绿色居住建筑全生命周期碳排放研究

郭而郛 崔雅楠 王 瀛 曹 晨（天津生态城绿色建筑研究院有限公司，天津 300467）

绿色居住建筑全生命周期碳排放研究

郭而郛 崔雅楠 王 瀛 曹 晨（天津生态城绿色建筑研究院有限公司，天津 300467）

建筑领域碳排放占全社会总能耗的1/3，这仅仅是建筑运行使用过程，若考虑建筑全生命周期，比例将会更高。在现行的绿色建筑评价标准引导下，绿色建筑是否比普通建筑全生命周期更低碳，目前相关研究甚少。本项研究基于LCA理论，在总结前人研究基础上，明确绿色建筑全生命周期碳排放计算方法，并以天津生态城75栋绿色居住建筑为样本，计算并比较了不同星级绿色居住建筑全生命周期碳排放水平。结果表明，单位建筑面积年碳排放量为43-64kgCO2/m2·a，且碳排放水平与绿色建筑星级无明显关系。本项研究为建立天津地区建筑全生命周期碳排放清单数据库和评价体系提供支撑。

绿色建筑；全生命周期碳排放；减碳策略

建筑、交通以及工业是能源消耗的三大主要领域，也是产生温室效应的主要途径。就全球范围内，根据联合国环境规划署统计，建筑领域的能耗大约占到全社会总能耗的30%-40%，全球温室气体排放的1/3与之相关，这仅仅是建筑运行使用过程，如果考虑建材的生产和运输，建筑施工与拆除等环节，温室气体排放比例将会更高。

众所周知，绿色建筑的核心在于其全生命周期内能最大限度的节约资源（节能、节地、节水、节材），保护环境、减少污染和减少温室气体的直接或间接排放，我国作为能源大户，更重视绿色建筑的发展和推广，可是绿色建筑到底为节能减排做了多少贡献，很少有量化的数据作为论证。

近些年，国内的很多研究者均对建筑全生命周期的能源消耗、碳排放核算以及环境影响做了探索。清华大学彭渤[1]通过文献调研、案例计算和分析，分析了建筑全生命周期过程中建筑建材含能和碳排放影响因素，住宅建筑和公共建筑碳排放的差异以及绿色建筑不同星级意见的差异，但是由于其计算案例中绿色建筑的案列仅包含1个三星级绿色住宅和4个一星级绿色住宅，案列太少，说服力较弱。

本项研究通过查阅国内外相关文献，总结并确定建筑全生命周期碳排放计算模型和方法，选取中新天津生态城已获绿色建筑设计标识的项目，采用建筑全生命周期评价（LCA)的方法，通过计算其建筑全生命周期二氧化碳排放，分析比较绿色建筑不同星级的碳排放关系，研究减碳措施。

1 绿色建筑全生命周期碳排放计算方法

建筑在其生命周期内直接或间接产生CO2排放，从建材的生产与运输，建筑的施工与建造，到建筑的运行使用，以及更新拆除，都会产生物质和能源消耗，造成CO2排放。建筑全生命周期碳排放计算公式如下：

其中Pm、Pt、Pc、Po、Pw、Pd分别为建材生产、建材运输、建筑建造施工、建筑运行、建筑维护及建筑拆除过程中的CO2排放量。

选取单位建筑面积年CO2排放量c作为建筑CO2排放量评价指标，单位为kgCO2/(m2·y)，该指标按照下式计算：

其中S为建筑面积，Y为建筑使用年限，本文涉及的计算案例设计使用年限均为50年。

1.1 建材生产阶段碳排放计算

建材生产阶段的二氧化碳排放是指建材开采、生产导致的碳排放。此阶段的二氧化碳排放主要包含两部分：一是生产每单位建材产品所需要消耗的能源产生的碳排放，包括直接排放和间接排放，其中直接排放包括消耗煤、天然气产生的碳排放，间接排放包括耗电、耗蒸汽而产生的碳排放；二是生产单位建材产品所需要消耗的原材料的碳排放。

通过调研国内外关于建材生产阶段二氧化碳排放的相关文献，总结出常用的几种计算方法，汇总于表1。本研究课题采用表1中方法3计算建材生产阶段碳排放。其中主要金属材料回收系数见表2。主要建材碳排放系数见表3。

表1 建材生产阶段碳排放计算公式汇总

表2 金属材料可回收利用率[7][8]

表3 建材碳排放系数

1.2 建材运输阶段的碳排放计算

建材运输阶段的二氧化碳排放计算模型相对统一，其计算公式为：

其中，Di：为从供应商运输至建筑工地的平均距离；（km）

ti：为不同运输方式的碳排放因子；（kgCO2/104t·km）

mi：为运载建材的质量。

建材用量按照实际项目使用情况确定；运输距离的确定有两种方法：一种是地区统计平均值，如台湾成功大学对台湾的建材运输距离进行统计研究，得到了台湾地区各种建材的平均运输距离[9]；另一种办法即是实际追溯。本文的研究按照实际项目具体追溯来确认。

本研究假定运输均为公路运输，消耗能源为柴油，根据《中国交通年鉴2008》中公路运输的平均能耗强度，以及我国《综合能耗计算通则》给出的各种能源的平均低位发热量和《省级温室气体清单编制指南》（试行）中给出的单位热值含碳量和氧化率，计算出柴油货车的碳排放因子为1670.24kg/104t·km（柴油密度：0.83kg/L、氧化率：0.98、低位发热量：42652kJ/kg、单位热值含碳量：20.2tC/TJ）。此外，在使用货车运输时，一般从施工工地返回的车辆都是空荷，而载货时的油耗平均要比空载时增加50%，环境负荷是满载时的0.67倍[10]，因此，取货车返回空车修正系数为1.67。

1.3 建造施工阶段的碳排放计算

建造施工阶段是指建材运输到建筑施工场地后建筑营造的过程，该过程中涉及到的二氧化碳排放主要包括机械设备用电、耗油等。建造施工阶段的碳排放计算主要有三种计算方法，主要根据施工工艺法、施工机械法和经验公式法，见表4。

表4 建造施工阶段碳排放计算方法

鉴于施工建造阶段碳排放占建筑全生命周期碳排放比例较小，且施工工艺法和施工机械法相关数据不易获得，本研究课题采用台湾学者张又升的经验公式法计算建筑施工阶段的二氧化碳排放量。

1.4 运行阶段的碳排放计算

建筑运行阶段的二氧化碳排放是整个建筑全生命周期碳排放的主要阶段。建筑运行阶段的二氧化碳排放量计算公式为：

其中，qi：建筑物第i种能源的年耗量；

ei：第i种能源的碳排放因子；

y：建筑物的使用年限。

目前运行阶段能耗的统计主要有两种方法，一是对实际能耗进行统计；二是能耗模拟。由于计算案例实际运行数据较少，本研究课题采用eQUEST能耗模拟数据进行建筑运行阶段的碳排放计算。能源的碳排放因子见表5。

表5 运行阶段能源碳排放因子

1.5 建筑维护阶段的碳排放计算

建筑经过长时间的使用过程后，有些建材或者某些部位会变旧、老化，因此需要维护更新。对于空调采暖设备、家用电器、太阳能热水设备等机电设备以及涉及到的管线，在建筑全生命周期碳排放方面，国内外的研究学者对此部分的研究很少，首要原因是这部分涉及到的原材料众多复杂，施工工艺较多且难以统计，另外，国内天津大学的董雷、浙江大学的燕艳对这部分进行过研究，根据其计算结果来看，在整个建筑全生命周期中占的比例很小。因此，本研究课题在建材碳排放计算式不予考虑这部分，同样在建筑维护阶段也不予考虑，仅考虑由于外窗的维护更新产生的二氧化碳排放量。建筑维护阶段碳排放计算公式为：

其中，Pi：为需要更新维护的建材碳排放量；

Ki：为维护系数；

yb：为建筑的使用寿命；

yc：为需维护更新的建材使用寿命。

1.6 拆除处置阶段的碳排放计算

台湾学者张又升[9]对建筑拆除处置阶段的能耗进行了详细的统计与研究，得到了建筑拆除处置过程二氧化碳排放与建筑层数的拟合关系，其计算公式为：

其中X为建筑物地上建筑层数。

2 绿色居住建筑全生命周期碳排放

按照上述计算方法，本文选取天津生态城已竣工住宅项目作为案例，共计算了8个项目75栋楼的全生命周期碳排放量，项目基本信息见表6。单位建筑面积年碳排放量分布（图1）在43~64kgCO2/m2·a，其中占比最大的两个阶段为建筑运行阶段碳排放及建材生产阶段碳排放，平均分别占全生命周期碳排放的80%及16% （图2）。

表6 案例基本信息

图1 单位建筑年碳排放量分布

图2 各阶段碳排放比例

图3 各类型建材碳排放比例

2.1 建材生产阶段各建材类型碳排放比例

由于不同项目建材用类及用量的差异，使得建材部分单位平米碳排放不尽相同，浮动区间在275-525kg/m2,且主要变动区间在400-500kg/m2。建材部分碳排放的平均组成比例情况如图3所示。各个案例结构类型均为钢筋混凝土剪力墙结构，因此建材碳排放方面，混凝土所占比例最大，达到了54%，其次是钢筋，占26%，二者之和达到了80%，其余建材共占20%。

2.2 建筑层高对建筑全生命周期碳排放的影响

根据建筑层数的不同将住宅建筑分为四个类型：低层（1-3层），多层（4-6层），中高层（7-9层）和高层（10层以上）。不同层数的住宅建筑案例的建材碳排放分布统计结果见图4所示。从图中可以看出，不同建筑层数对建材碳排放的影响并不明显。

图4 不同层数住宅建筑案例建材碳排放分布

图5 建筑星级与建材生产碳排放关系

2.3 建筑星级与建筑全生命周期碳排放的关系

根据《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2006），绿色建筑划分为一星级、二星级、三星级。统计案例中，二星级住宅50个，三星级住宅25个。各案例单位建筑面积建材碳排放、单位建筑面积年二氧化碳排放分别如图5及图6所示。从计算结果可知，建材生产阶段的碳排放量、建筑全生命周期单位建筑面积年二氧化碳排放量和建筑星级均没有明显的关系。对于建材碳排放，二星级均值为423.38kgCO2/m2，三星级均值为435.43 kgCO2/m2；对于整个全生命周期，二星级和三星级的单位建筑面积年二氧化碳排放量均值分别为52.19 kgCO2/（m2·a）和55.13kgCO2/（m2·a），差别不显著。

3 绿色建筑全生命周期减碳策略

从绿色居住建筑全生命周期碳排放计算结果可以看出，绿色建筑星级与碳排放之间无明显关系，这是由于2006年版本的绿色建筑评价标准未提出对建筑碳排放的要求。标准更新后，2015年执行的《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）中创新项已明确提出“进行建筑碳排放计算分析，采取措施降低单位建筑面积碳排放强度”，但由于基础数据不足，尚未提出类似于BREEM或CASBE评价体系中碳排放分级给分的标准。

由于建筑运行阶段及建材生产阶段碳排放比例较大，愈实现绿色建筑节能减排、环境友好的初衷，应从建筑运行阶段及建材生产阶段分别进行总量控制。

在设计阶段提高建筑围护结构热工性能，采用高效供冷供热设备，设计合理的建筑能源管理系统，在最大限度的降低建筑能源需求的基础上，辅以可再生能源利用技术，可有效降低绿色建筑运行阶段能耗。除此之外，市场手段是推动绿色建筑发展、提高公民节能环保意识最有力的抓手。应将民用建筑参与碳排放权交易市场，但由于民用建筑尤其是居住建筑存在交易主体混乱的问题，想要在全国实行民用建筑碳排放交易还存在很多的困难。可考虑在国家自愿减排项目先行先试，但目前自愿减排项目与民用建筑相关的方法学均直接从CDM方法学翻译而来，由于这些方法学均由国外开发，对我国建筑领域CCER项目适用性差、开发CCER成本较高，几乎不具有可操作性。因此，现阶段应开发符合中国国情的、统一的建筑领域碳排放计算方法学，放宽政策，促进建筑节能减排市场化发展。

为了降低建材生产阶段碳排放，设计阶段结构合理轻量化，从而降低建材的用量，同时就地取材，降低建材运输阶段的能源消耗，最重要的是应采用环境负荷影响较低的绿色建材。目前国家正在推进III型环境声明（EPD）及产品碳足迹认证，但由于全生命周期碳排放尚未引起设计师或开发商的关注，因此发展进程缓慢。

4 结 语

本项研究基于LCA理论，在总结前人研究基础上，明确绿色建筑全生命周期碳排放计算方法，并以天津生态城75栋绿色居住建筑为样本，计算并比较了不同星级绿色居住建筑全生命周期碳排放水平。结果表明，单位建筑面积年碳排放量为43~64kgCO2/m2·a，且碳排放水平与建筑层高及绿色建筑星级无明显关系。本项研究为天津生态城建立绿色建筑全生命周期数据库提供支撑，为进一步提出绿色建筑全生命周期碳排放定量化指标奠定基础。市场手段是推动绿色建筑发展、提高公民节能环保意识最有力的抓手。积极推动民用建筑碳排放权交易将有利于绿色建筑的发展，但相关标准或方法学尚需进一步完善。

[1]彭渤. 绿色建筑全生命周期能耗及二氧化碳排放案例研究[D]. 北京，清华大学，2012.

[2]燕艳. 浙江省建筑全生命周期能耗和CO2排放评价研究[D].浙江大学,2011.

[3]陈冲. 基于LCA的建筑碳排放控制与预测研究[D].华中科技大学,2013.

[4]王霞. 住宅建筑生命周期碳排放研究[D].天津大学,2012.

[5]董蕾. 集成建筑生命周期能耗及CO2排放研究[D].天津大学,2012.

[6]张婷. 住宅全生命周期碳排放核算方法及低碳住宅评价体系[D].安徽工业大学,2013.

[7]李兆坚. 我国城镇住宅空调能耗源和资源消耗研究[D].北京：清华大学，2007.

[8]绿色奥运建筑研究课题组.绿色奥运建筑评估体系[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[9]张又升. 建筑物生命周期二氧化碳减量评估[D].台湾成功大学，2002.

[10]杨倩苗.建筑产品的全生命周期环境影响定量评价[D].天津：天津大学，2009.

[11]汪静.中国城市住区生命周期CO2排放量计算与分析[D].北京：清华大学，2009.

[12]李翔.城市住宅建筑能耗的评价方法研究[D].武汉：华中科技大学，2008.

Study on life-cycle carbon emissions of green residential buildings

Carbon emissions in the construction field accounts for the social energy consumption of the whole society 1/3,that only involves the use of building operation. If considering the full life cycle, the proportion will be higher. Under the current green building evaluation criteria, whether the carbon emission in green building is lower than it in ordinary building, the current research is very little. Based on the LCA theory, on the basis of previous studies, this research proposed a clear green building full life cycle carbon emissions calculation method. While, the study takes the Tianjin eco-city 75 green residential buildings as the sample,comparing the different star green building life cycle carbon emissions. The results show that the carbon emissions per unit of building area is 43~64kgCO2/m2·a, which has no obvious relationship with the green building star. The study is to provide support for the establishment of the full life cycle carbon emissions inventory database and the evaluation system in Tianjin area.

Green building ; Life-cycle carbon emissions ; Carbon reduction strategy

中新天津生态城中新科技合作计划课题：绿色建筑指标库及适宜技术研究

]TK01+l;TU24l

B

1003-8965(2017)05-0009-04