零碳幼儿园建筑全生命周期碳排放分析

■ 江苏龙腾工程设计股份有限公司暖通总工程师 徐正宏

2020年9月22日，国家主席习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布中国二氧化碳排放量力争在2030年达到峰值，2060年前实现碳中和。2018年，我国建筑全生命周期碳排放总量是49.3亿tCO2，占全国能源总碳排放量的50%以上，并且呈上升趋势[1]。在国家“双碳”背景下，建筑行业发展低碳化，甚至零碳化的技术路线将成为未来的发展趋势。本文以南京市南部新城新建零碳幼儿园为案例，对零碳幼儿园建筑全生命周期内的碳排放量进行初步分析。

1.工程概况

该项目位于江苏省南京市秦淮区，东北两侧紧邻规划住宅用地，规划用地面积约4071.31m2、绿地面积1425.27m2、总建筑面积3121.56m2、容积率0.63，绿地率35.01%，其中1#单体为框架结构，地上3层，主要功能为活动单元、专用教室、教师办公室等，地下1层主要功能为厨房、设备用房等后勤辅助用房；2#单体采用木结构形式，地上1层为多功能活动室，地下1层为设备用房（图1）。该项目采用以下设计原则：一是选择绿色建材和装修材料，通过合理朝向和空间布局尽可能最大化利用自然通风和自然采光；二是尽量使用可再生能源，通过“被动式+主动式”设计，降低能源需求大约20%。

图1 建筑功能布局

2.低碳化设计技术路线

2.1 以节能为导向的机电设计

对于幼儿园建筑的空调冷热源，根据《托儿所、幼儿园建筑设计规范》（JGJ 39-2016）第6.2.1条，应优先利用可再生能源，如太阳能、风能、地热能等。对于体量较小的幼儿园建筑，空调系统应推行精细化设计和控制：首先，在设计阶段应进行全年动态空调负荷计算，根据全年负荷变化特点进行设备选型和制定自控方案，尽量提高空调系统在部分负荷工况下的性能；其次，在运行阶段要结合建筑的被动式房屋设计，在春夏季尽可能多利用自然通风，其余时段根据室内人员需求和室外气象参数变化及时调整空调系统的运行策略。

此外，应充分采用自然采光并注重照明系统的节能，后者一般通过采用高效照明器具和智能照明控制系统两方面实现。

2.2 以被动式房屋为导向的建筑设计

根据项目所在地的气候特征，对建筑物朝向、外立面设计、建筑体型系数、围护结构保温、开窗形式（窗墙面积比及外窗设计可调节遮阳）、建筑内部空间布局（高大空间立体中庭、建筑夹层通风空间等）进行合理设计，增强建筑自然通风（过渡季节）和自然采光，降低建筑物冷热负荷的同时实现建筑内环境自调节，打造建筑物内部微气候，提高建筑的被动式性能。此外，夏热冬冷地区的建筑围护结构性能参考《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》。

2.3 建材低碳化设计

建筑建材应尽量选用可再循环的建筑材料或EPD（环境产品申明）认证的绿色建材。一般幼儿园建筑规模小，可结合木结构体系，选用木材作为主要建筑材料。此外，室内装修可采用无吊顶设计和清水混凝土，也可采用麦秸板、竹材等自然材料。

2.4 碳中和设计

利用地热能、太阳能等可再生能源，用于建筑本身的制冷、制热、发电等，以及在地块内尽量最大化绿地系统，利用植物光合作用实现对建筑本身碳排放的中和。幼儿园建筑由于其自身建筑特点要求设置一定比例的室外场地和绿地率，具备碳中和设计的先决条件。

3.全生命周期碳排放测算

参考建筑全生命周期碳排放量核算方法[2]，依据国家标准《建筑碳排放计算标准》（以下简称《标准》），按照建材生产、运输、建筑施工、建筑使用（含维修）和拆除废弃五个阶段，分别进行计算和汇总。

3.1 建材生产阶段

基于项目建筑工程预算书清单，依据《标准》将各类建材总量和对应的碳排放因子的乘积累加，可得到建材生产阶段的碳排放总量Cm。该项目主要建筑材料用量及生产、运输阶段碳排放统计，详见表1。

表1 1#单体和2#单体建材生产和运输阶段碳排放统计

由上述统计结果可见，得益于木结构设计，2#单体建材生产阶段单位平方建筑面积碳排放量仅200KgCO2/m2，远小于传统建筑。综上，该项目建材生产阶段碳排放总量Cm=1476270KgCO2。

3.2 建材运输阶段

该项目各类建材按照重型汽油货车运输方式考虑，依据《标准》中的货物运输碳排放因子，可计算得到建材运输阶段碳排放。因此，该项目建材运输阶段碳排放总量Ct=156116（1#单体）+7281（2#单体）= 163396KgCO2。

3.3 建筑施工阶段

目前，该项目正处于设计阶段，无法获取准确的施工台班统计数据。参考文献[3]的计算方法，按一般公建施工阶段单位建筑面积碳排量15.4KgCO2/m2的经验值，估算该阶段的碳排放总量Cc=44601(1#单体)+3471(2#单体)=48072KgCO2。

3.4 建筑使用阶段

建筑使用阶段是建筑全生命周期中持续时间最久、碳排放量最大的一个阶段，对于碳排放评价的影响重大，该阶段的碳排放主要包括暖通空调、生活热水、照明及电梯、可再生能源、建筑碳汇系统等在整个建筑使用期间产生的碳排放以及建筑构件维护产生的碳排放。根据建筑专业相关规范和建设方使用需求，该项目建筑设计使用年限为50年。

3.4.1 暖通空调系统能耗

一种准确分析幼儿园建筑空调系统全年运行能耗的方法是分阶段、分设备分项统计。由于幼儿园建筑的使用特点，全年运行能耗分析需扣除寒暑假时段的运行能耗，根据南京市教育局相关规定，该项目空调系统运行时间段设定如表2所示，扣除寒暑假，年运行总时长约9个月，表3采用BIN法计算可得到全年动态空调负荷，得到建筑全年最大冷热负荷及累计冷热负荷值。

表2 空调系统运行时间

表3 空调负荷分项统计

该项目空调系统冷热源采用了1台螺杆式地源热泵机组，根据设计选型：该机组夏季制冷COPc=5.0，冬季制热COPh=4.6，地源侧水泵和末端冷热水泵功率均为7.5kW，建筑物空调末端采用风机盘管、热管式热回收新风机组以及组合式空调器的形式。综上所述，该项目冬、夏季空调系统各部分全年运行能耗及碳排量统计，如表4所示。

表4 空调系统全年运行能耗及碳排放统计

该项目空调系统年运行碳排放总量Ckt为=45979.04（1#单体）+9178.71（2#单体）=55157.75KgCO2/a。整个空调系统中地源热泵主机和输配水泵的运行碳排放占比较大，约为70%。因此，降低空调系统运行碳排放的关键是提高热泵机组的性能系数、降低输配管路的阻力以及提高循环水泵的运行效率。

3.4.2 生活热水系统能耗

该项目建筑物生活热水均采用太阳能热水系统，根据《标准》，生活热水耗能量及碳排放忽略不计。

3.4.3 照明及电梯系统能耗

根据电气专业设计参数，照明系统和电梯系统（该项目仅设1部食梯）年运行能耗和碳排放量计算，如表5所示。

表5 照明和电梯系统年运行能耗及碳排放统计

计算得知，该项目照明及电梯系统年运行碳排放量Czm为11076.05(1#单体)+708.5（2#单体）=11784.6 KgCO2/a。

3.4.4 建筑构件维护产生的碳排放

建筑构件维修所产生的碳排放计算比较复杂，该项目采用以修缮周期和规模为研究边界的“工程量类比法”，将公建的构件维护划分为小修、中修、大修三类，考虑50年的使用年限内，大修1次、中修4次、小修若干次，并且大修一次的碳排放量占建筑设计建造阶段（即建材生产、运输及施工阶段）碳排量总和的25%；中修一次的碳排放量占比为20%；小修的碳排放占比可忽略不计。因此，该项目运营阶段构建维护产生的碳排放为：

根据上文的测算结果，该项目建筑构件维护产生的碳排放量Cco=1713445.65（1#单体）+58680.3（2#单体）=1772125.95KgCO2/a。

3.4.5 可再生能源系统能耗

该项目应用的可再生能源主要有地源热泵、太阳能生活热水以及光伏发电，其中，地源热泵系统的节能量已体现在空调系统能耗计算一节；生活热水全部来自太阳能，其供能量不计入生活热水耗能量。本节仅统计光伏发电系统带来的减碳排放量。

2#单体（多功能活动室）设计了光储直柔光伏发电系统，屋顶安装了容量为15kWp固定式多晶硅光伏发电系统，并配合建设一套化学储能单元，每套24kWh磷酸铁锂电池。当光照充足时，该系统可供活动室全部建筑用电、储能系统充电，余电供北侧楼（1#单体）使用；光照不足时，由储能系统给多功能活动室供电。

同时，建设一套电源配电系统，用于对分布式电源和负荷进行组网运行，实现对各个就地支路的测量与控制，整个系统运行模式通过设置可自动转换，光伏发电自发自用，与电网并网不上网。

根据测算，该光伏发电系统理论年发电量约1.64万kWh（折合成减少的碳排放量约13275.8KgCO2/a）。

3.4.6 绿地碳汇

该项目主要的碳中和手段是可再生能源的应用和室外绿化带来的绿地碳汇，绿地碳汇相比较而言碳减排量较小，城市公共绿地单位绿地面积的固碳能力约为0.166KgCO2/m2.a，该项目绿地率达35%，绿地面积约1426m2，简单计算可得全生命周期内绿地系统碳减排量Cld=-118356KgCO2。

综上所述，该项目全生命周期建筑使用阶段的碳排放分布统计如表6所示。可见，采用木结构的2#单体，由于构建维护和光伏发电的减碳排放量，远远大于空调系统和照明系统的碳排放量，2#单体使用阶段零碳排放，并且由于光伏发电的余量，还可以用来给1#单体供电，减少1#单体运行阶段碳排放，该项目建筑使用阶段的碳排量总量合计为3744819KgCO2。

表6 建筑使用阶段（50年）能耗及碳排放统计

3.5 拆除废弃阶段

该阶段对建筑全生命周期的碳排放总量的影响较小，对拆除阶段碳排放总量进行估算，按常规公建单位建筑面积拆除碳排量32.3KgCO2/m2的经验统计值可得Cd=93545.32（1#单体）+7281.07（2#单体）=100826.4KgCO2。

3.6 全生命周期内建筑物碳排放预评估

综合上文中关于该项目从建设到拆除全生命周期各阶段的预评估统计数据，可汇总得到全生命周期内建筑物碳排放量，对2#单体实现零碳目标贡献最大的是建筑使用阶段太阳能光伏发电，考虑到该光伏系统供电余量也可用于1#单体建筑用电，可适当调整，得到更接近实际运行数据的结果，详见表7。

表7 建筑全生命周期碳排放统计

根据上述预评估结果，该项目2#单体已符合全生命周期零碳建筑的要求；1#单体全生命周期总碳排放量约6155215KgCO2，折合年单位建筑面积碳排放量42.5KgCO2/m2.a，远低于国家统计指标，其中，建筑使用阶段碳排放量仅为2018年全国公共建筑单位面积运行碳排放量的一半。

4.结语

该项目全生命周期内年平均单位面积碳排放量42.5KgCO2/m2.a（其中2#单体碳排放量为0），低于国家统计指标。其主要原因是建材生产阶段使用了低碳木材（2#单体为木结构设计），建筑使用阶段对可再生能源（地源热泵、太阳能热水、光伏发电）的应用，以及该项目作为幼儿园建筑，避开了寒暑假期高能耗的时段。相比传统公建类项目，该项目充分降低了建筑全生命周期的碳排放并达成2#单体零碳屋的设计目标。全生命周期内，建筑使用阶段的年平均单位面积碳占比最高，其次是建筑建材生产阶段，年平均年单位面积碳排放量为35KgCO2/m2.a，其余所有阶段以及碳汇等对碳排放影响均较小。因此，低碳建筑建材的选择以及建筑使用过程中可再生能源技术的应用，对于建筑物全生命周期碳排放的控制起着决定性作用，尤其以可再生能源的应用效果最显著。