装配式“零能耗”低碳建筑的碳排放比较研究——以国际太阳能十项全能竞赛栖居作品为例

陈静，毛刚，陈慧祯，付诗瑶，李岳岩，周轩

1 背景

2019 年中国排放总量104.9 亿tCO2，占世界碳排放总量的28.6%，超过美国及欧盟（EU27）排放总和，是全球最大的碳排放国[1]。根据《中国建筑能耗与碳排放研究报告2021》显示：2019 年建筑全过程能耗总量为22.33 亿tCE，占全国能源消费总量的54.2%；碳排放总量为49.97tCO2，占全国碳排放比为50.6%。建筑业是能源消耗与碳排放大户，建筑减碳任重道远。

2022 年4 月1 日起，建筑碳排计算报告已成为施工图设计文件的强制性内容，碳排放成为一个设计显性要素。随着建筑设计碳排放计算分析的强制执行，建筑师不但要进行节能的计算与复核，还要进行碳排放的计算与分析。从节能设计到低碳设计，建筑师不断面临新挑战。30 年来，在国家相关制度的约束下，我国已形成了较为成熟的以目标和效果为导向的主、被动式节能设计理论与方法。但在当前的低碳设计领域，由于碳排放计算尚处于起步和试探阶段，计算复杂、边界不清且对标不明的困境使得建筑师因缺少科学数据的支撑而影响了设计的决策力。

本文研究选取本团队1）在第二届（2018 年）、第三届（2022 年）中国国际太阳能十项全能竞赛（Solar Decathlon China，简称SDC）的参赛作品栖居2.0（装配式木结构）、栖居3.0（装配式钢结构）作为研究对象。这两栋建筑均为针对我国北方寒冷地区气候环境建造的小型零能耗试验示范建筑。以全生命周期碳中和作为最终目标，本文通过建筑碳排放的计算与分析，以“解剖麻雀”的方式进一步探讨“零能耗”低碳建筑设计的策略和实际应用问题。

2 案例研究

2.1 建筑碳排放计算方法与分析模型的建立

建筑碳排放计算是建筑师进行低碳设计决策的前提。目前，建筑碳排放的计算基于生命周期评估（Life Cycle Assessment，简称LCA），是一种国际建筑界通用的针对建筑节能、节材以及可持续发展等方面环境影响效益的评估方法。

LCA 始于1969 年美国中西部资源研究所（MRI）针对可口可乐公司的饮料包装瓶开展的评价研究[2]，后广泛用于工业生产企业的产品生产决策。国际标准化组织ISO 14040 将其定义为在产品的全生命过程中，从原料的获取、制造、使用与废弃阶段，评估其产生的环境影响。整体评价流程分为4 个阶段：（1）定义目的，即范围；（2）生命周期清单分析；（3）生命周期影响评价；（4）生命周期阐释。1990 年LCA 开始运用于建筑部门。建筑全生命周期不同于其他工业产品，具有生命周期很长的特点，其评估范围通常包括从规划与设计、建筑材料与构件生产、运输建造、运行与维护、拆除与处理（循环再利用）的“从摇篮到坟墓”的全生命周期。影响评价以 “全球变暖”作为特征化典型因子，根据政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）以CO2气体的全球变暖潜能值（Global Warming Potentia，简称GWP）为基准，将其他气体的GWP 折算为CO2当量（kgCO2e）来衡量。在计算方法上，建筑碳排放计算通常采用IPCC 推荐的碳排放系数法。C=a*p（C=碳排放量，a=活动量，p=碳排放系数，图1），以单位建筑面积年均碳排放量（kgCO2e/(m2·a)）作为建筑碳排放的评价指标[3]。

1 建筑碳排放计算方法框架

本文的建筑碳排放计算将建筑全生命周期划分为物化、使用、拆解3 个阶段，与阶段划分对应的碳排放计算因子包括4 类：主要能源的碳排放因子、常用机械施工台班、建筑碳排放因子与运输碳排放因子（本研究未计算碳汇）。碳排放因子数据主要来源于建筑碳排放计算标准（GB/T51366-2019）与四川大学建筑材料碳排放数据库（CLCD 数据库），电力碳排放因子栖居2.0选用华北地区1.246kgCO2e/kWh（2005 年），栖居3.0 选用华北地区1.058kgCO2e/kWh（2019 年）。在既往研究中，钢、混凝土、墙体材料、保温材料、门窗等10 类建材的碳排放量达到了建筑物化阶段碳排放量的99%[4]。因此，本文的计算分析也集中在上述对碳排放量影响最大的关键性建筑材料，即碳密集材料上。

2.2 建筑概况

太阳能十项全能竞赛（Solar Decathlon，简称SD）要求赛队将太阳能、节能与建筑设计以一体化的新方式紧密结合，设计一座功能完善、舒适、宜居、具有可持续性的150m2左右的太阳能住宅，在20 天内完成建造投入运行。栖居2.0、3.0 分别是本团队1）在第二届（2018 年）、第三届（2021-2022 年）竞赛完成的参赛作品。其具体设计参数如下（表1）：

表1 栖居2.0，3.0 建筑信息

栖居2.0 采用装配式木格构体系，结构全部由30mm 厚OSB 板组合而成的格构墙体、格构梁（地梁、楼面梁、屋面梁）构成，所有构件在西安加工完成，运至山东省德州市，现场拼装建造。功能布局以北方传统三合院落型住宅为原型，空间呈U 形。北侧布置对采光需求少的厨房、卫生间、设备间作为气候缓冲空间，以减少外墙的开窗。南侧中心为阳光间，起到气候调节与组织空间的作用，餐厅、起居与卧室环绕布置。阳光间作为可变空间，通过门窗的开启，调节冬夏两季的气候适应性，冬季门窗封闭，利用阳光间加热空气，提高住宅的保温性能；夏季高侧窗开启，形成拔风效应，组织通风。屋面坡度迎合太阳高度角，满足太阳能光伏的安装，同时形成室内的loft 空间。

栖居3.0 采用工厂预制的模块化钢结构体系。模块生产与室内、外基本装修均在西安工厂生产完成，运输至河北省张北县，现场吊装建造。建筑由5 个主体功能模块、2 个辅助功能模块和11 个性能提升模块组成。建筑主体功能模块布局以2 层通高的生态中厅为核心，底层北侧为服务模块（1 个），中部与南侧为起居、餐厅、学习的生活模块（2 个），二层为私密的居住模块（2 个）；2 个辅助功能模块分别是位于建筑北侧的车库模块与东侧的玄关模块；11 个性能提升模块分为两类，一类是屋顶的太阳能光伏模块，另一类是环绕建筑东、南、北3 侧的阳光间模块，该模块具有气候的自适应性，可充分利用被动式建筑设计原理降低建筑的能耗需求。

2.3 建筑全生命周期碳排放比较与分析

依据上文的碳排放计算方法，将栖居2.0 和栖居3.0 的全生命周期碳排放进行分阶段计算（表2），并对建筑物的总体碳排放量、碳排放强度和年均碳排放强度进行了计算分析。表2 中还分别列出了在含产能和不含产能的情况下的建筑碳排放情况。

表2 栖居2.0、3.0建筑全生命周期碳排放数据对比

2.3.1 整体分析

栖居2.0 与3.0 的年供暖、供冷和照明一次能源指标分别为53.9kWh/(m2·a)与41.8kWh/(m2·a)，均小于60kWh/(m2·a)，符合当地被动式超低能耗居住建筑节能设计标准。在不计算太阳能产能的情境下，栖居2.0 运行碳占比79.0%，隐含碳占比21.0%；3.0 运行碳占比71.5%，隐含碳占比28.5%；在计算太阳能产能的情境下，两个建筑均利用可再生能源，实现了碳中和。在“零能耗”建筑中，隐含碳将取代运行碳成为建筑减排的最重要指标[5]。本文对建筑碳排放的分析从“运行碳”与“隐含碳”两方面展开。

2.3.2 运行碳

“运行碳”指满足采暖、空调、热水、照明、电器以及炊事等所依赖能源的碳排放。其中炊事、热水、电器与使用者生活习惯密切相关，难以做出对比衡量，故本次计算分析包括采暖、空调、照明3 个部分所依赖能源的碳排放。

（1）北方地区采暖碳排的权重最大

栖居2.0 与3.0 两栋建筑均位于北方，在使用阶段碳采暖碳排占比最大，栖居2.0 为58.7%，栖居3.0 为77.6%。栖居2.0 与3.0 两者建筑功能相同、面积近似。栖居3.0 位于严寒地区，冬季气温和采暖时间（采暖期6 个月）均大于栖居2.0（寒冷地区，采暖期4 个月），而栖居3.0采暖年均碳排放强度为34.32kWh/(m2·a)小于栖居2.0 的39.45kWh/(m2·a)。栖居3.0 的热工性能明显优于2.0。总结原因主要是栖居3.0 建筑周边使用了附加的被动式阳光间模块：第一，在冬季可以更好地通过阳光间模块被动式得热。实测在阳光充足的冬季中午，室外为0℃时，室内在不开主动采暖设备的情况下，温度可以达到15～20℃；第二，作为气候过渡带，起到加强建筑的保温性能、提高建筑的气密性、减少热损失的作用。

（2）建筑空调碳排

栖居3.0 通过“内包式”制冷制热的空间优化，即一层辐射顶板+二层辐射地板，将管路高度集成，减小了能量损失。根据张北的气候特点，栖居3.0 在设计时强调了建筑夏季的自然通风，通过南北贯穿的对流通风和上下贯通的热压通风，即便在夏季最热的中午也可以将室内气温控制在28℃以下，室内的微风更提升了人在室内的热舒适感。因此在非竞赛时间（竞赛时间要求室内温度控制在22～24℃），栖居3.0 基本没有开启空调也获得了良好的室内舒适体验，大大节省了空调能耗。栖居3.0 空调年均碳排放强度为2.88kWh/(m2·a)，占比6.5%，远小于栖居2.0 的18.18kWh/(m2·a)，占比27%。

（3）照明碳排：

建筑照明的碳排栖居3.0 为7.02kgCO2e/(m2·a)，栖居2.0 为9.60kgCO2e/(m2·a)，栖居2.0、栖居3.0 为了节省照明能耗均采用了多种空间设计方法。栖居2.0 在南向和西向的局部使用了气凝胶玻璃这一新型建材，在达到了设计保温效果的同时，获得了良好的自然采光。栖居3.0 为更好地在冬季通过被动式得热，大面积使用了附加阳光间并加大了建筑南向开窗面积，同时，建筑中央的生态模块有效解决了大进深建筑的内部采光问题，使得建筑对天然光的利用更加充分，并且在自然采光下，建筑内部的照度更加均匀。而栖居2.0 的自然采光更多集中在靠近外窗部位，建筑中央的起居空间自然采光照度不足，在竞赛期间需要通过人工照明补充达到竞赛标准。

（4）光伏能源是碳中和的关键

栖居3.0 位于张家口地区，年日照时数约3000h，年太阳总辐射量为5860MJ/m2；栖居2.0位于山东德州，年平均日照时数约2600h,年太阳总辐射量为5200MJ/m2，两地太阳辐射量相差不大。运行实测表明，栖居2.0 和栖居3.0 竞赛期间的净能耗分别为-66.64kWh 和-57.64kWh。综合全年运行，将光伏产能折合为碳排放，栖居2.0 和栖居3.0 均可达到“负碳”运行。

2.3.3 隐含碳

“隐含碳”是生命周期内物化阶段的建材生产、运输与建造；包括使用阶段的维护、维修和拆除阶段的拆除、报废而产生的一次能源消耗和温室气体排放对气候造成的不利影响。

（1）建筑结构形式与隐含碳

抛开建筑寿命，栖居2.0 和栖居3.0 隐含碳排放强度分别为882.41kgCO2e/m2和358.47kgCO2e/m2，栖居3.0 是栖居2.0 的2.5 倍。两者建筑面积接近、高度基本相同、体型系数相似，是何种原因造成两者碳排相差如此悬殊？

首先栖居3.0 与栖居2.0 运输与施工阶段的碳排放强度基本一致。两者的差异集中体现在建材生产方面，分别为1155.59kgCO2e/m2和296.58kgCO2e/m2，栖居3.0 是栖居2.0 的近4 倍。栖居3.0 采用钢框架结构，楼地面和屋顶也均采用轻钢龙骨和薄钢板作为支撑框架；而栖居2.0则采用木格构墙结构，楼地面和屋顶也全部采用了木龙骨。钢的碳排因子远大于木材的碳排因子，这是造成栖居3.0 高碳排的主要原因。同时，木结构的自重轻于钢结构。栖居3.0 由于荷载的增加使得建筑基础相应放大，且栖居3.0 位于河北张北地区，受冻土影响，基础埋深较栖居2.0（山东德州地区）多出1.5m，因建筑基础的混凝土与钢材的用量大而加大了栖居3.0 物化阶段的碳排放量。因此可以得出：建筑结构选型是造成两者碳排放强度相差悬殊的主要因素。在不考虑防火、耐久、坚固的前提下，木结构的碳排优势要远大于钢结构。

但是钢结构的坚固、耐久及防火、抗形变等性能要远超木结构。栖居3.0 设计寿命50年，栖居2.0 设计寿命20 年，综合建筑寿命因素，两者年均隐含碳排放强度CA 分别为：17.65kgCO2e/(m2·a)与17.94kgCO2e/(m2·a)，相差不大。由此可见，延长建筑寿命对减少建筑全生命周期年均碳排放具有重要意义。

（2）建筑材料构成与隐含碳排放：

栖居2.0 建筑材料中光伏板（20.63%）、钢材（19.96%）、OSB 板（19.14%）、保温材料岩棉（10.61%）、木龙骨（9.60%）5 种材料的建筑材料碳排放强度占比近80%；栖居3.0 建筑材料中：钢（51.1%）、混凝土（30.2%）两种材料的建筑材料碳排占比超过了80%。从建筑体系上看，栖居2.0 结构、围护与设备系统的碳排比约为为1.5:1:1,栖居3.0 为10.8:1.5:1，两者构成比迥异（表3、4）。栖居2.0 木结构的结构体系碳排占比明显低于钢结构。栖居3.0 钢结构的结构体系碳排占比大，是设备系统的10 余倍，是围护系统的8 倍多。钢结构的轻量化是减碳的重要途径。围护体系中，保温材料的碳排放占比大，是具有减碳潜力的材料。绿色墙体材料的研发对建筑减碳意义重大。在设备体系中，太阳能光伏系统的占比最大。它是利用可再生能源实现建筑碳中和的重要产能构件，充分通过光伏建筑一体化的设计均衡光伏构件的碳排与能效比的关系至关重要。

表3 栖居2.0 碳密集材料与建筑系统碳排构成比

表4 栖居3.0 碳密集材料与建筑系统碳排构成比

（3）运输、施工与隐含碳排放

栖居2.0 运输距离（西安—德州）约920km，栖居3.0（西安杨凌—张北县）约1000km，栖居2.0 运输碳排放强度96.82kgCO2e/m2略低于栖居3.0 的112.42kgCO2e/m2。由于两者均在竞赛规定的20 天内完成了施工建造，因此施工阶段碳排放强度栖居2.0 和栖居3.0 相差无几，栖居2.0为15.19kgCO2e/m2，栖居3.0 为15.85kgCO2e/m2。在隐含碳构成中，运输与施工阶段碳排占比小，但两者的差异反映了不同的设计策略。

栖居3.0 借鉴汽车工业分级生产装配的工业化产品思维，采用钢结构模块化工厂预制、整体运输、模块吊装的建造体系。运输车辆、道路交通管理以及施工条件对设计制约性强，是设计决策的先决因素。设计运用BIM 的Revit 软件建立 “标准件—组件—吊装模块—建筑”的系统层级（图2）。标准件是建筑产品系统内最小级别的组成单元，它与一级工厂相对应，包括五金件，钢材等最基本的建筑材料；组件对应二级工场，它在标准件基础上，增加设备、维护结构等功能构件，形成满足一定功能的建筑构件或部品；吊装模块则是在标准件基础上结合运输条件与施工吊装条件进行优化匹配，对应三级工厂，最终完成将在现场建造的吊装模块工业产品。栖居3.0 建筑吊装模块划分包括主体功能模块、辅助功能模块与性能提升模块共3 类18 件。主体模块大小依据13.75m 高低板半挂车、我国《超限运输车辆行驶公路管理规定》以及50t 汽车吊装的施工方式，将尺寸确定为12m×3m×3.3m（长×宽×高）。由于栖居3.0 工厂生产的集成度高，因此，现场建造以吊装为主，对材料堆放的场地需求小、建造速度快（栖居3.0 模块安装的实际时间是6 天），设备安装调试、室内装修装饰、场地建设与清理协同性强，精细化施工程度高。但由于建筑采用单元模块拼装，因此对于机械的要求较高，施工现场的吊装全程使用50t 汽车吊吊装，因而机械台班的碳排相对较高。

2 栖居3.0 BIM建模系统层级

栖居2.0 采用建筑构件化装配式，需要现场完成格构墙的组合与地面、屋顶构件的安装连接。建筑施工过程中，由于建筑构件众多，现场拼装相对较慢，因此增加现场施工工序拉长了建造周期。结构主体与设备、内装、场地的施工存在协同性弱、精细化程度不足的缺点。但由于采用了构件装配，且每个构件设计均控制在100kg 以内，因此建造过程对工程机械的依赖较小，建造全程仅使用了一台20t 汽车吊，机械台班的碳排也大幅减少。

通过栖居3.0 与栖居2.0 的施工过程（图3）分析可以得出：集成化程度越高，其现场施工的速度越快，有利于减少碳排，但降低构件重量、减少机械台班也是降低施工碳排的手段之一。

3 栖居3.0、2.0施工建造进程比较

（4）建筑拆解与隐含碳排放

建筑拆解是逆建造的过程，此阶段对于建筑全生命周期影响最大的是建材回收。从计算结果中可以看出，栖居3.0 回收碳排强度是栖居2.0 的7 倍。分析原因如下：栖居2.0 采用构件装配式木结构，木构件在拆卸后会有较大的破损，并且受建筑功能空间变化的影响难以作为建筑构件再次使用。栖居3.0 采用模块化装配式，拆解后的模块通过简单修理和设备更换即可再次使用，这也是模块化装配式钢结构建筑的最大优势，虽然建造阶段碳排较高，但建筑寿命更长、回收利用率更高，这在一定程度上也弥补了栖居3.0 在物化阶段碳排放高的劣势。

3 低碳的设计优化策略

“零能耗”建筑全生命周期碳排放构成特征中，因可再生能源的利用有效实现了碳中和，从而使隐含碳问题凸显。隐含碳与设计密切相关，一旦完成，降碳的可能性几乎为零。低碳设计的策略应从以下3 点入手。

3.1 建筑结构体系优化

木结构建筑的隐含碳排放强度低，是理想的低碳建筑材料。但作为建筑工程，木结构在建筑规模、消防、安全耐久性等方面受国家现行规范严格限制，目前难以大规模推广。另外，随着我国生态环境保护力度不断加强，林木消耗严格受控，当前建筑工程木材依赖进口，造价高也是制约木结构建筑发展的重要瓶颈。钢结构建筑在物化生产阶段排放强度大，特别是钢材的碳排放因子在结构材料中最高，但钢结构也有着轻质高强、耐久度优越并且适应于工业生产的优势。发挥钢结构的特性并通过结构轻量化、构件标准化和施工装配化，节约钢材、缩短施工时间、提升回收利用率，配合延长建筑寿命，也可以让钢结构变得低碳。

从建筑全生命周期来看，设计寿命为50 年的钢结构建筑“栖居3.0”物化阶段的年均碳排强度比设计寿命20 年的木结构建筑“栖居2.0”高出25.7%，但将物化阶段与拆解阶段合并分析，两者的年均碳排强度基本相同，钢结构的“栖居3.0”甚至更低。

3.2 高性能绿色材料应用

保温材料作为建筑隐含碳的重要组成，其高碳排比值得关注。发泡聚氨酯是闭孔率高达90%的高性能保温隔热材料，聚氨酯导热系数为0.022W/(m·K)，岩棉为0.046W/(m·K)，聚氨酯的碳排因子为4330kgCO2e/t，岩棉为1980kgCO2e/t。喷涂发泡聚氨酯≥35kg/m3，岩棉密度140kg/m3[6]。在不考虑LCA 分析的情况下，同样保温效果聚氨酯的碳排强度只是岩棉的1/3。结合LCA 分析，聚氨酯寿命可达50 年，与建筑同寿命，岩棉寿命通常为10 年，需要维护更换，聚氨酯的碳排优势进一步得到体现。因此在保温材料选择上，除了常规的传热系数、耐火等级等性能，还需综合考虑建筑的碳排因子。但由于聚氨酯的耐火等级只能达到B1 级，无法在高层及人员密集的建筑上使用。

通过使用创新型的建筑材料降低碳排，如气凝胶玻璃。气凝胶是一种纳米级三维网络结构的固体材料，具有高透明性、防火性、超低导热系数、良好的隔声降噪特性。气凝胶附着在玻璃上，形成的新型建材气凝胶玻璃传热系数，K 值（W/(m2·K)）小于1.0，相当于真空复合中空Low-E 单银玻璃的效果。材料密度仅为0.07～0.25g/cm3,是普通玻璃的几十分之一。气凝胶玻璃的碳排因子仅是岩棉的2.9%，并且具有透光的优势。由此可见，大力发展绿色高性能材料、与主体结构同寿命的围护材料对于降低建筑全生命周期隐含碳排放的意义重大。

3.3 隐含碳与运行碳的协同耦合

从建筑全生命周期角度减碳来看，运行碳与隐含碳的两者的设计协同耦合是必要的。以栖居3.0 为例，高性能的围护结构、建筑气密性与阳光间是最为有效的建筑节能措施（图4），三者节能贡献率达到60%。从建筑碳排放构成看，与节能措施相对应的建筑材料构成主要体现在围护结构上，其碳排仅占建筑全生命周期碳排放的11%，因此增加建筑节能措施虽然增加了隐含碳排，但从全生命周期碳排放来看来仍然起到了减排的作用。在“被动房”“零能耗”建筑中，为降低运行碳，加厚保温层、增加建筑措施等是必不可少的手段。但当保温层等围护结构达到一定厚度时，再增加围护结构厚度对建筑节能起到的作用会变得有限，这样也加剧了建筑隐含碳的上升。

4 栖居3.0被动策略节能效率

4 结论

（1）常规建筑是单纯的化石能源消耗者和碳排放制造者。只有充分利用太阳能等可再生能源，如光电、光热等方式，让建筑成为能源制造者和碳排吸收者，方能在满足舒适（适当高耗能）的前提下大幅度降低建筑物的碳排放强度，这也是达到建筑全生命周期“碳中和”的唯一途径。

（2）建筑结构形式和建筑材料对于建筑隐含碳的影响巨大，在减碳和“碳中和”的目标下，木结构建筑具有很大的优势。作为我国大力推广的钢结构小住宅，轻量化、延寿、构件可拆解设计是重要的减碳策略。

（3）在节能建筑、“零能耗”建筑中，建筑隐含碳问题值得关注，特别是在初期建筑设计决策阶段。设计一旦完成，降低碳排的可能性几乎为零。只有综合分析各阶段碳源及其控制措施，从设计入手，才能有效地减少建筑全生命周期碳排放。建筑碳排放设计优化应是隐含碳与运行碳的耦合，对建筑全生命周期的碳排放进行统筹权衡。这些都有赖于碳排放的精确计算，方能指导建筑师进行科学决策。本文研究过程中的繁琐计算表明，在设计阶段提供规范、简洁的碳排放计算方法及数据源，为建筑师的设计提供可靠、有效的分析决策工具，仍有漫长的道路和艰巨的工作。只有从设计入手，在设计阶段便对各阶段碳源进行综合分析并采取控制措施，才能有效减少建筑全生命周期的碳排放。

（4）生活方式对于建筑全生命周期碳排放的影响亦深远，严格控制建筑室内物理环境达到全年恒温恒湿“高舒适”标准，会产生高额的碳排。在我国传统人居观念中，建筑是人与自然和谐的产物，人的生活随四季变化，因此建筑室内温度也可以随四季起伏，而非恒定不变，同时应更加注重自然采光和通风，强调建筑自身的调节。我国农村相对贫困的地区，应积极探索适宜技术的应用，因地制宜运用可再生能源与建筑进行一体化设计对于降低碳排有着重要的意义。