基于全生命周期净零碳排放理念的建筑设计方法研究

王涛 蔡昳宣

中国建筑西北设计研究院有限公司 陕西 西安 710018

引言

我国建筑年度能耗总量占据总体能耗的27%，建筑碳排放总量占据总体排放量的40%，在城市化持续发展过程中，建筑规模正在以5%～8%的速度持续增长，建筑规模的增长进一步增加了能源和资源的消耗，提高了碳排放总量，因此，研究建筑全生命周期下的零碳排放建筑设计方法对解决环境、能源与人类发展之间的矛盾具有重要意义。本文主要通过构建建筑时空矩阵模型，分析建筑全生命周期碳排放量，并提出以净零碳排放理念为基础的建筑设计方法。

1 建筑全生命周期净零碳排放时空矩阵模型

1.1 时空矩阵模型

传统建筑建造施工模式下，建筑全生命周期净零碳排放模型主要包括空间和时间两方面，从净零碳排放定义来看，建筑碳排放是空间与时间的集合。建筑全生命周期主要分为4个阶段，即材料生产阶段、施工阶段、使用阶段和拆除阶段，每个阶段涉及的材料运输、加工和生产等环节都会消耗大量的能源，该能源损耗通常也被称为间接能源损耗，建筑净零碳排放时空矩阵模型如表1所示。

表1 建筑碳排放时空矩阵模型

1.2 净零碳排放核算边界

在分析建筑全生命周期净零碳排放过程中，除了需要明确建筑碳排放时空矩阵外，还需要确定建筑碳源核算边界，不同碳源核算结果也不尽相同，只有在相同核算模型和核算边界下分析比较建筑碳排放量才具有研究意义。

在建筑全生命周期4个阶段中，各个阶段都需要对关键碳源进行核算，然后探讨核算碳源和合理性，同时根据碳源的特点编制相应的核算规则，并形成碳源核算模型[1]。

建筑全生命周期碳排放计算公式：

式中：P为建筑全生命周期碳排放总量；P1为建筑材料生产阶段产生的碳排放；P2为建筑施工过程中产生的碳排放；P3为建筑施工阶段和维护阶段产生的碳排放；P4为建筑拆除阶段产生的碳排放。

2 建筑全生命周期碳排放核算

2.1 材料生产阶段

材料生产过程中产生的碳排放主要包括材料生产和原材料开采过程中施工天然气、石油和煤等化石能源造成的温室气体排放。材料生产阶段产生的碳排放量在建筑整个生命周期占10%～30%。材料生产阶段碳排放量计算公式为：

式中：P1为建筑生产阶段总碳排放量；Pj1为建筑生产阶段间接空间总碳排放量；Vk为第k种回收系数的碳排放因子；Qk为k材料用量，主要包括混凝土、钢筋等施工主要材料以及施工中使用的脚手架和模板等临时材料。

2.2 建筑施工阶段

建筑施工阶段是建筑生产的关键环节，同时也是建筑单位根据施工文件，利用物料和机具，按照施工工艺将图纸上的建筑物质化的过程。施工阶段会造成噪声污染、土壤污染、水污染和大气污染以及产生碳排放[2]。施工阶段主要包括建筑施工和材料运输两部分，其中建筑施工产生的碳排放主要包括机械设备损耗和施工工艺产生的碳排放；施工材料运输产生的碳排放主要包括运输工具、运输方式产生的碳排放，建筑施工阶段产生的碳排放计算公式为：

式中：P2为建筑施工阶段总碳排放量；Pi2为施工阶段直接空间总碳排放量；Pj2为施工阶段空间总碳排放量

2.3 建筑使用阶段

建筑使用阶段产生的碳排放主要包含两方面，一方面是建筑使用过程中产生的碳排放，如照明耗电、热水供应、电梯使用、采暖和空调等；其中空调和采暖、照明总碳排放量占总体比例的65%；热水供应总排放量占总体比例的15%；电梯和其他电气设备总碳排放量占总体比例的14%；其他碳排放量占总体比例的6%。另一方面是建筑维护产生的碳排放，包括建筑修缮和维护及能耗，建筑在使用过程中部分构件或材料达到自然寿命时需要进行维护和更换，而该过程中也会产生碳排放。建筑使用阶段产生的碳排放分为直接排放和间接排放，直接排放具体是指天然气、石油和煤炭燃烧等；间接排放时滞蒸汽、热水、电力供应产生的碳排放[3]。建筑使用阶段碳排放计算公式为：

式中：P3为建筑使用阶段产生的总碳排放量；Pi3为建筑使用阶段产生的直接碳排放；Pj3为建筑施工阶段产生的间接碳排放。

2.4 建筑拆除阶段

建筑拆除阶段产生的碳排放主要分为3个方面，一是建筑拆除过程中机械设备和施工工艺产生的碳排放，例如脚手架搭建、铝合金门窗、利用大型设备拆除建筑结构框架等；二是废弃材料搬运和处理产生的碳排放，例如材料分类、装在清运、材料处理等；三是材料回收再利用产生的碳排放，例如废弃材料再利用、再循环和焚烧等。建筑拆除阶段产生的碳排放计算公式为：

式中：P4为建筑拆除阶段产生的总碳排放；Pi4为建筑拆除阶段产生的直接碳排放；Pj4为建筑拆除阶段产生的间接碳排放。

3 基于全生命周期净零碳排放理念的建筑设计方法

3.1 材料生产阶段建筑设计方法

材料生产阶段减排重点有两方面，一是使用低碳环保材料，例如开发高性能环保材料以及轻集料混凝土等；利用环保材料代替传统高能材料，进而减少材料生产过程中的碳排放；发展3R材料；减少使用混凝土和水泥等无机材料，间接减少碳排放；提高材料耐久性、延长材料使用寿命，进而减少建筑重建和维修成本，降低对自然资源的使用；优化和调整产业结构，淘汰落后产品和工艺，降低能源损耗。

二是提高材料利用率。木材、金属、塑料等可回收垃圾站总体垃圾比例的10%，在材料生产过程中首先应当加大可回收材料在建筑中的比例，其次发展塑料、木材和金属分离技术，取代传统垃圾填埋模式；混凝土和砖块材料在建筑垃圾中占据的比例为90%，目前，我国对于混凝土和砖块的处理主要采用堆放和填埋处理方式，为提高该类材料利用率，可以将砖块再生骨料制作混凝土，以此来对废弃砖块进行再利用。

3.2 施工阶段建筑设计方法

节电措施：首先采用节能光能装置和照明灯具，并采用电路过载保护装置和计量装置等，减少电能损耗；其次，根据机械功率对施工设备电能损耗进行控制，减少不必要电能损耗。最后采用性能较好的大型机械设备，由于施工过程中塔吊平面布置和设备数量，集中堆放吊运物件，减少设备运能浪费，进而达到节约电能的目的。

节水措施：施工阶段节水措施重点在于提高自然水源利用率：首先施工单位可以收集废水和雨水等，并将其存储于沉淀池中，用于场地洒水、洗车等；其次在施工现场搭建循环水池和蓄水箱，对自然水源进行再利用；最后利用水源限流设备和节水控制装置，减少水源浪费。

材料节约措施：首先提高可拆卸设备或辅助设备使用率，如脚手架设备、模板等；其次对可拆卸材料和临时使用设备进行重复利用，临时设备与材料可以采用对外租赁等方式；最后根据施工任务划分施工阶段，推动施工作业的有序开展，进而缩短施工周期，减少成本、能源的浪费。

3.3 使用阶段建筑设计方法

3.3.1 使用阶段。建筑使用阶段减少碳排放的具体措施主要包括以下几点。

3.3.1.1 加强地热能、太阳能等新能源的利用，利用新型清洁能源代替以发电为主的能源消费模式，进一步减少使用阶段能源损耗和碳排放。此外，将建筑太阳能供热系统和和锅炉供暖系统进行结合，采用太阳能供暖方式可以进一步减少能源损耗，并且可以达到35%的减排率；将燃气锅炉、地源热泵和空调采暖系统进行结合，由地源热泵承担建筑60%的热负荷，可以达到25%的减排率。

3.3.1.2 近年来，我国人均住宅面积不断增长，2021年人居住房面积达到了46.1m2，为降低建筑使用阶段碳排放量，可以适当减少人口密度，增加人均住宅面积。

3.3.1.3 与发达国家相比，我国建筑围护结构平均传热系数存在一定差距，如果将北京相近地区建筑平均传热系数提高至外墙0.6，外窗2.8，屋顶0.6则可以达到19%的减排率；如果将建筑照明标准7W/m2下降至6W/m2，则可以减少3%碳排放量，由此可见，进一步提高建筑结构保温隔热性能，可以进一步减少碳排放量。

3.3.2 建筑维护阶段。建筑在使用过程中应当减少二次装修次数，同时对可拆卸材料和结构进行重复利用。目前，大部分新购置的房子都只进行了简单的装修，客户在入住后通常需要进行二次装修，并将原本的卫生洁具、瓷砖和墙面等进行替换，这样的装修方式会进一步造成资源浪费。目前，我国每年拆除旧建筑和建筑装修产生的建筑垃圾已经超过3000万吨，而建筑垃圾的处理和搬运会造成能源的浪费。针对该问题，建筑商可以通过提前预售的方式销售住房，并按照购房用户的意见进行装修，实现建筑与装修作业的一体化，同时在建筑装修过程中也需要多使用可拆卸材料和结构，减少资源浪费和碳排放。

3.4 建筑拆除阶段

3.4.1 加强拆除作业管理，并引入先进的拆除技术，尽量减少建筑拆除过程中的碳排放。爆破、液压和水压拆除方法可以减少建筑拆除过程中扬尘和噪音的产生，同时降低对周边居民和环境的影响，同时该类建筑拆除方法也可以实现低碳排放、无污染和环保化的目的。

3.4.2 建筑拆除完成后需要将可重复利用材料进行回收，并采用就地处理方式对垃圾进行焚烧、填埋处理等，减少建筑垃圾运输过程中产生的碳排放。垃圾在回收完成后，可以利用对自动回收分类设备和混凝土破碎设备对建筑垃圾进行处理，并制成其他建筑材料，以此来提高建筑材料利用率。

3.4.3 针对可以回收性材料，包括铅材、钢筋、木材和玻璃等，由爆破公司、建筑公司和建筑垃圾回收部门对建筑垃圾进行现场回收再利用，或者将可回收垃圾运输至工厂进行二次加工；针对不可回收垃圾，如混凝土土块、砖块等，可以用于路基填料或者坑外地区填充料等。

4 结束语

本文主要对建筑全生命周期碳排放进行了研究，并构建了建筑全生命周期碳排放时空矩阵模型，包括建筑材料生产阶段、施工阶段、使用阶段和拆除阶段，明确了建筑各阶段碳排放计算公式，并针对各阶段存在的问题，提出了降低建筑碳排放量的具体措施。