對建筑樓宇碳排放量計算模型的探索

封澤鵬 劉澤勤

天津商業大學機械工程學院

對建筑樓宇碳排放量計算模型的探索

封澤鵬 劉澤勤

天津商業大學機械工程學院

對建筑樓宇碳排放量的計算模型進行研究，將有助于評估建筑樓宇整個生命周期對環境的影響。本文對建筑的整個生命周期中各個階段的二氧化碳排放量進行了探索，通過對建筑物材料及所耗能源數據進行收集與分析，獲得不同建筑材料及能源碳排放系數。在前人研究的基礎上，建立建筑物碳排放量的計算模型。通過案例分析，得到建筑使用和維護階段中的碳排放量占到全生命周期的比例最大的結論。

碳排放量碳排放系數全壽命周期計算模型

由于我國經濟總量增長迅速，能源消耗不斷增加，以煤為主的我國能源消費結構，導致碳排放總量的不斷增長，已成為世界上最大碳排放國家之一。積極尋找減排途徑、加速發展低碳經濟，既是保護環境的需要，也是中國實現可持續發展的內在要求。對建筑樓宇進行碳排放量的研究，就是從本質上探索在生產實際中實施低碳運行的可能性。當前國內關于低碳建筑碳排放量的研究還處在摸索階段，尤其是建筑碳排放量計算方法的研究報道還不多見。本文通過建立碳排放量的計算模型，用不同運輸方式、建筑材料和能源的碳排放系數，更為直接、簡單、快速地計算出單體建筑全生命周期的碳排放量，并且進行案例分析，獲取住宅建筑碳排放指標參數，分析其排放的特征，為建筑樓宇碳排放量的深入研究提供技術支持。

1 建筑壽命周期碳排放的計算方法

按照過程分析法的基本思路[1]，建筑樓宇的碳排放量貫穿建筑樓宇的全壽命周期，主要可分為建材生產，建材的運輸，建造施工，建筑使用和維修，建筑拆卸和回收五個階段。其中建材的準備階段又包括建材設備制造，建材運輸，以及建筑所需要能源的生產，輸送等消耗能源從而產生的碳排放量也包括在內。

由于建筑物建筑面積，建造材料、機械的使用量等都有差別，直接導致碳排放量差別很大；而使用階段持續時間幾乎占了建筑生命周期的全部，評價年限對評價結果影響很大，因此僅給出建筑物總的碳排放量缺乏可比性。為使評價結果之間具有一致性和可比性，采用每年每平方米建筑面積的碳排放量作為橫向可比評價指標，可減少由于建筑物規模、設計年限不同帶來的計算誤差影響。

根據國家頒布的《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068-2001）的規定，紀念性建筑和特別重要的建筑使用年限為100年，普通房屋和構筑物使用年限為50年。本文研究中設定住宅建筑使用年限為50年。

住宅建筑的全壽命周期可以分解為建材生產、建材運輸、建造施工、建筑使用和維護、建筑拆卸5個階段。于是，總排放量P為：

式中：P1、P2、P3、P4、P5分別為建材生產、建材運輸、建造施工、建筑使用和維護、建筑拆卸5個階段的碳排放量。

1.1 建材生產

建筑建材生產階段的碳排放主要是由于建材的生產過程消耗電力、煤、石油、天然氣等能源及生產工藝環節之中的物化反應而釋放出大量的溫室氣體[2]，這部分碳排放[3]雖然在整個城市或國家層面的碳排放計入時，歸為工業生產領域中而不列入建筑范疇，為避免重復，建筑領域內不再計入，但對比建筑單體的碳排量時，為保證建筑單體碳排放計入和比較的完整性，應列入該部分碳排[3]。為滿足低碳建筑全空間的內涵要求，還將監督建筑建造過程中的建材選用。表1為建筑材料的碳排放系數（考慮建部分建材回收）[4～8]。

建材生產碳排放量P1計算公式為

式中：Qi為第i種建材的用量為單位建材生產過程的碳排放系數。

表1 建筑材料碳排放系數

1.2 建材運輸

建材運輸碳排放量P2的計算公式為：

式中：βj為采用第j種運輸方式運輸碳排放系數；Qi為第i種建材質量；Lij為第i種建材在第j種運輸方式下的運輸距離。

表2、3分別為部分運輸方式單位能耗、動力能源的單位能耗的碳排放量。不同運輸方式單位能耗[10]與其動力能源單位能耗的碳排放量[10]相乘即可轉化求得不同運輸方式的碳排放系數，見表4。

表2 部分運輸方式單位能耗

表3 動力能源單位能耗的碳排放量

表4 部分運輸方式的碳排放系數

1.3 建筑施工

建筑施工過程的能耗主要為施工現場攪拌混凝土、混凝土澆筑振搗、施工過程照明及辦公區及倉儲間的各種機械設備的耗電量。建筑施工階段的碳排放量計算有兩種方法，一種是通過各施工工藝的單位碳排放系數和施工工程量求得碳排放量；另一種是通過獲得電力和化石能源的碳排放系數，再根據耗電量和化石能源消耗量，計算得到建筑施工階段的碳排放量。前一種方法由于受到機械性能，及施工環境的影響，施工產生的碳排放量不僅跟工程量有關系，更受機械性能，人工等因素的影響，因此本文采用更為直接的第二種計算方法。

建筑施工碳排放量P3計算公式為:

式中：Qf，Qe分別為耗電量和能源消耗量（主要為柴油）分別為電力與能源的碳排放系數。

根據IPCC（聯合國政府間氣候變化專門委員會）在2006年發布的計算方法，中國能源統計年鑒提供的國內一次能源的熱值，得到化石能源碳排放系數如表5所示[11]。

表5 化石能源碳排放系數

電力的碳排放系數可先將電力折算為標準煤量，通過標準煤的碳排放系數來獲得電力的碳排放系數。電力折算為標準煤的系數，本文在公式推導中使用等價系數，根據能耗換算標準規定的電力等價折算系數以當年火力發電平均供電標準煤耗計算[12]。等價系數每年各不相同，為了與國際接軌，同時便于歷史資料對比，規定只有在計算國家、省、市級的能源消費總量時，電力仍采用等價系數計算，而基層企業計算能源消費量時，電力必須采用當量系數計算[13]。綜合以上本文以國家統計局每度電折0.404千克標準煤，作為電力折算標準煤系數[14]。我國發改委發布的標準煤的碳排放因子為0.67kg/kgce。

采用標煤法計算二氧化碳的排放量的公式為[15]：

式中：β為電力折算為標準煤等價系數，kg/kWh；Kec標準煤碳排放因子，kg/kgce。

綜合以上得到電力碳排放系數為0.997kg/kWh。

1.4 建筑使用

要求的建筑使用階段的碳排量，需要先獲得建筑運行的耗電量和耗氣量。然后再根據表5以及推導出的電力的碳排放系數為0.997kg/kWh轉化為建筑的碳排放量。

建筑使用階段碳排放量P4計算公式如下：

式中：N為建筑使用年限，在碳排放量計算時取N=50年。

1.5 建筑拆卸

建筑拆卸階段的與建筑施工過程方法類似。

筑拆卸階段碳排放量P5其計算公式為：

式中：Qf，Qe分別為耗電量和能源消耗量（主要為柴油）。

2 案例分析

以北京某住宅小區5層三單元一梯兩戶住宅為例，用碳排放量數學模型計算建筑樓宇的碳排放量。建筑物總建筑面積為2945.35m2，根據實地的數據收集可得建筑運行階段的耗能以及建材用量如表6所示。

表6 建材用量

假設建筑的使用壽命為50年，通過走訪建筑施工單位獲得所需數據為：建材的運輸為公路卡車運輸，運輸距離按200km計算；建筑建造過程的耗電量為43500kWh，施工過程消耗的柴油量為20253L；建筑的年耗電量為28kWh/(m2a)，根據北京市統計數據，天然氣的用氣量為200m3/(戶年)；建筑拆卸過程耗電量12540kWh，所耗柴油量為24350L。綜合計算得各個階段的二氧化碳排放量如表7所示。

表7 住宅建筑各階段碳排放量

根據表7所列技術結果，碳排放總量P=P1+P2+P3+ P4+P5=5875.51t。

單位建筑面積年碳排放量：

式中：S為建筑的總面積；N為建筑使用年限，在碳排放量計算時取N=50年。

計算得：c=39.9kg/(m2a)，該樓的單位建筑面積年碳排放量比參考文獻[11]計算的上海市單位建筑面積碳排放量22.8kg/(m2a)要高，主要原因是北京地處華北區域電網，電力的來源主要是火電，其電力的碳排放系數高達0.997kg/kWh。

3 結論

對比計算結果可以看出，對建筑而言，建筑使用和維護階段中的碳排放量占到全生命周期的比例最大，高達75.3%，其次建材的生產過程占了21.2%，建材施工占了1.6%，建筑拆卸和回收1.5%，建材的運輸為0.4%。因此，加大建筑使用和維護階段中碳排放量的控制研究，將有助于降低建筑物生命周期碳排放量，對環境保護工作具有積極意義。

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Ex p lo ra tion o f Com pu ta tion M ode l o f Bu ild ing s Ca rbon Diox ide Em iss ions

FENG Ze-peng,LIU Ze-qin
SchoolofMechanical Engineering,Tianjin University ofCommerce

Research of computationmodel of buildings carbon dioxide em issionsw ill contribute to assess the effectof life cycleon environment.Thispaperexplored buildingscarbon dioxideem issionsacross the life cycle,by collecting and analyzing data of buildingmaterial and power source consumed,carbon em issions factors of differentbuildingmaterial and powersource.On thebasisof previous frameworks,computationmodelofbuildings carbon dioxide em issions could bebuilt.By analyzing case,use-phaseemissionsandmaintenance phaseemissions took the largestproportion.

carbon dioxideemissionscarbon emissions factors,life cycle,computationmodel

1003-0344（2014）02-073-4

2013-4-24

封澤鵬（1987～），男，碩士研究生；天津商業大學機械工程學院（300134）；E-mail:fengzepeng110@126.com