建筑碳減排促進(jìn)“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施的路徑探討

滕 敏 謝丹鳳

山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，CO2的排放量也急劇增加，使溫室效應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)，全球平均氣溫不斷攀升，進(jìn)而引起更加復(fù)雜和劇烈的氣候變化，引發(fā)洪澇等更加頻繁和更具破壞性的自然災(zāi)害。中國(guó)作為負(fù)責(zé)任的大國(guó)，也表明了在減少碳排放方面的決心。2020 年9 月22 日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，指出中國(guó)力爭(zhēng)于2030年前CO2排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。習(xí)近平總書(shū)記還在黨的二十大報(bào)告中提到2035 年我國(guó)發(fā)展的總體目標(biāo)，其中也包括“碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降”。

國(guó)際能源研究中心報(bào)告顯示，從全球來(lái)看，建筑行業(yè)碳排放量占總量的40%?！爸袊?guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗專委會(huì)發(fā)布的《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2021）》顯示，2019 年全國(guó)建筑全過(guò)程碳排放總量分別達(dá)到22.33 億tce 和49.97 億tCO2，占全國(guó)碳排放比例分別達(dá)45.8%和50.6%?！保?］由此可見(jiàn)，建筑領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重中之重。

1 建筑碳排放構(gòu)成及特點(diǎn)

建筑行業(yè)體量極其龐大，對(duì)于建筑碳排放的測(cè)量，學(xué)術(shù)界沒(méi)有統(tǒng)一觀點(diǎn)，大多將建筑碳排放分為建筑直接碳排放和建筑間接碳排放。建筑直接碳排放是指建筑運(yùn)行階段直接消費(fèi)的化石能源帶來(lái)的碳排放，主要產(chǎn)生于建筑施工和建材生產(chǎn)及運(yùn)輸階段，建筑間接碳排放是指建筑運(yùn)行階段消費(fèi)的電力和熱力兩大二次能源帶來(lái)的碳排放，這是建筑運(yùn)行碳排放的主要來(lái)源。建筑材料的生產(chǎn)是建筑直接碳排放的重要來(lái)源。在建筑物的施工過(guò)程中，混凝土、鋼鐵、水泥、磚、玻璃都是不可或缺的應(yīng)用材料，其能源消耗和碳排放的數(shù)據(jù)也十分龐大。

建筑間接碳排放則與城市形態(tài)息息相關(guān)。例如城市的氣候狀況，空間形態(tài)，建設(shè)強(qiáng)度和土地利用形態(tài)。具體作用機(jī)制如圖1所示。

圖1 間接碳排放具體作用機(jī)制

2 建筑碳排放影響因素

建筑碳排放是多方面、多階段、多途徑相互作用和共同作用的綜合結(jié)果。在建筑的全生命周期中，一幢建筑物無(wú)論是建筑材料的制作，墻體的壘砌，還是室內(nèi)的裝修，房屋的維護(hù)與拆除，其過(guò)程都會(huì)有大量CO2的釋放。建筑的結(jié)構(gòu)類型也是造成不同建筑碳排放有所差異的重要因素。建筑碳排放不僅要考慮需求端，還要考慮供給端，供給過(guò)程中因供給效率不高而造成的浪費(fèi)是碳排放不可忽視的因素。

2.1 建筑全生命周期的各個(gè)階段

“建筑全生命周期是建筑工程項(xiàng)目從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工，再到運(yùn)營(yíng)維護(hù)，直至拆除為止的全過(guò)程。”［2］包括了設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維、拆除四個(gè)階段。

1）設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段主要對(duì)整個(gè)工程作出全面規(guī)劃，為整個(gè)工程的低碳減排提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。比如僅僅是計(jì)劃建材的需要量這一小項(xiàng)，若與實(shí)際建材需要量差距過(guò)大，就會(huì)造成后續(xù)建材生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生大量不必要的碳排放。因此，雖然這一階段的碳排放占比不多，卻是建筑全生命周期中十分重要的一環(huán)。

2）建造階段

建造階段主要包括混凝土、鋼材、鋼筋等建筑材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸以及施工過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)建筑行業(yè)CO2排放占我國(guó)全社會(huì)總排放量的51.3%［3］。因此，若攻克了建材生產(chǎn)這一難題，我們就又朝著“雙碳”戰(zhàn)略邁出了一大步。

3）運(yùn)維階段

運(yùn)維階段包括建筑的正常運(yùn)行以及建筑的維護(hù)和修繕。運(yùn)維階段主要是進(jìn)行不同類型的能源和資源的消耗（如電力、天然氣），主要表現(xiàn)在空調(diào)的運(yùn)行，采暖設(shè)備的使用，以及采光照明設(shè)備、燃?xì)庠O(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)能源的消耗也會(huì)產(chǎn)生不同類型的碳排放因子，特別是天然氣等一次能源，更應(yīng)降低其消耗量，節(jié)能減排。

4）拆除階段

拆除階段是一個(gè)工程量巨大的任務(wù)，除了用一些簡(jiǎn)單的工具對(duì)建筑物進(jìn)行人工拆除外，還需要借助大型機(jī)械如挖掘機(jī)來(lái)進(jìn)行機(jī)械拆除或者爆破拆除，對(duì)建筑物實(shí)施解體和破碎，最后將建筑廢棄物運(yùn)輸至指定地點(diǎn)。此階段CO2的排放量主要由建材消耗量、建材的平均輸送距離和運(yùn)輸方式下單位重量運(yùn)輸距離的碳排放因子決定。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)類型

不同類型的建筑材料在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放不同，那么由不同建材砌筑成的不同建筑結(jié)構(gòu)的碳排放量也會(huì)有很大差異。本文主要以木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)為例。其中，木結(jié)構(gòu)的建筑大多采用東北落葉松、東北冷杉、北美花旗松和北美冷杉四種木材。

木材生長(zhǎng)于大自然，是一種穩(wěn)定、無(wú)污染的天然綠色材料。而鋼和混凝土都是經(jīng)過(guò)了復(fù)雜而漫長(zhǎng)的工序加工而成，且加工過(guò)程有大量的CO2的釋放。圖2是不同建筑結(jié)構(gòu)材料的碳排放。從圖中可以看出，鋼結(jié)構(gòu)的碳排放僅在建材生產(chǎn)這一方面就比木結(jié)構(gòu)超出了兩倍不止。由此可見(jiàn)，相較于傳統(tǒng)高耗能結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)在減排方面有著顯著優(yōu)勢(shì)，而且樹(shù)木在生長(zhǎng)的過(guò)程中，對(duì)CO2具有匯聚和固定即固碳的作用。若采用適當(dāng)措施延長(zhǎng)木材的壽命，還能增加碳儲(chǔ)庫(kù)的容量。除此之外，因混凝土建筑的比熱容大，室溫滯后時(shí)間較長(zhǎng)，所以如果想讓室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度，需要提前較長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)空調(diào)。關(guān)閉空調(diào)后，也需要較長(zhǎng)時(shí)間才能回到正常的室內(nèi)溫度。而木材的比熱容小，保溫隔熱性能好，提前打開(kāi)的時(shí)間較短，由此產(chǎn)生的能量消耗也較少。。

圖2 不同建筑結(jié)構(gòu)材料的碳排放[4]

2.3 建筑能源供給效率

建筑能源供給效率指城市能源系統(tǒng)對(duì)碳基能源的依賴以及生產(chǎn)和傳輸過(guò)程的能量損耗（碳基能源就是含有碳的，可降低溫室氣體排放的，如沼氣即甲烷、天然氣、煤層氣、煤氣等清潔能源，因?yàn)闅怏w比固體燃燒完全，所以碳基能比直接燃燒煤炭要清潔許多）。我國(guó)火電(煤電、氣電綜合)熱效率為47.2%，輸電線路損耗在6%左右［5］。建筑系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)水泵的電力消耗(包括集中供熱系統(tǒng)水泵電耗)占我國(guó)城市運(yùn)行電耗的10%以上［6］，造成了能源的巨大浪費(fèi)。

若將部分碳基能源替換成非碳基能源（簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是不含碳的能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等大多數(shù)可再生能源），則能在供給方面節(jié)約大量能源。

3 建筑碳減排的實(shí)施路徑

3.1 著眼于建筑全生命周期各個(gè)階段

1）設(shè)計(jì)階段

建筑信息模型即BIM（Building Information Modeling）技術(shù)現(xiàn)已在建筑領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，主要是通過(guò)建立3D虛擬模型將建筑物可視化，還具有對(duì)象參數(shù)化和數(shù)據(jù)集成的特點(diǎn)，可以數(shù)據(jù)分析模型，參與建筑的全生命周期的各個(gè)階段。在設(shè)計(jì)階段起著尤為關(guān)鍵的作用。通過(guò)可視化的操作，可以檢測(cè)建筑內(nèi)部設(shè)備及構(gòu)件有無(wú)碰撞或者設(shè)計(jì)不合理之處，可以有效預(yù)防因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而造成的能源浪費(fèi)。

2）建造階段

大力推廣綠色建筑。在施工過(guò)程中，要注意能源節(jié)約。建設(shè)時(shí)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目及所在地的實(shí)際情況，區(qū)分施工區(qū)和生活區(qū)，合理選用技術(shù)工藝及流程。要提高建筑綠色化就要在建筑全過(guò)程體現(xiàn)綠色理念，設(shè)備節(jié)能，廢物回收，能源循環(huán)，并使用數(shù)字賦能，將建筑數(shù)據(jù)信息化。通過(guò)信息共享實(shí)現(xiàn)建筑集約化，打破信息孤島。

最重要的一環(huán)是使用綠色建筑材料，加大節(jié)能環(huán)保材料的使用比例。近期，美國(guó)芝加哥大學(xué)研制出一種類似變色龍的建筑材料，它可以通過(guò)感知室外溫度來(lái)調(diào)整其紅外線的釋放強(qiáng)度，從而減少暖通設(shè)備的使用。例如，在夏天溫度很高時(shí)，變色龍材料可釋放出高達(dá)92%的紅外線熱量，從而減低建筑物本身的溫度。冬天較冷時(shí)，這種材料僅僅釋放7%的紅外線，減少建筑物的熱量損失，以此達(dá)到建筑物保溫的效果。目前，我國(guó)的新型混凝土也已投入使用。新型混凝土主要是以綠色混凝土和綠色水泥為主，具有綠色無(wú)害的功能，在施工過(guò)程中能保證周圍環(huán)境的穩(wěn)定性。新型混凝土與傳統(tǒng)混凝土材料相比功能效果更好，可以延長(zhǎng)材料的使用壽命，可以使用300年，也不會(huì)發(fā)生惡化的情況。綠色混凝土材料主要是以工業(yè)廢渣為主，會(huì)使用少量的水泥和混凝土加工，因此綠色混凝土不僅能提高資源的利用率，還能保護(hù)周圍生態(tài)環(huán)境。

3）運(yùn)維階段

運(yùn)維階段碳排放占比超過(guò)建筑全生命周期碳排放總量的一半以上［7］，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排降碳的重中之重。運(yùn)維階段應(yīng)從提高建筑運(yùn)行能效和調(diào)整能源使用比例即優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)兩方面著手。

據(jù)估計(jì)，建筑物排放大約一半的能源足跡來(lái)自室內(nèi)空間的供暖和制冷，故建筑運(yùn)行效能主要應(yīng)從建筑設(shè)備入手，使用節(jié)能的照明設(shè)備，同時(shí)對(duì)供冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、供電設(shè)備、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等建筑系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能降碳優(yōu)化，其核心目的是在實(shí)現(xiàn)建筑使用功能和室內(nèi)舒適度的基礎(chǔ)上，降低能耗和碳排放。

調(diào)節(jié)能源使用比例，就是在使用以碳基能源為代表的清潔能源基礎(chǔ)上，增加非碳基能源的比例，例如使用風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能取暖（主要途徑是利用被動(dòng)式太陽(yáng)能的房子，這是一個(gè)加熱系統(tǒng)依賴于建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)自己完成吸熱、存儲(chǔ)熱量和釋放熱量的功能，以此減少冬季熱量負(fù)荷，甚至不用加熱也可以保持舒適的室內(nèi)環(huán)境）、地下水源熱泵。既可以減少能源消耗，又能減少碳排放。

4）拆除階段

（1）制定合理的拆除方案

上文提到的三種拆除方案中，爆破拆除和機(jī)械拆除的工作效率較高，使用廣泛，但由于簡(jiǎn)單粗暴，其建筑材料的可回收率極低，增加了建筑垃圾處理的碳排放。有研究表明，“人工拆解比拆毀方式鋼鐵回收率高20%”［8］?？梢?jiàn)，合理制定三種拆除方法的使用比例，能有效促進(jìn)資源循環(huán)使用，減少建筑垃圾廢物的碳排放。

（2）提高建筑廢棄物運(yùn)輸效率，減少運(yùn)輸距離

可以適當(dāng)增加建筑廢棄物的收納場(chǎng)地，將各類廢棄物分類，選擇就近地點(diǎn)排放。合理選擇運(yùn)輸路線和運(yùn)輸工具，減少運(yùn)輸總次數(shù)。

3.2 綜合使用節(jié)能技術(shù)

節(jié)能技術(shù)是指能夠?qū)崿F(xiàn)能源的高效利用，使其轉(zhuǎn)化為最大限度的能源利用效率技術(shù)，如能源替代、能源再次利用等。

能源替代是指在能源生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)等領(lǐng)域?qū)κ褂玫娜剂线M(jìn)行替換，從而降低碳排放的過(guò)程。能源替代是實(shí)現(xiàn)碳減排的重要手段，當(dāng)前，傳統(tǒng)能源利用效率低且碳排放總量不斷增加，已經(jīng)成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，加快能源轉(zhuǎn)型成為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要舉措。

我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施碳減排的戰(zhàn)略，而能源利用過(guò)程中的再次利用是實(shí)現(xiàn)碳減排的重要措施。能源再次利用具體措施如對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的能源、原材料和水等自然資源進(jìn)行回收利用，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約和循環(huán)利用，對(duì)能源消費(fèi)與消耗過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)碳排放總量控制。加強(qiáng)對(duì)能效提升技術(shù)的研究，促進(jìn)能源利用效率提升。

3.3 建立健全建筑能耗監(jiān)督系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著建筑節(jié)能工作的深入開(kāi)展，建筑能耗逐漸成為我國(guó)重要的能源消耗類型。建筑能源利用效率（即建筑能耗占總能耗的比重）是衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)展建筑事業(yè)水平的重要指標(biāo)。

通過(guò)分析建筑能耗數(shù)據(jù)，建立健全建筑能耗監(jiān)督系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)綠色智慧社區(qū)的建設(shè)目標(biāo)。主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：

1）通過(guò)對(duì)建筑耗能數(shù)據(jù)分析，找出能耗數(shù)據(jù)異常發(fā)生的原因，提出有針對(duì)性的解決措施。

2）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立健全節(jié)能監(jiān)督系統(tǒng)，提高能源管理水平。

3）根據(jù)智能家居管理要求，建設(shè)智慧社區(qū)節(jié)能監(jiān)督系統(tǒng)，打造綠色智慧社區(qū)。

建筑能耗監(jiān)督系統(tǒng)是對(duì)建筑能耗的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，是提高能源管理水平的有效手段。首先是數(shù)據(jù)的收集和處理，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，最后提出節(jié)能監(jiān)督方案。根據(jù)節(jié)能方案，可以通過(guò)建筑能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物用能信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)焦?jié)能監(jiān)督管理中心，為開(kāi)展能源審計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。在實(shí)際工作中，應(yīng)該重視能源管理部門與建設(shè)單位的溝通工作，及時(shí)了解和掌握建筑能耗信息。通過(guò)節(jié)能監(jiān)督系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)綠色智慧社區(qū)目標(biāo)，提高能源利用效率，降低能耗成本，促進(jìn)資源循環(huán)利用。

4 結(jié)語(yǔ)

在“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施的背景下，建筑碳減排勢(shì)在必行。BIM 技術(shù)的數(shù)據(jù)集成能力、可視化能力和數(shù)據(jù)分析能力在建筑全生命周期都得到了廣泛應(yīng)用，在需求端減少碳排放的效果顯著。在供給端也通過(guò)能源回收、能源再利用基本實(shí)現(xiàn)了能源的循環(huán)利用。但就現(xiàn)階段而言，雖然建筑碳減排路徑的研究方興未艾，而其具體的實(shí)施路徑卻受到了一定程度的約束。例如，碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精細(xì)程度不高，核算體系不完善、方法單一、數(shù)據(jù)匱乏等問(wèn)題都等待進(jìn)一步突破。