建筑碳排放分析與減碳路徑研究

董瑩，劉軍，董恒瑞，羅干，孫浩然

（中煤科工重慶設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 綠色建筑設(shè)計(jì)研究院，重慶 400042）

0 引言

據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)布的《中國建筑能耗與碳排放研究報(bào)告（2021）》[1]顯示，2019 年全國建筑業(yè)全過程能耗和碳排放總量分別達(dá)到22.33 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤和49.97 億噸二氧化碳，占全國總量的比例分別達(dá)45.8%和50.6%，是我國能耗與碳排放“大戶”。據(jù)相關(guān)估計(jì)，到2050 年，我國建筑業(yè)對全社會碳減排量的貢獻(xiàn)量將超56%，潛在節(jié)能減排空間巨大，是落實(shí)國家“雙碳”目標(biāo)的重點(diǎn)領(lǐng)域[2]。由此可見，在我國推動節(jié)能減排以實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)過程中，建筑節(jié)能減排路徑的實(shí)施是關(guān)鍵一環(huán)，對全方位邁向低碳社會，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

近年來，我國對如何逐步實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)持續(xù)釋放出政策“加碼”信息，建筑業(yè)相關(guān)政策陸續(xù)發(fā)布。2021 年9 月，住建部發(fā)布《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB 55015—2021），首次明確建筑碳排放報(bào)告成為建筑設(shè)計(jì)文件中的強(qiáng)制性要求，并要求新建居住和公共建筑碳排放強(qiáng)度應(yīng)在2016 年節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上平均降低40%，碳排放強(qiáng)度平均降低7kg CO2/(m2·a)以上[3]。2021 年10 月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于印發(fā)2030 年前碳達(dá)峰行動方案的通知》，其中對“優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)”做出了明確規(guī)定。2022 年3 月，住建部發(fā)布《關(guān)于印發(fā)“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃的通知》，明確指出建筑領(lǐng)域需加強(qiáng)統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測能力的建設(shè)，完善建筑領(lǐng)域能源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)制度和指標(biāo)體系，探索建立城市基礎(chǔ)設(shè)施能源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)制度。建筑碳排放相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、制度及方法學(xué)作為建筑“雙碳”工作的基礎(chǔ)技術(shù)備受關(guān)注。因此，在全球碳達(dá)峰、碳中和背景下，亟需厘清建筑領(lǐng)域碳排放計(jì)算問題，明晰建筑節(jié)能減碳機(jī)制，提升建筑節(jié)能技術(shù)水平，探究建筑“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施路徑。

1 建筑碳排放計(jì)算概述

建筑碳排放分析計(jì)算是建筑“雙碳”研究的基礎(chǔ)，國際上絕大部分研究針對建筑運(yùn)行階段展開，而國內(nèi)則對全生命周期范圍計(jì)算更加青睞。全生命周期理論由卡曼于1966 年首次提出，之后經(jīng)過眾多學(xué)者的發(fā)展并引入各個(gè)領(lǐng)域。廣義來講，全生命周期理論是指一個(gè)事物從其興起到結(jié)束的過程。建筑全生命周期則是指從建筑的最初設(shè)計(jì)、施工，再到建筑整個(gè)壽命期間的運(yùn)行，最后廢棄拆除的連續(xù)的全過程。由于建筑項(xiàng)目建成所需技術(shù)復(fù)雜多樣、建設(shè)周期長、風(fēng)險(xiǎn)高，對其全過程進(jìn)行階段劃分至關(guān)重要。因此，建筑領(lǐng)域?qū)W者根據(jù)建筑項(xiàng)目過程的性質(zhì)，將建筑全生命周期分為了建材生產(chǎn)與運(yùn)輸階段、建造階段、運(yùn)行階段、拆除階段等四個(gè)階段，并得到普遍認(rèn)同。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)理論基礎(chǔ)

1.1.1 主流標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國建筑領(lǐng)域的綠色低碳化標(biāo)準(zhǔn)體系仍在建設(shè)中，涉及建筑碳排放計(jì)算的主流標(biāo)準(zhǔn)包括《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51366—2019）、《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ ∕T 449—2018）、《建筑和土木工程的可持續(xù)性：現(xiàn)有建筑在使用階段的碳計(jì)量》（ISO 16745—2017）和《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 374—2014）。四部標(biāo)準(zhǔn)均闡述了建筑碳排放計(jì)算的方法學(xué)和原則，主要包含實(shí)測法、碳排放因子法、物料衡算法、施工工序能耗估算法等。在具體的計(jì)算內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)上，各標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異（表1）。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)不同階段碳排放計(jì)算要求

（1）《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》提出建筑全生命周期的碳排放計(jì)算具體方法，要求計(jì)算建材生產(chǎn)及運(yùn)輸、建造、運(yùn)行、拆除階段全過程的碳排放總量，重點(diǎn)闡述各階段碳排放計(jì)算方法。

（2）《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》僅對建材生產(chǎn)及運(yùn)輸、運(yùn)行階段的碳排放計(jì)算做出要求和分析。

（3）《建筑和土木工程的可持續(xù)性：現(xiàn)有建筑在使用階段的碳計(jì)量》是僅針對建筑運(yùn)行階段碳排放計(jì)量、報(bào)告和核證的國際標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的國際認(rèn)可度。

（4）《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》是由中國工程建設(shè)協(xié)會編制發(fā)布的我國第一部真正意義上的建筑碳排放分析計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，適用于新建、改建和擴(kuò)建及既有建筑的全生命周期碳排放計(jì)算，重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)收集與處理方法。

1.1.2 建筑全生命周期碳排放計(jì)算要點(diǎn)

根據(jù)《京都議定書》規(guī)定，建筑碳排放計(jì)算時(shí)應(yīng)包含《IPCC國家溫室氣體清單指南》《京都議定書》和《多哈修正案》中規(guī)定控制的7 種溫室氣體排放量，具體為：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化合物（HFCs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6）、三氟化氮(NF3)。根據(jù)上述四種建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)建筑全生命周期碳排放計(jì)算要點(diǎn)如下：

（1）建材生產(chǎn)及運(yùn)輸階段碳排放。主要包括鋼筋、水泥、磚等主要建材生產(chǎn)及從產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場過程的碳排放之和，通過查詢設(shè)計(jì)圖紙、采購清單等工程建設(shè)相關(guān)技術(shù)資料，確定建筑的建材消耗量。計(jì)算時(shí)選取主要建材重量不能低于建筑所耗建材總重量的95%，在此條件下，重量占比低于0.1%的建筑材料可不列入計(jì)算；

（2）建造階段碳排放。主要包括完成分部分項(xiàng)工程施工與措施項(xiàng)實(shí)施過程碳排放和施工人員在現(xiàn)場辦公及生活產(chǎn)生的碳排放?；诮ㄔO(shè)項(xiàng)目所處階段（設(shè)計(jì)、竣工），可選擇采用實(shí)際施工能源消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算法和施工能耗估算值計(jì)算法（施工能耗定額法、工程預(yù)算決算書法、經(jīng)驗(yàn)公式法）進(jìn)行計(jì)算；

（3）運(yùn)行階段碳排放。主要來自能源和資源消耗。以住宅為例，能源和資源消耗主要集中在空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、動力設(shè)備系統(tǒng)、生活熱水及燃?xì)獾?，碳排放即來自于各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行耗能釋放。本階段建筑碳排放核算以一個(gè)完整的自然年為時(shí)間單位，乘以建筑使用壽命得出運(yùn)行階段碳排放總量。對于已建成的項(xiàng)目可采用能耗監(jiān)測法、資源統(tǒng)計(jì)法，對未建成的項(xiàng)目可采用能耗模擬法和按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)測算法；

（4）拆除階段碳排放。主要包括機(jī)械拆除、人工拆除和建筑廢棄物運(yùn)輸所用能耗產(chǎn)生的碳排放。核算方法與建造階段類似；

（5）碳匯減排量主要包括綠化、水體等碳匯措施的碳吸收量，建筑碳匯以植被綠化為主。建筑碳匯種類及建設(shè)面積可從建筑的景觀圖紙中獲得。

1.2 建筑碳排放工具現(xiàn)狀

隨著標(biāo)準(zhǔn)體系的完善及市場需求增大，建筑碳排放計(jì)算工具逐步發(fā)展，從其推廣規(guī)模和實(shí)用性來看，可分為以下幾類：

（1）軟件建模工具：軟件建模是實(shí)現(xiàn)建筑碳排放分析計(jì)算的工具之一，《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》發(fā)布實(shí)施以來，其使用率大幅提升。此類工具主要通過建模分析，預(yù)測建筑的碳排放情況，如“PKPM-CES 建筑碳排放軟件”“T20-CEV5.0”等；

（2）小眾定制軟件工具：基于客戶需求和自身需要，部分團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了建筑碳排放計(jì)算軟件，相較于大眾商業(yè)化軟件，其普及率相對較低但針對性更強(qiáng)。如東禾建筑碳排放計(jì)算分析專用軟件，部分高科技企業(yè)基于云服務(wù)提供或開發(fā)的IaaS、PaaS、SaaS 解決方案等；

（3）人工分析計(jì)算工具：除軟件工具外，行業(yè)內(nèi)許多研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)基于已建成項(xiàng)目實(shí)體的建筑碳排放人工分析計(jì)算方法。與軟件工具不同，人工分析計(jì)算的自主性更強(qiáng)，數(shù)據(jù)更貼近于實(shí)際，但數(shù)字化程度偏低，分析計(jì)算周期較長。

由于建筑碳排放計(jì)算分析受發(fā)展階段和已有基礎(chǔ)條件等因素的限制，工作中還面臨一些待解決問題：一是碳排放因子數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、不完備；二是缺乏針對裝配式、市政工程、環(huán)境工程的配套碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)；三是建筑全生命周期中各種不確定性導(dǎo)致碳排放計(jì)算可能存在較大誤差；四是計(jì)算工具的數(shù)據(jù)集和輸出報(bào)告還不夠完善。

2 建筑節(jié)能減排路徑

根據(jù)碳排放的主要來源，通過對建筑工程項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)行、拆除分析入手，因地制宜采取經(jīng)濟(jì)合理的措施，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排目標(biāo)。

2.1 設(shè)計(jì)階段

項(xiàng)目設(shè)計(jì)對項(xiàng)目全生命周期的成本和質(zhì)量具有重大影響，此部分設(shè)計(jì)階段包含建筑項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)和建材生產(chǎn)及運(yùn)輸部分。

（1）嚴(yán)控節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)效果。近年來，隨著綠色化、低碳化概念對各領(lǐng)域的滲透，我國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不斷提高（圖1），針對標(biāo)準(zhǔn)特性衍生出綠色建筑、超低能耗建筑、零碳建筑等概念。當(dāng)前，重慶市實(shí)施的《居住建筑節(jié)能65%（綠色建筑）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ 50-071—2020）、《公共建筑節(jié)能（綠色建筑）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ 50-052—2020）不僅增加了建筑的結(jié)構(gòu)、景觀等節(jié)能設(shè)計(jì)，還提高了綠色建材應(yīng)用比例[4-5]。2022 年4 月1 日起執(zhí)行的《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》強(qiáng)制要求新建居建和公建平均設(shè)計(jì)能耗水平在原標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上再下降30%和20%，公建平均節(jié)能率達(dá)72%，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)、其他氣候區(qū)居建平均節(jié)能率分別達(dá)75%、65%。嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，推動綠色建筑與低碳建筑發(fā)展，有助于建筑節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

圖1 節(jié)能建筑發(fā)展歷程（標(biāo)準(zhǔn)）

（2）加大綠色建材使用比例，合理制定建材運(yùn)輸方案。在建材生產(chǎn)及運(yùn)輸方面，選取節(jié)能環(huán)保型材料是執(zhí)行節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)措施之一。就建材壽命和循環(huán)利用方面考慮，選擇高強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕的高性能與可回收建材，能夠有效降低在建筑運(yùn)營維護(hù)階段由于建筑修繕?biāo)鶐淼奶寂欧乓约岸问褂没厥战ú乃鶞p少的新建材用量碳排放。此外，“就地取材”能直接減少建材運(yùn)輸距離，根據(jù)不同建材需求采用合理運(yùn)輸工具能提高運(yùn)輸效率，均有助于降低建材運(yùn)輸過程碳排放總量。

2.2 建造階段

推進(jìn)建筑綠色建造發(fā)展，是建筑業(yè)邁向“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。綠色建造是指通過科學(xué)化的管理與技術(shù)創(chuàng)新，以節(jié)能降碳和高質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo)，利用工業(yè)化、信息化技術(shù)開展建筑建造的方式。綠色建造兼具綠色化、工業(yè)化、信息化、集約化和產(chǎn)業(yè)化特征[6]，是對傳統(tǒng)建造活動的全過程與全要素“脫碳”，有助于建筑全過程建造效率的提升，促進(jìn)建筑綠色低碳轉(zhuǎn)型。

（1）提升綠色化水平。在建筑建造項(xiàng)目的策劃、設(shè)計(jì)、建材、施工、交付全過程采用綠色統(tǒng)籌一體化方式，回收建筑建造垃圾，降低建造過程能源資源消耗量，提升資源利用率。

（2）提升工業(yè)化水平。利用建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、建材工業(yè)化生產(chǎn)、現(xiàn)場裝配式施工、室內(nèi)一體化裝修和全過程信息化管理手段，完成建筑工業(yè)化建造。裝配式建筑是工業(yè)化生產(chǎn)的重要技術(shù)，合理運(yùn)用建筑外墻、樓梯、樓板等預(yù)制構(gòu)件，可減少施工階段碳排放。

（3）提升信息化水平。信息共享與集成支撐建造規(guī)劃與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與施工各環(huán)節(jié)綠色化發(fā)展，提升各專業(yè)與各參與方的協(xié)同工作效率。信息化與工業(yè)化的融合促使建筑建造綠色化、智能化與精細(xì)化深度發(fā)展。

試驗(yàn)組與對照組樣本量均按等比例分配。從有效性角度，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)要求，按等組間比例1∶1安排例數(shù)，根據(jù)以往研究文獻(xiàn)結(jié)果，三伏貼療法預(yù)期的有效率約70%，取α=0.05，β=0.1，雙側(cè)檢驗(yàn)，每組33例，考慮脫落因素，適當(dāng)增加例數(shù)20%，故每組40例，總計(jì)120例。

（4）提升集約化水平。建造集約化發(fā)展有助于解決建筑產(chǎn)業(yè)的“碎片化”、信息孤島、協(xié)同不足等問題，使建造過程更具組織化、系統(tǒng)化、精細(xì)化等特征。

（5）提升產(chǎn)業(yè)化水平。產(chǎn)業(yè)化即通過資源共享與上下游利益共謀進(jìn)行產(chǎn)業(yè)資源整合，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈綠色化發(fā)展。刺激前端建材產(chǎn)品綠色轉(zhuǎn)型，引領(lǐng)下游綠色建筑、低碳（零碳）建筑產(chǎn)品發(fā)展，形成完整綠色產(chǎn)業(yè)鏈。

2.3 運(yùn)行階段

建筑運(yùn)行階段碳排放占比超過建筑全生命周期碳排放總量的一半以上[7]，是建筑節(jié)能降碳的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。依據(jù)建筑運(yùn)行階段碳排放來源，應(yīng)從提升建筑運(yùn)行能效和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1）淘汰落后、能效水平低的設(shè)備，提升設(shè)備性能。淘汰國家明令禁止的設(shè)備，選用高效節(jié)能型產(chǎn)品，如中央空調(diào)、冰箱、電梯、照明燈具及變壓器等主要用能設(shè)備，提升暖通系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)設(shè)備能效水平，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行設(shè)備節(jié)能降碳目標(biāo)。

（2）提高建筑構(gòu)件及設(shè)備品質(zhì)，加強(qiáng)維護(hù)管理，提升運(yùn)行壽命。對建筑外墻、門窗及燈具、通風(fēng)機(jī)等易損耗構(gòu)件與設(shè)備進(jìn)行定期保養(yǎng)維護(hù)，減少在建筑運(yùn)行期間的更換頻次，避免更換新產(chǎn)品所帶來的生產(chǎn)及運(yùn)輸過程碳排放[8]。

（3）優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源利用率。大力發(fā)展清潔能源是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要抓手，低碳、零碳建筑建設(shè)離不開負(fù)碳技術(shù)的支持。構(gòu)建高效合理的建筑可再生能源系統(tǒng)，如太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱水、水源熱泵、分布式風(fēng)能發(fā)電等，打造“源網(wǎng)荷儲”一體化運(yùn)營模式，有助于實(shí)現(xiàn)建筑綠色可持續(xù)發(fā)展。

（4）采用智慧技術(shù)，構(gòu)建信息化運(yùn)營系統(tǒng)。以數(shù)字化技術(shù)助推建筑能源的“開源節(jié)流”，構(gòu)建建筑智慧化運(yùn)營平臺，從通風(fēng)、空調(diào)、照明等方面減少建筑用能，融合全生命周期能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能耗指標(biāo)參數(shù)可視化及高能耗響應(yīng)，進(jìn)行能源調(diào)度和能源管理，降低用能成本與運(yùn)行過程碳排放。

2.4 拆除階段

（1）選擇合理經(jīng)濟(jì)的拆除方案。主流建筑拆除方式包括人工拆除、機(jī)械拆除、爆破拆除，其中機(jī)械拆除與爆破拆除較為普遍，兩者均有拆除速度快的特點(diǎn)，但其建筑材料可回收率低，增加建筑垃圾處理碳排放。相關(guān)研究表明，拆解比拆毀方式鋼鐵回收率高20%[9]。根據(jù)建筑類型合理制定人工拆除與機(jī)械拆除相結(jié)合的方式，提升資源循環(huán)利用率，減少下游處理過程碳排放。

（2）降低建筑廢棄物運(yùn)輸碳排放。對建筑廢棄物進(jìn)行分類，針對不同廢棄物合理選擇運(yùn)輸工具和就近廢棄物處理點(diǎn)，減少運(yùn)輸次數(shù)與總運(yùn)輸距離，降低廢棄物運(yùn)輸過程碳排放總量。

從全生命周期角度出發(fā)，通過對碳排放因素的分析，采取針對性的減碳措施（圖2），加強(qiáng)建筑全過程節(jié)能減排管控，為實(shí)現(xiàn)建筑低碳排放甚至零碳排放提供有力支撐。

圖2 建筑節(jié)能減排路徑措施

3 結(jié)語

20 世紀(jì)90 年代，建筑全生命周期碳排放在國際上被納入綠色建筑標(biāo)識評價(jià)體系，碳量化及減碳量指標(biāo)成為綠色建筑評估的重點(diǎn)內(nèi)容。從國家及地方、行業(yè)政策來看，建筑業(yè)節(jié)能減排“當(dāng)下行動”日漸緊迫?；诘吞蓟l(fā)展背景，本文對建筑全生命周期碳量化的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)進(jìn)行分析，從碳排放來源角度出發(fā)，總結(jié)提煉了全生命周期各階段的減碳技術(shù)路徑，為建筑低碳化技術(shù)體系建立及推廣應(yīng)用提供理論支撐。

盡管建筑節(jié)能減排相關(guān)研究如火如荼，其實(shí)施路徑發(fā)展仍待突破，碳排放量化技術(shù)與數(shù)據(jù)管理還存在一定不足。一方面，碳排放量化技術(shù)體系不夠完備，缺乏精細(xì)化計(jì)量分支和準(zhǔn)確碳盤查方法，衡量指標(biāo)不明確，與日新月異的市場和政策脫節(jié)；另一方面，智慧運(yùn)營系統(tǒng)不夠完善，缺乏設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)和柔性調(diào)度、節(jié)能優(yōu)化及需求側(cè)的主動負(fù)荷響應(yīng)。針對各項(xiàng)不足，行業(yè)內(nèi)還需進(jìn)一步開展技術(shù)支撐研究。