基于全生命周期的高校減碳效果量化方法與應(yīng)用

馮恒文，羅文輝，王軍英，吳培浩

（1、廣州南沙產(chǎn)業(yè)園開發(fā)建設(shè)管理局 廣州 511466；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

關(guān)鍵字：節(jié)能減排；碳核算；減碳率；高等學(xué)校

0 引言

氣候急劇惡化的問題正破壞國民經(jīng)濟(jì)，影響人民生活。2020年9月，習(xí)近平總書記提出，中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。建筑領(lǐng)域作為碳排放的重要來源之一，目前針對各種建筑類型的碳減排研究正逐步開展。

城市不同范圍的片區(qū)碳排放核算方法有多種，目前仍未形成標(biāo)準(zhǔn)化成果［1］。根據(jù)地區(qū)特性、計(jì)算尺度、數(shù)據(jù)獲取情況等信息，不同學(xué)者建立多個維度的碳排放清單。針對微觀尺度，例如街區(qū)、高校等，建筑碳核算范圍包括建筑、能源、碳匯等維度。由于建筑是微觀尺度的碳排放的主要來源，以天津中新生態(tài)城為例，建筑部分的碳排放量占95%［2］，因此微觀尺度的減碳策略主要側(cè)重于建筑單體。減碳策略主要是以規(guī)劃為起點(diǎn)，關(guān)注建筑布局、微氣候等特征［3］，到設(shè)計(jì)施工階段的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用，再到綠色運(yùn)行，但目前對低碳建筑仍沒有準(zhǔn)確定義［4］。

2006 年，《教育部關(guān)于建設(shè)節(jié)約型學(xué)校的通知》（教發(fā)［2006］3號）提出在中長期規(guī)劃中融入節(jié)約型社會和節(jié)約型學(xué)校的理念，以節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)地等資源綜合利用為重點(diǎn)。隨著節(jié)約型高校建設(shè)工作的逐步開展，形成以提高能源利用效率為重點(diǎn)，以制度完善為路徑，以文化培育為精神引領(lǐng)的氛圍［5］。順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全面覆蓋，高校建設(shè)開始與智能化系統(tǒng)相結(jié)合，利用能耗監(jiān)測平臺、教學(xué)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化管理［6］。

在碳達(dá)峰目標(biāo)背景下，節(jié)約型校園的概念仍未從全生命周期的角度融入低碳理念，實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型。節(jié)約型校園是以節(jié)約資源和合理利用資源為重點(diǎn)，而低碳校園是以減排效果為導(dǎo)向，對高校建設(shè)提出更高要求。

目前對新建高校校園從碳排放的角度的相關(guān)研究和案例較少。焦成英等人［7］基于排放因子法對整個校園運(yùn)行一年的凈碳排放量進(jìn)行核算。滿傳軍等人［8］闡述了校園建筑全壽命周期的碳排放量評估方法，并提出了降碳措施。一方面，多數(shù)研究側(cè)重于高校運(yùn)行階段的碳排放分析，缺乏對校園建設(shè)階段的分析。另一方面，既有研究對減排策略大多缺乏定量分析，更側(cè)重于定性分析。

本文在高校建設(shè)的情景下，明確基準(zhǔn)線和設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法，提出減碳效果的量化方法。以廣州某高校為案例，分析減排效果，為高校建設(shè)的低碳轉(zhuǎn)型做支撐。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 校區(qū)碳排放計(jì)算方法

一般而言，區(qū)域范圍的碳排放計(jì)算方法是各類碳排放或碳匯的折標(biāo)量與碳排放因子的乘積之和，其計(jì)算公式如下：

式中：Ccampus為校園總碳排放量（kgCO2eq）；Fi為碳排放∕碳匯源的數(shù)量（kgce）；Ki為各碳排放源或碳匯源的二氧化碳排放系數(shù)（kgCO2eq）∕kgce）。

研究表明［2］，小尺度下碳排放的關(guān)鍵維度是建筑和廢棄物，考慮到高校運(yùn)行實(shí)際情況，計(jì)算模型中的碳核算包含建筑、交通、水資源、廢棄物處理四種維度。碳排放類型包括直接碳排放和間接碳排放，校園的碳排放主要組成總結(jié)，如表1所示。

表1 高校碳排放主要組成與來源Tab.1 Components and Sources of Campus’s Carbon Emission

同時，結(jié)合校園內(nèi)景觀設(shè)計(jì)和可再生能源應(yīng)用，區(qū)域范圍的綠化和可再生能源技術(shù)應(yīng)用能夠抵消一部分碳排放。因此，整體碳排放計(jì)算公式是三類碳排放之和扣除光伏發(fā)電和碳匯等碳中和技術(shù)的減碳量，其計(jì)算公式為：

式中：Ccampus為校園總碳排放量（tCO2eq）；Ccon為建筑相關(guān)碳排放量（tCO2eq）；Ctrans為交通相關(guān)碳排放量（tCO2eq）；Cwater為水資源相關(guān)碳排放量（tCO2eq）；Cdis為廢棄物相關(guān)總碳排放量（kgCO2eq）；Cneu為光伏、碳匯等碳中和技術(shù)抵消的碳排放量（kgCO2eq）。

建筑相關(guān)的碳排放分為5 個階段：建造、運(yùn)輸、施工、運(yùn)行和拆除。建材生產(chǎn)包括建筑材料及構(gòu)件中生產(chǎn)、制造、加工，運(yùn)輸過程是建材運(yùn)輸?shù)浇ㄔO(shè)場地的過程，運(yùn)行階段的碳排放來源于燃?xì)饣蚬┡a(chǎn)生的直接碳排放和電力消費(fèi)產(chǎn)生的間接碳排放，根據(jù)校園的能源供應(yīng)方式，加權(quán)求和得出總碳排放量。拆除階段的計(jì)算范圍是拆除施工過程所產(chǎn)生的碳排放。對于新建或驗(yàn)收時間較短的校區(qū)，運(yùn)行階段可以使用能耗模擬軟件模擬建筑的制冷、照明等能源消耗，而對于既有校區(qū)，可以采用近5 年用能數(shù)據(jù)平均值計(jì)算。交通相關(guān)的碳排放包括校園內(nèi)部道路和師生的交通情況一般比較簡單，主要分為校內(nèi)交通和通勤交通。校內(nèi)交通受學(xué)校管理情況影響較大，而大多數(shù)師生居住學(xué)校宿舍，校外通勤情況較少，主要考慮校外到訪人士路程產(chǎn)生的排放情況。水資源的碳排放主要來源于給排水過程中的能源消耗，包括給水、廢水處理、回水處理等。廢棄物的碳排放估算方法是根據(jù)不同處理方式估算。校園內(nèi)主要是生活垃圾，一般不存在工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)出的工業(yè)廢物。很多學(xué)校中也采用一些碳消除技術(shù)，例如植樹綠化等固碳作用、光伏技術(shù)等。

1.2 基準(zhǔn)線與設(shè)計(jì)值

基準(zhǔn)線是按常規(guī)發(fā)展模式，以法定或強(qiáng)制管理控制條件實(shí)施，未使用額外的低碳政策。由于目前仍沒有統(tǒng)一的區(qū)域范圍的全生命周期碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，基準(zhǔn)線可以根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、城區(qū)規(guī)劃材料、參考文獻(xiàn)等資料設(shè)置情景（見表2）。

表2 基準(zhǔn)線設(shè)置Tab.2 Baseline Setting

設(shè)計(jì)值是在基礎(chǔ)常規(guī)法定做法的要求上加入低碳建設(shè)相關(guān)的政策或手段。一般來說是根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際用能情況計(jì)算出碳排放量。對于新建校區(qū)，可以根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)資料中的設(shè)計(jì)值估算出各部分的碳排放情況。

2 應(yīng)用案例

2.1 案例介紹

某高校位于廣州市南沙區(qū)慶盛樞紐片區(qū)，廣州市南沙區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性海洋氣候，氣溫全年溫暖，多雨濕度大。由于氣候因素，廣東省建筑特點(diǎn)在功能上大多具有隔熱、遮陽、通風(fēng)的特點(diǎn)，建筑多安置開敞空間、露臺，室外空間多有涼亭。

一期工程總用地面積111 萬m2，總建筑面積為63萬m2，如表3所示。學(xué)校建筑包括核心區(qū)的行政辦公樓、圖書館、學(xué)生活動中心等，教學(xué)區(qū)的科研樓與實(shí)驗(yàn)樓、東南生活服務(wù)區(qū)的學(xué)生宿舍，北宿舍區(qū)以及東區(qū)運(yùn)動村的體育館和能源中心等，如圖1所示。

表3 某高校建設(shè)信息Tab.3 Information of the Campus

圖1 校園的分區(qū)布局Fig.1 Layout of the Campus

2.2 節(jié)能減排策略

與傳統(tǒng)校園相比，校園建設(shè)從規(guī)劃初期開始，重視節(jié)能減排措施的應(yīng)用，如表4所示。在設(shè)計(jì)階段中，融入了多種節(jié)能減排技術(shù)。全校區(qū)按綠色建筑二星級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，建筑節(jié)能率高于55%，其中圖書館和行政辦公樓按綠色建筑三星級設(shè)計(jì)，節(jié)能率高于57.5%。在校內(nèi)交通設(shè)計(jì)中，普及綠色出行。

表4 某高校節(jié)能減排措施總結(jié)Tab.4 Conclusion of Energy-saving and Carbon-reduction Measures in the Campus

2.3 減排效果計(jì)算

校園的主要碳排放包括建筑、交通、廢棄物、水資源，碳消除部分有可再生能源應(yīng)用和綠化。

2.3.1 建筑相關(guān)碳排放計(jì)算

案例屬于新建校區(qū)，總建筑面積為656 155 m2，如表5 所示。基準(zhǔn)線和設(shè)計(jì)值是利用能耗模擬軟件Design Builder 對校區(qū)建筑全年能耗進(jìn)行模擬分析模型，如圖2所示。其中，基準(zhǔn)線的情景設(shè)置是按照國家標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)參數(shù)，包括《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50189—2015》、《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：JGJ∕T 449—2018》，而設(shè)計(jì)值的參數(shù)均來源于設(shè)計(jì)資料。

圖2 行政樓及某棟宿舍樓模型Fig.2 Model of the Administrative Building and a Dormitory

表5 高校建筑相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.5 Data Related to Buildings in the Campus

建材生產(chǎn)計(jì)算的建筑材料碳排放因子主要參考《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)：CECS374∶2014》。運(yùn)輸過程是建材運(yùn)輸?shù)浇ㄔO(shè)場地的過程，作為綠色建筑二星級項(xiàng)目，選用的生產(chǎn)廠家多數(shù)中500 km 以內(nèi)，碳排放比例不高。運(yùn)行階段包括空調(diào)、通風(fēng)、照明等設(shè)備，校園中實(shí)驗(yàn)設(shè)備和辦公設(shè)備較多，因此模擬結(jié)果顯示單位面積能耗較高。拆除階段的計(jì)算范圍是拆除施工過程所產(chǎn)生的碳排放。此外，由于項(xiàng)目部分采用可循環(huán)或可回收材料，在節(jié)能技術(shù)等基礎(chǔ)上，還能夠降低一部分碳排放。計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 全生命周期建筑碳排放估算Tab.6 Carbon Emission Calculation Related to Buildings during the Whole Lifecycle

2.3.2 交通相關(guān)碳排放計(jì)算

交通相關(guān)碳排放主要包括公共交通和非公共交通因燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放?；鶞?zhǔn)線是按照《廣州市國土空間總體規(guī)劃（2018-2035年）》現(xiàn)狀值計(jì)算，而高校設(shè)計(jì)值是考慮校內(nèi)校外公共交通情況和學(xué)生、外來訪問人員出行結(jié)構(gòu)估算產(chǎn)生的碳排放總量，如表7 所示。計(jì)算結(jié)果顯示，預(yù)計(jì)基準(zhǔn)線下交通相關(guān)的年均碳排放量1 220.64 t CO2∕年，而設(shè)計(jì)值中年均碳排放量為809.53 t CO2∕年。

表7 交通相關(guān)數(shù)據(jù)碳排放評估Tab.7 Carbon Emission Calculation Related to Transportation

2.3.3 水資源相關(guān)碳排放計(jì)算

水資源的碳排放基準(zhǔn)線是按照設(shè)計(jì)值給水排水，無非傳統(tǒng)水資源使用時，而設(shè)計(jì)值是考慮了雨水收集、中水回用技術(shù)。項(xiàng)目通過中水回用和雨水收集系統(tǒng)減少新水使用量140 019 m3，如表8 所示。綜合給水用量、非傳統(tǒng)水資源利用等數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)線水資源相關(guān)年均碳排放量為457.29 t CO2∕年，設(shè)計(jì)值年均碳排放量為418.09 t CO2∕年。

表8 水資源相關(guān)碳排放評估Tab.8 Carbon Emission Calculation Related to Water

2.3.4 廢棄物相關(guān)碳排放計(jì)算

目前垃圾堆肥技術(shù)仍在籌劃中，因此僅考慮市政垃圾回收后的處理情況，垃圾資源化比例按照《廣州市國土空間總體規(guī)劃（2018-2035 年）》。采用各項(xiàng)廢棄物減量措施后，垃圾產(chǎn)出減少量按10%估算，如表9所示。由此可得基準(zhǔn)線廢棄物相關(guān)年均碳排放量為2 012.59tCO2∕年，設(shè)計(jì)值年均碳排放量為1811.33tCO2∕年。

表9 廢棄物相關(guān)碳排放評估Tab.9 Carbon Emission Calculation Related to Waste

2.3.5 綠地相關(guān)碳排放計(jì)算

校園的綠地包括首層綠地和屋頂綠地。其中草坪、灌木、喬木的年均固碳量分別為0.02 t CO2∕m2、0.3 t CO2∕m2、1.2 t CO2∕m2。因此，設(shè)計(jì)值中綠地的年均固碳量為1 486.08 t CO2∕年，如表10所示。

表10 綠地相關(guān)碳排放評估Tab.10 Carbon Emission Calculation Related to Green Space

2.3.6 可再生能源相關(guān)碳排放計(jì)算

校園內(nèi)可再生能源利用主要是建筑光伏一體化設(shè)計(jì)，在核心建筑和部分宿舍屋頂鋪設(shè)光伏，共安裝10 309 塊440 Wp 的晶體硅雙面半片光伏組件?？紤]組件衰減期后，年均發(fā)電量為5 190.4 MWh，年均減碳量為4 174.12 t CO2∕年。

2.3.7 全生命周期碳排放情況

綜合以上各部分碳排放的計(jì)算結(jié)果，如表11 所示，按50 年生命周期，綜合建筑、交通、水資源、廢棄物、綠地和可再生能源應(yīng)用6個方面，校園碳排放總量預(yù)計(jì)446.64 萬t CO2，下降比例為26.52%。校園設(shè)計(jì)規(guī)劃中，通過建筑節(jié)能、綠色、水資源利用、廢棄物減量、景觀布置、可再生能源應(yīng)用等技術(shù)，對比基準(zhǔn)線，均有一定的減碳率。

表11 全生命周期碳排放評估總結(jié)Tab.11 Conclusion of Carbon Emission Calculation for the Whole Lifecycle

3 結(jié)論與展望

本研究針對高校新建校區(qū)建設(shè)，從碳排放和碳消除角度，考慮建筑、交通、水資源、廢棄物、綠地、可再生能源利用六大部分對全生命周期碳排放量建立基準(zhǔn)模型與高校模型進(jìn)行核算，量化了減碳效果，并在具體案例中提供了詳細(xì)算法，為高校設(shè)計(jì)時期的碳排放核算提供參考價(jià)值。然而，由于案例項(xiàng)目仍在施工階段，按設(shè)計(jì)值計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)，有一定局限性，以后的研究中利用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)按本文方法計(jì)算能提高結(jié)果準(zhǔn)確性。

研究結(jié)果顯示，高校建設(shè)中最主要的碳排放來源是建筑和廢棄物兩部分。由此可見，高校減排工作中，應(yīng)建立高效集約的循環(huán)系統(tǒng)。建筑建材和建筑運(yùn)行階段是建筑相關(guān)碳排放的主要來源，在建設(shè)過程中，需增加可循環(huán)可回收材料或綠色建材的使用量，而在運(yùn)行過程中，案例中的校園已經(jīng)采用了多種節(jié)能技術(shù)，從管理層面來看，利用智能化系統(tǒng)提高減排效率，以減少無人使用區(qū)域的能源浪費(fèi)。對于廢棄物相關(guān)的碳排放，高校不僅可以從廢棄物減量的角度入手，也可以通過堆肥技術(shù)等處理技術(shù)降低其所產(chǎn)生的碳排放量。此外，盡管校園景觀綠地有固碳作用，但效果并不明顯，可再生能源技術(shù)更能高效抵消碳排。

此外，結(jié)合多個省市近零碳排放區(qū)的試點(diǎn)推廣政策，本研究為制定合理的碳減排目標(biāo)提供了數(shù)據(jù)支持。不同于普通居民社區(qū)或綜合型城區(qū)，高校本身配備有較多的耗能設(shè)備，因此對于建筑運(yùn)行，其降碳壓力較大。另一方面，高校是推廣低碳教育的最佳選擇之一，建筑運(yùn)行能耗能從培養(yǎng)學(xué)生低碳習(xí)慣入手。從校園規(guī)劃層面看，綠色交通、生活垃圾分類等設(shè)計(jì)能培養(yǎng)學(xué)生的行為習(xí)慣，也能依托學(xué)校各種平臺開展相關(guān)教育課程、講座和活動。