碳减量影响下建筑业碳排放测算模型构建与实证

2022-02-07潘绍中张建强

河北建筑工程学院学报 2022年4期

赵丽赵伟潘绍中杜昕张建强

(河北建筑工程学院,河北张家口 075000)

0 引言

中国建筑领域的能源消费与排放是全社会能源消费与排放的重要组成部分，也是中国节能减排以及能源消费变革工作的重点[1].IPCC评估报告相关数据表明，建筑业极具节能减排潜力，应对其低碳节能发展方面进行深入探索.其未来发展要以实现“双碳”目标为导向.

早在2001年，英国的Filippin、日本的Suzuki以及瑞典的Nassen等众多国外学者就已针对建筑全生命周期的能耗和CO2排放情况展开了大量研究.相比之下，我国大陆的建筑碳排放研究起步较晚且多集中于对具体的某一阶段或不同建筑类型的碳排放进行研究，如白静[2]、郭春梅[3]等学者研究过建筑物化阶段、建筑运营阶段的碳排放，张涑贤[4]、徐伟涛[5]、温日琨[6]等学者研究过混凝土结构、木结构、钢结构等建筑物的碳排放.而涵盖建筑全生命周期各个阶段的碳排放测算研究，如Zhang和Wang运用流程分析法量化了中国建筑业2005-2012年建材制造、建材运输、建筑施工、建筑运营、建筑物拆除以及拆建(C&D)垃圾处理六个阶段的二氧化碳排放[7]，但未考虑建材回收和建筑垃圾回收过程的碳排放减量.

事实上，建材回收和建筑垃圾回收的碳排放减量化潜力不容小觑，一般建筑垃圾有35%～40%的能量可回收利用[8].李岳岩等[9]从物化、使用、拆解三个阶段入手测算了三栋居住建筑全生命周期及各阶段碳排放量，在拆解阶段充分考虑了建材回收利用的碳减量，并通过案例计算证明了建筑材料的回收利用率越高，减排效果越明显.

综上所述，现有研究尽管在测算单体建筑碳排放时应用到了全生命周期法，但却不曾考虑建材回收和建筑垃圾回收所产生的负碳排放量，缺乏宏观层面上考虑回收碳减量的全生命周期碳排放测算模型.本研究克服以往研究的不足，在考虑建材回收和建筑垃圾回收碳减量抵消作用的基础上建立模型，重新界定建筑业碳排放量的核算边界.测算我国建筑业2010-2019年全生命周期碳排放量并对其来源展开分阶段分析，以反映我国建筑业碳排放的主要来源及现状，进而为我国建筑业的节能减排工作提供有针对性的指导方案，促进建筑业持续健康发展.

1 碳排放核算基础

1.1 碳排放核算边界

所有产生碳排放的过程都应涵盖于建筑全生命周期碳排放计算中，鉴于建筑工程总量大、碳排放分析专业要求高，全面测算囿于研究深度和数据样本采集难度，故需提前对系统边界进行简化、确定.建筑全生命周期，也是建筑产品的全生命周期，即“从摇篮到坟墓”的整个过程.包括：原材料开采，建筑材料、设备生产和构件加工制造、建筑工程施工安装、运行维护及拆除处置等阶段[10].本研究在“碳中和”目标的引领下，充分考虑了建材与建筑垃圾回收利用碳排放减量化能力，以建材准备、建筑施工、运行使用、建筑拆除以及建材与建筑垃圾回收五阶段作为建筑业全生命周期碳排放核算的划分边界，见图1.

图1 建筑全生命周期碳排放核算边界

1.2 碳排放系数确定

应用清单统计法处理各阶段活动相关数据及碳排放系数.将碳排放系数分为四部分：化石燃料碳排放系数[11]、建材碳排放系数[11]、交通工具碳排放系数[3]、绿地固碳系数.详见下表1至表4.

表1 化石燃料排放系数表

表2 主要建筑材料碳排放、回收系数表

表3 主要运输方式碳排放系数表

表4 不同类型植被固碳系数表

2 模型构建

2.1 建筑业全生命周期碳排放模型构建

依据所划分的五阶段将建筑业全生命周期碳排放总量表示为公式(1)：

Q=Qa+Qb+Qc+Qd+Qe

(1)

式中：Q为建筑业碳排放总量(单位：万吨)，Qa为建材准备阶段碳排放总量(单位：万吨)，Qb为施工阶段碳排放总量(单位：万吨),Qc为运行使用阶段碳排放总量(单位：万吨),Qd为建筑拆除阶段碳排放总量(单位：万吨),Qe为建材回收以及建筑垃圾回收所产生的负碳排放量(单位：万吨).

2.2 建材准备阶段碳排放量模型

该阶段的碳排放活动主要集中于建材运输和建材生产两个过程，见公式(2)：

(2)

式中：Qa为建材准备阶段碳排放总量(单位：万吨)，Qat为建材运输过程碳排放量(单位：万吨)，Qap为建材生产过程碳排放量(单位：万吨).Aatij为第j种运输方式运输第i种建材总量(单位：万吨)，Datij为第j种运输方式运输第i种建材的距离(单位：千米)，MNatij为运输第i种建材对应运输方式的碳排放系数；Aapi为建筑所需生产第i种建材总量(单位：万吨)，MNapi为建筑所需生产第i种建材的碳排放系数.

为便于计算特将年鉴中应用到的木材及玻璃的计量单位换算为t，分别为0.5t/m3和0.05t/重量箱.因缺少现成的运距数据，建材的平均运距见公式(3)：

(3)

式中，Datij为使用第j种运输方式运输第i种建材的平均距离(单位：千米)，aj为第j种运输方式货运周转量所占比重，NTi为第i种建材的货运周转量(单位：万吨)；bj为第j种运输方式货运量所占比重，NVi为第i种建材的货运量(单位：万吨).

2.3 建筑施工阶段碳排放量模型

施工过程中机器设备消耗一次能源产生的直接碳排放量和施工现场照明消耗电力产生的间接碳排放,为建筑施工阶段产生的碳排放量，见公式(4)：

(4)

式中，Qb为建筑施工阶段产生的碳排放总量(单位：万吨)，Qbl为照明耗电产生的碳排放量(单位：万吨)，Qbe为机器设备耗能产生的碳排放量(单位：万吨).Pbl为照明耗电总量(单位：kwh)，MNbl为电力消耗的碳排放系数；Mbei为机器运行的第i种能源消耗总量(单位：万吨标准煤)，MNbei为第i种能源的碳排放系数.

2.4 运行使用阶段碳排放量模型

该阶段碳排放来源主要包括建筑区域范围内建设绿地碳汇产生的负碳排放量及建筑从交付使用到最后拆除活动中所有照明、制冷、取暖以及天然气消耗等其他能源产生的碳排放，见公式(5)：

(5)

式中，Qc为建筑运行使用阶段所产碳排放总量(单位：万吨)，Qcg为绿地碳汇形成的负碳排放量(单位：万吨)，Qce为建筑使用阶段日常生活所产碳排放量(单位：万吨).MNcg为绿地植被的固碳系数，Scg为绿地面积(单位：公顷)；MNcei为第i种能源的碳排放系数，Mcei为日常生活消耗的第i种能源总量(单位：万吨).

2.5 建筑拆除阶段碳排放量模型

该阶段的碳排放以建筑停止使用时为计算起始点，以建筑完全拆除时为计算终点，整个计算期间碳排放的主要来源为焚烧填埋建筑垃圾活动及交通工具和所用机器设备的能源消耗，计算公式(6)如下:

(6)

式中，Qd为建筑拆除阶段所产碳排放总量(单位：万吨)，Qdt为建筑垃圾在运输过程所产碳排放量(单位：万吨)，Qde为机器设备运行消耗能源所产碳排放量(单位：万吨).Edti为所需运输的第i种建筑垃圾总量(单位：万吨)，Ddti为运输第i种建筑垃圾的距离，MNdti为运输第i种建筑垃圾对应运输方式的碳排放系数；Mdei为设备运行消耗的第i种能源总量(单位：万吨)，MNdei为第i种能源的碳排放系数.

2.6 建材回收阶段碳排放量模型

建筑垃圾除金属类建材可以回收利用抵减拆除阶段碳排放外，其他大部分都是直接填埋处理.回收利用建材准备阶段的玻璃、木材、钢材和铝材可有效降低建材准备阶段碳排放量，该阶段碳排放见公式(7)：

(7)

式中，Qe为建材回收所产碳排放总量(单位：万吨),Eedi为回收第i种建材的重量(单位：万吨)，MNedi为第i种建材的碳排放系数，Redi为第i种建材的回收系数.

3 实证研究

3.1 数据来源与说明

数据主要来源于《中国统计年鉴》(2020)、《中国能源统计年鉴》(2020)、《中国建筑业统计年鉴》(2011-2020)、《中国交通统计年鉴》(2011-2020)、《建筑碳排放计算标准》(2019)以及中国碳核算数据库(CEADs).由于建材回收和建筑垃圾回收所产生的负碳排放量可分别对建材准备阶段和建筑拆除阶段碳排放量起抵消作用,故具体计算时可不必单独作为一个阶段而是直接将回收活动产生的碳排放量纳入相应阶段.

3.2 测算结果与分析

由公式(1)-(7)可计算出2010-2019年我国建筑业全生命周期各阶段碳排放量，见表5.据结果可知，2010-2019年建筑业全生命周期各阶段中，碳排放量占比最大是建材准备阶段，占比最小的是建筑物拆除阶段.碳排放量趋势呈现先快速增长后波动下降并稳定的态势，并于2013年达到十一年来碳排放的峰值，虽然2013年后碳排放量开始下降但除2016年均高于2010-2019年的平均水平.

表5 2010-2019年建筑业全生命周期碳排放

据公式(2)和公式(7)计算结果可知，中国建筑业2010-2019年的建材准备阶段碳排放趋势由一开始的稳定增长变为波动减少，水泥和钢材的碳排放量变化与其极为相似，且平均碳排放量比重分别为61.41%和43.43%，玻璃和铝材的平均碳排放量占比很小，分别为0.36%和4.03%，木材的平均负碳排放量占-9.23%.可见，水泥、钢材对建筑业碳排放的贡献相对较大，这与以往学者的研究结论相同[1,12]，说明我国目前所使用的建筑材料仍以传统的钢筋水泥为主，碳排放产量较大，新型材料并没有得到广泛的推广利用.

经公式(4)计算发现施工阶段碳排放量在观察期内处于整体上升趋势，分析各化石燃料消费产生的碳排放量，汽油消费的碳排放量相较趋势同为波动增长的天然气和电力，其上升幅度更大，而原煤消费碳排放量则从2010年的39469.57万吨增长至2014年的49350.46万吨后便一直处于下降趋势且变化幅度较大.柴油、汽油、原煤、电力在施工阶段的碳排放量相对较大，分别为30.91%、20.49%、27.56%、16.85%.

由公式(5)计算可知，运行使用阶段的碳排放量从2010年到2019年增长了近1.23倍.城镇、农村居民生活消费碳排放与整体碳排放变化趋势基本一致，都经历了一个先缓慢后快速的增长然后回降并逐步稳定的过程，这与我国城镇化进程的高建设量有一定联系.我国粗狂式的城镇化发展在推动城市居住建筑快速发展的同时也带来了碳排放量攀升、资源浪费等问题.

建筑垃圾运输、机器设备及电力能耗三部分产生的碳排放量为建筑拆除阶段碳排放量的主要来源，这里将拆除能耗设置为建筑业能耗的8.3%[13]，拆除垃圾按面积估算.由公式(6)和(7)计算可知，我国建筑业拆除阶段碳排放量在2010-2019年处于波动上涨趋势.其中电力能耗比重最大，垃圾运输产生的碳排放较设备能耗碳排放量增加显著，因此降低建筑拆除阶段碳排放量的要点在于控制建筑垃圾运输及电力消耗过程的碳排放.