基于數(shù)字化轉(zhuǎn)型下的河南省建筑全生命周期減排技術(shù)應(yīng)用研究

白 蕾 王赟瀟 魏留明

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064）

0 引言

信息化浪潮席卷全球，數(shù)字經(jīng)濟(jì)迅速崛起，全球正加速向萬物互聯(lián)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代邁進(jìn)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為各產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。建筑業(yè)目前面臨高消耗、低品質(zhì)的發(fā)展難題，數(shù)字化轉(zhuǎn)型恰恰能夠通過產(chǎn)業(yè)鏈條改造實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的綠色低碳發(fā)展?！稊?shù)字建筑發(fā)展白皮書（2022年）》指出，數(shù)字建筑覆蓋協(xié)同設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、綠色建造、智慧工地、智能運(yùn)維等建設(shè)各階段，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期的提質(zhì)增效，降低其對環(huán)境的不利影響。

隨著大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會變革的重要推力。河南省政府近年來在全省產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面頻頻發(fā)力，2022 年3 月1 日，《河南省數(shù)字經(jīng)濟(jì)促進(jìn)條例》正式實(shí)施，同年8 月全省數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作會議召開，會議全面部署推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是提升管理效率、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇，也是建筑業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要途徑。相關(guān)研究顯示，目前河南省建筑領(lǐng)域能源消耗與碳排放總量仍呈攀升趨勢，這將給未來省域減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及碳達(dá)峰目標(biāo)的如期完成帶來巨大挑戰(zhàn)，有必要結(jié)合現(xiàn)有數(shù)字化技術(shù)，根據(jù)河南省建筑碳排放實(shí)際情況，在建筑全生命周期中恰當(dāng)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，構(gòu)建河南省建筑業(yè)全生命周期減排路徑，為全省如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 建筑碳排放相關(guān)概述

1.1 碳排放定義

碳排放泛指溫室氣體排放，包括水蒸氣、二氧化碳、甲烷等在內(nèi)的多種物質(zhì)，因二氧化碳作為其主要成分，常用碳作為溫室氣體的統(tǒng)稱，將“碳排放”等同理解為“二氧化碳排放”。大部分科學(xué)家和政府逐漸認(rèn)識到溫室氣體已逐漸危害地球和人類生存，因此隨著各地城鎮(zhèn)化速度的加快，減少碳排放量成為21世紀(jì)各行各業(yè)的最主要任務(wù)［1］。

1.2 建筑全生命周期碳排放概述

根據(jù)計(jì)算范圍不同，建筑能耗有廣義與狹義之分，廣義建筑能耗包括建筑設(shè)計(jì)、建材運(yùn)輸與消耗、建筑施工、建筑運(yùn)行、建筑物維修與處理等環(huán)節(jié)，即全生命周期的建筑能耗；狹義建筑能耗通常包括建筑運(yùn)行階段的能源消耗。根據(jù)建筑能耗的不同，建筑碳排放也有廣義與狹義之分。廣義建筑碳排放基于建筑全生命周期理論，不同研究對于建筑階段的劃分也存在差異，部分研究僅將其劃分為準(zhǔn)備、建造與使用階段，也有研究將其進(jìn)行詳細(xì)劃分，如認(rèn)為建筑全生命周期包括原材料加工與使用、建筑構(gòu)件制造與現(xiàn)場施工、建筑使用和維護(hù)、建筑物處理與廢物利用等，狹義的建筑碳排放僅包括建筑運(yùn)行階段的碳排放測算。

1.3 數(shù)字化技術(shù)在建筑低碳發(fā)展中的必要性分析

隨著全球氣候變化和能源短缺問題的日益凸顯，建筑業(yè)的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和轉(zhuǎn)型升級勢在必行，數(shù)字化技術(shù)在建筑業(yè)低碳發(fā)展中是一個(gè)很好的切入點(diǎn)，其通過智能建造、BIM、智慧工地、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在建筑全生命周期中的應(yīng)用，為傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新鮮血液，顯著降低建筑全生命周期減排成本及其對人居環(huán)境的影響，同時(shí)為建筑業(yè)企業(yè)提供以數(shù)據(jù)為核心的內(nèi)驅(qū)動力。在建筑全生命周期中，不同階段皆可對數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，如材料生產(chǎn)階段，數(shù)字化技術(shù)可以用豐富的形式和手段對綠色建筑材料進(jìn)行評估與分析，提高材料應(yīng)用效率；建造階段，數(shù)字化技術(shù)可對建筑進(jìn)行全方位的模擬和分析，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善施工等措施降低能耗；運(yùn)行階段，數(shù)字化技術(shù)可對建筑資源使用及能耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。

2 傳統(tǒng)建造模式下河南省建筑全生命周期碳排放測算及結(jié)果分析

2.1 河南省建筑全生命周期碳排放測算方法綜述

實(shí)測法、投入產(chǎn)出法、過程分析法是目前碳排放測算中常用的方法，本研究根據(jù)研究目的及研究的可行性，搜集碳排放源消耗情況及其碳排放系數(shù)有關(guān)數(shù)據(jù)，選擇過程分析法測算河南省建筑全生命周期碳排放量。建筑全生命周期各階段碳排放計(jì)算公式見表1。

表1 河南省建筑全生命周期各階段碳排放計(jì)算公式

2.2 河南省建筑全生命周期碳排放測算結(jié)果分析

根據(jù)以上計(jì)算公式，搜集整理《中國建筑業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》及《綜合能耗計(jì)算通則》中相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合以往研究成果［3-6］，計(jì)算得到2011—2020 年河南省建筑全生命周期碳排放總量及各階段年均比例，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 2011—2020年河南省建筑全生命周期碳排放總量

圖2 2011—2020年建筑全生命周期不同階段碳排放年均構(gòu)成

由計(jì)算結(jié)果可知，在建筑全生命周期碳排放中，材料生產(chǎn)及運(yùn)行階段作為碳排放的主要來源，約占全生命周期碳排放總量的97%以上，這兩個(gè)階段也是未來減排的關(guān)鍵階段。通過分析每年不同階段碳排放構(gòu)成可知，2014年河南省建筑全生命周期中材料生產(chǎn)階段的碳排放量大大提升，約占整個(gè)全生命周期的77%，遠(yuǎn)超與之相鄰的2013 與2015年。究其原因發(fā)現(xiàn)，2014年河南省建筑業(yè)企業(yè)鋼材消耗111 702 852 t，鋁材消耗4 968 422 t，鋼材消耗量是2013年的4.85倍，是2015年的4.47倍，鋁材消耗量是2013 年的4.78 倍，是2015 年的1.69 倍。鋼材、鋁材消耗量的大幅度提升造成2014 年材料生產(chǎn)階段的碳排放量大大增加，從而造成該年建筑全生命周期碳排放量的異常；2015—2016年運(yùn)行階段碳排放較多，第三產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展及居民消費(fèi)水平的提高導(dǎo)致能源消耗增加，從而造成建筑運(yùn)行階段碳排放量增加；2017 年之后，隨著綠色低碳技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)理念受到大眾關(guān)注，建筑運(yùn)行階段的碳排放量不斷下降，材料生產(chǎn)階段又成為建筑全生命周期碳排放的主要階段。

3 基于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的河南省建筑全生命周期減排技術(shù)應(yīng)用

3.1 數(shù)字化技術(shù)在河南建筑業(yè)的發(fā)展應(yīng)用

在建筑全生命周期中，數(shù)字化技術(shù)對各個(gè)階段的減排發(fā)揮了積極作用，具有良好的發(fā)展前景。在建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段，BIM 技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)ㄖ芎?、材料及水資源使用等進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減少后期建造過程中的碳排放量；在施工階段，數(shù)字化技術(shù)如智慧工地、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的應(yīng)用可協(xié)助管理施工進(jìn)度與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場的精細(xì)化管理，減少材料浪費(fèi)、施工延誤等問題的發(fā)生，從而降低碳排放量；在建筑運(yùn)行階段，數(shù)字化技術(shù)可應(yīng)用于建筑能耗的控制與管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑的能耗，從而優(yōu)化建筑運(yùn)行方案，減少能源的浪費(fèi)和碳排放；在建筑拆除階段，數(shù)字化技術(shù)可應(yīng)用于建筑垃圾的分類與處理，使廢棄建材得到重復(fù)利用，減少了環(huán)境污染和碳排放。

3.1.1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用。BIM 技術(shù)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下河南省建筑全生命周期減排的重要技術(shù)手段之一。借助BIM 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及拆除階段的數(shù)字化管理，從而降低建筑能耗與碳排放量。如在建筑設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員可在建筑設(shè)計(jì)中利用BIM 技術(shù)獲取能源消耗和碳排放可能出現(xiàn)的情景，從而在建筑設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮建材的環(huán)保性能和建筑的節(jié)能性，以降低建筑物材料生產(chǎn)與運(yùn)行階段的能源消耗與碳排放量。

3.1.2 智慧工地的應(yīng)用。智慧工地是指利用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場的智能化和精細(xì)化管理，從而提高施工效率、降低成本、減少碳排放。智慧工地對于建筑全生命周期減排主要可應(yīng)用于以下方面。第一，智能監(jiān)測與控制，施工現(xiàn)場通過傳感器與控制設(shè)備的安裝，實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)工作的實(shí)時(shí)監(jiān)控。第二，智能建造與裝配，智慧工地采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)造組裝的自動化，同時(shí)裝配式技術(shù)的應(yīng)用也簡化了建造過程，減少污染的產(chǎn)生。第三，智能物流和運(yùn)輸，智慧工地利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑材料的位置及運(yùn)輸狀況，提前獲取材料在各部位的利用水平。第四，智能能源管理，智慧工地利用現(xiàn)場安裝的智能能源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測建造過程能耗情況，從而優(yōu)化能源使用，減少碳排放。

3.1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將可能產(chǎn)生碳排放的實(shí)物與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接，在系統(tǒng)中反映出其碳排放水平，主要運(yùn)用于智能能源管理、智能照明管理、智能排放管理、智能垃圾分類等方面。針對智能能源管理，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用在建筑物內(nèi)部安裝的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。智能照明系統(tǒng)使用光纖傳感器與智能控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對照明設(shè)備的自動調(diào)節(jié)與控制。智能排放管理系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過安裝有害氣體傳感器和排氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對有害氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測和排放控制管理。在建筑物的公共場所中，利用智能垃圾分類系統(tǒng)，安裝智能垃圾桶和傳感器，實(shí)現(xiàn)對垃圾的分類和回收。

3.2 基于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的河南省建筑減排實(shí)施路徑

近年來，隨著河南省居住與公共建筑面積的不斷增加，二氧化碳排放量增加。根據(jù)前述近十年碳排放量的計(jì)算情況，要想降低建筑全生命周期碳排放總量，一方面需要著重關(guān)注已建成在使用中的建筑，降低其運(yùn)行過程中的能耗水平，另一方面可將擬建建筑向能耗高、二氧化碳排放量低的低碳建筑轉(zhuǎn)變，使用環(huán)保建材，減少其在建造過程中的能耗量。本研究重點(diǎn)關(guān)注碳排放量較大的材料生產(chǎn)及運(yùn)行階段，從已有建筑與新建建筑兩方面入手，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建河南省建筑減排實(shí)施路徑。

3.2.1 已有建筑減排路徑。對于已有建筑，其減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有賴于建筑運(yùn)行過程中能耗的降低，通過建立能耗監(jiān)測系統(tǒng)、優(yōu)化建筑節(jié)能體系、采用綠色運(yùn)營管理等方式，在其過程中有效應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，可最終實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。①建立能耗監(jiān)測系統(tǒng)。對于已建建筑而言，能耗檢測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測建筑運(yùn)行過程中的能耗情況，對能耗水平進(jìn)行定期評估，為合理制定建筑減排方案提供充分依據(jù)。②優(yōu)化建筑節(jié)能體系。建筑節(jié)能系統(tǒng)的優(yōu)化升級是提高建筑能效、降低能源消耗的有效方式，針對已建并在使用中的建筑物，可通過對建筑的制冷、供暖、照明等設(shè)備進(jìn)行改造升級，引入數(shù)字化技術(shù)。③采用綠色運(yùn)營管理。綠色運(yùn)營管理包括建筑設(shè)備的優(yōu)化維護(hù)、能源消耗的管理和控制、節(jié)水減排等，將物聯(lián)網(wǎng)、BIM 技術(shù)等加入綠色運(yùn)營管理過程，能有效降低建筑的運(yùn)營成本與碳排放量。

3.2.2 新建建筑減排對策。對于新建建筑，在設(shè)計(jì)階段可將其按照綠色低碳建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過BIM 等數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，模擬未來建造過程，優(yōu)選新型節(jié)能材料和技術(shù)，利用可再生能源，最大程度降低其在材料生產(chǎn)及建造階段的碳排放量。①優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在新建建筑的設(shè)計(jì)階段，可按照綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)、被動式建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注后期可能產(chǎn)生的碳排放，利用BIM 技術(shù)對未來建造情況進(jìn)行模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，選擇環(huán)保建材，最大限度地降低碳排放的可能性。②優(yōu)選新型節(jié)能材料和設(shè)備。采用新型節(jié)能材料和技術(shù)是實(shí)現(xiàn)新建建筑減排的重要途徑，如高效隔熱材料、地源熱泵、LED 照明等新型節(jié)能技術(shù)與設(shè)備。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)新型節(jié)能材料和設(shè)備與建造及使用者的有效交互，從而降低建筑能耗。③采用可再生能源。在新建建筑建造過程中，通過智慧工地建設(shè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，了解施工現(xiàn)場環(huán)境污染情況，根據(jù)各參數(shù)表現(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，依據(jù)實(shí)際情況積極采用可再生能源，實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。

4 結(jié)語

建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是提升管理效率、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇，也是建筑業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要途徑。建設(shè)項(xiàng)目通過BIM、智慧工地、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在全生命周期中的應(yīng)用，為傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新鮮血液，并顯著降低建筑全生命周期減排成本及其對人居環(huán)境的影響，同時(shí)為建筑業(yè)企業(yè)提供以數(shù)據(jù)為核心的內(nèi)驅(qū)動力，推動河南省建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級與高質(zhì)量發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。