基于生命周期理论的建筑碳足迹分析

徐西蒙

(云南省生态环境科学研究院, 云南 昆明 650034)

0 引言

“碳足迹”的概念最早来源于“生态足迹”[1]分析，是指运用生命周期评价[2-3](Life cycle assessment, LCA)的方法，定量化计算产品全生命周期过程中相关的温室气体排放量。碳足迹分析作为LCA方法的重要应用之一，已逐渐成为世界范围内评估产品碳排放的主导方法。生命周期评价(LCA)已经在工业产品的决策中应用了超过40年，随着可持续性建筑的发展，LCA也已成为评价建筑环境影响的重要客观方法[4]。基于LCA方法的建筑碳足迹分析，实际就是计算建筑从建材生产、建造、使用维护及废弃过程产生的全部碳排放量，因此针对LCA适用的方法和标准也同样适用于建筑碳足迹分析。

经过多年的发展，LCA方法论已经逐步实现了国际标准化。自1997年起，国际标准组织相继推出了《ISO14040环境管理-全生命周期评价-原则与框架》《ISO14041环境管理-全生命周期评价-目标与范围的确定，清单分析》《ISO14042环境管理-全生命周期评价-全生命周期影响评价》等文件。我国参照国际标准，也相继颁布了《GB/T 24040-1999环境管理生命周期评价原则与框架》《GB/T 24041-2000环境管理生命周期评价目标与范围的确定和清单分析原则》《GB/T 24042-2002环境管理生命周期评价生命周期影响评价》和《GB/T 24043-2002环境管理生命周期评价生命周期解释》[5]。2014年，首部采用中、英双语编制的中国工程建设协会标准《CECS 374:2014建筑碳排放计量标准》[6](以下简称《标准》)由中国计划出版社出版。《标准》结合了相关的国际标准和经验，采用建筑全生命周期碳足迹追踪的方法学，提出了建筑碳排放数据采集、核算、发布的标准化计量方法，规范了建筑的全生命周期各阶段(材料生产、施工建造、运行维护、拆解直至回收)由于能源、资源和材料使用所产生的二氧化碳排放量的核算方法，同时对核算过程涉及的活动水平数据及碳排放因子的来源渠道做出了相应规定。

本文以位于昆明市的典型综合建筑—世博生态城低碳中心大楼为研究目标，基于生命周期理论，对其碳足迹进行分析计算，以期为云南省典型建筑的低碳化设计、改造以及温室气体排放核算提供参考。

1 研究对象概况

世博生态城低碳中心位于昆明市市区，是集文体设施及办公为一体的全钢框架型综合建筑。总占地30956.7m2，总建筑面积143924m2，地上86329m2，地下57595m2。容积率2.99，建筑密度25.7%，绿地率40.2%。由A、B两栋高层办公建筑和C栋综合性多层建筑组成，其中A栋22层，B栋17层，C栋5层。世博生态城低碳中心项目由A、B两栋高层办公建筑和C栋综合性多层建筑组成。本文纳入碳足迹计算范围为低碳中心A、B、C三栋建筑。

2 研究方法

本文将根据《CECS 374：2014建筑碳排放计量标准》的要求，以世博生态城低碳中心相关支持文件和数据为依据，对其进行碳足迹核算分析。

2.1 计算流程

根据《CECS 374：2014建筑碳排放计量标准》要求，建筑碳排放计量将按下列步骤进行：

(1)界定建筑物的核算范围和区域；

(2)界定建筑碳排放单元过程；

(3)采集碳排放单元过程的活动水平数据；

(4)采集碳排放单元过程的相关碳排放因子；

(5)按照《标准》规定的方法核算建筑碳排放量。

2.2 核算范围及核算单元

研究目标全生命周期内的排放单元包括：

(1)材料生产阶段：建筑主体结构材料构件的使用；建筑围护结构材料、构件、部件的使用；建筑填充体材料、构件、部品、设备的使用。

(2)施工建造阶段：建筑材料、构件、部品、设备的运输；施工机具的运行；施工现场办公。

(3)运行维护阶段：建筑设备系统的运行；建筑材料、构件、部件、部品、设备的维护与更替；更替的建筑材料、构件、部品、设备的运输。

(4)拆解阶段：拆解机具的运行；废弃物的运输。

2.3 核算准则

此次核算除《CECS 374：2014建筑碳排放计量标准》以外，还参考了《GB/T50378-2014绿色建筑评价标准》以及《IPCC 国家温室气体清单指南》，并以世博生态城低碳中心建设方提供的支持文件和数据为依据。

3 结果与分析

3.1 各单元过程数据统计

3.1.1 材料生产阶段主要排放源数据

建筑材料、构件、部品、设备从原料开采、加工制造，直至最终形成成品，各个环节都会消耗能源，因此可认为每一个建材、构件、部品、设备都是碳排放固化的产物，都有其固化的碳排放量。

(1)建筑主体结构材料构件

主体结构材料和构件类别主要包括梁、板、柱、承重墙体等支撑建筑整体框架的部位。根据建筑材料清单，主体结构所用材料主要为混凝土和钢筋，具体使用量如表1所示。

目前我国尚未建立起能够满足建筑全生命周期的碳排放因子数据库，为了满足碳排放量计算的实际需要，本文通过查阅相关参考文献和第三方机构数据库，获得相关建材主体结构材料、构件的碳排放因子，如表2所示。

表1 建材主体结构材料、构件的活动水平数据汇总表

表2 建材主体结构材料、构件的碳排放因子汇总表[7-9]

(2)建筑围护结构材料、构件、部件

建筑围护结构材料和构件类别主要包括屋面、墙体、门窗、地面等部位。根据建筑材料清单，围护结构所用材料包括砂、碎石、水泥、水泥砂浆等，具体使用量如表3所示。

相关建材围护结构材料、构件的碳排放因子同样通过查阅相关参考文献和第三方机构数据库获得，见表4。

(3) 建筑填充体材料、构件、部品、设备

建筑填充体材料、构件、部品、设备类别主要包括建筑内装饰、厨卫设备、电气设备、通风空调设备、电梯、管线等部分。根据建筑材料清单，具体类别及使用量如表5所示。

相关建材填充体材料、构件的碳排放因子同样通过查阅相关参考文献和第三方机构数据库获得，见表6所示。

表3 建材围护结构材料、构件的活动水平数据汇总表

表4 建材围护结构材料、构件的碳排放因子汇总表[7,9～10]

3.1.2 施工建造阶段主要排放源数据

(1)建筑材料、构件、部品、设备的运输

基于对同类型建筑相关部分产生的排放调研结果，建筑材料、构件、部品、设备的运输排放占总排放的比例<1%，对总排放量影响较小，故本文忽略不计。

(2)施工机具运行

施工机具运行的活动水平数据见表7。

表5 建材填充体材料、构件的活动水平数据

表6 建材填充体材料、构件的碳排放因子[7,10]

表7 施工机具运行的活动水平数据汇总表

《建筑碳排放计量标准》中给出了部分能源的碳排放因子以及常用能源的热值，本文中的能源碳排放因子全部来源于《建筑碳排放计量标准》，云南省级电网平均二氧化碳排放因子取0.0921kg CO2/kWh。由于《建筑碳排放计量标准》没有给出水资源的碳排放因子，为了满足碳排放量计算的实际需要，本文通过查阅相关参考文献获得水资源的碳排放因子。各类能源和资源的碳排放因子见表8和表9。

表8 常用能源的热值[6]

表9 常用能源和水的碳排放因子[11]

(3)施工现场办公

施工现场办公耗电的活动水平数据见表10。

表10 施工现场办公耗电的活动水平数据汇总表

电力碳排放因子见表9。

3.1.3 运行维护阶段主要排放源数据

根据丁洪涛等[12]的研究，低碳中心项目的运行能耗可根据不含供暖的公共建筑的单位面积能耗计算，如式(1)所示。其中单位面积能耗取值116.07kwh/m2.a，建筑的设计年限是50年，建筑面积为143924m2。

(1)

式中：n—建筑设计使用年限(年)；Ej—单位建筑面积能耗(kwh/m2.a)；Fj—j种能源的碳排放因子，针对低碳中心项目主要为电力能源(kg CO2/kwh)；S—建筑面积(m2)。

3.1.4 拆解阶段主要排放源数据

由于建筑废弃物的回收利用在建筑材料的开采和生产阶段已经被纳入计算，为避免重复核算，该阶段不对其进行考虑。该阶段只对建筑拆除机械耗能和运输建筑废弃物运输机械耗能产生的碳足迹进行计算，如式(2)所示。其中，建筑拆除机械耗能碳足迹按照施工阶段施工机械产生的碳足迹的8.95%计算，建筑废弃物的运输质量按照建材总质量的80%计算，运输距离选择30 km，柴油消耗量根据《中国交通年鉴》中的公路运输柴油火车单位能耗量取值(5.28*10-2kg/t.km)结合运输距离进行计算，柴油排放因子为3160 tCO2/t。

E4=∑jQj×Fj+∑d,jmd×L×Ejk×Fj

(2)

式中：Qj—j种能源消耗量(t)； Fj—j种能源排放因子(tCO2/t)；md—废弃物质量(t)；L—运输距离(km)；Ejk—j种能源消耗量(t)。

由于各类建筑材料的计量单位不统一，为方便计算，通过查阅相关资料[13]，对主要建筑材料的体积重量转化系数进行了统计，如表11所示。

表11 常用建筑材料体积重量表

将表1、表3、表5中的活动水平数据结合表11进行转换后，计算可得项目所用建筑材料总重量约为491446.89t。

3.2 各阶段碳排放量

每个建筑生命周期阶段的碳排放量为该阶段的活动水平数据与碳排放因子的乘积。

3.2.1 材料生产阶段碳排放量

材料生产阶段建筑碳排放量按下式进行计算：

(3)

式中：E1—材料生产阶段建筑碳排放量(t CO2)；ADZT—主体结构材料用量(t)；EFZT—主体结构材料碳排放因子(tCO2/t)；ADWH—围护结构材料用量(t)；EFWH—围护结构材料碳排放因子(tCO2/t)；ADTC—填充体材料用量(t)；EFTC—填充体材料碳排放因子(tCO2/t)；i—材料种类。

(1)建筑主体结构材料构件的碳足迹

表12 建材主体结构材料、构件对应的碳排放量

(2)建筑围护结构材料、构件、部件的碳足迹

表13 建材围护结构材料、构件对应的碳排放量

(3)建筑填充体材料、构件、部品、设备的碳足迹

表14 建材填充体材料、构件、部品、设备的碳排放量

经计算，材料生产阶段产生的碳足迹E1为145812.91t。

3.2.2 施工建造阶段碳排放量

施工建造阶段建筑碳排放量按下式进行计算：

(4)

式中：E2—施工建造阶段建筑碳排放量(tCO2)；ADSGD—施工建造阶段某单元过程中的耗电量(kWh)；EFD—电力碳排放因子(tCO2/kWh)；ADSGY—施工建造阶段某单元过程中的耗油量(t)；EFY—燃油碳排放因子(tCO2/t)；ADSGM—施工建造阶段某单元过程中的耗煤量(t)；EFM—燃煤碳排放因子(tCO2/t)；ADSGQ—施工建造阶段某单元过程中的耗燃气量(Nm3)；EFQ—燃气碳排放因子(tCO2/Nm3)；ADSGQT—施工建造阶段某单元过程中的其他能源消耗量(tce)；EFQT—其他能源碳排放因子(tCO2/tce)；ADSGSH—施工建造阶段某单元过程中的耗水量(t)；EFSH—水碳排放因子(tCO2/t)；i—单元过程种类。

(1)施工机具运行的碳足迹

表15 施工机具的运行对应的碳排放量

表16 施工现场办公耗电对应的碳排放量

(2)施工现场办公的碳足迹

经计算，施工建造阶段能耗的碳足迹E2为1259.6t。

3.2.3 运行维护阶段碳排放量

将活动水平数据代入式(1)计算，即：

E3=0.0921×116.07×50×143924

经计算，运行维护阶段能耗的碳足迹为76927.72t。

3.2.4 拆解阶段碳排放量

将活动水平数据代入式(2)计算，即：

E4=8.95%×1259.6+30×80%×491446.89×5.28*10-2×3160.5

经计算，拆解阶段能耗的碳足迹为2080.96t。

4 结论

根据逐个单元的碳足迹核算，低碳中心各生命周期阶段的碳排放量如表17所示。由此可知，该建筑全生命周期的碳足迹为226081.19t。

表17 建筑设计阶段(材料生产阶段和施工建造阶段)碳排放量

根据表17所示各生命周期的碳足迹可以看出，材料生产阶段和运行维护阶段所产生的碳排放分别占全生命周期的64.5%和34.03%，应作为降低同类建筑总排放量的关键环节。具体看来，表12～表14的数据显示，材料生产阶段中钢材、商品混凝土、水泥、水泥砂浆、玻璃、铝板带和地砖对应的碳排放量又分别占全生命周期总排放量的27.39%、29.30%、0.42%、1.13%、0.60%、1.10%和1.18%。商品混凝土的主要成分是水泥，因此，钢材和水泥是该类建筑碳排放量最大的两种建材。通过回收利用的方式，可以有效减少钢材使用产生的碳排放；对于水泥产品，则可以通过在建材原料采购阶段选用持有低碳产品认证的产品来降低这部分的碳排放。