基于全生命周期的高校减碳效果量化方法与应用

冯恒文，罗文辉，王军英，吴培浩

（1、广州南沙产业园开发建设管理局 广州 511466；2、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500）

关键字：节能减排；碳核算；减碳率；高等学校

0 引言

气候急剧恶化的问题正破坏国民经济，影响人民生活。2020年9月，习近平总书记提出，中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。建筑领域作为碳排放的重要来源之一，目前针对各种建筑类型的碳减排研究正逐步开展。

城市不同范围的片区碳排放核算方法有多种，目前仍未形成标准化成果［1］。根据地区特性、计算尺度、数据获取情况等信息，不同学者建立多个维度的碳排放清单。针对微观尺度，例如街区、高校等，建筑碳核算范围包括建筑、能源、碳汇等维度。由于建筑是微观尺度的碳排放的主要来源，以天津中新生态城为例，建筑部分的碳排放量占95%［2］，因此微观尺度的减碳策略主要侧重于建筑单体。减碳策略主要是以规划为起点，关注建筑布局、微气候等特征［3］，到设计施工阶段的节能技术应用，再到绿色运行，但目前对低碳建筑仍没有准确定义［4］。

2006 年，《教育部关于建设节约型学校的通知》（教发［2006］3号）提出在中长期规划中融入节约型社会和节约型学校的理念，以节能、节水、节材、节地等资源综合利用为重点。随着节约型高校建设工作的逐步开展，形成以提高能源利用效率为重点，以制度完善为路径，以文化培育为精神引领的氛围［5］。顺应互联网技术的全面覆盖，高校建设开始与智能化系统相结合，利用能耗监测平台、教学设备运行数据库等技术，实现规范化管理［6］。

在碳达峰目标背景下，节约型校园的概念仍未从全生命周期的角度融入低碳理念，实现低碳转型。节约型校园是以节约资源和合理利用资源为重点，而低碳校园是以减排效果为导向，对高校建设提出更高要求。

目前对新建高校校园从碳排放的角度的相关研究和案例较少。焦成英等人［7］基于排放因子法对整个校园运行一年的净碳排放量进行核算。满传军等人［8］阐述了校园建筑全寿命周期的碳排放量评估方法，并提出了降碳措施。一方面，多数研究侧重于高校运行阶段的碳排放分析，缺乏对校园建设阶段的分析。另一方面，既有研究对减排策略大多缺乏定量分析，更侧重于定性分析。

本文在高校建设的情景下，明确基准线和设计值的计算方法，提出减碳效果的量化方法。以广州某高校为案例，分析减排效果，为高校建设的低碳转型做支撑。

1 方法与数据

1.1 校区碳排放计算方法

一般而言，区域范围的碳排放计算方法是各类碳排放或碳汇的折标量与碳排放因子的乘积之和，其计算公式如下：

式中：Ccampus为校园总碳排放量（kgCO2eq）；Fi为碳排放∕碳汇源的数量（kgce）；Ki为各碳排放源或碳汇源的二氧化碳排放系数（kgCO2eq）∕kgce）。

研究表明［2］，小尺度下碳排放的关键维度是建筑和废弃物，考虑到高校运行实际情况，计算模型中的碳核算包含建筑、交通、水资源、废弃物处理四种维度。碳排放类型包括直接碳排放和间接碳排放，校园的碳排放主要组成总结，如表1所示。

表1 高校碳排放主要组成与来源Tab.1 Components and Sources of Campus’s Carbon Emission

同时，结合校园内景观设计和可再生能源应用，区域范围的绿化和可再生能源技术应用能够抵消一部分碳排放。因此，整体碳排放计算公式是三类碳排放之和扣除光伏发电和碳汇等碳中和技术的减碳量，其计算公式为：

式中：Ccampus为校园总碳排放量（tCO2eq）；Ccon为建筑相关碳排放量（tCO2eq）；Ctrans为交通相关碳排放量（tCO2eq）；Cwater为水资源相关碳排放量（tCO2eq）；Cdis为废弃物相关总碳排放量（kgCO2eq）；Cneu为光伏、碳汇等碳中和技术抵消的碳排放量（kgCO2eq）。

建筑相关的碳排放分为5 个阶段：建造、运输、施工、运行和拆除。建材生产包括建筑材料及构件中生产、制造、加工，运输过程是建材运输到建设场地的过程，运行阶段的碳排放来源于燃气或供暖产生的直接碳排放和电力消费产生的间接碳排放，根据校园的能源供应方式，加权求和得出总碳排放量。拆除阶段的计算范围是拆除施工过程所产生的碳排放。对于新建或验收时间较短的校区，运行阶段可以使用能耗模拟软件模拟建筑的制冷、照明等能源消耗，而对于既有校区，可以采用近5 年用能数据平均值计算。交通相关的碳排放包括校园内部道路和师生的交通情况一般比较简单，主要分为校内交通和通勤交通。校内交通受学校管理情况影响较大，而大多数师生居住学校宿舍，校外通勤情况较少，主要考虑校外到访人士路程产生的排放情况。水资源的碳排放主要来源于给排水过程中的能源消耗，包括给水、废水处理、回水处理等。废弃物的碳排放估算方法是根据不同处理方式估算。校园内主要是生活垃圾，一般不存在工业生产产出的工业废物。很多学校中也采用一些碳消除技术，例如植树绿化等固碳作用、光伏技术等。

1.2 基准线与设计值

基准线是按常规发展模式，以法定或强制管理控制条件实施，未使用额外的低碳政策。由于目前仍没有统一的区域范围的全生命周期碳排放计算标准发布，基准线可以根据国家标准、城区规划材料、参考文献等资料设置情景（见表2）。

表2 基准线设置Tab.2 Baseline Setting

设计值是在基础常规法定做法的要求上加入低碳建设相关的政策或手段。一般来说是根据项目的实际用能情况计算出碳排放量。对于新建校区，可以根据规划设计资料中的设计值估算出各部分的碳排放情况。

2 应用案例

2.1 案例介绍

某高校位于广州市南沙区庆盛枢纽片区，广州市南沙区属于亚热带季风性海洋气候，气温全年温暖，多雨湿度大。由于气候因素，广东省建筑特点在功能上大多具有隔热、遮阳、通风的特点，建筑多安置开敞空间、露台，室外空间多有凉亭。

一期工程总用地面积111 万m2，总建筑面积为63万m2，如表3所示。学校建筑包括核心区的行政办公楼、图书馆、学生活动中心等，教学区的科研楼与实验楼、东南生活服务区的学生宿舍，北宿舍区以及东区运动村的体育馆和能源中心等，如图1所示。

表3 某高校建设信息Tab.3 Information of the Campus

图1 校园的分区布局Fig.1 Layout of the Campus

2.2 节能减排策略

与传统校园相比，校园建设从规划初期开始，重视节能减排措施的应用，如表4所示。在设计阶段中，融入了多种节能减排技术。全校区按绿色建筑二星级标准设计，建筑节能率高于55%，其中图书馆和行政办公楼按绿色建筑三星级设计，节能率高于57.5%。在校内交通设计中，普及绿色出行。

表4 某高校节能减排措施总结Tab.4 Conclusion of Energy-saving and Carbon-reduction Measures in the Campus

2.3 减排效果计算

校园的主要碳排放包括建筑、交通、废弃物、水资源，碳消除部分有可再生能源应用和绿化。

2.3.1 建筑相关碳排放计算

案例属于新建校区，总建筑面积为656 155 m2，如表5 所示。基准线和设计值是利用能耗模拟软件Design Builder 对校区建筑全年能耗进行模拟分析模型，如图2所示。其中，基准线的情景设置是按照国家标准中的相关参数，包括《公共建筑节能设计标准：GB 50189—2015》、《民用建筑绿色性能计算标准：JGJ∕T 449—2018》，而设计值的参数均来源于设计资料。

图2 行政楼及某栋宿舍楼模型Fig.2 Model of the Administrative Building and a Dormitory

表5 高校建筑相关数据Tab.5 Data Related to Buildings in the Campus

建材生产计算的建筑材料碳排放因子主要参考《建筑碳排放计量标准：CECS374∶2014》。运输过程是建材运输到建设场地的过程，作为绿色建筑二星级项目，选用的生产厂家多数中500 km 以内，碳排放比例不高。运行阶段包括空调、通风、照明等设备，校园中实验设备和办公设备较多，因此模拟结果显示单位面积能耗较高。拆除阶段的计算范围是拆除施工过程所产生的碳排放。此外，由于项目部分采用可循环或可回收材料，在节能技术等基础上，还能够降低一部分碳排放。计算结果如表6所示。

表6 全生命周期建筑碳排放估算Tab.6 Carbon Emission Calculation Related to Buildings during the Whole Lifecycle

2.3.2 交通相关碳排放计算

交通相关碳排放主要包括公共交通和非公共交通因燃料燃烧产生的碳排放。基准线是按照《广州市国土空间总体规划（2018-2035年）》现状值计算，而高校设计值是考虑校内校外公共交通情况和学生、外来访问人员出行结构估算产生的碳排放总量，如表7 所示。计算结果显示，预计基准线下交通相关的年均碳排放量1 220.64 t CO2∕年，而设计值中年均碳排放量为809.53 t CO2∕年。

表7 交通相关数据碳排放评估Tab.7 Carbon Emission Calculation Related to Transportation

2.3.3 水资源相关碳排放计算

水资源的碳排放基准线是按照设计值给水排水，无非传统水资源使用时，而设计值是考虑了雨水收集、中水回用技术。项目通过中水回用和雨水收集系统减少新水使用量140 019 m3，如表8 所示。综合给水用量、非传统水资源利用等数据，基准线水资源相关年均碳排放量为457.29 t CO2∕年，设计值年均碳排放量为418.09 t CO2∕年。

表8 水资源相关碳排放评估Tab.8 Carbon Emission Calculation Related to Water

2.3.4 废弃物相关碳排放计算

目前垃圾堆肥技术仍在筹划中，因此仅考虑市政垃圾回收后的处理情况，垃圾资源化比例按照《广州市国土空间总体规划（2018-2035 年）》。采用各项废弃物减量措施后，垃圾产出减少量按10%估算，如表9所示。由此可得基准线废弃物相关年均碳排放量为2 012.59tCO2∕年，设计值年均碳排放量为1811.33tCO2∕年。

表9 废弃物相关碳排放评估Tab.9 Carbon Emission Calculation Related to Waste

2.3.5 绿地相关碳排放计算

校园的绿地包括首层绿地和屋顶绿地。其中草坪、灌木、乔木的年均固碳量分别为0.02 t CO2∕m2、0.3 t CO2∕m2、1.2 t CO2∕m2。因此，设计值中绿地的年均固碳量为1 486.08 t CO2∕年，如表10所示。

表10 绿地相关碳排放评估Tab.10 Carbon Emission Calculation Related to Green Space

2.3.6 可再生能源相关碳排放计算

校园内可再生能源利用主要是建筑光伏一体化设计，在核心建筑和部分宿舍屋顶铺设光伏，共安装10 309 块440 Wp 的晶体硅双面半片光伏组件。考虑组件衰减期后，年均发电量为5 190.4 MWh，年均减碳量为4 174.12 t CO2∕年。

2.3.7 全生命周期碳排放情况

综合以上各部分碳排放的计算结果，如表11 所示，按50 年生命周期，综合建筑、交通、水资源、废弃物、绿地和可再生能源应用6个方面，校园碳排放总量预计446.64 万t CO2，下降比例为26.52%。校园设计规划中，通过建筑节能、绿色、水资源利用、废弃物减量、景观布置、可再生能源应用等技术，对比基准线，均有一定的减碳率。

表11 全生命周期碳排放评估总结Tab.11 Conclusion of Carbon Emission Calculation for the Whole Lifecycle

3 结论与展望

本研究针对高校新建校区建设，从碳排放和碳消除角度，考虑建筑、交通、水资源、废弃物、绿地、可再生能源利用六大部分对全生命周期碳排放量建立基准模型与高校模型进行核算，量化了减碳效果，并在具体案例中提供了详细算法，为高校设计时期的碳排放核算提供参考价值。然而，由于案例项目仍在施工阶段，按设计值计算各项指标，有一定局限性，以后的研究中利用实际运行数据按本文方法计算能提高结果准确性。

研究结果显示，高校建设中最主要的碳排放来源是建筑和废弃物两部分。由此可见，高校减排工作中，应建立高效集约的循环系统。建筑建材和建筑运行阶段是建筑相关碳排放的主要来源，在建设过程中，需增加可循环可回收材料或绿色建材的使用量，而在运行过程中，案例中的校园已经采用了多种节能技术，从管理层面来看，利用智能化系统提高减排效率，以减少无人使用区域的能源浪费。对于废弃物相关的碳排放，高校不仅可以从废弃物减量的角度入手，也可以通过堆肥技术等处理技术降低其所产生的碳排放量。此外，尽管校园景观绿地有固碳作用，但效果并不明显，可再生能源技术更能高效抵消碳排。

此外，结合多个省市近零碳排放区的试点推广政策，本研究为制定合理的碳减排目标提供了数据支持。不同于普通居民社区或综合型城区，高校本身配备有较多的耗能设备，因此对于建筑运行，其降碳压力较大。另一方面，高校是推广低碳教育的最佳选择之一，建筑运行能耗能从培养学生低碳习惯入手。从校园规划层面看，绿色交通、生活垃圾分类等设计能培养学生的行为习惯，也能依托学校各种平台开展相关教育课程、讲座和活动。