工业化建筑方案评估，既是碳排放核算的起点，同样也是终点，碳排放核算模型建立的最终目的是在建筑方案设计的初始端对其全生命周期进行碳排放量的估算，得出计算结果和LCA分析报告，归纳总结碳排放的主要来源，包括明确的碳排放阶段和建筑的具体组成部分等，最后再反馈到设计端以便对建筑方案作出调整，具有明确的指导意义。......
2023-10-09
工业化预制装配建筑碳排放模型
【摘要】：因此在分析建筑碳排放时，应当从建材生产阶段开始，即从全生命周期的角度考虑建筑碳排放。全生命周期评价体系克服了以往研究的片面性和局限性，使人们对建筑碳排放有了更加深入全面的了解。
生命周期评价的思想开始于20世纪60年代末至70年代初，经过了近40年的发展，广泛应用于各个领域，如工业企业部门、政府环境管理部门以及消费者组织等。自20世纪90年代起，欧美许多国家开始将生命周期评价方法应用于建筑领域，对建筑物进行生命周期环境影响的定量分析，推动了建筑业节能减排的发展，对减轻环境污染起到了重要作用。
1.建筑碳排放全生命周期评价的必要性
建筑是一种生命周期很长的产品，从原材料的开采、产品制造、使用到建筑拆除，整个过程都会对环境产生影响。对建筑的碳排放进行评价就要研究建筑生命周期中各个阶段的特点，这样才能找到对环境影响最小的方案。
目前关于建筑碳排放的研究分为两部分：基础性研究（比如能源、建材、建筑设备）和建筑整体碳排放的研究。前者基本都是采用生命周期评价法，建材碳排放的研究是从建材开采、生产、使用、回收几个阶段考虑，例如：一般大型钢材的回收率可以达到90%，如果只考虑钢材的生产阶段显然是不合理的；后者关于建筑整体碳排放的研究方法不统一，大部分学者只注意到建筑使用阶段。诚然建筑使用阶段的能耗和碳排放比例较高，需要重点分析，但是我们也要看到建筑使用阶段也是各阶段中时间最长的阶段，如果按照单位时间分析使用阶段未必是碳排放最大的阶段。现在我们经常所说的节能建筑、零能耗建筑、零碳排放建筑，大多数是针对使用阶段而言的，通过某种技术在使用阶段能耗、碳排放降低，但是这是以建筑前期大量投入为基础的。很多节能技术、节能材料本身就是高能耗、高碳排的，其本身的研发、生产需要大量能耗，会产生大量的隐含碳。因此在分析建筑碳排放时，应当从建材生产阶段开始，即从全生命周期的角度考虑建筑碳排放。
全生命周期评价体系克服了以往研究的片面性和局限性，使人们对建筑碳排放有了更加深入全面的了解。低碳建筑不仅应包括使用阶段，还应包括建筑的上游和下游，建材生产、建筑施工和建筑拆除阶段。
2.建筑生命周期划分
对于建筑而言，其生命周期的研究，国内外学者提出了很多定义。国内研究主要以清华大学的张智慧教授为代表，将全生命周期划分为物化阶段、使用阶段和拆除处置阶段［5］。与此类似的是刘念雄等学者将其分为准备、施工、使用和维护、拆卸等四个阶段［6］。其次，有学者如陈国谦等将建筑的全生命周期分为了建设施工、装修、室外设施建设、运输、运行、废物处理、物业管理、拆卸和废弃物的处置等九个阶段，并对每个阶段碳排放的可能来源进行了详细分析［7］。北京大学的于萍、陈效逑等对住宅建筑的碳足迹模型进行了研究，采用全生命周期方法，在传统消耗型建筑的生命周期中加入了循环的概念，提出建筑材料回收的概念；他们把建筑全生命周期分为五个阶段：建筑材料生产、施工、使用、维护、建筑废弃物处理；在计算建筑碳排放时提出重视使用阶段，忽略施工阶段的理念［8］。
国外对于建筑全生命周期的研究理论更丰富。有以原材料为主线考虑的莱夫·古斯塔夫松（Leif Gustnvsson）等，其将全生命周期分为材料生产、建设、运行、拆除以及处理四个阶段［9］；并且雷蒙德·J.科尔（Raymond J.Cole）在其基础上研究了不同建筑物的碳排放区别，方便对比分析［10］；也有部分学者没有考虑材料的生产阶段，认为其应该属于工业碳排放，如格瑞勒（Gerilla）等［11］；对于传统的建筑全生命周期，也有人研究，如Bribián就将建筑全生命周期分为建筑生产、建设、使用和结束四个阶段［12］。
建筑全生命周期即建筑产品的生命周期（LCA：building life cycle），指建筑产品的萌芽到建筑拆除处置整个过程。综上所述，一些阶段所耗时间比较短并且对建筑的整体能耗影响较小，如建材运输或更新维护，因此通常会将建材生产及运输合一，建筑使用与更新维护合一。因此，将建筑全生命周期初步划定为四个阶段：建材开采生产阶段、建筑施工阶段、建筑使用和维护阶段、建筑拆除和回收阶段［13］，如图2-4所示：
图2-4 传统建造方式的建筑全生命周期划分
资料来源：作者自绘。
3.建筑碳排放测算基本方法
由于数据获取困难，无法形成数据统计的规模效应，我国建筑物碳排放的测算还处于比较初级的阶段。目前，对建筑物碳排放的测算主要采用三种方法：实测法、物料衡算法和排放系数法［14］。
（1）实测法
实测法主要通过监测工具或国家认定的计量设施，对目标气体的流量、浓度、流速等进行测量，得到国家环境部门认可的数据来计算目标气体总排放量。实测法要求采集的样品数据具有很强代表性和较高的精确度，当能满足这些要求时，这是一种比较可靠的方法，但如果无法保证样品数据的代表性和精确度，即使测试分析很正确，所得数据也毫无意义。
（2）物料衡算法
物料衡算法是在建设过程中对使用的物料进行定量分析，根据质量守恒，投入物质量等于产出物质量，把工业排放源的排放量、生产工艺和管理、资源、原材料的综合利用及环境治理结合起来，系统地、全面地研究生产过程中碳排放的一种科学有效的计算方法。这种方法虽然能得到比较精确的碳排放数据，但是需要对建筑物全过程的投入物与产出物进行全面的分析研究，工作量很大，过程也比较复杂。
（3）排放系数法
排放系数法是指在正常技术经济和管理条件下，根据生产单位产品所排放的气体数量的统计平均值来计算总排放量的一种方法。目前的排放系数分为有气体回收和无气体回收两种情况下的排放系数，而且在不同的生产状况、工艺流程、技术水平等因素的影响下，排放系数也存在很大差异。因此使用排放系数法的不确定性也较大。
但排放系数法是目前最常用的碳排放计算方法。该方法可以进一步划分为标煤法和能源种类法：标煤计算法，即根据建筑能耗折算为标煤量，再通过标准煤的CO2排放量进行计算，见公式（2-1）所示；能源种类法，即直接根据各种能源种类的CO2排放量进行计算，见公式（2-2）所示。据范宏武［15］验证，采用标煤法计算的CO2排放量比采用能源种类法的结果偏大，因此应尽可能采用能源种类法。
采用标煤法计算CO2排放量的公式（2-1）：
式中：
C——建筑CO2总排放量，kg；
E——建筑实际不同种类能源消耗量折算为标煤量，kg；
Kce——标煤碳排放因子，kg C/kg，我国发改委公布的数据为0.67kg C/kg。
采用能源种类计算CO2排放量的公式（2-2）：
式中：
C——建筑CO2总排放量，kg；
E——建筑实际不同种类能源消耗量，kg，Nm3或者kWh；
K——不同种类能源单位碳排放量，kg C/kg，kg C/Nm3，或者kg C/kWh。
4.建筑全生命周期碳排放评价理论框架
（1）核算系统边界
建筑全生命周期的碳排放是指将建筑的生命周期看作一个系统，该系统的碳排放是由能源消耗、资源向外界环境排放等产生的CO2总量。建筑全生命周期系统边界内部应包含形成建筑实体和功能的一系列中间产品和单元过程流组成的集合，包括建筑材料生产和构配件加工、运输、施工与安装、使用期建筑物运行与维护、循环利用、拆除与处置，如图2-5所示。需要指出的是建筑物运营维护阶段的碳排放是采暖、通风、空调、照明等建筑设备对能源的消耗造成的，不包含由于使用各种家用电器设备而导致的能源消耗与碳排放。
图2-5 建筑全生命周期碳排放评价核算系统边界
资料来源：作者自绘。
碳排放核算范围的确定准则：(www.chuimin.cn)
符合下述准则之一的材料、设备即纳入碳排放核算范围：
①质量准则。将建筑工程各阶段消耗的所有建筑材料按质量大小排序，累计质量占总体材料质量80%以上的建筑材料纳入核算范围。
②造价准则。将建筑工程各阶段消耗的所有建筑材料按造价大小排序，累计造价占总体材料造价80%以上的建筑材料纳入核算范围。
③能耗准则。将建筑工程各阶段所有机械、设备按能源消耗大小排序，累计达到相应阶段能源消耗80%以上的机械、设备纳入核算范围。
（2）评价功能单位
建筑物规模不一，物化阶段材料、机械使用量相差很大，直接导致碳排放量差别很大；而使用阶段持续时间几乎占了建筑生命周期的全部，评价年限对评价结果影响很大，因此仅给出建筑物总的碳排放量缺乏可比性，需要建立一个横向可比较的评价。
碳排放评价应以建筑投入使用后100年为评价期，将温室气体质量按照IPCC 100年全球增温潜势（GWP）系数换算成“二氧化碳当量”（CO2e）［16］进行衡量。由于需要考虑建筑寿命的时间因素，因此建筑生命周期碳排放以每年每平方米建筑面积所产生的千克CO2e进行度量，其计量单位为kg·m-2·a-1，见公式（2-3）［17］所示：
式中：
BCE——建筑生命周期碳排放评价值；
Eman——物化阶段碳排放；
eu＋d——运行使用和拆除回收阶段碳排放加权值（此阶段排放因为存在长时间延迟，因此要考虑加权，下面详述）；
S——总建筑面积；
T——建筑寿命年限。
其中，运行使用和拆除回收阶段碳排放加权值（eu＋d），根据IPCC 2007年报告，温室气体在大气中的浓度增量是工业化时代以来辐射强迫的显著影响因子。而随着时间的推移，温室气体浓度的衰减也会使辐射强迫产生相应变化。因此，PAS2050指出，商品使用阶段碳排放在100年评价期中应该采用加权平均值反应不同时间点上温室气体排放对气候变化的不同影响。相应的，建筑运行使用和最终处置阶段的排放计算也该反应温室气体存在于大气中的加权平均时间［18］，如下式所示：
由PAS2050中对于排放加权的规定可得：
式中：
eu＋d——运行使用和拆除回收阶段碳排放加权值；
Eu＋d——运行使用和最终处置阶段碳排放计算总值；
μ——碳排放加权系数；
i——发生排放的第i年；
αi——第i年排放与排放计算总值的比例；
ei——第i年排放；
n——评价期时长，以年为单位，取值100（与PAS2050中100年评价期相一致）。
将公式（2-6）、（2-7）代入公式（2-4）可得
以设计使用年限为50年的普通建筑为例，其运行使用和最终处置阶段碳排放计算如下：
设运行使用阶段的年排放为euse，发生排放的时间为第1年到第50年；最终处置产生排放为edis，发生排放的时间为第50年。代入公式（2-8）可得：
碳排放总值：Eu＋d＝50·euse＋edis
代入公式（2-4）可得：
（3）清单分析
针对建筑全生命周期的碳排放清单分析，其主要任务是分阶段的基础数据的收集，并进行相关计算，得出该阶段的总输入和总输出量，作为评价的依据。输入包括：建筑原材料用量、各种能源用量；输出是建筑本体，还包括向环境排放的各类污染物。在计算时需要考虑各种能源的利用率、机械的运行效率等。建筑全生命周期的碳排放清单分析如图2-6所示：
图2-6 建筑全生命周期各阶段的碳排放清单分析
资料来源：作者自绘。
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