绿色建筑全生命周期CO2排放敏感性与减碳潜力研究

彭 卓，郭春梅，汪磊磊，李胜英

（1.天津城建大学，天津300384；2.天津住宅建设集团有限公司，天津300171）

温室气体排放是全球变暖的重要原因，其中最直接的原因是二氧化碳的排放，降低二氧化碳排放已成为整个国际社会亟待解决的重要议题.2011年的南非德班世界气候大会，提出了“21世纪全球平均温升不超过2℃”的奋斗目标，然而，迄今为止全球温室气体排放总量仍然在不断增加，按目前的趋势发展下去，本世纪末全球气温将增加3±1.5℃[1].这意味着我国各行各业都面临着非常迫切的节能减排任务.

建筑业是节能减排的重点领域，针对建筑全生命周期碳排放的研究，Adalberth[2]给出了其每个阶段的碳排放计算公式.王玉[3]基于BIM的建筑数据信息库以及各阶段的计算方法，建立了工业化预制装配建筑全生命周期碳排放评价模型；Yair Schwartz[4]对19个不同国家的251个案例，采用生命周期碳足迹指标分析翻新建筑和新建建筑在碳排放量上的差异，结果表明，物化阶段、运营和拆迁阶段的碳排放分别占生命周期碳足迹指标的24%、75%和1%，供暖和能源供应系统的类型可以显著影响整体生命周期碳足迹指标；其他因素，例如建筑面积或楼层数量，影响极小.针对物化阶段的研究，曾杰[5]以生命周期理论为基础，研究不同建材的碳排放量，得到钢结构建筑材料碳排放最高，其次是混凝土建材，木结构建材碳排放最少.Gao等[6]分析了水泥生产的直接与间接碳排放水平，并对相应的影响因素进行了讨论，采用的水泥生产碳排放系数通常为0.7~0.9 kgCO2/kg.Wu等[7]对混凝土碳排放研究进行了文献综述，得到碳排放影响较大的成分主要是水泥和骨料，且随强度等级的变化规律并不明显.绿色建筑作为节能低碳的先锋，有必要进行全生命周期的碳减排核查，并将其纳入绿色建筑评价的指标中.本文应用全生命周期评价方法，基于某绿色办公建筑的运营数据，分析了物化阶段、使用阶段、废弃阶段的全生命周期的建筑碳排放水平、多项绿色建筑技术的碳排放敏感性以及绿色建筑技术的碳减排潜力.

1 绿色建筑全生命周期碳排放量核算

1.1 绿色建筑碳排放计算模型的构建

本文基于某绿色运营三星级办公建筑的实际运营数据，基于eFootprint和LCI数据库，采用碳排放系数方法，进行碳排放核算.建立了建筑物化、使用、废弃阶段的全生命周期碳排放核算模型，即

其中：Ctotal为单位建筑面积年总碳排放量；Cwhjd、Cshjd、Cfqid分别为建筑物化阶段、使用阶段、废弃阶段的单位建筑面积年总碳排放量，kgCO2/m2.

建筑物化阶段是指某一个物品或服务在使用之前所有上游生产过程的总和[8-9]，它包括建筑材料生产、构配件加工制造以及现场施工安装过程，其碳排放计算如下

其中：Cwhjd为物化阶段单位建筑面积年总碳排放量；Ckc、Cjz、Cys分别为建材开采生产阶段、建材运输阶段、施工阶段的单位建筑面积年碳排放量，kgCO2/m2.

建筑使用阶段在模型中六个部分，包括电气系统、暖通空调系统、给排水系统，绿化系统和使用阶段的产生的固体废弃物以及维修维护碳排放计算模型如下

其中：Cshjd为使用阶段的单位建筑面积年总碳排放量；Ce、Ch、Cg、Cf分别为建筑物每年电气专业系统、暖通系统系统、排水专业系统的碳排放量和产生的固体废弃物处理的碳排放量；C1、Cw分别为建筑使用年限内绿化系统的碳排放量（为负数）；Cw为维修维护碳排放，kgCO2/m2；T为运营阶段的年限.

建筑废弃阶段对于大多数研究案例来说是一个尚未发生的阶段，所以拆除机械台班的电耗和燃料消耗数据不易获得，通过文献中的方法来进行估算，其估算模型如下

其中：Cfqjd为废弃建筑年总碳排放量；Ccc为为废弃阶段拆除活动造成的碳排放量；Cfqcc为废弃阶段废弃物处置所造成的碳排放，kgCO2/m2

1.2 建筑案例简介

本文以天津某绿色运营三星级办公类建筑为例，建筑占地面积4 679 m2，总建筑面积12 878.5 m2.地下一层，地上五层，采取了地源热泵、太阳能热水与光伏发电、市政中水、节水灌溉以及围护结构通风构造等多项主动、被动式的绿色建筑技术，获批绿色建筑运营标识三星级.采用建立的绿色建筑碳排放分析模型，对建筑物化和使用阶段的碳排放敏感性进行了分析，并对各项绿色建筑技术的碳减排潜力进行了研究.

1.3 碳排放量计算结果

基于上述模型，该项目全生命周期碳排放量计算结果如表1所示，建筑的使用年限为50年，表1中对建筑的三个阶段以及各阶段的主要分项碳排放量和占比表达清楚，故不进行进一步的分析.

表1 绿色建筑全生命周期（50年）各分项单位面积碳排放量

2 绿色建筑LCA结果敏感性分析

对LCA结果进行敏感性分析是研究当一个或多个不确定因素变化时，各个不确定性源对目标变量（本文主要指建筑碳排放）的影响程度，旨在识别对建筑全生命周期碳排放变化波动最敏感的因素，有利于在全生命周期对建筑减排进行把控.

冯国会[8]总结了关于敏感性分析的方法，其中主要包括常规敏感性分析方法、基于神经网络和基于数理统计的敏感性分析方法.本研究采用常规敏感性分析方法，其分析方法是假设模型表示为：y=f（x1，x2，xa）（x为影响因素），从定量分析的角度研究这些影响因素的变化对目标变量的的影响，其敏感程度用敏感度系数表示，具体公式如下

其中：Δxi为x参数的微小扰动；y为模型输出.

在具体分析中，首先应不确定源，基于之前的分析可知，建筑全生命周期碳排放主要源于建筑材料生产阶段、使用维护阶段和使用寿命，故主要对这三部分进行敏感性分析.

2.1 建筑材料生产阶段敏感性分析

选择对碳排放量较大的8种建筑材进行敏感性分析，其建筑材料用量（模型输入量x）分别上升或下降10%和20%对案例建筑全生命周期碳排放的影响，数据如表2所示.

表2 建筑材料敏感度系数

上表展示了不同建筑材料的敏感性，其中最大的为主体结构钢，为0.065 17，接下来依次是混凝土＞水泥＞钢筋＞岩棉＞涂料＞石材＞玻璃.

2.2 使用阶段的敏感性分析

绿色建筑电气、暖通空调、给排水、绿化系统和使用阶段的废弃物排放的能源消耗量分别上升、下降10%和20%，对案例建筑的碳排放的影响程度敏感度系数分析如表3所示.其中电气和暖通空调系统的敏感性分别为：0.365 8和0.365 7；其次是使用阶段的废弃物排放处理带来的碳排放，给排水系统的影响最小，而绿化系统趋势与其他相反.使用阶段只有绿化系统的敏感度系数为负值，说明了增加绿化系统面积，可有效降低整个使用阶段的碳排放，其减碳敏感度系数为-0.048 1.

表3 各专业系统能源消耗变化率

对建筑电气、暖通空调和给排水系统三个建筑设备专业进一步拆分，分析各系统中的分项影响特性，则使用阶段的建筑设备各分项技术敏感性分析结果如表4所示.

表4表明了照明系统、冷热源和太阳能热水系统的敏感性最高，减碳的潜力最大.

表4 绿色建筑使用阶段分项技术碳排放敏感度系数

3 绿色建筑技术减碳潜力分析

3.1 碳减排系数EER

为了更全面地揭示某一因素对建筑全生命周期的碳排放减碳潜力，在此定义减碳率（emission reduction rate）为：技术水平可能实现的减碳潜力，其计算方法如下

其中：C′i为某一因素变化后的全生命周期碳排放量；Ci为同等条件下的变化前生命周期碳排放总量，kgCO2e.文中对项目采取的某些绿色建筑技术进行了减碳潜力分析.

3.2 本地建筑材料的碳减排潜力分析

建筑材料100%选用本地建材，在降低耗损率节省材料的同时，可有效降低运输能耗.现通过假设并非为本地建材，考虑在运输距离增加50%时的碳排放情况，经过重新建立模型，其结果如表5所示.采用本地建材的技术措施的减碳率为0.09%，其减碳潜力就全生命周期来说影响比较小.

表5 运输距离为变量的建筑全生命周期碳排放变化情形

3.3 照明功率密度减碳潜力

选取照明功率密度的技术措施，利用eQUEST能耗模拟，对建筑全生命周期碳排放水平进行减碳潜力分析，对于该建筑中涉及的主要功能房间照明功率密度采用目标值和现行值的减碳率值为3.13%，如表6所示.

表6 不同照明功率密度下的全生命周期碳排放

3.4 节水技术措施的减碳潜力

低碳建筑的节水方面主要涉及施工期间以及建筑使用阶段的非传统水资源的利用，但这两个期间利用的非传统水源并不相同.施工阶段主要是施工现场的雨水污水再利用，而使用期间非传统水源主要为用于卫生间冲厕、绿化灌溉的中水，现假设未采用节水措施进行计算，进而得到减碳率为-0.12%，如表7所示.

表7 使用节水措施的建筑全生命周期碳排放变化情形

从表中可知，其减碳率为负值，主要是因为使用阶段中水的利用.考虑在其水处理的上游能源消耗以及水处理碳源转化比自来水能源消耗要高，故反而相比直接使用自来水增加了碳排放，这说明中水利用虽然是节水措施，但是却并非节碳措施.

3.5 可再生能源利用技术的减碳潜力

低碳建筑所使用的可再生能源技术主要有太阳能、风能以及地热能的有效应用，按照能源利用的用途分为：为可再生能源提供热水；提供空调以及发电，现在分别对其进行减碳率分析.

3.5.1 太阳能生活热水的减碳潜力

从耗能的角度考虑，太阳能集热器利用太阳能的热量，将冷水加热，产生热水的过程并没有耗能.因此，可以认为太阳能集热器产热过程为零能耗.相应地，采用常规热源来获得这部分热水所消耗的能量即可视为太阳能热水系统的节能贡献.现假设全部为电辅助加热形式提供生活热水，通过清单收集得到建筑年需求热水量为1 830.92 m3；由太阳能集热器面积等参数计算得到太阳能年产热水量1 109.88 m3，则得到电辅助加热需产热水量为721.04 m3，耗电约为39 723.06 kW·h，其减碳量如表8所示.

表8 太阳能热水的建筑全生命周期节能减碳情况

从表中可知，由于太阳能提供热水的比例较高，若不使用太阳能热水将带来584.85 kgCO2/m2碳排放的增加，案例建筑采用太阳能热水系统的减碳率为15.27%，节能量为61 144.78 kW·h.

3.5.2 地源热泵技术减碳潜力

地热能的利用主要是指采用地源热泵系统对建筑供冷制热，该项目“能源站地源热泵制冷提供比例为19.34%，制热比例为19.42%”.现假设未运行地源热泵，即冬季全部采用燃气锅炉，夏季全部采用冷水机组，根据逐月冷热量统计，计算得到关于地热能节能减排的情况，如表9所示.

表9 地热能利用的建筑全生命周期节能减排潜力

对于该案例建筑，发现同等条件下不采用地源热泵，天然气的消耗量增加9 291.39 m3，耗电量减少16 100.75kW·h.对于能源消耗层面来说，按照天然气和电力的折标系数12.143 tce/万m3、1.229 tce/万kW·h换算为标准煤，采用地源热泵可减少9.3 tce的能源消耗.但是基于碳排放，地源热泵反而增加了131.85 kgCO2/m2的碳排放，因此地源热泵的应用应在保证节约能源的同时，降低碳排放.

3.5.3 光伏发电技术的减碳潜力

可再生能源发电技术主要是指光伏发电和风力发电.本文并不考虑光伏并网量，现假设项目中并未设置光伏系统与风力发电系统，对其节能潜力进行分析，如表10所示.

表10 光伏发电技术措施节能潜力

从表10可以看出，可再生能源发电量占整个使用期耗电量的3.9%，计算得到使用可再生能源发电的减碳率为1.84%.

3.6 绿化系统的减碳潜力分析

低碳建筑的绿地率为30.85%，现假设该项目未设置绿化系统，同时也不再有绿化灌溉用水量，分析建筑由绿化系统带来的减碳量，得到其减碳率为2.02%，如表11所示.

表11 以绿化系统为变量的减碳潜力分析

3.7 主要绿色建筑技术ERR对比

基于上述的计算，每项技术均以低碳建筑的实际情况作为初始值，对比没有采用这项技术时的全生命周期碳排放，发现最有利的减碳技术措施和接下来的减碳重点.图1显示了使用该项技术对于全生命周期碳排放的减碳率的大小，进而选择最有利的减碳措施.

从图1可以看出，案例建筑太阳能热水节能技术措施的利用，对建筑全生命周期所带来的减碳效果较好；其次为节能照明，采用本地建材的节能措施对于建筑全生命周期碳排放的减少并没有发挥太大作用；而低碳体验中心节水措施的利用、地源热泵的应用不仅未达到减排效果，反而相比未采用这些技术措施时增加了全生命周期碳排放.

图1 绿色建筑技术措施减碳率ERR

4结论

本文基于LCA方法理论，结合绿色建筑监测数据；通过计算模型的建立搜集清单数据对碳排放进行量化；最后对全生命周期碳排放进行敏感性分析以及主要技术措施的减碳潜力分析，得出以下结论.

（1）本文在构建基于实测数据的全生命周期碳排放核算模型时，考虑了包含建筑材料生产、建造、运输的物化阶段；包含电气专业系统、暖通空调系统、给排水专业系统、绿化系统、使用阶段固体废弃物以及维修维护在内的使用阶段；包含拆除活动以及废弃物处置在内的废弃阶段；最终得到全生命周期（50年）碳排放为3 244.92 kgCO2/m2.其中：物化阶段为327.29 kgCO2/m2；使用阶段为2 911.88 kgCO2/m2；废弃阶段为5.71 kgCO2/m2.

（2）对LCA结果进行敏感性分析，得到物化阶段各建筑材料对全生命周期碳排放的影响程度大小依次为：钢材＞混凝土＞水泥＞钢筋＞岩棉＞涂料＞石材＞玻璃.

（3）按照建筑设备专业区分的标准，使用阶段碳排放影响敏感度系数分别为：0.365 8、0.365 7以及0.128 3.而建筑物使用阶段的废弃物排放为0.182 3，绿化系统的敏感度系数为负值（-0.048 1），表明随着绿化面积的增加，可有效降低全生命周期碳排放量.

（4）对绿色建筑的节材、可再生能源利用等5项主要节能技术措施进行减碳潜力分析，得出太阳能节能技术的利用对建筑全生命周期的减碳效果相对较好，其减碳率为15.27%.其次就是节能照明以及绿化系统，而使用阶段中水的利用、地源热泵的应用不仅未达到减排效果，其ERR分别为-0.13、-4.06，这比未采用这项技术时所产生的碳排放还要多.这说明了减碳技术的运用也不能盲目，需要更加合理地平衡减碳与节省能源之间的关系.