对建筑楼宇碳排放量计算模型的探索

封泽鹏 刘泽勤

天津商业大学机械工程学院

对建筑楼宇碳排放量计算模型的探索

封泽鹏 刘泽勤

天津商业大学机械工程学院

对建筑楼宇碳排放量的计算模型进行研究，将有助于评估建筑楼宇整个生命周期对环境的影响。本文对建筑的整个生命周期中各个阶段的二氧化碳排放量进行了探索，通过对建筑物材料及所耗能源数据进行收集与分析，获得不同建筑材料及能源碳排放系数。在前人研究的基础上，建立建筑物碳排放量的计算模型。通过案例分析，得到建筑使用和维护阶段中的碳排放量占到全生命周期的比例最大的结论。

碳排放量碳排放系数全寿命周期计算模型

由于我国经济总量增长迅速，能源消耗不断增加，以煤为主的我国能源消费结构，导致碳排放总量的不断增长，已成为世界上最大碳排放国家之一。积极寻找减排途径、加速发展低碳经济，既是保护环境的需要，也是中国实现可持续发展的内在要求。对建筑楼宇进行碳排放量的研究，就是从本质上探索在生产实际中实施低碳运行的可能性。当前国内关于低碳建筑碳排放量的研究还处在摸索阶段，尤其是建筑碳排放量计算方法的研究报道还不多见。本文通过建立碳排放量的计算模型，用不同运输方式、建筑材料和能源的碳排放系数，更为直接、简单、快速地计算出单体建筑全生命周期的碳排放量，并且进行案例分析，获取住宅建筑碳排放指标参数，分析其排放的特征，为建筑楼宇碳排放量的深入研究提供技术支持。

1 建筑寿命周期碳排放的计算方法

按照过程分析法的基本思路[1]，建筑楼宇的碳排放量贯穿建筑楼宇的全寿命周期，主要可分为建材生产，建材的运输，建造施工，建筑使用和维修，建筑拆卸和回收五个阶段。其中建材的准备阶段又包括建材设备制造，建材运输，以及建筑所需要能源的生产，输送等消耗能源从而产生的碳排放量也包括在内。

由于建筑物建筑面积，建造材料、机械的使用量等都有差别，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。为使评价结果之间具有一致性和可比性，采用每年每平方米建筑面积的碳排放量作为横向可比评价指标，可减少由于建筑物规模、设计年限不同带来的计算误差影响。

根据国家颁布的《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）的规定，纪念性建筑和特别重要的建筑使用年限为100年，普通房屋和构筑物使用年限为50年。本文研究中设定住宅建筑使用年限为50年。

住宅建筑的全寿命周期可以分解为建材生产、建材运输、建造施工、建筑使用和维护、建筑拆卸5个阶段。于是，总排放量P为：

式中：P1、P2、P3、P4、P5分别为建材生产、建材运输、建造施工、建筑使用和维护、建筑拆卸5个阶段的碳排放量。

1.1 建材生产

建筑建材生产阶段的碳排放主要是由于建材的生产过程消耗电力、煤、石油、天然气等能源及生产工艺环节之中的物化反应而释放出大量的温室气体[2]，这部分碳排放[3]虽然在整个城市或国家层面的碳排放计入时，归为工业生产领域中而不列入建筑范畴，为避免重复，建筑领域内不再计入，但对比建筑单体的碳排量时，为保证建筑单体碳排放计入和比较的完整性，应列入该部分碳排[3]。为满足低碳建筑全空间的内涵要求，还将监督建筑建造过程中的建材选用。表1为建筑材料的碳排放系数（考虑建部分建材回收）[4～8]。

建材生产碳排放量P1计算公式为

式中：Qi为第i种建材的用量为单位建材生产过程的碳排放系数。

表1 建筑材料碳排放系数

1.2 建材运输

建材运输碳排放量P2的计算公式为：

式中：βj为采用第j种运输方式运输碳排放系数；Qi为第i种建材质量；Lij为第i种建材在第j种运输方式下的运输距离。

表2、3分别为部分运输方式单位能耗、动力能源的单位能耗的碳排放量。不同运输方式单位能耗[10]与其动力能源单位能耗的碳排放量[10]相乘即可转化求得不同运输方式的碳排放系数，见表4。

表2 部分运输方式单位能耗

表3 动力能源单位能耗的碳排放量

表4 部分运输方式的碳排放系数

1.3 建筑施工

建筑施工过程的能耗主要为施工现场搅拌混凝土、混凝土浇筑振捣、施工过程照明及办公区及仓储间的各种机械设备的耗电量。建筑施工阶段的碳排放量计算有两种方法，一种是通过各施工工艺的单位碳排放系数和施工工程量求得碳排放量；另一种是通过获得电力和化石能源的碳排放系数，再根据耗电量和化石能源消耗量，计算得到建筑施工阶段的碳排放量。前一种方法由于受到机械性能，及施工环境的影响，施工产生的碳排放量不仅跟工程量有关系，更受机械性能，人工等因素的影响，因此本文采用更为直接的第二种计算方法。

建筑施工碳排放量P3计算公式为:

式中：Qf，Qe分别为耗电量和能源消耗量（主要为柴油）分别为电力与能源的碳排放系数。

根据IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）在2006年发布的计算方法，中国能源统计年鉴提供的国内一次能源的热值，得到化石能源碳排放系数如表5所示[11]。

表5 化石能源碳排放系数

电力的碳排放系数可先将电力折算为标准煤量，通过标准煤的碳排放系数来获得电力的碳排放系数。电力折算为标准煤的系数，本文在公式推导中使用等价系数，根据能耗换算标准规定的电力等价折算系数以当年火力发电平均供电标准煤耗计算[12]。等价系数每年各不相同，为了与国际接轨，同时便于历史资料对比，规定只有在计算国家、省、市级的能源消费总量时，电力仍采用等价系数计算，而基层企业计算能源消费量时，电力必须采用当量系数计算[13]。综合以上本文以国家统计局每度电折0.404千克标准煤，作为电力折算标准煤系数[14]。我国发改委发布的标准煤的碳排放因子为0.67kg/kgce。

采用标煤法计算二氧化碳的排放量的公式为[15]：

式中：β为电力折算为标准煤等价系数，kg/kWh；Kec标准煤碳排放因子，kg/kgce。

综合以上得到电力碳排放系数为0.997kg/kWh。

1.4 建筑使用

要求的建筑使用阶段的碳排量，需要先获得建筑运行的耗电量和耗气量。然后再根据表5以及推导出的电力的碳排放系数为0.997kg/kWh转化为建筑的碳排放量。

建筑使用阶段碳排放量P4计算公式如下：

式中：N为建筑使用年限，在碳排放量计算时取N=50年。

1.5 建筑拆卸

建筑拆卸阶段的与建筑施工过程方法类似。

筑拆卸阶段碳排放量P5其计算公式为：

式中：Qf，Qe分别为耗电量和能源消耗量（主要为柴油）。

2 案例分析

以北京某住宅小区5层三单元一梯两户住宅为例，用碳排放量数学模型计算建筑楼宇的碳排放量。建筑物总建筑面积为2945.35m2，根据实地的数据收集可得建筑运行阶段的耗能以及建材用量如表6所示。

表6 建材用量

假设建筑的使用寿命为50年，通过走访建筑施工单位获得所需数据为：建材的运输为公路卡车运输，运输距离按200km计算；建筑建造过程的耗电量为43500kWh，施工过程消耗的柴油量为20253L；建筑的年耗电量为28kWh/(m2a)，根据北京市统计数据，天然气的用气量为200m3/(户年)；建筑拆卸过程耗电量12540kWh，所耗柴油量为24350L。综合计算得各个阶段的二氧化碳排放量如表7所示。

表7 住宅建筑各阶段碳排放量

根据表7所列技术结果，碳排放总量P=P1+P2+P3+ P4+P5=5875.51t。

单位建筑面积年碳排放量：

式中：S为建筑的总面积；N为建筑使用年限，在碳排放量计算时取N=50年。

计算得：c=39.9kg/(m2a)，该楼的单位建筑面积年碳排放量比参考文献[11]计算的上海市单位建筑面积碳排放量22.8kg/(m2a)要高，主要原因是北京地处华北区域电网，电力的来源主要是火电，其电力的碳排放系数高达0.997kg/kWh。

3 结论

对比计算结果可以看出，对建筑而言，建筑使用和维护阶段中的碳排放量占到全生命周期的比例最大，高达75.3%，其次建材的生产过程占了21.2%，建材施工占了1.6%，建筑拆卸和回收1.5%，建材的运输为0.4%。因此，加大建筑使用和维护阶段中碳排放量的控制研究，将有助于降低建筑物生命周期碳排放量，对环境保护工作具有积极意义。

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Ex p lo ra tion o f Com pu ta tion M ode l o f Bu ild ing s Ca rbon Diox ide Em iss ions

FENG Ze-peng,LIU Ze-qin
SchoolofMechanical Engineering,Tianjin University ofCommerce

Research of computationmodel of buildings carbon dioxide em issionsw ill contribute to assess the effectof life cycleon environment.Thispaperexplored buildingscarbon dioxideem issionsacross the life cycle,by collecting and analyzing data of buildingmaterial and power source consumed,carbon em issions factors of differentbuildingmaterial and powersource.On thebasisof previous frameworks,computationmodelofbuildings carbon dioxide em issions could bebuilt.By analyzing case,use-phaseemissionsandmaintenance phaseemissions took the largestproportion.

carbon dioxideemissionscarbon emissions factors,life cycle,computationmodel

1003-0344（2014）02-073-4

2013-4-24

封泽鹏（1987～），男，硕士研究生；天津商业大学机械工程学院（300134）；E-mail:fengzepeng110@126.com