基于生命周期理論的建筑碳足跡分析

徐西蒙

(云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院, 云南 昆明 650034)

0 引言

“碳足跡”的概念最早來(lái)源于“生態(tài)足跡”[1]分析，是指運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)[2-3](Life cycle assessment, LCA)的方法，定量化計(jì)算產(chǎn)品全生命周期過(guò)程中相關(guān)的溫室氣體排放量。碳足跡分析作為L(zhǎng)CA方法的重要應(yīng)用之一，已逐漸成為世界范圍內(nèi)評(píng)估產(chǎn)品碳排放的主導(dǎo)方法。生命周期評(píng)價(jià)(LCA)已經(jīng)在工業(yè)產(chǎn)品的決策中應(yīng)用了超過(guò)40年，隨著可持續(xù)性建筑的發(fā)展，LCA也已成為評(píng)價(jià)建筑環(huán)境影響的重要客觀方法[4]?；贚CA方法的建筑碳足跡分析，實(shí)際就是計(jì)算建筑從建材生產(chǎn)、建造、使用維護(hù)及廢棄過(guò)程產(chǎn)生的全部碳排放量，因此針對(duì)LCA適用的方法和標(biāo)準(zhǔn)也同樣適用于建筑碳足跡分析。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，LCA方法論已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化。自1997年起，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織相繼推出了《ISO14040環(huán)境管理-全生命周期評(píng)價(jià)-原則與框架》《ISO14041環(huán)境管理-全生命周期評(píng)價(jià)-目標(biāo)與范圍的確定，清單分析》《ISO14042環(huán)境管理-全生命周期評(píng)價(jià)-全生命周期影響評(píng)價(jià)》等文件。我國(guó)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，也相繼頒布了《GB/T 24040-1999環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)原則與框架》《GB/T 24041-2000環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)目標(biāo)與范圍的確定和清單分析原則》《GB/T 24042-2002環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)生命周期影響評(píng)價(jià)》和《GB/T 24043-2002環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)生命周期解釋》[5]。2014年，首部采用中、英雙語(yǔ)編制的中國(guó)工程建設(shè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《CECS 374:2014建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》[6](以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)由中國(guó)計(jì)劃出版社出版?！稑?biāo)準(zhǔn)》結(jié)合了相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，采用建筑全生命周期碳足跡追蹤的方法學(xué)，提出了建筑碳排放數(shù)據(jù)采集、核算、發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量方法，規(guī)范了建筑的全生命周期各階段(材料生產(chǎn)、施工建造、運(yùn)行維護(hù)、拆解直至回收)由于能源、資源和材料使用所產(chǎn)生的二氧化碳排放量的核算方法，同時(shí)對(duì)核算過(guò)程涉及的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)及碳排放因子的來(lái)源渠道做出了相應(yīng)規(guī)定。

本文以位于昆明市的典型綜合建筑—世博生態(tài)城低碳中心大樓為研究目標(biāo)，基于生命周期理論，對(duì)其碳足跡進(jìn)行分析計(jì)算，以期為云南省典型建筑的低碳化設(shè)計(jì)、改造以及溫室氣體排放核算提供參考。

1 研究對(duì)象概況

世博生態(tài)城低碳中心位于昆明市市區(qū)，是集文體設(shè)施及辦公為一體的全鋼框架型綜合建筑。總占地30956.7m2，總建筑面積143924m2，地上86329m2，地下57595m2。容積率2.99，建筑密度25.7%，綠地率40.2%。由A、B兩棟高層辦公建筑和C棟綜合性多層建筑組成，其中A棟22層，B棟17層，C棟5層。世博生態(tài)城低碳中心項(xiàng)目由A、B兩棟高層辦公建筑和C棟綜合性多層建筑組成。本文納入碳足跡計(jì)算范圍為低碳中心A、B、C三棟建筑。

2 研究方法

本文將根據(jù)《CECS 374：2014建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》的要求，以世博生態(tài)城低碳中心相關(guān)支持文件和數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行碳足跡核算分析。

2.1 計(jì)算流程

根據(jù)《CECS 374：2014建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，建筑碳排放計(jì)量將按下列步驟進(jìn)行：

(1)界定建筑物的核算范圍和區(qū)域；

(2)界定建筑碳排放單元過(guò)程；

(3)采集碳排放單元過(guò)程的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)；

(4)采集碳排放單元過(guò)程的相關(guān)碳排放因子；

(5)按照《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法核算建筑碳排放量。

2.2 核算范圍及核算單元

研究目標(biāo)全生命周期內(nèi)的排放單元包括：

(1)材料生產(chǎn)階段：建筑主體結(jié)構(gòu)材料構(gòu)件的使用；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件、部件的使用；建筑填充體材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備的使用。

(2)施工建造階段：建筑材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備的運(yùn)輸；施工機(jī)具的運(yùn)行；施工現(xiàn)場(chǎng)辦公。

(3)運(yùn)行維護(hù)階段：建筑設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行；建筑材料、構(gòu)件、部件、部品、設(shè)備的維護(hù)與更替；更替的建筑材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備的運(yùn)輸。

(4)拆解階段：拆解機(jī)具的運(yùn)行；廢棄物的運(yùn)輸。

2.3 核算準(zhǔn)則

此次核算除《CECS 374：2014建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》以外，還參考了《GB/T50378-2014綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》以及《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》，并以世博生態(tài)城低碳中心建設(shè)方提供的支持文件和數(shù)據(jù)為依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 各單元過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.1.1 材料生產(chǎn)階段主要排放源數(shù)據(jù)

建筑材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備從原料開采、加工制造，直至最終形成成品，各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)消耗能源，因此可認(rèn)為每一個(gè)建材、構(gòu)件、部品、設(shè)備都是碳排放固化的產(chǎn)物，都有其固化的碳排放量。

(1)建筑主體結(jié)構(gòu)材料構(gòu)件

主體結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件類別主要包括梁、板、柱、承重墻體等支撐建筑整體框架的部位。根據(jù)建筑材料清單，主體結(jié)構(gòu)所用材料主要為混凝土和鋼筋，具體使用量如表1所示。

目前我國(guó)尚未建立起能夠滿足建筑全生命周期的碳排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)，為了滿足碳排放量計(jì)算的實(shí)際需要，本文通過(guò)查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)和第三方機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得相關(guān)建材主體結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件的碳排放因子，如表2所示。

表1 建材主體結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)匯總表

表2 建材主體結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件的碳排放因子匯總表[7-9]

(2)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件、部件

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件類別主要包括屋面、墻體、門窗、地面等部位。根據(jù)建筑材料清單，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所用材料包括砂、碎石、水泥、水泥砂漿等，具體使用量如表3所示。

相關(guān)建材圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件的碳排放因子同樣通過(guò)查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)和第三方機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得，見表4。

(3) 建筑填充體材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備

建筑填充體材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備類別主要包括建筑內(nèi)裝飾、廚衛(wèi)設(shè)備、電氣設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、電梯、管線等部分。根據(jù)建筑材料清單，具體類別及使用量如表5所示。

相關(guān)建材填充體材料、構(gòu)件的碳排放因子同樣通過(guò)查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)和第三方機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得，見表6所示。

表3 建材圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)匯總表

表4 建材圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件的碳排放因子匯總表[7,9～10]

3.1.2 施工建造階段主要排放源數(shù)據(jù)

(1)建筑材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備的運(yùn)輸

基于對(duì)同類型建筑相關(guān)部分產(chǎn)生的排放調(diào)研結(jié)果，建筑材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備的運(yùn)輸排放占總排放的比例<1%，對(duì)總排放量影響較小，故本文忽略不計(jì)。

(2)施工機(jī)具運(yùn)行

施工機(jī)具運(yùn)行的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)見表7。

表5 建材填充體材料、構(gòu)件的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)

表6 建材填充體材料、構(gòu)件的碳排放因子[7,10]

表7 施工機(jī)具運(yùn)行的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)匯總表

《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》中給出了部分能源的碳排放因子以及常用能源的熱值，本文中的能源碳排放因子全部來(lái)源于《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》，云南省級(jí)電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子取0.0921kg CO2/kWh。由于《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》沒有給出水資源的碳排放因子，為了滿足碳排放量計(jì)算的實(shí)際需要，本文通過(guò)查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)獲得水資源的碳排放因子。各類能源和資源的碳排放因子見表8和表9。

表8 常用能源的熱值[6]

表9 常用能源和水的碳排放因子[11]

(3)施工現(xiàn)場(chǎng)辦公

施工現(xiàn)場(chǎng)辦公耗電的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)見表10。

表10 施工現(xiàn)場(chǎng)辦公耗電的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)匯總表

電力碳排放因子見表9。

3.1.3 運(yùn)行維護(hù)階段主要排放源數(shù)據(jù)

根據(jù)丁洪濤等[12]的研究，低碳中心項(xiàng)目的運(yùn)行能耗可根據(jù)不含供暖的公共建筑的單位面積能耗計(jì)算，如式(1)所示。其中單位面積能耗取值116.07kwh/m2.a，建筑的設(shè)計(jì)年限是50年，建筑面積為143924m2。

(1)

式中：n—建筑設(shè)計(jì)使用年限(年)；Ej—單位建筑面積能耗(kwh/m2.a)；Fj—j種能源的碳排放因子，針對(duì)低碳中心項(xiàng)目主要為電力能源(kg CO2/kwh)；S—建筑面積(m2)。

3.1.4 拆解階段主要排放源數(shù)據(jù)

由于建筑廢棄物的回收利用在建筑材料的開采和生產(chǎn)階段已經(jīng)被納入計(jì)算，為避免重復(fù)核算，該階段不對(duì)其進(jìn)行考慮。該階段只對(duì)建筑拆除機(jī)械耗能和運(yùn)輸建筑廢棄物運(yùn)輸機(jī)械耗能產(chǎn)生的碳足跡進(jìn)行計(jì)算，如式(2)所示。其中，建筑拆除機(jī)械耗能碳足跡按照施工階段施工機(jī)械產(chǎn)生的碳足跡的8.95%計(jì)算，建筑廢棄物的運(yùn)輸質(zhì)量按照建材總質(zhì)量的80%計(jì)算，運(yùn)輸距離選擇30 km，柴油消耗量根據(jù)《中國(guó)交通年鑒》中的公路運(yùn)輸柴油火車單位能耗量取值(5.28*10-2kg/t.km)結(jié)合運(yùn)輸距離進(jìn)行計(jì)算，柴油排放因子為3160 tCO2/t。

E4=∑jQj×Fj+∑d,jmd×L×Ejk×Fj

(2)

式中：Qj—j種能源消耗量(t)； Fj—j種能源排放因子(tCO2/t)；md—廢棄物質(zhì)量(t)；L—運(yùn)輸距離(km)；Ejk—j種能源消耗量(t)。

由于各類建筑材料的計(jì)量單位不統(tǒng)一，為方便計(jì)算，通過(guò)查閱相關(guān)資料[13]，對(duì)主要建筑材料的體積重量轉(zhuǎn)化系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表11所示。

表11 常用建筑材料體積重量表

將表1、表3、表5中的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)結(jié)合表11進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，計(jì)算可得項(xiàng)目所用建筑材料總重量約為491446.89t。

3.2 各階段碳排放量

每個(gè)建筑生命周期階段的碳排放量為該階段的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)與碳排放因子的乘積。

3.2.1 材料生產(chǎn)階段碳排放量

材料生產(chǎn)階段建筑碳排放量按下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：E1—材料生產(chǎn)階段建筑碳排放量(t CO2)；ADZT—主體結(jié)構(gòu)材料用量(t)；EFZT—主體結(jié)構(gòu)材料碳排放因子(tCO2/t)；ADWH—圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料用量(t)；EFWH—圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料碳排放因子(tCO2/t)；ADTC—填充體材料用量(t)；EFTC—填充體材料碳排放因子(tCO2/t)；i—材料種類。

(1)建筑主體結(jié)構(gòu)材料構(gòu)件的碳足跡

表12 建材主體結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件對(duì)應(yīng)的碳排放量

(2)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件、部件的碳足跡

表13 建材圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件對(duì)應(yīng)的碳排放量

(3)建筑填充體材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備的碳足跡

表14 建材填充體材料、構(gòu)件、部品、設(shè)備的碳排放量

經(jīng)計(jì)算，材料生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳足跡E1為145812.91t。

3.2.2 施工建造階段碳排放量

施工建造階段建筑碳排放量按下式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中：E2—施工建造階段建筑碳排放量(tCO2)；ADSGD—施工建造階段某單元過(guò)程中的耗電量(kWh)；EFD—電力碳排放因子(tCO2/kWh)；ADSGY—施工建造階段某單元過(guò)程中的耗油量(t)；EFY—燃油碳排放因子(tCO2/t)；ADSGM—施工建造階段某單元過(guò)程中的耗煤量(t)；EFM—燃煤碳排放因子(tCO2/t)；ADSGQ—施工建造階段某單元過(guò)程中的耗燃?xì)饬?Nm3)；EFQ—燃?xì)馓寂欧乓蜃?tCO2/Nm3)；ADSGQT—施工建造階段某單元過(guò)程中的其他能源消耗量(tce)；EFQT—其他能源碳排放因子(tCO2/tce)；ADSGSH—施工建造階段某單元過(guò)程中的耗水量(t)；EFSH—水碳排放因子(tCO2/t)；i—單元過(guò)程種類。

(1)施工機(jī)具運(yùn)行的碳足跡

表15 施工機(jī)具的運(yùn)行對(duì)應(yīng)的碳排放量

表16 施工現(xiàn)場(chǎng)辦公耗電對(duì)應(yīng)的碳排放量

(2)施工現(xiàn)場(chǎng)辦公的碳足跡

經(jīng)計(jì)算，施工建造階段能耗的碳足跡E2為1259.6t。

3.2.3 運(yùn)行維護(hù)階段碳排放量

將活動(dòng)水平數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算，即：

E3=0.0921×116.07×50×143924

經(jīng)計(jì)算，運(yùn)行維護(hù)階段能耗的碳足跡為76927.72t。

3.2.4 拆解階段碳排放量

將活動(dòng)水平數(shù)據(jù)代入式(2)計(jì)算，即：

E4=8.95%×1259.6+30×80%×491446.89×5.28*10-2×3160.5

經(jīng)計(jì)算，拆解階段能耗的碳足跡為2080.96t。

4 結(jié)論

根據(jù)逐個(gè)單元的碳足跡核算，低碳中心各生命周期階段的碳排放量如表17所示。由此可知，該建筑全生命周期的碳足跡為226081.19t。

表17 建筑設(shè)計(jì)階段(材料生產(chǎn)階段和施工建造階段)碳排放量

根據(jù)表17所示各生命周期的碳足跡可以看出，材料生產(chǎn)階段和運(yùn)行維護(hù)階段所產(chǎn)生的碳排放分別占全生命周期的64.5%和34.03%，應(yīng)作為降低同類建筑總排放量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。具體看來(lái)，表12～表14的數(shù)據(jù)顯示，材料生產(chǎn)階段中鋼材、商品混凝土、水泥、水泥砂漿、玻璃、鋁板帶和地磚對(duì)應(yīng)的碳排放量又分別占全生命周期總排放量的27.39%、29.30%、0.42%、1.13%、0.60%、1.10%和1.18%。商品混凝土的主要成分是水泥，因此，鋼材和水泥是該類建筑碳排放量最大的兩種建材。通過(guò)回收利用的方式，可以有效減少鋼材使用產(chǎn)生的碳排放；對(duì)于水泥產(chǎn)品，則可以通過(guò)在建材原料采購(gòu)階段選用持有低碳產(chǎn)品認(rèn)證的產(chǎn)品來(lái)降低這部分的碳排放。