中芬居住建筑生命周期碳排放测算及环境影响对比研究

齐新竹，史立刚*，卡琳·克罗克福斯，周梦菲

0 引言

面对温室效应带来的极端天气频发威胁，全球主流力量正致力于遵循《巴黎协定》（2015），将全球温度上升控制在低于2℃的范围内并努力将其限制在1.5℃以下的框架，通过政策指引和技术创新实现减排目标和可持续发展。建筑业被认为是世界能源消耗和以CO2为主的温室气体排放的主要责任者，其排放的CO2占全球39%[1]。同时随着世界城市化进程加速，预计未来40年全球将相继新建成居住建筑超过2.3×108m2[2]，建筑业将成为节能减排的首要对象。

欧盟各国制定了一系列应对气候变化的措施，包括零能耗建筑（nZEB）概念和标准[3]。芬兰是欧洲人均森林面积最多的国家，且森林资源逐年增加[4]。基于木建筑配合相应的可持续法规[5]，芬兰在低碳建筑领域实现了持续发展。在2030碳达峰和2060碳中和战略目标下，尽管我国发展低碳建筑已卓有成效，但在低碳建筑定量化研究方面还相对滞后[6]。

1 建筑生命全周期碳排放测算

1.1 建筑生命周期评估的研究现状

生命周期评估指用于定量化评估产品和服务“从摇篮到坟墓”的过程中对环境的潜在影响的方法[7]，自1990年被国际环境毒理学和化学学会（SETAC）提出至今，在许多行业已得到广泛使用。我国《绿色建筑评价标准》中认为，建筑物从规划设计到施工，再到运行使用及最终的拆除，构成一个全寿命期[8]（图1）。根据ISO14040标准定义，LCA框架由目的与范围确定、清单分析、影响评价和结果解释4个部分组成[9]。其目的是通过考虑整个产品系统，在过程中识别产品对环境影响的关键阶段，从而实现源头优化管控[10]。

目前欧盟国家建筑领域的生命周期评估已较为成熟，并已被纳入《可持续发展标准建筑》《建筑产品法规》和LEED、BREEAM等多项可持续建筑认证计划[11-13]中。建筑的生命周期评估可定量化评价建筑对环境的影响，也可在前期设计与施工过程中指导方案设计、材料选择及施工方法优化[14]。其中罗尔夫·弗里施克内西（Rolf Frischknecht）[15]领导了生命周期清单数据库Ecoinvent的开发；伯纳德特·苏斯特·韦尔达格（Bernardette Soust Verdaguer）[16]等人探究了不同国家LCA标准差异的协调方法；亚历山大·霍尔贝格（Alexander Hollberg）[17]等人针对LCA在意见指导过程的应用中提出了双重基准法。目前生命周期评估的应用还有待进行参数化及云运算转型[18]。

我国低碳建筑研究主要集中于建筑节能领域定性阶段[6]。近年在建筑生命周期评估方面的研究明显增加。其中于萍[19]、张智慧[20]等人对生命评价周期进行了阶段划分，林波荣、刘念雄[21]等人进行了碳排放计算方法探究，蔡向荣[22]等人对生命评价周期过程进行了计算分析。由于生命评价周期的阶段及计算边界划分缺乏统一标准，且计算模型和数据库存在差异，导致不同建筑间的全生命周期评估结果缺乏参考性及对比性。因此通用性的建筑生命周期评估方法亟待深入研究，以期切实推动我国低碳建筑建造和碳排放测算发展。

1.2 建筑生命周期评估的计算边界确定

根据欧洲标准EN15978:2011的建筑生命周期阶段定义（表1）[23]，材料准备阶段至拆除与回收阶段结果可用于计算全生命周期碳排放，外部影响阶段可用于建筑材料再利用潜力评估。

表1 EN15978:2011定义下的建筑生命周期阶段[23]

1.3 建筑生命周期评估的计算方法

尽管建筑生命周期评估已广泛投入使用，但由于数据库和边界差异，其计算方法在各国家和地区间尚未统一。目前的生命周期评估软件可大致分为两种：丹麦的LCAbyg、德国的Caala和eLCA、美国的Gabi等建筑行业相关软件，以及Openlca、SimaPro、eBalance等面向全社会的软件。其中芬兰Bionova公司开发的ONE-CLICK LCA软件具有以下优点：（1）专业性：为建筑行业设计，涵盖生命周期评估、成本核算、早期碳优化、隐含碳计算等功能板块，可提供材料替换建议，并横向设置对比设计帮助工作者进行方案优化；（2）普适性：符合中、美、英、欧盟等地区40多个主流认证方案和国家标准的要求，集成几乎所有可用的EPD平台数据，并可对缺失的地方性数据提供可行性补偿方法，在全球范围内广谱使用。因此本文以ONE-CLICK LCA软件进行测算（图2）。

图2 ONE-CLICK LCA软件计算流程

2 中芬两居住建筑碳排放计算

2.1 芬兰某居住建筑基本信息

研究对象为独栋3层坡地建筑，总面积约为90m2，位于赫尔辛基（Helsinki），北纬60.1699°，一月平均温度为-6℃，七月平均温度为17℃。其中底层为半地下层，主要材料为混凝土，其余部分主要为胶合木等木质材料（表2）。该建筑可供1～2人居住，其设计使用寿命为50年。

2.2 中国某居住建筑基本信息

研究对象为独栋3层建筑，总建筑面积约为365m2。设计使用寿命为50年。位于沈阳，北纬41.8057°，一月平均温度为-18.2℃，七月平均温度为29℃。具体建筑材料及数量如表3所示。

表3 中国某居住建筑主要材料清单

由于缺乏材料运输信息，该过程以就近原则进行计算[24]，即运输距离取距场地最近工厂与场地间的行车距离。运输工具依据材料种类选择软件默认交通工具。

由于住宅项目使用者不同，其运行数据差异较大，且采暖能耗缺乏监控数据，因此本研究仅从宏观角度进行推算，即：该建筑为四卧室住宅，推测可居住4～8人，取中位数6人进行计算。通过《中国统计年鉴》[25]可知，人均年生活用电为722kWh，人均年生活消耗天然气为33.6m3。且辽宁地区年供暖时长为148天，采暖期内单位建筑面积耗热量为16.71W/m2。由此推测该建筑年均耗电量约为4332kWh，年均消耗天然气约为201.6m3，年均供热消耗约为21,664.18kWh。

2.3 计算结果及对比分析

计算结果以CO2当量（CO2e）作为度量标准。结果表明，芬兰居住建筑全生命周期碳排放总量约为58,945.45kg，即13.10kg/(m2·a)（图3）。中国居住建全生命周期碳排放总量约为929,168.20kg，即50.91kg/(m2·a)（图4）。具体各阶段碳排放量如表4所示。

图3 芬兰居住建筑全生命周期碳排放比例

图4 中国居住建筑全生命周期碳排放比例

表4 中芬两居住建筑碳排放环境影响对比

由此可见，中芬两建筑在施工阶段（A4）、建筑维护与材料更换阶段（B1-B5）、拆除回收阶段（C1-C4） 的单位碳排放量相对持平，但在材料准备阶段 （A1-A3） 与运行阶段（B6）相差较大（图5）。

图5 中芬居住建筑全生命周期单位碳排放量

在材料准备阶段（A1-A3），中芬两建筑的单位碳排放量分别约为11.20kg/(m2·a)和2.95kg/(m2·a)。其中，芬兰建筑碳排放量较大的材料依次为木质材料、混凝土材料、石膏材料。而中国建筑碳排放量较大的材料则依次为砖材、混凝土材料、金属材料（表5）。

表5 中芬两居住建筑主要材料碳排放量

在运行阶段（B6），中芬建筑的单位碳排放量分别约为38.14kg/(m2·a)和8.63kg/(m2·a)，差异主要体现在集中供暖能耗上，分别约为26.42kg/(m2·a)和2.14kg/(m2·a)，采暖能源分别为煤炭和天然气（表6）。

表6 中芬两居住建筑运行能耗碳排放量

因此，在材料准备阶段中使用不同建筑材料及在运行能耗阶段使用不同集中供暖能源对建筑全生命周期碳排放的影响还有待进一步研究。此外由于存在使用和维护阶段，建筑年均碳排放量与使用周期并非简单的线性关系，不同使用周期对建筑全生命周期碳排放的影响仍需探究。

3 中芬两居住建筑碳排放对比分析

3.1 对照设计

为探究不同材料和运行周期对建筑全生命周期碳排放的影响，以中芬两居住建筑原有基础为原始设计，对材料清单合理修正，各设置两个对照设计。

对照设计1：针对材料变量，在不改变外观的前提下，在芬兰居住建筑中提高混凝土材料的使用数量以代替建筑材料中的木材，在中国居住建筑中增加胶合木等木材的使用数量以代替建筑材料中的部分混凝土和砌砖，同时将集中供暖材料从煤炭改为天然气（表7）；对照设计2：针对运行周期变量，保持其他参数不变，将中国和芬兰的居住建筑使用周期均从50年提升为70年。

3.2 计算结果分析

在芬兰居住建筑对照设计1中（图6），建筑全生命周期碳排放总量约为65,030.19kg，即14.45kg/（m2·a）。其中建筑运行阶段（B6）碳排放量保持不变，材料准备阶段（A1-A3）增加至约20,971.11kg，材料运输阶段（A4）增加至约741.97kg，建筑维护和材料更换阶段（B1-B5）减少至约2480.60kg，拆除回收阶段（C1-C4）减少至约2009.51kg。

图6 芬兰建筑对照设计1生命周期碳排放占比

在对照设计2中（图7），建筑全生命周期碳排放总量约为75,363.59kg，即11.96kg/(m2·a)。其中材料准备阶段（A1-A3）、材料运输阶段（A4）及拆除回收阶段（C1-C4）保持不变，建筑维护和材料更换阶段（B1-B5）碳排放量增加为约4186.76kg，建筑运行阶段（B6）增加为约54,357.80kg。

图7 芬兰建筑对照设计2生命周期碳排放占比

表7替换材料清单

相较芬兰原始设计（图8、9），在对照设计1中，尽管建筑维护及更换阶段（B1-B5）和拆除回收阶段（C1-C4）碳排放量有所减少，建筑全生命周期碳排放总量仍增加约6084.74kg，建筑单位面积碳排放量增加约1.35kg/(m2·a)。在对照设计2中，当使用周期从50年提升为70年时，尽管建筑维护和材料更换阶段（B1-B5）及建筑运行阶段（B6）碳排放量有所增加，建筑单位面积碳排放量减少约1.14kg/(m2·a)。

图8 芬兰建筑与对照设计生命周期各阶段碳排放对比

图9 芬兰建筑全生命周期碳排放与对照设计对比情况

在中国居住建筑对照设计1中（图10），建筑全生命周期碳排放总量约为354,836.14kg，即19.44kg/(m2·a)。其中，材料准备阶段（A1-A3）碳排放量减少为约47,126.60kg，材料运输阶段（A4）减少为1036.96kg，建筑维护和材料更换阶段（B1-B5）减少为约15,081.69kg，建筑运行阶段（B6）减少为约271,311.77kg，拆除回收阶段（C1-C4）增加为约20,279.12kg。

图10 中国建筑对照设计1生命周期碳排放占比

在对照设计2中（图11），建筑全生命周期碳排放总量约为470,316.50kg，即18.41kg/(m2·a)。其中材料准备阶段（A1-A3）、材料运输阶段（A4）及拆除回收阶段（C1-C4）碳排放量与对照设计1相同，建筑维护和材料更换阶段（B1-B5）增加为约22,037.34kg，建筑运行阶段（B6）增加为约379,836.48kg。

图11 中国建筑对照设计2生命周期碳排放占比

相较中国居住建筑原始设计（图12、13），在对照设计1中，材料准备阶段（A1-A3）碳排放量大幅减少，共减少约157,284.02kg。建筑运行阶段（B6）碳排放量减少约424,655.92kg。在对照设计2中，尽管建筑维护和材料更换阶段（B1-B5）及建筑运行阶段（B6）碳排放量有所增加，建筑单位面积碳排放量与对照设计1相比减少约1.03kg/(m2·a)。

图12 中国建筑与对照设计生命周期各阶段碳排放对比

图13 中国居住建筑全生命周期碳排放与对照组对比情况

4 结论

本研究基于LCA理论，通过对中芬两栋居住建筑的全生命周期碳排放情况进行对比实证分析，得到以下结论：

（1）我国典型居住建筑全生命周期的单位碳排放量约为芬兰的4倍，差异主要来源于材料准备阶段与运行维护阶段。因此，建筑全生命周期中的材料准备阶段及运行阶段是目前我国降低建筑碳排放量的关键。

（2）材料准备阶段使用胶合木等木质材料代替砌砖及混凝土，运行阶段将集中供暖能源从煤炭改为天然气均可有效降低建筑全生命周期碳排放量。此外，延长建筑使用周期也可降低单位时间内建筑碳排放。

（3）ONE-CLICK LCA计算软件可用于定量化解析建筑在生命周期不同阶段的碳排放量，通过对照设计实验也可以对我国碳中和目标背景下的低碳建筑设计提供定量化依据。随着清洁能源的进一步发展，建立更完善的建筑材料回收机制，并进一步推广可回收材料的生产和使用，可能成为发展低碳建筑的重要途径。

（4）本文通过对中芬典型居住建筑全生命周期进行碳排放计算对比，尝试建构我国住宅建筑低碳发展的可行路径与策略。鉴于目前住宅建筑各项数据获取难度限制，本文未对中外居住建筑进行大规模对比分析，结论尚存在一定局限性，对于中外低碳建筑的发展规律的对比还需进一步研究，仅以本文抛砖引玉，期待更多建筑碳排影响的深度研究，共同推动我国低碳建筑的发展。□（感谢房婷婷和Matti Kuittinen提供中芬居住建筑具体基础信息资料。）