基于青岛市碳排放BIM 审查系统的建筑能耗及碳排放分析

田力男 刘平平 郝楠 朱峰磊 徐汉擎 王金祺 王佳员

（1.青岛市住房和城乡建设局，青岛 266071；2.北京构力科技有限公司，北京 100013）

引言

中国的建筑业碳排放量约占总碳排放量的50%[1]，而建筑运行碳排放比例占20%左右[2]。目前，建筑能耗是我国建筑业碳排放的主要影响因素[3]，节能减碳是实现“双碳”目标的重要途径[2]。建筑能耗受建筑节能技术、建筑使用方式、室内环境参数等的影响[4]，建筑围护结构[5,6]、空调采暖设备性能[7]、照明功率密度[8]等因素均会对建筑能耗和碳排放产生影响。

随着信息化技术的提升，2011 年住建部首次提出BIM 技术，并且在“十三五”期间成为我国建筑业重点推广的建筑信息技术[9]。山东省提出提高在大中型项目中BIM 技术的应用比例，推进BIM 和人工智能审图，加大基于BIM 项目管理信息系统的推广[10]。

基于以上背景，本文搭建BIM 平台建筑模型，探究建筑节能减碳的影响因素，并开发碳排放专项的BIM 审查系统，对能耗和碳排放进行管控和分析。

1 碳排放研究边界及数据处理方法

本研究基于《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366-2019，研究运行阶段主要能耗单元（空调、采暖和照明系统）的碳排放量。考虑不同围护结构对碳排放的影响，并且研究分析各影响因子减排力度的贡献，包括不同节能率水平、碳排放因子、空调采暖设备性能、照明功率密度、围护结构和空调采暖系统运行时间。

2 计算参数

本项目选择两个青岛市住宅建筑作为研究对象，建筑基础信息见表1。基于PKPM 的BIMBase 平台建立建筑信息模型进行建筑能耗模拟及碳排放计算分析，并满足青岛市智能审查系统建设要求，研究路线如图1 所示。

图1 研究路线

表1 建筑基础信息

建筑围护结构参数依据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021（以下称《通用规范》）、《山东省居住建筑节能设计标准》DB 37/5026-2014（以下称《山东居建省标》）和《民用建筑外窗工程技术规范》DB37-5016 取值，主要围护结构取值如表2 所示。

表2 围护结构热工性能指标

空调系统按房间空调器设置，设计参数按《房间空气调节器能效限定值及能效等级》GB 21455-2019 选取；采暖系统选择燃煤锅炉，设计参数依据《通用规范》选择。项目能耗以等效电力形式进行统计，碳排放计算中电力电网碳排放因子取值。

3 结果分析与讨论

3.1 建筑运行阶段能耗及碳排放

本研究中建筑运行阶段碳排放量是依据PKPM 的BIMBase 平台碳排放软件计算得到，如表3 所示。建筑1 单位面积采暖能耗和碳排放量达到14.16kWh/(m2·a)和8.23 kg CO2/(m2·a)。按《建筑环境通用规范》GB 55016-2021，青岛市属于寒冷地区，空调采暖系统能耗以采暖能耗为主，因此运行能耗中采暖能耗占比最大，建筑2的采暖能耗和碳排放量占比达到了70%以上。单位面积每年照明碳排放量在3 kg CO2/(m2·a)左右，占运行阶段的20%～30%。两栋建筑的制冷能耗占比均在8%以下。

表3 运行阶段碳排放量

不同围护结构对碳排放的影响程度不同，为探究各围护结构对制冷采暖系统碳排放影响，本文考虑了《通用规范》与《山东居建省标》两本标准中主要有差异的围护结构对碳排放量的影响，为青岛市推进本地能耗和碳排放量的研究提供参考。

基于《山东居建省标》的基础上优化围护结构，考虑各个围护结构变化后的碳排放量以及所产生的减碳量。图2 是指围护结构优化后，空调和采暖碳排放量以及优化前后的减碳比例。各个围护结构变化后，导致建筑1 和建筑2 的碳排放量分别达到15.99～16.51 kg CO2/(m2·a)和18.07～18.19kgCO2/(m2·a)，两栋建筑的单个围护结构对减碳比例的影响范围达到-0.36%～3.12%、-1.67%～0.69%， 如 图2 所 示。 相较于《山东居建省标》围护结构的限值，屋面的传热系数提升了37.5%，两栋建筑减碳比例达到1.71%和0.69%；对于12 层的建筑1 来说，周边地面热阻提升建筑能耗和碳排放量的降低程度最大，而对于27 层的建筑2，其建筑面积是建筑1 的1.73 倍，单位面积的减碳比例对整栋建筑而言便有所削弱，仅达到0.06%；由于《通用规范》中对分隔采暖和非采暖空间楼板的热工要求低于《山东居建省标》，导致两栋建筑的碳排放量有所提升。

图2 各围护结构对碳排放的影响

3.2 各因子对碳排放量的影响

除各个围护结构外，其他影响因子产生的减排效果明显高于单个围护结构的影响。因此，为了能更加充分地研究各因子对能耗和碳排放的影响，本节针对节能率水平、碳排放因子、空调采暖设备性能、照明功率密度和围护结构（将各围护结构均考虑在内），探究各因子对碳排的影响。其中，不同节能率是综合考虑了围护结构、设备性能、照明功率密度和碳排放因子的差异。

不同节能率水平下，建筑的碳排放量最低，且减排力度最大，建筑1 和建筑2 减碳比例均超过40%，减 碳 指 标 均 达 到9.82 kg CO2/(m2·a) 和10.01 kg CO2/(m2·a)。其次是碳排放因子的影响，两栋建筑减碳比例均为34.30%，减碳指标分别为7.58 kg CO2/(m2·a)和8.07 kg CO2/(m2·a)。两栋建筑各影响因子对建筑减碳能力的贡献如下：节能率水平>碳排放因子>空调采暖设备性能>照明功率密度>围护结构，如图3 所示。由于围护结构中户门和分隔采暖和非采暖楼板的热工性能是降低的，这可能是造成围护结构对减碳贡献为负的主要原因。

图3 各影响因子对碳排放的影响

根据本研究结果，空调采暖系统碳排放占比达到70%～80%，其影响因素包括围护结构、设备性能、碳排放因子等。人的用能行为是建筑能源消耗量的重要影响要素[11]，因此本文也考虑不同空调采暖运行时间对建筑碳排放的影响。考虑实际情况中周一至周五9:00～17:00 时间段为上班时间，考虑该住宅空调采暖系统此时间段内不开启，即系统部分时间开启。

与全年运行相比，空调采暖系统部分开启时，碳排放均为减少趋势，建筑1 和建筑2 的减碳比例分别达到6.95%和10.86%，如图4 所示。

图4 空调采暖系统运行时间对碳排放的影响

较空调系统部分时间开启时，运行时间对采暖系统的影响更为显著，两栋建筑的采暖减碳量分别达到0.49 kg CO2/(m2·a)和1.02 kg CO2/(m2·a)，整体上对建筑2 的采暖减碳量影响更为明显，达到了10.45%。人为或者自动控制空调采暖系统开启能够减少建筑运行碳排放量，尤其是高层建筑，对空调采暖启动时间加以控制，能够有效促进建筑节能减排。

3.3 碳排放BIM 审查系统

2022 年4 月1 日起，《通用规范》正式实施，青岛市结合此标准，以在青岛市市南区作为试点，考虑基于原智能数字化施工图审查系统的基础上，增加碳排放BIM 审查系统，如图5 所示，可针对建筑单体及重点企业进行碳排放管控与分析，并有助于建设管理部门对区域或城市碳排放总量进行控制。

图5 碳排放BIM 审查系统示意图

碳排放设计完成的BIM 模型可上传至碳排放BIM审查系统，利用BIM 技术对模型内部涉及的构件级对象进行数字化量化分析，自动化判断模型与国家、行业和地方标准之间的符合情况，根据智能审查结果快速对BIM 模型进行复核。审查通过的BIM 模型将进入到施工、竣工及运维阶段，实现建筑工程全流程管理，全面提升建筑全流程的智能化水平。

4 结论

本文从智能审查系统的建设要求出发，详细阐释了建筑能耗及碳排放的理念，对建筑能耗和碳排放指标进行重点分析。原智能数字化施工图审查系统的基础上，建设碳排放BIM 审查系统，助力建设主管部门对单体建筑、重点企业进行碳排放和能耗指标的把控。

（1）青岛属于寒冷地区，采暖能耗和碳排放量最大，两栋建筑采暖能耗和碳排放量在运行阶段占比约70%左右；考虑各围护结构的影响，两栋建筑的碳排放量指标分别在在15.99～16.51 kg CO2/(m2·a)和18.07～18.19 kg CO2/(m2·a)，单个围护结构对减碳比例的影响范围为-0.36%～3.12%和-1.67%～0.69%；

（2）各影响因子对建筑减碳能力的贡献如下：节能率水平>碳排放因子>空调采暖设备性能>照明功率密度>围护结构。人员情况间歇运行对青岛市建筑的采暖减碳量影响更为明显，人为或者自动控制空调采暖系统开启能够减少建筑运行碳排放量，促进建筑节能减排；

（3）以在青岛市市南区作为试点，在原智能数字化施工图审查系统的基础上，建设碳排放BIM 审查系统，可针对建筑单体、重点企业进行碳排放管控与分析，并有助于建设管理部门对区域或城市碳排放总量进行控制。