綠色建筑碳排放模擬計(jì)算探討

易嘉

（上海朗詩(shī)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海 200092）

1 引言

隨著中國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，低碳建筑成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。為最大限度地減少建筑在全生命周期內(nèi)的碳排放量，在建筑物設(shè)計(jì)階段便對(duì)其進(jìn)行碳排放計(jì)算是最經(jīng)濟(jì)有效的方法。碳排放計(jì)算是借助設(shè)計(jì)階段建筑物的地理信息、周邊環(huán)境信息、幾何信息、材料信息，推算出建材生產(chǎn)階段的能源消耗量，計(jì)量單位包括質(zhì)量（kg 或t）、體積（m3）、用電量（kW·h），并將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為碳排放因子（kg CO2e/ 單位材料用量），碳排放因子（Carbon Emission Factor）是指將能源與材料消耗量乘以二氧化碳排放相對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)系數(shù)，得到建筑物不同階段相關(guān)活動(dòng)的碳排放歸一量化指標(biāo)。PKPM-CES 碳排放計(jì)算軟件采用全生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）算法，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法[1-2]，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的量化分析。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集

碳排放計(jì)算的首要步驟是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集和推算，按照工程全生命周期的不同階段，可分為設(shè)計(jì)階段、施工建造（生產(chǎn)）階段、運(yùn)行維護(hù)階段和拆除階段4 大類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，每個(gè)大類數(shù)據(jù)又分為若干小類。

2.1 設(shè)計(jì)階段

本階段按照不同專業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其共同點(diǎn)是與材料用量有關(guān)，主要包括如下內(nèi)容。建筑專業(yè)：設(shè)計(jì)磚墻用量（m3）、設(shè)計(jì)保溫材料用量（m3）、以窗洞面積統(tǒng)計(jì)的設(shè)計(jì)窗用量（m2）、以門洞面積統(tǒng)計(jì)的設(shè)計(jì)門用量（m2）、電梯和自動(dòng)扶梯的數(shù)量及其額定參數(shù)等。

結(jié)構(gòu)專業(yè)：設(shè)計(jì)混凝土用量（m3）、設(shè)計(jì)鋼筋用量（t）、設(shè)計(jì)型鋼用量（t）等。對(duì)于一般住宅，可按照70 kg/m2估算用鋼量，0.44 m3/m2估算混凝土用量，有類似工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累時(shí)，可采用其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在PKPM 綠建模型中一般建模鋼筋混凝土剪力墻而不建模鋼筋，故混凝土用量可以從模型中讀取，而鋼筋用量則需要估算后手動(dòng)填入。

給排水專業(yè)：設(shè)計(jì)給排水管用量（m 或t）、設(shè)計(jì)潔具用量（個(gè)）、生活熱水的設(shè)計(jì)參數(shù)、可再生能源利用等。

電氣專業(yè)：設(shè)計(jì)橋架用量（m）、設(shè)計(jì)電纜用量（m）、照明功率密度（W/m2）、可再生能源利用等。

暖通及動(dòng)力專業(yè)：設(shè)計(jì)風(fēng)管用量（t）、暖通設(shè)備及其負(fù)荷計(jì)算參數(shù)、炊事（燃?xì)猓┲笜?biāo)或用量、可再生能源利用等。

景觀專業(yè)：設(shè)計(jì)各類植物的面積（大小喬木、灌木、花草密植混種區(qū)、自然野草、草坪、水生植物）、建筑或建筑群所占場(chǎng)地面積、綠化率等。景觀綠化的碳排放量為負(fù)值，屬于減少碳排放的有利因素，稱為“綠化碳匯”。對(duì)于一般的住宅小區(qū)，可按喬木的種植占比10%，灌木的種植占比60%，草坪、水生植物等的種植占比30%估算，則各類植物的固碳量約為：?jiǎn)棠?.0150 t CO2e/（m2·a），灌木0.0075 t CO2e/（m2·a），草坪、水生植物0.0005 t CO2e/（m2·a）。

2.2 施工建造（生產(chǎn)）階段

本階段主要補(bǔ)充搜集施工措施的碳排放數(shù)據(jù)，例如，建造所用的機(jī)械的能源種類、臺(tái)班數(shù)等。但在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期，施工單位的建造設(shè)備一般是分批進(jìn)場(chǎng)，具體需要的臺(tái)班數(shù)也隨工程建設(shè)而動(dòng)態(tài)變化，因此，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行碳排放計(jì)算，施工階段的數(shù)據(jù)只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算。在PKPM-CES 碳排放計(jì)算軟件中，在沒(méi)有任何建筑建造階段的能耗相關(guān)的數(shù)據(jù)的情況下，可選用廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳的《建筑碳排放計(jì)算導(dǎo)則（試行）》[3]經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，如式（1）所示：

式中，X 為地上層樓層數(shù)；Y 為單位面積的碳排放量，kg CO2。

當(dāng)運(yùn)輸距離無(wú)準(zhǔn)確的交通數(shù)據(jù)時(shí)，可參照GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[4]附錄E 中默認(rèn)值取值，混凝土默認(rèn)運(yùn)輸距離值為40 km，其余建材的默認(rèn)運(yùn)輸距離為500 km，交通方式默認(rèn)為陸運(yùn)。

2.3 運(yùn)行維護(hù)階段

建筑物運(yùn)行階段的主要能耗主要包括生活熱水、冬季供暖、夏季空調(diào)、通風(fēng)機(jī)、照明、電梯等的用電量，因此，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括：生活熱水供應(yīng)時(shí)間（天數(shù)）、暖通設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)及維護(hù)次數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等，此類參數(shù)可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)估并同步輸入。

2.4 拆除階段

該階段一般沒(méi)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要輸入，主要是采用估算法，PKPM-CES 碳排放計(jì)算軟件提供了按建筑體量估算、按比例或能耗清單估算、按拆除工程詳細(xì)計(jì)算等。在設(shè)計(jì)階段，一般沒(méi)有任何詳細(xì)的拆除數(shù)據(jù)，可選用廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳《建筑碳排放計(jì)算導(dǎo)則（試行）》（2021 版）的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，如式（2）所示：

用建筑總面積乘以單位面積的碳排放量Y，即得到拆除階段的碳排放量。

2.5 碳排放因子數(shù)據(jù)來(lái)源

在PKPM-CES 碳排放計(jì)算軟件中，各類材料的碳排放因子的數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括：

1）GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》；

2）《建筑全生命周期的碳足跡》[5]；

3）GB/T 2589—2020《綜合能耗計(jì)算通則》[6]；

4）GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》[7]；

5）《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南 發(fā)電設(shè)施（2022 年修訂版）》[8]；

6）上海市生態(tài)環(huán)境局《關(guān)于調(diào)整本市溫室氣體排放核算指南相關(guān)排放因子數(shù)值通知》[9]；

7）廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳《建筑碳排放計(jì)算導(dǎo)則（試行）》；

8）《城市綠地碳匯核算方法及其研究進(jìn)展》[10]。

由于碳排放分析模型的抽象性和概括性，不能完全還原現(xiàn)實(shí)世界，因此，當(dāng)遇有不規(guī)則外形的建筑時(shí)，就需要通過(guò)預(yù)算表、決算表、采購(gòu)清單或者建立更精確的BIM 模型來(lái)統(tǒng)計(jì)材料用量。

2.6 基準(zhǔn)建筑

根據(jù)GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》 第2.0.1～2.0.3 條及其條文說(shuō)明，基準(zhǔn)建筑是指的執(zhí)行2016 年及以前節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的建筑。包括JGJ 26—2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]、JGJ 134—2010 《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[12]、JGJ 75—2012《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[13]和GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]。

GB 55015—2021 《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》第2.0.3 條所指的“相對(duì)于基準(zhǔn)建筑的碳排放強(qiáng)度平均降低40%，碳排放強(qiáng)度平均降低7 kg CO2/（m2·a）以上”，在具體的項(xiàng)目實(shí)踐中，該兩個(gè)指標(biāo)是否需要同時(shí)滿足，或是僅滿足其中1 個(gè)，需要根據(jù)項(xiàng)目所在地的具體要求確定，如果沒(méi)有特別的規(guī)定，一般均應(yīng)滿足，并且需要設(shè)置可再生能源。

3 碳排放模擬計(jì)算實(shí)例

3.1 工程概況

本工程位于北緯31.00°，東經(jīng)121.00°，氣候分區(qū)屬于夏熱冬冷ⅢA 區(qū)，朝向?yàn)槟掀珫|2.5°。該高層住宅所在居住小區(qū)的總用地面積26 873 m2，綠地率35%，該高層住宅的節(jié)能計(jì)算模型為地上19 層（含機(jī)房層），地下1 層，建筑高度57.70 m，地下建筑面積393 m2，地上建筑面積6 701 m2，總建筑面積7 094 m2，體形系數(shù)0.41，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 上海某高層住宅碳排放計(jì)算模型

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基本參數(shù)

本工程通過(guò)PKPM-CES 碳排放分析模型統(tǒng)計(jì)主要材料用量，但碳排放分析模型中沒(méi)有建模鋼筋，故需要按照70 kg/m2估算用鋼量，并手動(dòng)輸入材料表進(jìn)行碳排放計(jì)算，結(jié)果如圖2所示?？梢?jiàn)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，按照碳排放量由大到小，混凝土和鋼筋兩種材料占總碳排放量的50%以上，其次是門窗，再次是保溫材料，而生活水管的碳排放量則很小。

圖2 生產(chǎn)及運(yùn)輸階段的碳排放量（單位：t CO2e）

可再生能源使用方面，由于本工程是一般的公寓住宅，且設(shè)計(jì)時(shí)間早于GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》的實(shí)施時(shí)間，沒(méi)有設(shè)置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，也未選擇節(jié)能照明設(shè)備或高效供暖設(shè)備。因此，只能依靠綠化碳匯作為減碳措施。

選取2022 年上海市電網(wǎng)碳排放因子4.2×10-4t CO2e/（kW·h）為本工程參數(shù)，采用全生命周期評(píng)估（LCA）算法。

3.3 減碳措施

本工程選取單體建筑進(jìn)行碳排放計(jì)算，應(yīng)采用所在居住小區(qū)用地的一部分作為該建筑的“從屬用地”，然后將“從屬用地”的面積乘以綠地率算出綠化碳匯面積。所選的“從屬用地”面積一般應(yīng)按照各樓棟的地上總建筑面積按比例分?jǐn)偅鐖D3 所示，全小區(qū)總用地26 873 m2，該單體建筑的“從屬用地”面積取2 300 m2，綠地率35%，按照灌木占60%、草坪占30%，喬木占10%計(jì)算。

圖3 建筑單體分?jǐn)偩G化碳匯用地面積示意圖

3.4 設(shè)置要點(diǎn)和計(jì)算結(jié)果判讀

一般而言，生產(chǎn)運(yùn)輸和運(yùn)行維護(hù)所占全生命周期總碳排放量的比例應(yīng)基本接近，則整體計(jì)算相對(duì)可信。本工程建造及運(yùn)行共50 年的總碳排放量為6 621 t CO2e，單位面積碳排放量為1 t CO2e/m2，年均碳排放指標(biāo)為0.021 t CO2e/(m2·a)，碳排放強(qiáng)度在2016 年執(zhí)行的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上降低了40.40%，碳排放強(qiáng)度降低了5.41 kg CO2e/(m2·a)，雖然碳排放強(qiáng)度小于7 kg CO2e/(m2·a)，但相對(duì)于基準(zhǔn)建筑降低超過(guò)40%，仍舊滿足規(guī)范的部分要求。不同階段的碳排放量及其占比如圖4 所示。

圖4 本工程50 年全生命周期碳排放量（t CO2e，%）計(jì)算結(jié)果及占比

按照GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》第4.1.2條，碳排放計(jì)算總采用的建筑設(shè)計(jì)壽命應(yīng)與設(shè)計(jì)文件一致，當(dāng)設(shè)計(jì)文件不能提供時(shí)，應(yīng)按50 年計(jì)算，一般生產(chǎn)運(yùn)輸約5 年，則運(yùn)行維護(hù)約45 年，假設(shè)按照50 年計(jì)算得到的建筑物全生命周期的總碳排放量為C，則生產(chǎn)運(yùn)輸階段的總碳排放量約為0.5C，年均碳排放量0.5C/5=0.1C；運(yùn)行維護(hù)階段碳排放量為0.45C，年均碳排放量約0.45C/45=0.01C，相當(dāng)于生產(chǎn)運(yùn)輸階段年均碳排放量的10%，主要發(fā)生在空調(diào)、熱水、照明和電梯系統(tǒng)的設(shè)備用電中。

當(dāng)建筑物在超過(guò)50 年之后繼續(xù)使用時(shí)，考慮到居住環(huán)境改善、建筑物檢測(cè)和大修，可將每年的碳排放量增加到0.02C估算建筑物延期使用的附加碳排放量，當(dāng)建筑物使用年限達(dá)到70 年時(shí)，其附加碳排放量約為0.02C(70-50)=0.4C，已經(jīng)接近于生產(chǎn)運(yùn)輸階段的總碳排放量，碳排放總量預(yù)估達(dá)到1.4C。當(dāng)建筑再次延期使用至100 年時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性降低，建筑物的維護(hù)成本呈非線性快速增長(zhǎng)，以致出現(xiàn)加固、替換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的大修狀況，可將該階段的年均碳排放量增加到0.05C 估算建筑物延期使用的附加碳排放量，則在第70～100年間，建筑運(yùn)行維護(hù)的碳排放量將增加0.05C(100-70)=1.5C，預(yù)估超過(guò)建筑物前70 年的碳排放量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，綠色建筑全生命周期碳排放計(jì)算是需要全專業(yè)、各參建方密切配合的工作，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集到標(biāo)準(zhǔn)和算法的選用都要盡可能適配當(dāng)前工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，參數(shù)估計(jì)要靈活運(yùn)用建筑熱工設(shè)計(jì)原理，做到自洽、合理，而不是機(jī)械地套用規(guī)范條文。目前，中國(guó)規(guī)范對(duì)于普通房屋和構(gòu)筑物規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限為50 年，但是很多1950 年代建造的建筑距今都超過(guò)了70 年仍在繼續(xù)使用，從碳排放的角度看，此類建筑由于頻繁地進(jìn)行環(huán)境改造、結(jié)構(gòu)大修，引起的附加碳排放量將隨時(shí)間的推移而呈非線性快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，反而成為減碳的重大阻力之一。因此，筆者建議從長(zhǎng)遠(yuǎn)的減碳效益考慮，應(yīng)提高普通房屋和構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)使用年限至100 年，通過(guò)應(yīng)用高強(qiáng)輕質(zhì)材料來(lái)減少建造階段的碳排放量，并為遠(yuǎn)期減碳打下良好的基礎(chǔ)。