基于LCCO2的中学宿舍碳排放研究——以宜昌市某中学为例

叶 吴银光 吴国骏 张曼怡 陈 宏

中国社会正处于蓬勃发展阶段，但快速发展也带来了许多环境问题，比如我国已经成为碳排放量最多的国家之一。于是在“十四五”的背景要求下，我国多次表示要力争在2030年前达到CO2排放峰值，2060年前努力实现碳中和。为响应国家号召，我国各行各业都在进行低碳发展的转型。中国建筑业CO2排放量占全球活动碳排放的40%左右[1]。数据显示仅2016年中国建筑业消耗的标准煤就为8.99亿吨，占全国能源消耗的20.62%，制造了19亿6000万吨的CO2[2]。建筑的LCCO2是指在建筑产品的全生命周期内，计算因能源和资源消耗而在外部环境中产生的碳排放总量。其中包括了几个阶段，分别是建筑运行阶段、建筑材料生产和运输阶段、施工和拆除阶段。

目前我国碳排放量的计算还处于比较基础阶段。当前估算建筑物碳排放的主要方法有测量法、材料平衡算法、模型法和排放系数法[3]。Chiara Piccardo等人[4]基于建筑的全生命周期，计算得出即使假定碳供应量非常低，建筑围护结构的热改善也可以在整个生命周期内节省大量最终能源和一次能源，并减少CO2排放。从工业革命到现在，化石能源是生活中不可缺少的主要能源之一，对此的依赖程度稳步上升。快速的城市化进程和碳排放同时增加，自1990年以来，全球碳排放总量增加了约50%，碳排放问题早已被放上台来，归为影响全球气候变暖的主要因素[5]。

从建筑领域出发，建筑的类型具有多样性。而校园建筑是城市建筑里的重要类型。近年来低碳校园、绿色校园的话题更是层出不穷。学校作为青年学生社会实践和科研活动最密集的场所，应当积极担负社会责任，直面碳减排问题[6]。校园能源结构复杂，包含的建筑类型众多，其中宿舍相当于一个生活用能集合体。在整个生命周期中，能源资源的消耗和废弃物的处理将带来巨大的碳排放量[7]。

通过实地调研数据，研究校园宿舍的全生命周期碳排放，既可以反映出学校的现状问题，也可以模拟运用现在的新技术，新材料进行优化后是否能达到一个减碳效果。对于校园建筑日后的碳减排优化具有指导意义。

1 研究对象的确定

本文选取湖北省宜昌市某中学作为研究对象。宜昌是湖北省的地级市，古称夷陵，因“水至此而夷、山至此而陵”得名。地处夏热冬冷地区，属于亚热带季风性湿润气候。中学新校区于2017年投入使用。学校用地面积216012.76m2，建筑面积120045m2。容积率0.52，建筑密度12.2%，绿地率42%（图1）。在校学生规模约3200人。其中有4栋5层的学生公寓，按6人间布置，共设置617间学生宿舍，宿舍建筑面积22781m2（图2）。

图1 项目效果图

图2 宿舍范围

2 碳排放的全生命周期计算与优化分析

2.1 宿舍现状碳排放计算

（1）碳排放计算方法介绍

运行阶段碳排放计算方法：建筑运行期间碳排放的计算范围包括运行期供暖空调、生活热水、照明和电梯、可再生能源、建筑碳汇系统的碳排放[8]。

本文依据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）计算碳排放量。主要方法为能耗量乘以碳排放因子（图3）。

图3 建筑物运行阶段碳排放计算边界及范围的划分

（2）现场调研

宿舍形式较为简单，以条状平面布局，钢筋混凝土框架结构。命名为E1、E2、E3、E4栋（图4～5）。用电能源类型有宿舍重要负荷、开水器、空调、热水器、照明插座。由于学生宿舍类型的特殊性，空调设备的使用时间仅在特定时间段开启，并且电费自理（图6～10）。

图4 宿舍区效果图

图5 宿舍平面示意图

图6 宿舍总电耗调查统计

图7 E1宿舍分项电耗统计

图8 E2宿舍分项电耗统计

图9 E3宿舍分项电耗统计

图10 E4宿舍分项电耗统计

图11 宿舍水耗调查统计

（3）运行阶段碳排放结果（表2）

表2 宿舍运行阶段碳排放计算

宜昌属于华中电网，碳排放因子为0.5257kgCO2/kWh（表1）。

表1 2012年中国地区电网平均CO2排放因子（kgCO2/kWh）

（4）建筑材料生产和运输过程碳排放结果

根据调研得到的材料用量表可知，E1宿舍楼主体结构主筋钢筋总用量250.463t，E2宿舍楼主体结构主筋钢筋总用量254.715t，E3宿舍楼主体结构主筋钢筋总用量305.438t，E4宿舍楼主体结构主筋钢筋总用量411.053t。总计钢筋用量1221.67t。因其他混凝土等材料为整体采购，具体施工用在宿舍楼的数量未知，采用平均估算法，整体采购25000立方混凝土，宿舍楼用量大约2000立方，一立方混凝土为2.4t，C50混凝土用量4800t。

建材生产碳排放：

1221.67×2.05+4800×0.385=4352.42t CO2

建材运输碳排放：

1221.67×500×0.000057+4800×40×0.000057=45.76tCO2

由于实际运输方式不明，默认全部选择重型柴油货车（载重46t）运输，碳排放因子0.057[kgco2e/(t·km)]。

混凝土的基本运输距离为40km，其他建筑材料的基本运输距离为500km。

（5）施工和拆除阶段碳排放结果

由于实际建造过程所用工程机械现在并不能确定，拟定为履带式推土机，功率75kW，所需柴油 56. 50kg。若工作24小时，则需要柴油1356kg。柴油的燃烧值是3.3×107J/kg，能量为4.5×1010J，碳排放因子为72.59tCO2/TJ。

建造阶段碳排放为：

72.59×0.045TJ×90天=294tCO2。

中国目前建筑中没有拆除的碳排放数据库，因此本文采用经验推算法，根据施工阶段的10%计算碳排放量[9]。

拆除阶段碳排放为：294×0.1=29.4tCO2。

2.2 宿舍优化提升后碳排放计算

（1）绿色建筑技术策划及策略提出

从计算结果可得，建筑全生命周期碳排放占比最大的为建筑运行阶段。从现场测绘调研的情况来看，学生宿舍对于被动式的技术几乎没有运用。采用单元式空调进行供冷供暖，电热水器提供生活热水。因此，笔者总结了以下碳减排策略，为校园建筑提供优化指导的思路。

①在前期设计上可提高包括墙体、屋顶、门窗、地板的保温性和隔热性这些围护结构的性能。降低建筑运行阶段的冷热负荷。

②在前期设计上尽可能优化建筑平面布局，合理利用自然采光和自然通风进行节能。

③在后期运维上使用性能较好的节能空调系统，减少建筑单位面积的冷热负荷。

④使用高效的节能设备，如灯具、插座、节水器具。适当加设太阳能生活热水系统或光伏系统。

从《绿色建筑评价标准》（GB/T50378—2019）切入，列举了项目优化和减少碳排放相关的绿色技术规定[10]（表3）。

表3 选用绿色技术条文

表5 学生宿舍优化后运行阶段碳排放计算

表8 坐便器用水效率等级指标[13]

表9 小便器冲洗阀用水效率等级指标

（2）优化后全生命周期碳排放计算

①运行阶段：将建筑围护结构的工程构造进行调整。外墙的K值从0.95调整至0.768，屋顶构造的K值从0.44调整至0.36（图12）。并且增设了太阳能热水系统（表4～5）。

表4 学生宿舍优化后能耗计算

图12 宿舍模拟建模示意图

a 节水龙头（表6）。

表6 水嘴用水能效等级指标[11]

b 节水坐便器（表7～9）。

表7 大便器冲洗阀用水效率等级指标[12]

c 节水淋浴器（表10）。

表10 淋浴器用水效率等级指标[14]

d 每人每天节水公式为[15]（表11）。

表11 各指标含义及取值

通过以上公式算得：Qd =2L，学生宿舍入住大约3000人；

使用节水器具后年节水量为2×3000×365=2190t；

年减碳量为：2190×0.000168=0.37tCO2。

e 优化增加200m2落叶乔木，200m2草本花卉（表12）。

表12 不同生活型植物单位叶面积日固碳量[16] g/ (m2·d）

年碳汇值为：3 6 5×（9.7 5×2 0 0+12.16×200）=1599430g=1.6tCO2。

②建材生产及运输阶段

笔者根据绿色技术条文，选择更加环保的建造材料，选用碳排放因子较小的转炉碳钢1.99tCO2/m2。

生产碳排放为：1221.67×1.99+4800×

0.385=4279.12tCO2。

运输产生的碳排放由于材料总重量和运输方式没有改变，故维持45.76tCO2不变。

③建造及拆除阶段

此阶段由于建造方式和拆除回收比例不变，故碳排放量维持不变。

（3）对比验证碳减排策略

通过以上对比计算（图1 3），我们可以得到学生宿舍优化前全生命周期碳排放量为1 8 5 6 3.6 2 1t C O2，优化后为13 9 9 3.8 2 1t C O2（表13），减碳量为4569.8tCO2。其中对减碳量影响最大的是运行阶段的电耗减碳，占比96.2%，对应绿色建筑技术条文的7.2.4和7.2.9。提高围护结构的热工性能和使用可再生能源。其次对减碳量影响较明显的为生产阶段的建材改变，减碳占比1.65%，对应7.2.15和7.2.17。使用合理的建筑结构材料与构件，使用可循环材料。对于碳汇减排，模拟增加的绿化面积越多减排量越显著，对应8.2.3充分利用场地空间设置绿化用地。

图13 学生宿舍优化前后碳排放量对比柱状图

表13 学生宿舍优化前后全生命周期减碳比

结语

本文选取宜昌市某中学宿舍楼为目标对象，通过调研和文献数据来源，运用PK PM软件进行优化后能耗模拟，并基于《建筑碳排放计算标准》（GB/T51366—2019）计算出项目现状全生命周期年碳排放量为18563.621tCO2，再从《绿色建筑评价标准》（GB/T50378—2019）里选出运用在优化上的绿色技术条文，得到减碳量为4569.8tCO2。得到结论如下：

①学生宿舍运行阶段的碳排放量最大占比74.7%，建造拆除阶段最小占比1.6%。

②使用绿建技术如将建筑围护结构的热工性能在原有基础上提升20%，并且利用太阳能热水，可以减少24.6%的碳排放总量。

③电耗减碳占比最大达96.2%，碳汇减排随着绿化面积的增加而增加。

资料来源：

文中所有图表均为作者自绘。