建筑碳减排促进“双碳”战略实施的路径探讨

滕 敏 谢丹凤

山东理工大学建筑工程学院

0 引言

近年来，我国经济发展势头迅猛，CO2的排放量也急剧增加，使温室效应持续加强，全球平均气温不断攀升，进而引起更加复杂和剧烈的气候变化，引发洪涝等更加频繁和更具破坏性的自然灾害。中国作为负责任的大国，也表明了在减少碳排放方面的决心。2020 年9 月22 日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，指出中国力争于2030年前CO2排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。习近平总书记还在党的二十大报告中提到2035 年我国发展的总体目标，其中也包括“碳排放达峰后稳中有降”。

国际能源研究中心报告显示，从全球来看，建筑行业碳排放量占总量的40%。“中国建筑节能协会能耗专委会发布的《中国建筑能耗研究报告（2021）》显示，2019 年全国建筑全过程碳排放总量分别达到22.33 亿tce 和49.97 亿tCO2，占全国碳排放比例分别达45.8%和50.6%。”［1］由此可见，建筑领域低碳转型是我国实现“双碳”目标的重中之重。

1 建筑碳排放构成及特点

建筑行业体量极其庞大，对于建筑碳排放的测量，学术界没有统一观点，大多将建筑碳排放分为建筑直接碳排放和建筑间接碳排放。建筑直接碳排放是指建筑运行阶段直接消费的化石能源带来的碳排放，主要产生于建筑施工和建材生产及运输阶段，建筑间接碳排放是指建筑运行阶段消费的电力和热力两大二次能源带来的碳排放，这是建筑运行碳排放的主要来源。建筑材料的生产是建筑直接碳排放的重要来源。在建筑物的施工过程中，混凝土、钢铁、水泥、砖、玻璃都是不可或缺的应用材料，其能源消耗和碳排放的数据也十分庞大。

建筑间接碳排放则与城市形态息息相关。例如城市的气候状况，空间形态，建设强度和土地利用形态。具体作用机制如图1所示。

图1 间接碳排放具体作用机制

2 建筑碳排放影响因素

建筑碳排放是多方面、多阶段、多途径相互作用和共同作用的综合结果。在建筑的全生命周期中，一幢建筑物无论是建筑材料的制作，墙体的垒砌，还是室内的装修，房屋的维护与拆除，其过程都会有大量CO2的释放。建筑的结构类型也是造成不同建筑碳排放有所差异的重要因素。建筑碳排放不仅要考虑需求端，还要考虑供给端，供给过程中因供给效率不高而造成的浪费是碳排放不可忽视的因素。

2.1 建筑全生命周期的各个阶段

“建筑全生命周期是建筑工程项目从规划设计到施工，再到运营维护，直至拆除为止的全过程。”［2］包括了设计、建造、运维、拆除四个阶段。

1）设计阶段

设计阶段主要对整个工程作出全面规划，为整个工程的低碳减排提供理论和技术指导。比如仅仅是计划建材的需要量这一小项，若与实际建材需要量差距过大，就会造成后续建材生产和运输过程中产生大量不必要的碳排放。因此，虽然这一阶段的碳排放占比不多，却是建筑全生命周期中十分重要的一环。

2）建造阶段

建造阶段主要包括混凝土、钢材、钢筋等建筑材料的生产、运输以及施工过程中产生的碳排放。统计数据显示，我国建筑行业CO2排放占我国全社会总排放量的51.3%［3］。因此，若攻克了建材生产这一难题，我们就又朝着“双碳”战略迈出了一大步。

3）运维阶段

运维阶段包括建筑的正常运行以及建筑的维护和修缮。运维阶段主要是进行不同类型的能源和资源的消耗（如电力、天然气），主要表现在空调的运行，采暖设备的使用，以及采光照明设备、燃气设备的正常运转。通过能源的消耗也会产生不同类型的碳排放因子，特别是天然气等一次能源，更应降低其消耗量，节能减排。

4）拆除阶段

拆除阶段是一个工程量巨大的任务，除了用一些简单的工具对建筑物进行人工拆除外，还需要借助大型机械如挖掘机来进行机械拆除或者爆破拆除，对建筑物实施解体和破碎，最后将建筑废弃物运输至指定地点。此阶段CO2的排放量主要由建材消耗量、建材的平均输送距离和运输方式下单位重量运输距离的碳排放因子决定。

2.2 建筑结构类型

不同类型的建筑材料在生产过程中产生的碳排放不同，那么由不同建材砌筑成的不同建筑结构的碳排放量也会有很大差异。本文主要以木结构、钢结构、混凝土结构为例。其中，木结构的建筑大多采用东北落叶松、东北冷杉、北美花旗松和北美冷杉四种木材。

木材生长于大自然，是一种稳定、无污染的天然绿色材料。而钢和混凝土都是经过了复杂而漫长的工序加工而成，且加工过程有大量的CO2的释放。图2是不同建筑结构材料的碳排放。从图中可以看出，钢结构的碳排放仅在建材生产这一方面就比木结构超出了两倍不止。由此可见，相较于传统高耗能结构，木结构在减排方面有着显著优势，而且树木在生长的过程中，对CO2具有汇聚和固定即固碳的作用。若采用适当措施延长木材的寿命，还能增加碳储库的容量。除此之外，因混凝土建筑的比热容大，室温滞后时间较长，所以如果想让室内温度达到设定温度，需要提前较长时间打开空调。关闭空调后，也需要较长时间才能回到正常的室内温度。而木材的比热容小，保温隔热性能好，提前打开的时间较短，由此产生的能量消耗也较少。。

图2 不同建筑结构材料的碳排放[4]

2.3 建筑能源供给效率

建筑能源供给效率指城市能源系统对碳基能源的依赖以及生产和传输过程的能量损耗（碳基能源就是含有碳的，可降低温室气体排放的，如沼气即甲烷、天然气、煤层气、煤气等清洁能源，因为气体比固体燃烧完全，所以碳基能比直接燃烧煤炭要清洁许多）。我国火电(煤电、气电综合)热效率为47.2%，输电线路损耗在6%左右［5］。建筑系统中风机水泵的电力消耗(包括集中供热系统水泵电耗)占我国城市运行电耗的10%以上［6］，造成了能源的巨大浪费。

若将部分碳基能源替换成非碳基能源（简单来说就是不含碳的能源，如风能、太阳能、潮汐能等大多数可再生能源），则能在供给方面节约大量能源。

3 建筑碳减排的实施路径

3.1 着眼于建筑全生命周期各个阶段

1）设计阶段

建筑信息模型即BIM（Building Information Modeling）技术现已在建筑领域被广泛应用，主要是通过建立3D虚拟模型将建筑物可视化，还具有对象参数化和数据集成的特点，可以数据分析模型，参与建筑的全生命周期的各个阶段。在设计阶段起着尤为关键的作用。通过可视化的操作，可以检测建筑内部设备及构件有无碰撞或者设计不合理之处，可以有效预防因设计错误而造成的能源浪费。

2）建造阶段

大力推广绿色建筑。在施工过程中，要注意能源节约。建设时应根据项目及所在地的实际情况，区分施工区和生活区，合理选用技术工艺及流程。要提高建筑绿色化就要在建筑全过程体现绿色理念，设备节能，废物回收，能源循环，并使用数字赋能，将建筑数据信息化。通过信息共享实现建筑集约化，打破信息孤岛。

最重要的一环是使用绿色建筑材料，加大节能环保材料的使用比例。近期，美国芝加哥大学研制出一种类似变色龙的建筑材料，它可以通过感知室外温度来调整其红外线的释放强度，从而减少暖通设备的使用。例如，在夏天温度很高时，变色龙材料可释放出高达92%的红外线热量，从而减低建筑物本身的温度。冬天较冷时，这种材料仅仅释放7%的红外线，减少建筑物的热量损失，以此达到建筑物保温的效果。目前，我国的新型混凝土也已投入使用。新型混凝土主要是以绿色混凝土和绿色水泥为主，具有绿色无害的功能，在施工过程中能保证周围环境的稳定性。新型混凝土与传统混凝土材料相比功能效果更好，可以延长材料的使用寿命，可以使用300年，也不会发生恶化的情况。绿色混凝土材料主要是以工业废渣为主，会使用少量的水泥和混凝土加工，因此绿色混凝土不仅能提高资源的利用率，还能保护周围生态环境。

3）运维阶段

运维阶段碳排放占比超过建筑全生命周期碳排放总量的一半以上［7］，是实现建筑节能减排降碳的重中之重。运维阶段应从提高建筑运行能效和调整能源使用比例即优化能源结构两方面着手。

据估计，建筑物排放大约一半的能源足迹来自室内空间的供暖和制冷，故建筑运行效能主要应从建筑设备入手，使用节能的照明设备，同时对供冷系统、供热系统、供电设备、照明系统、给排水系统等建筑系统进行节能降碳优化，其核心目的是在实现建筑使用功能和室内舒适度的基础上，降低能耗和碳排放。

调节能源使用比例，就是在使用以碳基能源为代表的清洁能源基础上，增加非碳基能源的比例，例如使用风能发电、太阳能光伏发电、太阳能取暖（主要途径是利用被动式太阳能的房子，这是一个加热系统依赖于建筑物的围护结构自己完成吸热、存储热量和释放热量的功能，以此减少冬季热量负荷，甚至不用加热也可以保持舒适的室内环境）、地下水源热泵。既可以减少能源消耗，又能减少碳排放。

4）拆除阶段

（1）制定合理的拆除方案

上文提到的三种拆除方案中，爆破拆除和机械拆除的工作效率较高，使用广泛，但由于简单粗暴，其建筑材料的可回收率极低，增加了建筑垃圾处理的碳排放。有研究表明，“人工拆解比拆毁方式钢铁回收率高20%”［8］。可见，合理制定三种拆除方法的使用比例，能有效促进资源循环使用，减少建筑垃圾废物的碳排放。

（2）提高建筑废弃物运输效率，减少运输距离

可以适当增加建筑废弃物的收纳场地，将各类废弃物分类，选择就近地点排放。合理选择运输路线和运输工具，减少运输总次数。

3.2 综合使用节能技术

节能技术是指能够实现能源的高效利用，使其转化为最大限度的能源利用效率技术，如能源替代、能源再次利用等。

能源替代是指在能源生产、运输、消费等领域对使用的燃料进行替换，从而降低碳排放的过程。能源替代是实现碳减排的重要手段，当前，传统能源利用效率低且碳排放总量不断增加，已经成为制约可持续发展的重要因素。因此，加快能源转型成为实现碳达峰碳中和目标的重要举措。

我国已经开始实施碳减排的战略，而能源利用过程中的再次利用是实现碳减排的重要措施。能源再次利用具体措施如对生产过程中的能源、原材料和水等自然资源进行回收利用，实现资源节约和循环利用，对能源消费与消耗过程进行优化，实现碳排放总量控制。加强对能效提升技术的研究，促进能源利用效率提升。

3.3 建立健全建筑能耗监督系统

近年来，随着建筑节能工作的深入开展，建筑能耗逐渐成为我国重要的能源消耗类型。建筑能源利用效率（即建筑能耗占总能耗的比重）是衡量一个国家和地区发展建筑事业水平的重要指标。

通过分析建筑能耗数据，建立健全建筑能耗监督系统，可实现绿色智慧社区的建设目标。主要包括三个方面的内容：

1）通过对建筑耗能数据分析，找出能耗数据异常发生的原因，提出有针对性的解决措施。

2）利用物联网技术，建立健全节能监督系统，提高能源管理水平。

3）根据智能家居管理要求，建设智慧社区节能监督系统，打造绿色智慧社区。

建筑能耗监督系统是对建筑能耗的动态监控，是提高能源管理水平的有效手段。首先是数据的收集和处理，然后对数据进行综合分析，最后提出节能监督方案。根据节能方案，可以通过建筑能耗实时监测系统，实现对建筑物用能信息的远程监控。该系统可将数据及时传输到节能监督管理中心，为开展能源审计提供基础数据库。在实际工作中，应该重视能源管理部门与建设单位的沟通工作，及时了解和掌握建筑能耗信息。通过节能监督系统可以实现绿色智慧社区目标，提高能源利用效率，降低能耗成本，促进资源循环利用。

4 结语

在“双碳”战略实施的背景下，建筑碳减排势在必行。BIM 技术的数据集成能力、可视化能力和数据分析能力在建筑全生命周期都得到了广泛应用，在需求端减少碳排放的效果显著。在供给端也通过能源回收、能源再利用基本实现了能源的循环利用。但就现阶段而言，虽然建筑碳减排路径的研究方兴未艾，而其具体的实施路径却受到了一定程度的约束。例如，碳排放监测系统的精细程度不高，核算体系不完善、方法单一、数据匮乏等问题都等待进一步突破。