工业化预制装配建筑全生命周期的碳排放模型

1.建筑碳排放的CO2当量计算方法

对于碳排放量的清单计算，通常以产生的CO2量来衡量。计算建筑碳排放，其本质是为了说明其对全球气候变暖所造成的影响，因此碳排放分析不仅仅局限于CO2。许多其他对气候变化也有影响，并且影响程度不同（通常远大于CO2对气候变化的影响）。因此，应当将所有对全球气候变暖造成影响的气体都纳入到碳排放的清单当中，例如N2O、SF6等不含碳的物质，也根据其CO2特征当量因子将其视为“碳”排放。IPCC以CO2气体的全球变暖潜能值（GWP）为基准，其他气体（CH4、N2O等）的GWP是以CO2为基准，折算为CO2当量来衡量。CO2的GWP值定位1，其余温室气体对CO2有一个比值，定义为各自的温室气体GWP值，温室气体的GWP与三个方面有关：对红外辐射的吸收能力；在大气中存活的时间；在什么时间段与CO2相比较。所以GWP值与时间有关，一般分为20年、50年、100年。

建筑全生命周期的碳排放即是建筑物化、使用和拆除处置各阶段的各类温室气体排放量与其全球气候变暖影响潜能特征当量因子相乘所得到的总和。其公式为（2-9）：

式中：

GWI——建筑物生命周期碳排放指数，kgCO2；

Wij——建筑物生命周期内第j阶段（j＝1，2，3，分别为物化、使用和拆除处置阶段）所产生的第i种温室气体的质量，kg；

GWPi——第i种温室气体的全球变暖影响潜能值，kgCO2/kg温室气体；

i——温室气体的种类代号。

根据《京都议定书》，温室气体包括以下6类：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFC）、全氟化碳（PFC）、六氟化硫（SF6），部分气体的全球变暖潜能值，如表2-1所示［19］。

表2-1　温室气体的当量因子潜能值

资料来源：IPCC.Climate Change　2007：Synthesis Report：Contribution of Working GroupsⅢandⅢto the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.

从表2-1中发现，不同温室气体对环境的影响差别是很大的，按照CO2、CH4、N2O、HFC、PFC、SF6顺序依次增大，但是CO2的排放量最大，以前大部分研究只统计CO2的排放量，但随着研究的深入人们逐渐意识到需要对各种温室气体综合考虑。

2.能源碳排放因子

关于能源碳排放因子，各权威机构还没有给出统一的定义，尽管国内外学者对于碳排放模型都做了各种研究，但是没有给出能源碳排放因子详细的计算说明。能源碳排放因子（Carbon Emission Factor）是指消耗单位质量能源伴随的温室气体的生成量，是表征某种能源温室气体排放特征的重要参数［20］，也是计算碳足迹的基础数据。能源的碳排放因子包括单位质量能源从开采、加工、使用各个环节中排放的温室气体转化为CO2量的总和。

能源的碳排放量占全球碳排放总量的90%，在建筑领域其碳排放量也占很高的比例。鉴于此，在阐述碳排放模型前，先对国内外各机构提供的能源碳排放因子进行分析，可以发现：IPCC、Department of Energy/Energy Information Administration（DOE/EIA）、日本能源经济研究所等国际机构对不同能源碳排放因子做出了测定；中国工程院、国家环境局温室气体控制项目、国家科委气候变化项目、国家发展和改革委员会能源研究所等国内机构对能源碳排放因子进行了测定；国家科委北京项目、湘潭市统计年鉴地方城市机构对能源碳排放因子也进行了测定［21］，由于数据来源、实验条件、测定方法等的不同，致使不同机构对同种能源碳排放因子测定结果存在差异，下面将对所收集到的资料进行分类整理分析。

本书在对各种能源的碳排放因子进行分析的基础上，总结国内外各机构提供的能源碳排放系数，并提出碳排放系数的选择方法；依据国际权威组织IPCC提供的原始数据，针对我国能源的情况，提出建筑碳排放核算过程中能源碳排放因子的选择方法，同时分析比较各种方法的优缺点，并整理汇总一整套符合我国国情的能源碳排放因子。

（1）化石能源（煤、石油、天然气）碳排放因子

根据化石能源的活动情况，碳排放一般分为两部分：开采、加工过程中的逸散排放和使用阶段的燃烧排放。

逸散排放是指化石能源在开采、加工、运输等过程中的温室气体排放，主要指温室气体的泄露、化学变化导致的气体排放，不包括上述过程能耗导致的碳排放。逸散排放与矿产特点、能源结构有关，很难在国家、地区层面上统一考虑，现在还没有机构给出逸散排放的缺省值［22］。同一种化石能源，例如煤炭、露天煤矿和地下煤矿的逸散排放因子肯定是不同的，所以排放因子是不确定的。本书在建筑碳排放计算中，只考虑化石能源燃烧导致的排放，逸散排放属于能源生产部门的碳排放。

燃烧排放是指化石能源在使用过程中的碳排放。共有三种计算方法。方法一：根据燃料的特性进行计算，CO2的排放因子主要取决于燃料的含碳量；排放因子缺省值一般由国际机构提供。方法二：与方法一的计算方法类似，但考虑特定国家燃料的种类、燃烧技术，将数据进一步细化，更能反映数据的真实性，用国家特定的排放系数替换缺省值。方法三：使用详细的排放模式测算排放因子，可以细化到具体的能源加工厂，根据具体的设备效率、燃烧情况、控制条件等来确定排放系数，尤其是对于非CO2气体，更加精确。但在现有条件下我们无法精确计算化石燃料的CH4、N2O等排放因子。

①煤碳排放因子：煤包括原煤、精洗煤、焦炭、无烟煤、褐煤。IPCC对不同种类煤进行测定，其他组织机构均把煤作为一种综合的能源对其综合碳排放因子进行测定。

②石油碳排放因子：石油碳排放主要是在石油的探勘、开采、加工过程中产生的。由于石油的开采难度、开采加工技术差别，不同研究机构对其测定方法迥异，致使不同测定机构测定结果存在差异。中国工程院测定数据与其他机构相差较大，DOE/EIA与其他机构测定的数据相差也较大。

③天然气碳排放因子：天然气的碳排放因子主要取决于天然气的碳含量，天然气碳含量取决于气体组成，主要为甲烷，但可包含少量的乙烷、丙烷、丁烷和较重质的碳氢化合物。现场喷焰燃烧的天然气通常含有较大数量的非甲烷碳氢化合物，碳含量会相应不同。不同研究机构对天然气的碳排放因子测得值有所不同。

以下是由国际权威机构IPCC提供的化石燃料CO2排放因子，见表2-2所示。

表2-2　常用化石能源CO2排放因子（IPCC）

资料来源：《2006年IPCC国家温室气体排放清单指南》

目前国内外很多机构都对化石能源的碳排放因子做了统计，并且给出了各自的计算结果，这里整理总结主要机构提供的数据，并按照国际、国家、城市三个方面进行汇总，见表2-3、表2-4、表2-5［23］所示：

表2-3　各机构提供的煤的CO2排放因子

资料来源：张春霞，章蓓蓓，黄有亮，等.建筑物能源碳排放因子选择方法研究［J］.建筑经济，2010（10）：106-109.

表2-4　各机构提供的石油的CO2排放系数

资料来源：张春霞，章蓓蓓，黄有亮，等.建筑物能源碳排放因子选择方法研究［J］.建筑经济，2010（10）：106-109.

表2-5　各机构提供的天然气的CO2排放系数

资料来源：张春霞，章蓓蓓，黄有亮，等.建筑物能源碳排放因子选择方法研究［J］.建筑经济，2010（10）：106-109.

为方便几种不同计量单位之间的换算，见表2-6所示：

表2-6　不同能量单位换算系数

注：《综合能耗计算通则》（GB/T　2589—2008）中规定，低（位）发热量等于29　307千焦（kJ）的燃料，称为1千克标准煤（1kgce）。其他数据相应换算得出。
资料来源：国际权威机构IPCC、《综合能耗计算通则（GB/T　2589—2008》数据整理。

（2）电力碳排放因子

虽然电力在使用过程中不排放温室气体，被称为清洁能源，但在生产阶段是排放温室气体的，电力碳排放因子主要是指在生产阶段的碳排放，属于间接排放。电力的碳排放因子与发电形式有关，包括火力发电、水力发电、核电等，而电力结构决定了电力的碳排放因子。表2-7给出了各种发电方式的电力碳排放因子比较。

表2-7　各种发电方式的电力碳排放因子比较

资料来源：Xianghua Di，Zuroen Nie，Baorong Yuan.Life cycle inventory for electricity generation in China［J］.The International Journal of Life Cycle Assessment，2007，12（4）.

从表2-7可以发现，不同的发电形式差异是很大的，由于电力、核、风、电热、潮汐以及太阳能发电均不使用含碳的化石燃料，或是使用量极小，可以忽略不计，因此也不纳入碳排放量计算，在此列举世界主要几个国家的电力碳排放因子，见表2-8所示：

表2-8　不同国家电力碳排放因子对比

资料来源：阴世超.建筑全生命周期碳排放核算分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：22.

从表2-8可以发现，不同国家电力碳排放的差距，巴西最低，因为巴西的水力发电比例较高；美国、日本较低是由于生产工艺先进，资源利用率高。因此，建筑CO2排放具有典型的地域性，不能引用其他国家环境负荷的资料数据来取代。

我国电能部分的CO2排放以《中国统计年鉴》逐年电力平衡表发电能源使用结构为基准推算得到。由于逐年电力平衡表的能源结构只有火电、水电和核电的分类数据，并没有火力发电中煤炭、燃油和天然气的分项数据，因此在计算CO2总排放，利用各年度全国电力工业统计快报的逐年火力发电煤耗（标煤），乘以各年火力发电量，再乘以标煤碳排放因子来计算。平均单位发电量的CO2排放量等于CO2总排放量除以该年度的发电量，如果除以该年扣除输配电损失量的总发电量就可以得到最终的平均单位发电量CO2排放量。表2-9为中国2005—2009年单位电力CO2排放量推算结果。

表2-9　中国2005—2009年单位电力CO2排放量推算

续表2-9

资料来源：《中国统计年鉴》

由表2-9可以发现，电能部分的CO2排放量随着国内发电结构的改变而有微小变动，虽然我国发电CO2排放总量逐年增加，但是最终平均单位发电量CO2排放量在近10年内呈现出逐渐减少的趋势，从每kWh排放0.834kgCO2减少到了0.723kgCO2。这是因为我国火电发电比例逐年降低，核能、水能以及其他新能源发电比例逐年提高；同时由于火力发电技术的提高，火力发电煤耗逐年降低，最终导致了单位发电量CO2排放量的降低。

与此同时，我国各大电网的电力组成不同，碳排放因子也不同。本书按照我国的各大电网电力组成，计算得出了不同电网的碳排放系数。各电网的覆盖省份及电力碳排放因子如表2-10所示。

表2-10　各区域电网覆盖省份

资料来源：阴世超.建筑全生命周期碳排放核算分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：23.

（3）化石、电力碳排放因子选择方法

IPCC对较多种类的能源进行了碳排放因子测定，目前在使用汽油、柴油、煤油等碳排放因子时多使用该权威机构的测定结果。此外，较多机构对四大（煤、石油、天然气、电力）主要能源碳排放因子进行了测定，但每个机构提出的碳排放因子，因其数据收集、实验方法等不同而存在差异。首先，必须确定碳排放因子数据来源的可靠性；其次，针对同一种能源，需要在多个不同的碳排放因子之间选择最合理的因子。对其数据的选择有以下三种方法：

①对于CO2排放因子的选择，主要由燃料的含碳量决定，数据之间差距小，一般取IPCC提供的缺省值或国家权威机构提供的数据。

②鉴于不同机构统计数据的差异，对提供该能源碳排放因子的所有机构测定结果进行分析，去掉离散性较大的数据，其余测定结果求平均值，该方法的优点是降低不同机构数据的偏差。

③一种能源的测定机构及原始数据来源与建设项目所在地及消耗能源来源一致，则选择该研究机构提供的碳排放因子。建设项目和能源消费均具有地域性特点，应根据研究项目所在地选择相应权威机构测定的结果。例如，在研究北京地区项目时应选择北京权威机构的研究结果，在做我国湘潭市项目时选择湘潭市统计年鉴测定结果，而不是中国工程院测定结果。这种方法在测定具体建筑物碳排放时具有较强的针对性，考虑了建筑物地域性特点，其结果更加准确合理，但是地区性机构测定的数据目前相对较少，可供选择的范围较少。

根据以上三种碳排放因子选择方法，结合国际权威组织IPCC提供的原始数据，针对我国能源的情况，制定一整套符合我国国情的能源碳排放因子，如表2-11所示：

表2-11　几种常用的能源热值及碳排放因子参考（我国）(www.chuimin.cn)

注：
①上表2、3列来源于《综合能耗计算通则》（GB/T　2589—2008）。
②第4列来源于《省级温室气体清单编制指南》（发改办气候〔2011〕1041号）。
（以《2006年IPCC国家温室气体清单指南》提供的碳排放因子数据为基础，结合我国各种类能源低位发热量求得）

③标准煤量：我国《综合能耗计算通则》（GB/T　2589—2008）规定，低（位）发热量等于29　307千焦（kJ）的燃料，称为1千克标准煤（1kgce）。统计中可采用“吨标准煤”，用符号tce表示。

④上表生成按照国际相关CO2排放量研究所惯用的估算方法，计算步骤如下：

a.估计建筑生命周期各阶段的能源使用量，并以原始单位表示。例如，煤炭、燃油以kg表示，天然气以m3表示。

b.在《2006年IPCC国家温室气体清单指南》的第2卷中找出每种燃料的碳排放系数，可以得到碳排放量的初步估计值。

c.将排放的碳（以重量单位表示）转换成相应的CO2，即乘以相对分子质量的比值44/12，可得到每种燃料的CO2排放系数。

d.在《综合能耗计算通则》（GB/T　2589—2008）的“附录A：各种能源折标准煤参考系数”中找出每种燃料的低位发热量。

e.将各种燃料的低位发热量与其CO2排放系数相乘即可得到单位燃料的CO2排放量。

资料来源：《综合能耗计算通则》（GB/T　2589—2008），《省级温室气体清单编制指南》（发改办气候〔2011〕1041号），《2006年IPCC国家温室气体清单指南》。

（4）蒸汽、热水的碳排放因子

建筑所用能源中，蒸汽、热水也占很大一部分，由于它们的排放一般在主体建筑之外，属于间接排放。现在关于蒸汽、热水的碳排放研究很少，因为蒸汽、热水的排放量与其自身特点有关，如压力、温度、来源等。具体的排放系数一般由能源供给公司提供［24］。

本书依据蒸汽与电能的关系，给出了热电联产蒸汽的碳排放因子计算方法，如图2-7所示。其中步骤三按照公式（2-10）确定蒸汽和电能导致的碳排放量关系。

式中：

EH——生产蒸汽的温室气体排放量，kg；

H——电厂生产的蒸汽能量，GJ；

eH——蒸汽生产效率；

P——电厂的发电能量，GJ；

ep——电能生产效率；

Et——电厂温室气体排放总量，包括CO2、CH4、N2O，kg。

图2-7　热电联产蒸汽碳排放因子计算方法

资料来源：阴世超.建筑全生命周期碳排放核算分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：23-24.

（5）生物质能和可再生能源的碳排放因子

①生物质能（biomass energy），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源。生物质燃料在使用时虽然产生碳排放，但是生物质燃料的特点是生产周期短，在生产时吸收CO2，按照其生产、加工和使用整个周期内，除了加工阶段有碳排放外，基本是碳中和的过程，所以从生物质生产到使用整个过程来看生物质能的碳排放应该是很低的。生物质能生产、加工和使用关系如图2-8所示。表2-12给出了生物质能完全燃烧的碳排放因子。

图2-8　生物质能碳排放示意图

资料来源：作者自绘。

表2-12　生物质燃料的CO2排放系数

资料来源：姜法竹，高昂.基于省际尺度的中国农村碳排放格局研究［J］.中国农业资源与区划，2008，29（5）.

②可再生能源，包括核能、风能、水力等，其碳排放主要集中在初期生产、投入、运行管理等方面，属于隐含碳，不存在能源使用阶段的碳排放，可再生能源的具体碳排放因子目前还无法确定，但可再生能源也是有碳排放的，不能忽略，只是现阶段无法确定。

以太阳能光伏电池为例说明，尽管太阳能是可再生能源，但光伏电池的生产是需要耗能的，存在大量的隐含碳排放。作为光伏产业基础材料的多晶硅，曾被十部门联合发文确认产能过剩并划归高能耗和高污染产品。根据测算，从生产工业硅到太阳能电池的全过程综合电耗约220万kWh/MW（即2　200kWh/kW）。然而按国内平均水平，目前生产多晶硅的企业一般都采用改良西门子法，生产1kW的太阳能电池需要10kg多晶硅，耗电5800～6000度，（即5800～6000kWh/kW），为世界先进水平的2～3倍［25］。

3.建材碳排放因子

对于建筑行业的CO2排放，除了日常使用的能源以外，大部分来自于建材生产过程。在中国台湾地区，建筑材料碳排放占全生命周期碳排放的9.15%～22.22%［26］；在日本，此比例为15.67%～22.69%［27］。

需要说明的是，建材产品种类繁多，受时间及统计渠道的限制，无法对各种建材一一进行统计。这里以我国建筑普遍使用的主要建材为研究对象，具体指钢材、铝材、水泥、建筑玻璃、建筑卫生陶瓷、木材、砌块等。数据来源于建材相关管理部门、国家统计局的国内建材产品平均统计数据。（由不同建材组合所加工制成的二次建材，例如混凝土是由水泥、砂、石组合而成，由于条件的限制，二次建材不在本书研究。）

（1）建材碳排放因子计算方法

建材碳排放因子的确定包括三个部分：①能源消耗导致的碳排放，包括化石燃料和电力消耗；②来自于硅酸盐材料化学反应分解产生的碳排放；③考虑可回收建材的回收系数。

建材生产阶段CO2排放量计算：

首先从能源的使用量与建材生产原料的含碳量来估算建材产品的CO2排放量。如：生产1t波特兰水泥，其国内生产耗能统计平均结果为每吨水泥需要使用170kg标煤和120kWh电能，则其CO2排放量为：

考虑可回收建材的回收系数：

以全生命周期的观点，计算建筑材料CO2排放时必须考虑建筑材料的可再生性。材料的可再生性指材料受到损坏但经加工处理后可作为原料循环再利用的性能。具备可再生性的建筑材料包括：钢筋、型钢、建筑玻璃、铝合金型材、木材等。通过对国内相关产品的调查，给出下列可再生材料的回收系数，如表2-13所示。建筑玻璃和木材虽然可全部或部分回收，但回收后的玻璃一般不再用于建筑。木材也很难不经处理而直接应用于建筑中。因此，本研究计算时不考虑玻璃和木材的回收再利用因素。

表2-13　可再生材料的回收系数［29］

资料来源：李兵.低碳建筑技术体系与碳排放测算方法研究［D］.武汉：华中科技大学，2012.

回收的建材循环再生过程同样需要消耗能源和排放CO2。经调研，我国回收钢材重新加工的能耗为钢材原始生产能耗的20%～50%，取40%进行计算；可循环再生铝生产能耗占原生铝的5%～8%，取6%进行计算。建筑材料回收再生产过程的生产能耗指标为钢材11.6MJ/kg，铝材10.8MJ/kg。同样，回收再生产过程排放CO2的指标为钢材0.8kg/kg，铝材0.57kg/kg。考虑再生利用后的CO2排放量计算：

（2）部分主要建材碳排放因子

目前，我国关于建材碳排放因子的确定存在一些问题：①能耗统计方法不同，能源碳排放因子计算结果不一致；②对建材生命周期的界定不同，一般是建材开采、生产阶段，有些包括建材运输和建材回收等；③数据代表的时间不同，同一种建材的碳排放随着生产工艺的改进和能源利用效率的提高而改变，不同时间统计的结果差别很大。

鉴于以上几点，本书通过搜集基础数据，查看文献，对不同研究结果进行比较，为尽可能系统统计建材种类，在国内数据不全的情况下，借鉴一些国外的基础数据，建材碳排放因子的确定不仅包括能耗导致的碳排放、生产工艺引起的碳排放，同时考虑建材的可回收系数。本文以钢材、水泥、混凝土为算例进行碳排放因子的说明。

①钢材

钢材作为重要的建筑材料，碳排放量与生产工艺关系密切，炼钢工序主要包括炼铁、轧钢等七步，炼钢炉主要有转炉、电弧炉，平炉在近年已经被淘汰。本书只考虑钢材在原料开采、钢材生产阶段的碳排放，而且主要是由于能源消耗、燃烧导致的碳排放，忽略化学变化产生的碳排放。把钢材分为四种，如表2-14所示，根据1t钢材的能源使用量进行统计计算。虽然钢材是高碳排放建材，但是回收率较高，钢筋混凝土中的钢筋难以全部回收，取40%，像型钢、钢模具回收率比较高，可达到90%，回收重新利用的钢材碳排放因子按照原钢材碳排放因子的40%计算，计算公式：

表2-14　四种钢材的碳排放因子

资料来源：阴世超.建筑全生命周期碳排放核算分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：33.

②水泥

水泥制造工艺主要有三种：湿法回转窑、立窑和新型干法工艺，由于新型干法工艺所占比重越来越高，而且也是以后的发展趋势，所以本书采用新型干法工艺进行研究。水泥碳排放主要是由能源和熟料导致，1kg熟料含CaO　0.65kg，1kg熟料大概排放0.52kg CO2，具体能源耗量及碳排放因子如表2-15所示。

表2-15　水泥的能源消耗清单和碳排放因子

资料来源：阴世超.建筑全生命周期碳排放核算分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：32.

③混凝土

根据对加气混凝土的生产工艺调查，1m3加气混凝土的制造需要水泥70kg，砂的碳排放量和水泥比较可忽略，而粉煤灰属于工业废料，不考虑在内，耗煤量大约是47kg，耗电21kWh（电力碳排放系数采用全国平均值0.723kgCO2/kWh），三者叠加得加气混凝土的碳排放因子为129kg/m3［30］。

④部分主要建材碳排放因子

按照此方法计算得出了部分建材的碳排放因子，还有部分主要建材的基础数据难以统计，查阅建材方面的有关文献，经过分析，平均求值得出了部分建材的碳排放因子，如表2-16所示。

表2-16　部分主要建材碳排放因子

资料来源：燕艳.浙江省建筑全生命周期能耗和CO2排放评价研究［D］.杭州：浙江大学，2011，26-35.Xiaodong Li，Yimin Zhu，Zhihui Zhang.An LCA-based environmental impact assessment model for construction processes［J］.Building and Environment，2010（45）.赵平，同继锋，马眷荣.建筑材料环境负荷指标及评价体系的研究［J］.中国建材科技，2004，13（6）：4-10.李思堂，李惠强.住宅建筑施工初始能耗定量计算［J］.华中科技大学学报，2005，22（4）：58-61.