上海市建筑碳排放核算研究

黃蓓佳，崔 航，宋嘉玲，俞海勇

（1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

城市作為人類生活的空間載體，是溫室氣體主要的排放源[1]。中國70%的二氧化碳排放來自于城市，預(yù)計(jì)這一比例在2030 年將達(dá)到80%。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA)的數(shù)據(jù)，建筑業(yè)在城市碳排放中占比較大，全球近40%的能源消費(fèi)都與建筑業(yè)相關(guān)[2]。2019 年，我國建筑領(lǐng)域碳排放量占碳排放總量的比重達(dá)到了21%[3]。建筑部門作為用能大戶，如何在建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，對(duì)我國雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

Apergis 等[4]研究了亞洲14 個(gè)國家1990—2011年經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放之間的關(guān)系。Shahzad 等[5]采用自回歸分布滯后模型對(duì)巴基斯坦的碳排放、貿(mào)易開放、能源消耗與金融發(fā)展之間的協(xié)整關(guān)系進(jìn)行了實(shí)證研究。Cuéllar-Franca 等[6]、李海峰[7]則利用碳排放系數(shù)對(duì)住宅建筑生命周期碳排放進(jìn)行計(jì)算，得出運(yùn)營階段碳排放對(duì)整個(gè)建筑全生命周期的碳排放貢獻(xiàn)最大。黃艷雁等[8]利用實(shí)測法以武漢某辦公大樓為研究對(duì)象，通過收集建筑外立面改造前后室內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)，得出外墻雙層表皮可對(duì)建筑碳排放減少起到積極作用。周觀根等[9]以裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑為研究對(duì)象，基于生命周期理論對(duì)建筑各個(gè)階段碳排放進(jìn)行計(jì)算，并在橫向上與混凝土結(jié)構(gòu)作對(duì)比分析，得出裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑相比于傳統(tǒng)建筑可有效降低碳排放。

現(xiàn)有國內(nèi)關(guān)于建筑碳核算方法的研究多立足于微觀視角，對(duì)單體或某類型建筑物的碳排放進(jìn)行核算，且多側(cè)重于對(duì)新建建筑和建筑使用過程中的碳排放進(jìn)行分析，缺乏對(duì)區(qū)域建筑碳排放的研究。區(qū)域建筑碳排放核算能揭示一定時(shí)間內(nèi)區(qū)域建筑物在建筑材料準(zhǔn)備、建造、使用、拆除處置和回收等階段發(fā)生的碳排放總和，有助于后續(xù)識(shí)別建筑節(jié)能減排路徑。本研究從生命周期視角出發(fā)，收集并整理上海市2010—2020 年住宅與非住宅建筑建筑材料和能源消耗數(shù)據(jù)，并以住宅及非住宅建筑為研究對(duì)象，結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)（LCA）方法及碳排放系數(shù)法對(duì)上海市建筑在建材生產(chǎn)、建筑施工（建造、拆除）以及建筑運(yùn)營階段的碳排放進(jìn)行核算。

本研究構(gòu)建了城市層面的碳排放核算框架和方法學(xué)體系，并以上海市為研究案例，在時(shí)間序列上對(duì)上海市建筑作出碳排放趨勢分析，橫向上對(duì)比分析兩種建筑類型（住宅建筑和非住宅建筑）碳排放量。該研究可為城市厘清自身建筑碳排放現(xiàn)狀，以及為區(qū)域協(xié)同減排、共同實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供參考。

1 研究方法

1.1 上海市建筑碳排放核算模型

本研究關(guān)注的是建筑生命周期中主要碳排放階段，包括建材生產(chǎn)、建筑施工（建造、拆除）和建筑運(yùn)營階段。利用排放因子法計(jì)算出2010—2020 年上海市建筑生命周期各階段碳排放量。本研究所涉及的建筑類型僅指民用建筑，包括：住宅、學(xué)校、辦公建筑、商場店鋪、醫(yī)院、旅館、交通樞紐、文體娛樂設(shè)施等，而不包括工業(yè)建筑。為易于討論，將民用建筑中除住宅建筑外的其他建筑統(tǒng)稱為非住宅建筑。通過對(duì)比上海市住宅建筑及非住宅建筑碳排放量，可以更好地把握上海市建筑碳排放特點(diǎn)和碳排放趨勢，對(duì)后續(xù)提出針對(duì)性的減排對(duì)策具有積極意義。

1.1.1 建材生產(chǎn)階段碳排放計(jì)算

建材生產(chǎn)階段碳排放量可通過建材的使用量與其對(duì)應(yīng)的碳排放因子乘積累加計(jì)算得出，即

式中：CSC為建材生產(chǎn)階段的碳排放量，kg CO2；Mi為第i種建筑材料的使用量，t；Fi為生產(chǎn)i種建材的碳排放因子，kg CO2/單位建材數(shù)量。

1.1.2 建造及拆除階段碳排放計(jì)算

建筑施工階段碳排放量主要由建筑建造和拆除階段產(chǎn)生的碳排放量組成，表示如下：

式中：CSG為建筑施工（建造、拆除）階段產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；EJZ,i為建造階段第i種能源的使用量折算標(biāo)煤量，tce；ECC,i為拆除階段第i種能源的使用量折算標(biāo)煤量，tce；EFi為第i種能源的碳排放系數(shù)，tCO2/tce。

1.1.3 運(yùn)營階段碳排放計(jì)算

建筑運(yùn)營階段碳排放主要是由建筑設(shè)備能耗引起，如照明設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、取暖設(shè)備、制冷設(shè)備等的使用。建筑運(yùn)營階段碳排放計(jì)算公式為

式中：CYX為建筑運(yùn)營階段所產(chǎn)生的碳排放量；Ui為第i類能源的消耗量；Fi為第i類能源的碳排放系數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文碳計(jì)算過程中所需的能耗數(shù)據(jù)和建材使用量均取自于《上海統(tǒng)計(jì)年鑒》[10]和《中國建筑業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[11]，能源和建材碳排放因子主要來自《GBT51366—2019 建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 上海市建筑碳排放分析

2.1.1 建材生產(chǎn)階段

建筑材料的選取參考《中國建筑業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[11]，主要考慮了鋼鐵、水泥、鋁材以及玻璃4 類，其他建材能耗占比較小，在此忽略不計(jì)。按照上述計(jì)算方法，并結(jié)合表1 中上海市建筑材料消耗量以及相應(yīng)的碳排放因子[12]，計(jì)算得到2010—2020 年上海市建筑建材生產(chǎn)階段的碳排放量，如表2 所示。

表1 2010—2020 年上海市建筑業(yè)建筑材料消耗量Tab.1 Consumption of construction materials in Shanghai from 2010 to 2020 百萬t

表2 2010—2020 年上海市主要建材生產(chǎn)階段碳排放量Tab.2 Carbon emissions from major building materials production in Shanghai from 2010 to 2020 百萬t

結(jié)果表明，2010—2020 年上海市建材生產(chǎn)階段碳排放持增長態(tài)勢。建筑材料生產(chǎn)碳排放量由2010 年 的4 776 萬t 上升到2020 年的8 823 萬t，并在2019 年碳排放量達(dá)到最高值（約1.28 億t），這主要是由于鋼材、水泥、玻璃這3 種建材使用量的突然增加導(dǎo)致的。從不同建材的碳排放占比來看，鋼材的碳排放量在4 種建筑材料中最高，占50%以上，其次是水泥、鋁和玻璃，如圖1 所示。此外，由于鋼材的碳排放因子比水泥大，即使水泥的消耗量大于鋼材，但碳排放量仍小于鋼材。

圖1 2010—2020 年上海市主要建筑材料生產(chǎn)碳排放占比Fig.1 Carbon emission ratio of major building materials production in Shanghai from 2010 to 2020

為進(jìn)一步探討上海市住宅及非住宅建筑在建材生產(chǎn)階段的碳排放關(guān)系，本研究將建材生產(chǎn)階段碳排放總量按照竣工面積進(jìn)行分配，見表3。

表3 2010—2020 年上海市住宅及非住宅建筑建材生產(chǎn)階段碳排放量Tab.3 Carbon emissions of residential and non-residential building materials in Shanghai from 2010 to 2020

由圖2 可知，在建材生產(chǎn)階段，住宅及非住宅建筑碳排放量兩者之間沒有顯示大小規(guī)律。2010，2011，2015，2017，2019 這5 年，非住宅建筑的碳排放量均大于住宅建筑。2010—2017 年住宅與非住宅建筑的碳排放量差值不大，但從2018年開始兩者的碳排放量差值逐年增大。2010—2018年住宅建筑建材生產(chǎn)階段碳排放量總體持波動(dòng)增長態(tài)勢，并于2019 年達(dá)到峰值(5 821 萬t)。而非住宅建筑建材生產(chǎn)階段的碳排放量除2019 年外，其余年份的碳排放量也呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)性變化，2016 年非住宅建筑的建材生產(chǎn)階段碳排放量最?。? 305 萬t），2019 年碳排放量最大（6 971 萬t）。

圖2 2010—2020 年上海市住宅及非住宅建筑建材生產(chǎn)階段碳排放對(duì)比Fig.2 Comparison of carbon emissions of residential and non-residential building materials in Shanghai from 2010 to 2020

2.1.2 建造及拆除階段

將宏觀建筑生命周期施工（建造、拆除）階段的能耗量等同于建筑企業(yè)每年的能耗量。通過查閱《上海統(tǒng)計(jì)年鑒》[10]數(shù)據(jù)，并結(jié)合表4 中施工（建造、拆除）階段的能耗量和對(duì)應(yīng)的碳排放因子[13]，計(jì)算得到2010—2020 年上海市建筑施工階段碳排放量。

由表4 可知，2010—2020 年上海市建筑施工階段碳排放量總體持增長態(tài)勢，并在2020 年碳排放量達(dá)到最高值（684 萬t）。

表4 2010—2020 年上海市建筑施工（建造、拆除）能耗及碳排放量Tab.4 Energy consumption and carbon emissions of building construction in Shanghai from 2010 to 2020

為進(jìn)一步探討上海市住宅及非住宅建筑在施工階段的碳排放關(guān)系，本研究將施工階段碳排放總量按竣工面積進(jìn)行分配，見表5。由圖3 可知，在建筑施工（建造、拆除）階段，住宅建筑和非住宅建筑的碳排放量沒有顯示大小規(guī)律。住宅及非住宅建筑施工階段碳排放量持波動(dòng)性變化，但波動(dòng)幅度不大。2010—2020 年間：住宅建筑施工碳排放量2010 年出現(xiàn)最低值（250 萬t），2020 年碳排放量最高（407 萬t）。非住宅建筑施工碳排放量2014 年最低（260 萬t），2019 年碳排放量最高（354 萬t）。

圖3 2010—2020 年上海市住宅及非住宅建筑施工階段碳排放對(duì)比Fig.3 Comparison of carbon emissions in construction stage of residential and non-residential buildings in Shanghai from 2010 to 2020

表5 2010—2020 年上海市住宅及非住宅建筑施工（建造、拆除）階段碳排放量Tab.5 Carbon emissions in construction stage of residential and non-residential buildings in Shanghai from 2010 to 2020

2.1.3 建筑運(yùn)營階段

本研究利用能源拆分法對(duì)上海市建筑運(yùn)營階段碳排放量進(jìn)行拆分計(jì)算。因住宅和非住宅建筑在運(yùn)營階段能耗的覆蓋范圍存在差異，故在數(shù)據(jù)拆分時(shí)需分開處理。通過橫向?qū)Ρ茸≌ㄖ胺亲≌ㄖ\(yùn)行碳排放量，得出上海市民用建筑運(yùn)行階段碳排放特點(diǎn)和碳排放趨勢，對(duì)提出有針對(duì)性的減排對(duì)策具有積極意義。

住宅建筑運(yùn)營階段能耗通過居民生活能耗剔除交通使用能耗（汽油、柴油的消耗）得到。原煤碳排放因子由標(biāo)煤碳排放因子換算得到（1.86t CO2/t）。2010—2019 年電力碳排放系數(shù)取自于中國區(qū)域電網(wǎng)的基線碳排放因子（華東區(qū)域），2020 年電力碳排放系數(shù)則取自于《上海市溫室氣體排放核算與報(bào)告指南（試行）》。熱力碳排放因子方面則采用蔡偉光等[14]基于能源平衡表法計(jì)算得到的2000—2017 年全國熱力碳排放因子（0.13t CO2/GJ）來確定?；谑剑?），計(jì)算得到2010—2020 年上海市住宅建筑運(yùn)營階段各能源消耗碳排放結(jié)果，見表6。

由表6 可知，2010—2020 年住宅建筑運(yùn)營階段碳排放持增長態(tài)勢，并在2020 年碳排放量達(dá)到峰值，為2 047.88 萬t。電力消耗產(chǎn)生的碳排放量對(duì)運(yùn)營階段碳排放貢獻(xiàn)最大，約占90%。與總體運(yùn)營階段碳排放趨勢一致，2010—2020 年電力消耗碳排放量也呈增長態(tài)勢，并在2020 年達(dá)到峰值，為2 031.41 萬t。與之相反的是，2010—2020 年原煤消耗碳排放量持下降態(tài)勢，且總量占比較小，并在2017 達(dá)到最低值，為7.44 萬t。與其他兩類能源消耗產(chǎn)生的碳排放相比，熱力碳排放量所占比重很小，但2020 年突然加大了熱力消耗，造成約9 萬t 碳排放量。

表6 2010—2020 年上海市住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量Tab.6 Carbon emissions in operation stage of residential buildings in Shanghai from 2010 to 2020 萬t

非住宅建筑運(yùn)營階段，本研究從第三產(chǎn)業(yè)的各種能源消耗量減去運(yùn)輸業(yè)、倉儲(chǔ)和郵政業(yè)能耗，得到非住宅建筑運(yùn)營階段能耗[15]，進(jìn)而得到相關(guān)碳排放。2010—2020 年上海市第三產(chǎn)業(yè)、交通運(yùn)輸、倉儲(chǔ)和郵政業(yè)能源終端消費(fèi)量可從上海統(tǒng)計(jì)年鑒獲得。原始數(shù)據(jù)進(jìn)行能源拆分后得到2010 年其他石油制品消耗量為0.01 萬t，其他年份未有消耗量，上海市非住宅建筑運(yùn)營階段能耗數(shù)據(jù)見表7。碳排放因子方面，燃料油、汽油、柴油的碳排放因子均來自于文獻(xiàn)[14]，煤油、其他油制品的碳排因子來自國家標(biāo)準(zhǔn)[12]，能源終端消費(fèi)量從《上海統(tǒng)計(jì)年鑒》獲得。計(jì)算得到2010—2020 年上海非住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量，如表8 所示。

表7 2010—2020 年上海市公共建筑運(yùn)營階段能耗量Tab.7 Energy consumption in operation stage of public buildings in Shanghai from 2010 to 2020

由表8 可知，2010—2020 年公共建筑運(yùn)營階段碳排放持增長態(tài)勢，并在2017 年碳排放量達(dá)到峰值，為3 111.68 萬t。運(yùn)營階段中電力消耗產(chǎn)生的碳排放量占比最大，且有逐年上升的趨勢；其次為柴油和汽油；原煤消耗產(chǎn)生的碳排放量占比不足10%，且在2016 年之后所占比重急速下降。其他石油制品和煤油消耗碳排放量占比很小，與其他能源消耗碳排放量不是同等數(shù)量級(jí)。

表8 2010—2020 年上海市公共建筑運(yùn)營階段碳排放量Tab.8 Carbon emissions in operation stage of public buildings in Shanghai from 2010 to 2020 萬t

圖4 展示了上海市住宅建筑與公共建筑運(yùn)營階段碳排放量。從變化趨勢來看，2010—2020 年住宅與非住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量變化相似，都呈波動(dòng)上升趨勢。2010—2020 年上海市住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量均小于非住宅建筑，且碳排放量差值在2017 年之后呈遞減趨勢。

圖4 2010—2020 年上海市住宅及非住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量Fig.4 Carbon emissions in operation stage of residential and non-residential buildings in Shanghai from 2010 to 2020

2.1.4 建筑生命周期碳排放結(jié)果討論

對(duì)上海市住宅和非住宅建筑各生命周期碳排放量進(jìn)行相加，得到2010—2020 年上海市整體建筑各階段碳排放量數(shù)據(jù)。如表9 所示，2010—2020 年上海市建筑生命周期碳排放總量持波動(dòng)增長態(tài)勢，建筑碳排放總量由2010 年的9 416 萬t 上升到2020 年的14 545 萬t。其中，2019 年建筑生命周期碳排放總量最高，為18 294 萬t，這是因建材生產(chǎn)階段碳排放顯著增長所導(dǎo)致的。

將表9 中生命周期各階段數(shù)據(jù)按年份匯總至圖5。可見，建材生產(chǎn)和建筑運(yùn)營是建筑碳排放占比最大的兩個(gè)階段，遠(yuǎn)超建筑施工階段產(chǎn)生的碳排放量。分別分析各階段的碳排放情況，發(fā)現(xiàn)除2019 年外，其余年份各階段碳排放量都呈增長態(tài)勢，但變化幅度較小。

圖5 2010—2020 年上海市建筑生命周期各階段碳排放量Fig.5 Carbon emissions in life cycle stages of buildings in Shanghai from 2010 to 2020

按建筑類型將表9 中生命周期各階段碳排放量進(jìn)行拆分，比較分析住宅與非住宅建筑在建材生產(chǎn)、施工和運(yùn)營3 個(gè)階段的碳排放量（見圖6），得到2010—2019 年住宅建筑整體碳排放總量小于非住宅建筑整體碳排放總量。2010—2020 年住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量總是小于非住宅建筑運(yùn)營碳排放量，其他兩階段未顯示這種規(guī)律。

圖6 2010—2020 年上海市住宅及非住宅建筑生命周期碳排放對(duì)比Fig.6 Comparison of life cycle carbon emissions of residential and non-residential buildings in Shanghai from 2010 to 2020

表9 2010—2020 年上海市住宅及非住宅建筑生命周期碳排放總量Tab.9 Total carbon emissions in life cycle stages of residential and non-residential buildings in Shanghai from 2010 to 2020 百萬t

3 結(jié)論與建議

本研究以上海市住宅及非住宅建筑為研究對(duì)象，基于生命周期理論，從城市層面核算出上海市建筑領(lǐng)域碳排放量，并對(duì)碳排放量作出對(duì)比和分析，現(xiàn)將主要結(jié)論總結(jié)如下：

a.2010—2020 年上海市建筑碳排放總量呈波動(dòng)增長趨勢，建筑碳排放總量從2010 年的9 416 萬t增長到2020 年的14 545 萬t。

b.建材生產(chǎn)和運(yùn)營階段是建筑碳排放的主要階段，減排策略應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。鋼材生產(chǎn)碳排放量是建材生產(chǎn)階段中碳排放量的主要構(gòu)成部分，占比在50%以上，其次是水泥和鋁材。而建筑施工（建造、拆除）階段碳排放量占比較?。ǖ陀?0%）。2010—2020 年建筑施工碳排放總體持穩(wěn)定上升趨勢，且波動(dòng)較小。2020 年碳排放量達(dá)到最高值，為684 萬t。對(duì)于運(yùn)營階段，住宅與非住宅建筑主要碳排放來源相似，均為電力消耗。從變化趨勢來看，2010—2020 年住宅與非住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量變化相似，都呈波動(dòng)上升趨勢。住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量在2020 年達(dá)到最高值（2 048 萬t），而非住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量在2017 年達(dá)到峰值（3 112 萬t）。

c.從建筑類型上來看，2010—2020 年住宅建筑運(yùn)營階段碳排放量總是小于非住宅建筑，在其他兩階段未顯示這種規(guī)律。

d.上海市建筑碳排放存在總量大、總量持續(xù)增長、建材生產(chǎn)階段及運(yùn)營階段占比高等特點(diǎn)。

根據(jù)上海市建筑生命周期碳排放量核算結(jié)果可得到建筑碳排放的主要來源與減排關(guān)鍵點(diǎn)，本研究提出如下減排建議：

a.在建筑減碳路徑方面，建材生產(chǎn)階段由于鋼材、水泥等高碳建材的使用導(dǎo)致碳排放量占比較大，可通過大力推廣綠色建材的應(yīng)用，將碳排放強(qiáng)度作為綠色建材認(rèn)定的關(guān)鍵指標(biāo)，發(fā)展具有固碳能力的建材來達(dá)到減排目的。

b.運(yùn)營階段碳排放主要來源于電力消耗，可通過外墻保溫設(shè)計(jì)、新型建筑板材使用等措施來減少建筑的能源需求，采用LED 照明技術(shù)與產(chǎn)品、光熱光伏系統(tǒng)建筑一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)來提升建筑能源的使用效率，采用分布式能源[16]進(jìn)而來減少相關(guān)碳排放。

c.對(duì)于碳排放占比較小的建筑施工（建造、拆除）階段，可以通過推行綠色施工技術(shù)來降低相關(guān)碳排放，如預(yù)制裝配式技術(shù)的應(yīng)用、BIM 智慧化施工技術(shù)等措施；在建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃階段可參照相關(guān)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、方案比選等措施從源頭降低相關(guān)碳排放。