半地下變電站建筑全生命周期碳排放與減碳策略研究*

喬 軍 ， 郝翠彩 ， 劉少亮 ， 張 現(xiàn) ， 張玉龍 ， 邢凱杰

（1.河北電力工程監(jiān)理有限公司， 河北 石家莊050081；2.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司， 河北 石家莊050227；3.國網(wǎng)河北省電力有限公司建設(shè)公司， 河北 石家莊050081）

0 引言

變電站是城市能源供應(yīng)體系中的重要設(shè)施，它能夠?qū)⒏邏弘娏鬏數(shù)匠鞘谢蚪ㄖ镏校?并將其轉(zhuǎn)換成低壓電力以供使用。 目前有眾多學(xué)者對(duì)變電站各階段進(jìn)行研究。 在設(shè)計(jì)階段， 盧敏等［1］通過模擬分析得到了不同室內(nèi)散熱密度條件下總耗熱量指標(biāo)隨外墻傳熱系數(shù)的變化關(guān)系。 黃進(jìn)淵等［2］結(jié)合變電站建筑設(shè)計(jì)需要、 自然條件及文化環(huán)境， 總結(jié)出符合藏區(qū)自然條件和人文景觀的現(xiàn)代藏區(qū)變電站建筑設(shè)計(jì)要素。 在建設(shè)施工階段，胡晨等［3］認(rèn)為模塊化裝配式獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)變電站基礎(chǔ)的快速安裝施工。 李劍龍等［4］結(jié)合變電站建筑裝配式安裝模式和各類墻板的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)， 最終推薦混凝土保溫裝飾一體板應(yīng)用于變電站建筑。

在運(yùn)營階段， 變電站建筑不僅要滿足精密設(shè)備的運(yùn)行要求， 還要滿足人員的工作使用要求。LIU 等［5］提出了一種新的通風(fēng)優(yōu)化方法， 降低室內(nèi)空氣的平均溫度。 李令令等［6］通過分析變電站建筑在不同遮陽設(shè)施工況下建筑能耗和室內(nèi)采光的變化， 得到了低能耗情況下的最佳的遮陽設(shè)施尺寸。 張圣金等［7］分析了變電站建筑節(jié)能性能， 為嚴(yán)寒地區(qū)變電站建筑節(jié)能的整體設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。 基于變電站建筑的設(shè)計(jì)建造和運(yùn)行情況， 熊天軍等［8］認(rèn)為通過主動(dòng)式和被動(dòng)式相結(jié)合的節(jié)能方式， 最終實(shí)現(xiàn)近零能耗變電站建筑節(jié)能率60%的目標(biāo)。

目前， 已經(jīng)對(duì)變電站建筑進(jìn)行了大量的研究，包括建筑的設(shè)計(jì)、 施工、 運(yùn)營等方面都進(jìn)行了廣泛的探究。 然而， 盡管對(duì)于建筑的碳排放問題越來越引起關(guān)注， 但對(duì)于半地下變電站建筑的全生命周期碳排放和減碳策略研究卻相對(duì)缺乏。 實(shí)現(xiàn)半地下變電站建筑建設(shè)的低碳目標(biāo)需要進(jìn)行全生命周期的碳排放研究， 并提出適當(dāng)?shù)臏p排策略，這對(duì)于建筑行業(yè)和可持續(xù)發(fā)展都是至關(guān)重要的。因此， 本文針對(duì)寒冷地區(qū)某半地下變電站建筑全生命周期碳排放和減碳策略進(jìn)行研究， 以更好地推動(dòng)建筑的可持續(xù)發(fā)展。

1 全生命周期碳排放模型

1.1 碳排放計(jì)算邊界與計(jì)算方法

變電站建筑全生命周期指的是從建筑材料生產(chǎn)到建筑拆除的全過程。 根據(jù)GB／T 51366-2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》 的規(guī)定和項(xiàng)目實(shí)際情況，建筑碳排放計(jì)算邊界可分為物化階段、 運(yùn)行階段和建造拆除階段， 各階段計(jì)算邊界如圖1 所示。

圖1 半地下變電站建筑碳排放計(jì)算邊界Fig.1 Calculation boundary of carbon emission of semi-underground substation

基于GB／T 51366-2019 的規(guī)定， 建材生產(chǎn)與運(yùn)輸階段碳排放量通過公式（1） 計(jì)算。

式中：CJC為建材生產(chǎn)與運(yùn)輸階段碳排放量， kgCO2；Mi為第i種主要建材的消耗量；Fi為第i種主要建材的碳排放因子， kgCO2／建材計(jì)量單位；Di為第i種建材平均運(yùn)輸距離， km；Ti為第i種建材的運(yùn)輸方式下， 單位質(zhì)量運(yùn)輸距離的碳排放因子，kgCO2／ （t·km）。

基于工程量清單， 結(jié)合建筑施工圖紙可以確定主要建材的消耗量。 根據(jù)運(yùn)輸成本選擇最佳的運(yùn)輸距離和運(yùn)輸方式， 運(yùn)輸方式采用中型汽油貨車運(yùn)輸。 混凝土及預(yù)拌砂漿運(yùn)輸距離為40 km， 其他材料運(yùn)輸距離為300 km。

建筑建造階段碳排放量通過公式 （2）（3）計(jì)算。

式中：CJZ為建筑建造階段碳排放量， kgCO2；Y為單位面積的碳排放量， kgCO2／m2；A為建筑面積，m2；X為建筑地上部分層數(shù)。

根據(jù)廣東省 《建筑碳排放計(jì)算導(dǎo)則 （試行） 》， 建議粗略估算拆除階段的碳排放， 計(jì)算方法與建造階段公式一致。

建筑運(yùn)行階段碳排放量通過公式 （4）（5）計(jì)算。

式中：CUM為建筑運(yùn)行階段碳排放量， kgCO2；Ei為建筑第i類能源消耗量；Ei，j為j類系統(tǒng)的第i類能源消耗量；ERi，j為j類系統(tǒng)消耗有可再生能源系統(tǒng)提供的第i類能源消耗量；EFi第i類能源的碳排放因子；CP為建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量，kgCO2／a；y為建筑設(shè)計(jì)壽命， 50 年。

根據(jù)施工圖紙及項(xiàng)目現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)際情況， 可以確定變電站運(yùn)行階段的碳排放主要來源于電能，沒有其他形式的能源消耗。 因此， 公式（4）（5）簡化為公式（6）。

CM＝Ee×EFe×y（6）

式中：Ee為建筑用電消耗量， kWh／a；EFe為電力能源的碳排放因子， kgCO2／kWh。

1.2 建筑模型

該半地下變電站位于寒冷地區(qū)， 建筑為地下1層， 地上2 層， 局部3 層。 一層樓面及以下采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)， 一層樓面以上采用鋼框架結(jié)構(gòu)。 建筑高度17.9 m。 總建筑面積8402.6 m2， 地上總建筑面積4982.6 m2， 如圖2 所示。

圖2 半地下變電站建筑碳建筑模型Fig.2 Carbon building model of semi-underground substation building

1.3 碳排放因子

根據(jù)變電站建筑工程量清單， 建筑建設(shè)主要的建材包括混凝土、 鋼筋、 預(yù)制板、 水泥、 砂漿、砂、 砌塊等14 種主要的建材。 在運(yùn)輸過程中， 建設(shè)單位綜合考慮運(yùn)輸成本及項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度， 選擇采用中型汽油貨車運(yùn)輸。 基于文獻(xiàn)得出主要建材碳排放因子及其運(yùn)輸碳排放因子， 如表1 所示。

表1 主要建材碳排放因子及其運(yùn)輸碳排放因子Table 1 Carbon emission factors of major building materials and transportation carbon emission factors

研究對(duì)象運(yùn)行階段的能源消耗主要來自于電能， 電網(wǎng)排放因子選擇2023 年2 月生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于做好2023-2025 年發(fā)電行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放報(bào)告管理有關(guān)工作的通知》 中發(fā)布的數(shù)據(jù)。2022 年 度 全 國 電 網(wǎng) 平 均 排 放 因 子為0.5703 tCO2／MWh。

2 全生命周期碳排放計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 變電站建筑碳排放分析

通過全生命周期碳排放模型計(jì)算得出變電站建筑全生命周期各個(gè)階段碳排放量， 如圖3 所示。通過對(duì)比分析各個(gè)階段的碳排放量， 可以直觀的發(fā)現(xiàn)變電站全生命周期運(yùn)行階段的碳排放量最大，通過計(jì)算得出半地下變電站建筑全生命周期碳排放總量為39002.880 tCO2， 單位面積碳排放量為92.835 kgCO2／（m2·a）。 運(yùn) 行 階 段 碳 排 放 量 為32724.299 tCO2， 占全生命周期碳排放的83.90%。建筑物化階段（建材生產(chǎn)和運(yùn)輸階段） 的碳排放量為6194.723 tCO2， 占全生命周期碳排放的15.88%。 建筑建造和拆除階段的碳排放量為83.858 tCO2， 占全生命周期碳排放的0.22%。 變電站物化階段碳排放占比相對(duì)偏低， 究其原因是運(yùn)行階段排放量大導(dǎo)致的。 在運(yùn)行階段變電站的主要能耗來源于風(fēng)機(jī)的排風(fēng)降溫［16］。

圖3 半地下變電站建筑全生命周期碳排放Fig.3 Full life-cycle carbon emissions of semi-underground substation buildings

2.2 物化階段碳排放分析

變電站建筑物化階段包括建筑建材生產(chǎn)及其運(yùn)輸階段。 物化階段主要建材的用量和碳排放量及其運(yùn)輸碳排放量如表2 所示。 通過表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)混凝土和鋼筋的用量和碳排放量最多， 分別為2058.676 tCO2和1233.063 tCO2。 其余材料的碳排放量與混凝土和鋼筋相比不在一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)比分析表2 中建材運(yùn)輸階段碳排放量發(fā)現(xiàn)鋼混預(yù)制墻板的運(yùn)輸碳排放最多， 為72.033 tCO2； 其次為混凝土運(yùn)輸碳排放量65.732 tCO2； 再者是砂的運(yùn)輸碳排放量， 為49.943 tCO2。 由此可以看出，在物化階段碳排放主要來源為混凝土、 鋼筋、 鋼混預(yù)制墻板、 砂、 磚等。

表2 物化階段主要建材碳排放量及其運(yùn)輸碳排放量Table 2 Carbon emissions of major building materials and transportation carbon emissions in the materialization stage

為了進(jìn)一步定量分析建筑建材生產(chǎn)階段和運(yùn)輸階段各種主要材料的占比， 將同種類型的建材進(jìn)行合并， 得到如圖4 所示的物化階段主要建材及其運(yùn)輸?shù)奶寂欧耪急葓D。 由圖4 （a） 數(shù)據(jù)可知，在建材生產(chǎn)階段， 混凝土的碳排放占比最大， 為35.02%； 其次為鋼筋（包括鋼筋和型鋼）， 占比為22.97%； 再次是磚（包括磚和砌塊） 碳排放，占比為10.77%； 然后是砂漿（砂和預(yù)拌砂漿） 的碳排放量， 占比為8.43%； 鋼混預(yù)制板（鋼混預(yù)制墻板和鋼混預(yù)制樓板） 和水泥碳排放占比分別為7.2%和5.59%。 其余各類建材所產(chǎn)生的碳排放量占比之和為9.94%。 結(jié)合建材用量和碳排放因子分析可以發(fā)現(xiàn)， 鋼筋的碳排放量占比大主要是因?yàn)椴牧系呐欧乓蜃哟蟆?而對(duì)于混凝土、 磚、 砂漿等雖然碳排放因子在3-370 之間， 但是建材用量的影響權(quán)重更大。 由圖4 （b） 數(shù)據(jù)可知， 在建材運(yùn)輸階段， 碳排放量占比由大及小依次為磚（24.93%）、 鋼 混 預(yù) 制 板 （23.66%）、 混 凝 土（20.84%）、 砂漿（17.7%）、 鋼筋（6.31%）、 水泥 （4.89%）。 其 余 建 材 運(yùn) 輸 碳 排 放 總 量 為1.59%。 結(jié)合建材重量和運(yùn)輸距離分析可以發(fā)現(xiàn)，鋼混預(yù)制板的排放量比混凝土和砂漿高的原因除了重量大以外， 更加重要的原因是運(yùn)輸距離短。

圖4 物化階段主要建材及其運(yùn)輸?shù)奶寂欧耪急菷ig.4 Carbon emission share of major building materials and transportation in the materialization stage

因此， 在建材生產(chǎn)階段， 對(duì)于用量較大的建筑材料， 選擇具備低碳特性的產(chǎn)品將有效降低建材生產(chǎn)階段的碳排放量。 在保證建材質(zhì)量的提前下， 堅(jiān)持就近原則， 選擇性價(jià)比的運(yùn)輸方式同樣對(duì)降低建材運(yùn)輸階段碳排放至關(guān)重要。

2.3 運(yùn)行階段碳排放分析

基于變電站建筑全生命周期碳排放模型可知變電站建筑運(yùn)行階段的碳排放來源主要來自于電能， 主要涉及建筑供冷、 供暖、 照明、 風(fēng)機(jī)設(shè)備。在運(yùn)行階段建筑碳排放量為32724.299 tCO2， 單位面積碳排放量為77.891 kgCO2／（m2·a）。 各分項(xiàng)能耗及碳排放量如表3 所示。 值得一提的是，變電站的風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的碳排放量最大， 占運(yùn)行階段總碳排放量的89.66%。 這是由于在變電站內(nèi)主變室、 配電室、 電抗器室、 電容器室、 電纜層等房間的設(shè)備產(chǎn)生大量的余熱， 需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)散熱， 從而保證室內(nèi)溫度維持在40 ℃以下。

表3 運(yùn)行階段碳排放Table 3 Carbon emissions during operation phase

3 半地下變電站建筑減碳策略

3.1 物化階段減碳策略

雖然該半地下變電站建筑物化階段碳排放占建筑全生命周期8.92%， 排放權(quán)重遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建筑運(yùn)行階段， 但是物化階段的碳排放相對(duì)集中， 對(duì)環(huán)境的短期影響顯著， 并且對(duì)建筑產(chǎn)業(yè)鏈及其他行業(yè)節(jié)能減排也有著深遠(yuǎn)的影響［17］。 在建筑建材生產(chǎn)階段可以通過提高工業(yè)化和裝配化降低建材碳排放量。 結(jié)合表1 和表2 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)， 預(yù)制構(gòu)建比現(xiàn)場施工建造碳排放量少， 具有較大節(jié)碳潛力。 與現(xiàn)澆鋼筋混凝土相比， 裝配式鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件的減碳量可以達(dá)到18%～34.3%。 在建材運(yùn)輸階段， 目前該項(xiàng)目均采用的是中型汽油貨車運(yùn)輸，以此為基準(zhǔn)， 與其他形式的運(yùn)輸方式排放量對(duì)比，如表4 所示。 與中型汽油貨車運(yùn)輸相比， 采用重型柴油貨車可以降低碳排放量32.17%-50.43%。如果采用鐵路運(yùn)輸， 則減碳率可以達(dá)到91.14%。

表4 與基準(zhǔn)運(yùn)輸方式相比不同類型運(yùn)輸方式減碳量Table 4 Carbon reduction for different types of transport compared to the baseline transport mode

3.2 鋼材回收減碳策略

半地下變電站建筑一層樓面及以下采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)， 一層樓面以上采用鋼框架結(jié)構(gòu)。在建筑拆除階段變電站部分鋼梁和鋼柱構(gòu)件經(jīng)過處理加工后可進(jìn)行二次利用。 具體鋼材回收減碳量可以通過公式（7） 計(jì)算得到。

式中：CHS為建筑鋼材回收減碳量， tCO2；Mg為鋼材總量， t；α為鋼材回收比例；β為二次加工折減率，90%；Fg為回收鋼碳排放因子， 取1970 kgCO2／t［16］。

該半地下變電站建筑鋼材用量為576.66 t （鋼筋和型鋼）， 不考慮建筑鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中使用的鋼材， 根據(jù)公式（7） 可以計(jì)算得到鋼材回收減碳量， 如表5 所示。 鋼筋和型鋼在生產(chǎn)階段的碳排放量為1350.627 tCO2， 當(dāng)鋼材回收比例達(dá)到50%時(shí)， 減碳量為算出鋼材回收減碳率37.85%。當(dāng)鋼材回收比例達(dá)到90%時(shí)， 減碳量為算出鋼材回收減碳率68.13%。

表5 回收鋼材的減碳量Table 5 Carbon reduction of recycled steel

3.3 綠植碳匯策略

該半地下變電站建筑地上部分面積種植黑松、龍柏、 黃楊等喬木， 藍(lán)花鼠尾草、 胡頹子、 紫葉小檗等灌木， 以及各種多年或一年生的花草植物，總面積達(dá)到了4061.7 m2。 根據(jù)廣東省《建筑碳排放計(jì)算導(dǎo)則（試行） 》 可知不同綠植的碳匯因子，如表6 所示。 當(dāng)考慮綠植生長因子修正（0.7） 的情況下［20］， 通過計(jì)算得出50 年綠植碳固定量為1764.750 tCO2， 年均固碳量為35.295 tCO2／a。

表6 半地下變電站規(guī)劃面積內(nèi)綠植碳匯量Table 6 Carbon sink of greenery in the planned area of semi-underground substation

4 光伏碳中和方案

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場情況， 初步勘察光伏系統(tǒng)安裝在屋頂， 光伏面積約為600 m2。 該屋面具備較好的安裝條件， 能保證光伏組件方位角和傾斜度均勻， 組件之間不相互遮擋， 組件背面可以通風(fēng)散熱。 基于全年可接收的輻照量， 最佳安裝角度為34 °， 傾斜面年總輻射量近似取1610.9 kWh／m2。光伏系統(tǒng)年發(fā)電量通過公式（8） 可以計(jì)算得到。

式中：L為光伏系統(tǒng)年發(fā)電量， kWh；Q為傾斜面年總輻射量， kWh／m2；S為光伏組件面積， m2；φ1為光伏組件轉(zhuǎn)化效率，%；φ2為光伏系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電效率，%。

光伏組件轉(zhuǎn)化效率取21.3%。 在實(shí)際發(fā)電過程中， 光伏組件輸出功率需要考慮0.95 的影響系數(shù)［21］。 隨著光伏組件溫度的升高， 光伏組件的輸出功率也會(huì)受到影響， 考慮0.89 的影響系數(shù)［22］。光伏組件表面灰塵的累積， 會(huì)影響輻射到電池板表面的太陽輻射強(qiáng)度， 同樣會(huì)影響太陽電池板的輸出功率［23］。 在分析太陽電池板輸出功率時(shí)要考慮到0.93 的影響系數(shù)［22，24］。 另外， 受光伏組件的不匹配性和板間連線損失等影響， 需要考慮0.95的影響系數(shù)［22，25］。 因此， 光伏系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電效率約74.7%。 基于公式計(jì)算， 光伏系統(tǒng)實(shí)際年發(fā)電量 為 153786.99 kWh。 減 少 碳 排 放 量 為87.705 tCO2。

5 結(jié)論

本文選取了寒冷地區(qū)半地下變電站建筑作為研究對(duì)象， 對(duì)其全生命周期碳排放量和減碳策略進(jìn)行了計(jì)算分析研究， 以期為我國變電站建筑低碳化規(guī)劃、 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)提供借鑒和參考。 基于本文的研究可以得出以下主要結(jié)論：

（1） 在不考慮全生命周期的減碳策略的情況下， 該半地下變電站建筑全生命周期碳排放量為39002.880 tCO2， 單 位 面 積 碳 排 放 量 為92.835 kgCO2／（m2·a），其中， 物化階段碳排放量占15.88%， 運(yùn)行階段碳排放量占83.90%， 建造拆除階段碳排放量占0.22%。

（2） 通過半地下變電站建筑全生命周期的減碳策略可以指導(dǎo)建筑向低碳目標(biāo)發(fā)展。 其中在建材生產(chǎn)階段， 通過推行高裝配化、 工業(yè)化可以降低18%-34.3%的碳排放量。 運(yùn)輸階段通過優(yōu)化運(yùn)輸方式可以降低32.17%-91.14%的碳排放量。 在建造拆除階段， 通過拆除回收鋼材可以回收鋼材碳排放量的37.85%-68.13%。

（3） 通過在建筑屋面及用地紅線內(nèi)種植綠植，大約可以產(chǎn)生35.295 tCO2／a 的碳匯量。 根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場情況， 光伏每年發(fā)電量為153786.99 kWh。 全部用于建筑， 每年可以減少碳排放量為87.705 tCO2。