運行階段（B6）相差較大（圖5）。

圖5 中芬居住建筑全生命周期單位碳排放量

在材料準備階段（A1-A3），中芬兩建筑的單位碳排放量分別約為11.20kg/(m2·a)和2.95kg/(m2·a)。其中，芬蘭建筑碳排放量較大的材料依次為木質(zhì)材料、混凝土材料、石膏材料。而中國建筑碳排放量較大的材料則依次為磚材、混凝土材料、金屬材料（表5）。

表5 中芬兩居住建筑主要材料碳排放量

在運行階段（B6），中芬建筑的單位碳排放量分別約為38.14kg/(m2·a)和8.63kg/(m2·a)，差異主要體現(xiàn)在集中供暖能耗上，分別約為26.42kg/(m2·a)和2.14kg/(m2·a)，采暖能源分別為煤炭和天然氣（表6）。

表6 中芬兩居住建筑運行能耗碳排放量

因此，在材料準備階段中使用不同建筑材料及在運行能耗階段使用不同集中供暖能源對建筑全生命周期碳排放的影響還有待進一步研究。此外由于存在使用和維護階段，建筑年均碳排放量與使用周期并非簡單的線性關(guān)系，不同使用周期對建筑全生命周期碳排放的影響仍需探究。

3 中芬兩居住建筑碳排放對比分析

3.1 對照設(shè)計

為探究不同材料和運行周期對建筑全生命周期碳排放的影響，以中芬兩居住建筑原有基礎(chǔ)為原始設(shè)計，對材料清單合理修正，各設(shè)置兩個對照設(shè)計。

對照設(shè)計1：針對材料變量，在不改變外觀的前提下，在芬蘭居住建筑中提高混凝土材料的使用數(shù)量以代替建筑材料中的木材，在中國居住建筑中增加膠合木等木材的使用數(shù)量以代替建筑材料中的部分混凝土和砌磚，同時將集中供暖材料從煤炭改為天然氣（表7）；對照設(shè)計2：針對運行周期變量，保持其他參數(shù)不變，將中國和芬蘭的居住建筑使用周期均從50年提升為70年。

3.2 計算結(jié)果分析

在芬蘭居住建筑對照設(shè)計1中（圖6），建筑全生命周期碳排放總量約為65,030.19kg，即14.45kg/（m2·a）。其中建筑運行階段（B6）碳排放量保持不變，材料準備階段（A1-A3）增加至約20,971.11kg，材料運輸階段（A4）增加至約741.97kg，建筑維護和材料更換階段（B1-B5）減少至約2480.60kg，拆除回收階段（C1-C4）減少至約2009.51kg。

圖6 芬蘭建筑對照設(shè)計1生命周期碳排放占比

在對照設(shè)計2中（圖7），建筑全生命周期碳排放總量約為75,363.59kg，即11.96kg/(m2·a)。其中材料準備階段（A1-A3）、材料運輸階段（A4）及拆除回收階段（C1-C4）保持不變，建筑維護和材料更換階段（B1-B5）碳排放量增加為約4186.76kg，建筑運行階段（B6）增加為約54,357.80kg。

圖7 芬蘭建筑對照設(shè)計2生命周期碳排放占比

表7替換材料清單

相較芬蘭原始設(shè)計（圖8、9），在對照設(shè)計1中，盡管建筑維護及更換階段（B1-B5）和拆除回收階段（C1-C4）碳排放量有所減少，建筑全生命周期碳排放總量仍增加約6084.74kg，建筑單位面積碳排放量增加約1.35kg/(m2·a)。在對照設(shè)計2中，當(dāng)使用周期從50年提升為70年時，盡管建筑維護和材料更換階段（B1-B5）及建筑運行階段（B6）碳排放量有所增加，建筑單位面積碳排放量減少約1.14kg/(m2·a)。

圖8 芬蘭建筑與對照設(shè)計生命周期各階段碳排放對比

圖9 芬蘭建筑全生命周期碳排放與對照設(shè)計對比情況

在中國居住建筑對照設(shè)計1中（圖10），建筑全生命周期碳排放總量約為354,836.14kg，即19.44kg/(m2·a)。其中，材料準備階段（A1-A3）碳排放量減少為約47,126.60kg，材料運輸階段（A4）減少為1036.96kg，建筑維護和材料更換階段（B1-B5）減少為約15,081.69kg，建筑運行階段（B6）減少為約271,311.77kg，拆除回收階段（C1-C4）增加為約20,279.12kg。

圖10 中國建筑對照設(shè)計1生命周期碳排放占比

在對照設(shè)計2中（圖11），建筑全生命周期碳排放總量約為470,316.50kg，即18.41kg/(m2·a)。其中材料準備階段（A1-A3）、材料運輸階段（A4）及拆除回收階段（C1-C4）碳排放量與對照設(shè)計1相同，建筑維護和材料更換階段（B1-B5）增加為約22,037.34kg，建筑運行階段（B6）增加為約379,836.48kg。

圖11 中國建筑對照設(shè)計2生命周期碳排放占比

相較中國居住建筑原始設(shè)計（圖12、13），在對照設(shè)計1中，材料準備階段（A1-A3）碳排放量大幅減少，共減少約157,284.02kg。建筑運行階段（B6）碳排放量減少約424,655.92kg。在對照設(shè)計2中，盡管建筑維護和材料更換階段（B1-B5）及建筑運行階段（B6）碳排放量有所增加，建筑單位面積碳排放量與對照設(shè)計1相比減少約1.03kg/(m2·a)。

圖12 中國建筑與對照設(shè)計生命周期各階段碳排放對比

圖13 中國居住建筑全生命周期碳排放與對照組對比情況

4 結(jié)論

本研究基于LCA理論，通過對中芬兩棟居住建筑的全生命周期碳排放情況進行對比實證分析，得到以下結(jié)論：

（1）我國典型居住建筑全生命周期的單位碳排放量約為芬蘭的4倍，差異主要來源于材料準備階段與運行維護階段。因此，建筑全生命周期中的材料準備階段及運行階段是目前我國降低建筑碳排放量的關(guān)鍵。

（2）材料準備階段使用膠合木等木質(zhì)材料代替砌磚及混凝土，運行階段將集中供暖能源從煤炭改為天然氣均可有效降低建筑全生命周期碳排放量。此外，延長建筑使用周期也可降低單位時間內(nèi)建筑碳排放。

（3）ONE-CLICK LCA計算軟件可用于定量化解析建筑在生命周期不同階段的碳排放量，通過對照設(shè)計實驗也可以對我國碳中和目標背景下的低碳建筑設(shè)計提供定量化依據(jù)。隨著清潔能源的進一步發(fā)展，建立更完善的建筑材料回收機制，并進一步推廣可回收材料的生產(chǎn)和使用，可能成為發(fā)展低碳建筑的重要途徑。

（4）本文通過對中芬典型居住建筑全生命周期進行碳排放計算對比，嘗試建構(gòu)我國住宅建筑低碳發(fā)展的可行路徑與策略。鑒于目前住宅建筑各項數(shù)據(jù)獲取難度限制，本文未對中外居住建筑進行大規(guī)模對比分析，結(jié)論尚存在一定局限性，對于中外低碳建筑的發(fā)展規(guī)律的對比還需進一步研究，僅以本文拋磚引玉，期待更多建筑碳排影響的深度研究，共同推動我國低碳建筑的發(fā)展?！酰ǜ兄x房婷婷和Matti Kuittinen提供中芬居住建筑具體基礎(chǔ)信息資料。）