绿色建材应用碳减排潜力测算研究

牛凯征，薛东昊，李洁芯

(中国建筑材料工业规划研究院，北京 100035)

0 前 言

我国是人口大国，也是建筑业大国，据统计，我国实有建筑面积超过680亿m2。近年来，随着人民生活水平的提高，人均建筑面积和建筑用能强度都快速增长，使得我国城乡建设领域近年来碳排放总量和强度持续上升。随着中共中央国务院《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》等系列“双碳”政策文件的出台，城乡建设领域碳达峰、碳减排的任务和路径逐步明晰。作为全生命周期内具有节能、减排、安全、便利和可循环特征的一类建筑材料，大力发展绿色建材不仅有利于节能降耗、清洁生产，而且是健全绿色建材市场体系，增加绿色建材产品供给，提升绿色建材产品质量，促进建材工业和建筑业转型升级的有效途径，也是我国城乡建设领域实现双碳目标的重要抓手。

但是由于产品品种多样、排放边界不清、测算方法差异等问题的存在，在绿色建材应用减碳效果的量化测算方面，仍存在较多的盲点。制约全生命周期绿色建材减碳效果分析测算以及相关政策的制定。亟需建立一套较为科学有效的测算方法，实现对绿色建材应用端减碳能力的量化分析测算。

1 研究边界

碳排放首先要界定碳排放测算边界，按照产生的边界建筑业碳排放可划分为三类，直接碳排放、隐含碳排放和间接碳排放，具体含义及产生途径见表1。

表1 建筑业碳排放分类、含义及产生途径

前两项之和为建筑运行碳排放，全部三项之和称为建筑全寿命周期碳排放。本研究中建筑领域范围针对建筑运行阶段碳减排效益，主要由建筑围护结构涉及的建筑门窗、墙体材料和保温材料的品质性能提升提供。

2 分析方法及估算结果

从提高建筑围护结构保温隔热性能的角度，保温系统材料、砌体材料、建筑门窗是决定最终建筑节能效果的关键因素。本研究在绿色建材产品认证目录中选取了与上述建筑节能关联度较大的砌体材料、建筑门窗、保温系统材料，分别对其产品应用端的减碳潜力进行分析。

2.1 测算方法

本部分中绿色围护材料应用的碳排放计算主要考虑应用绿色建材替代相应传统材料在建筑运维过程中每年可减少的碳排放量。

绿色围护材料应用的减碳量(ΔQ应)用下式进行估算：

ΔQ应=Q标-Q绿=(Q标冷+Q标热)-(Q绿冷+Q绿热)

(1)

式中，ΔQ应为应用绿色围护材料后可提供的减碳量，kgCO2；Q标为标准状况下的碳排放量，kgCO2；Q绿为应用绿色围护结构材料后的碳排放量，kgCO2；Q标冷为标准状况下制冷时的碳排放，kgCO2；Q标热为标准状况下采暖时的碳排放，kgCO2；Q绿冷为应用绿色围护结构材料后制冷时的碳排放，kgCO2；Q绿热为应用绿色围护结构材料后采暖时的碳排放，kgCO2。

其中，夏季采用空调制冷时的碳排放量用式(2)进行估算：

Q冷=K综×CDD26/COPC×24×C电

(2)

式中，Q冷为夏季制冷碳排放量，kgCO2；K综为围护结构综合传热系数，W/(m2·K)；CDD26为空调度日数，℃·d；COPC为供冷系统综合性能系数；C电为电力碳排放因子，kgCO2/kWh。

其中，冬季北方地区采用锅炉集中采暖时的碳排放量用式(3)进行估算：

Q热=K综×HDD18/η锅炉×C燃料

(3)

式中，Q热为冬季采暖时的碳排放，kgCO2；K综为围护结构综合传热系数，W/(m2·K)；HDD18为采暖度日数，℃·d；η锅炉为供暖系统综合效率；C燃料为燃料碳排放因子，kgCO2/kg。

其中，冬季南方地区采用热泵热风机采暖时的碳排放量用式(3)进行估算：

Q热=K综×HDD18/COPH×C电

(4)

式中，Q热为冬季采暖时的碳排放，kgCO2；K综为围护结构综合传热系数，W/(m2·K)；HDD18为采暖度日数,℃·d;COPH为供暖系统综合性能系数;C电为电力碳排放因子,kgCO2/kWh。

2.2 估 算

为区分我国不同地区气候条件对建筑影响的差异性，考虑到不同气候对建筑围护结构、节能措施和制冷采暖方式等方面的要求均存在较大差异，本文绿色围护材料应用的减碳估算参考《建筑气候区划标准》(GB 50178—93)，即把我国实有建筑分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和五个建筑气候区，并分别从每个气候区中选取气候较具代表性，且建筑规模较大的沈阳、石家庄、南京、广州和昆明这五座具有代表性的城市作为每个气候区的典型城市，采用上述城市典型建筑节能做法和制冷采暖方式进行典型估算。

围护结构节能作为建筑节能的重要措施，其材料品质属性的优劣影响实现建筑节能的效果，进而在支撑建筑运维节能碳减排的过程中可以发挥关键性作用。在已经发布并实施的“绿色建材系列标准”中，砌体材料、建筑门窗及配件和保温系统材料中都在品质属性中对产品的导热系数或传热系数都作出了比现行标准更严格的规定。相关品质属性要求详见表2。

表2 绿色建材相关品质属性与现行标准要求对照表

根据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015—2021)，各典型城市建筑围护结构设计要求见表3。

表3 各典型城市建筑围护结构设计要求

此外，本部分估算对建筑及其运行过程做以下假设。

1)建筑围护结构窗墙比为3∶7。

2)建筑层数不低于3层。

3)参考《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015—2021)附录C，供冷系统综合性能系数(COPC)和南方供暖系统综合性能系数(COPH)分别取3.6和2.6。

4)参考《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015—2021)附录C，冬季北方地区供暖系统综合效率取0.81。

5)煤炭单位产品热值和CO2排放因子参考《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)；电力消费CO2排放因子参考《2020—2021年度全国电力供需形势分析预测报告》。

6)建筑综合应用减碳效益按使用EPS为保温材料和现浇混凝土墙体计算。

7)砌体材料(保温型)热惰性D≥2.5。

基于以上假设，不同气候区单位建筑面积绿色围护材料应用减碳效益估算详见表4。

表4 不同气候区单位建筑面积绿色围护材料应用后碳排放估算表

进而计算不同气候区单位建筑面积绿色围护材料应用后减碳量，见表5。

表5 不同气候区单位建筑面积绿色围护材料应用后减碳量估算表

3 结 论

3.1 五区碳排状况和减碳效益差异明显

根据图1可以发现，基准碳排放按照严寒、寒冷、夏热冬冷地区顺序依次降低且降幅明显，而夏热冬暖和温和地区基准碳排放相对最低且二者相差不大。应用绿色围护材料后带来了相应的碳减排，而减碳量趋势与以上基准碳排放差异趋势相似，减碳量与基准碳排放的比值即绿色建材提供的减碳效率，严寒和寒冷地区应用绿色围护材料所提供的减碳效率相近，均高于22%；夏热冬冷和夏热冬暖地区应用绿色围护材料所提供的减碳效率略低于前两者；而温和地区绿色建材提供的减碳效率低于前四地区，且差距较大。由于建筑气候区的划分标准中一级区划主要是根据1月和7月的平均气温作为划分标准，故以上可以总结为气候越冷，绿色建材提供的减碳量越多，且减碳效率越高，减碳效果越明显，在地理上可认为由南到北减碳效率逐渐升高。因此，在北方应用绿色建材将提供更多的减碳量，带来更高的减碳效率。

图1 五区基准碳排放与减碳量及其占比

3.2 绿色建筑门窗的应用能提供更多减碳量

根据图2可以发现，单独更换门窗或保温系统材料、砌体材料时，更换门窗带来的减碳量总是超过更换保温系统材料、砌体材料提供的减碳量，且差距较为明显，原因在于在绿色建材标准中，绿色建筑门窗的传热系数下降比例要求更大，这将直接影响最终的减碳效果。

图2 五区绿色建筑门窗与绿色保温系统材料、砌体材料减碳量对比

3.3 冬季碳减排更为重要

在减碳效益估算表的制作计算过程中，发现严寒、寒冷和夏热冬冷地区的冬季采暖碳排放要多于夏季制冷产生。

根据表6，可以发现在绿色建材的应用前后，严寒寒冷和夏热冬冷地区冬季的碳排放都远大于其夏季碳排放，这是由于在碳排放测算方法中该三地区的采暖度日数均远大于空调度日数。因此，关于冬季采暖过程中的碳排放控制应该受到更多的关注。同时，严寒和寒冷地区冬季采暖使用的是以煤炭为燃料的锅炉采暖装置，相比较于电的使用，化石燃料燃烧转化为热的过程中碳排放因子更大，这一点也印证了相比于化石燃料，用电是更为环保的方式。

表6 五区基准与应用绿色建材后夏冬两季碳排放对比

3.4 基于减碳效益估算对实际情况的扩展

根据减碳效益估算中选取的采暖度日数和空调度日数的定义，在实际应用中将需要更长的制冷和制热时间，这样一来，应用绿色建材将会提供更多的减碳量，绿色建材将会成为建筑环保减碳的重要一环。

4 说 明

本研究所采用的五个典型城市是在每个建筑气候区中选取的地理位置相差较大且知名度较高的五个省会城市，无法证明每个典型城市相对于相应的建筑气候区平均气候条件的代表性程度。且本研究中做出的假设以及相关参数的选取是为了此次研究的进行而选择的通用性情况，不具备特殊性，也无法证实与实际情况的贴合度。此外，本研究所选取的测算方法仅为绿色建材减碳效果估算方法中的一种，测算模型的选取对实际情况的准确性存在偏差，因此，本研究仅为绿色建材在应用领域提供碳减排的潜力分析，更为准确的减碳数据需要进行进一步的研究。

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