建筑物化碳足跡關鍵技術研究

劉亮俊 王立梅 邵航 俞堅 翟躍忠

【摘要】碳足跡的概念源于碳排放，兩個之間是包含于被包含的關系，碳足跡是表示一個產品的碳排放，在某種意義上，碳足跡也是確定未來可以在哪些方面采用何種方式減少碳排放的重要工具之一。

【關鍵詞】建筑物化;碳足跡? ? ? ? ? 【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.076

1、建筑物化碳足跡分析

建筑工程物化過程是一項較為復雜的過程，涉及到的因素較多，通過分析建筑物化碳足跡各階段的來源及影響因素，指出模型中所涉及到的參數，為模型建立提供基礎。

1.1建材開采（生產）階段

材料是構成一切產物的基礎，建材也是建筑工程的源頭，屬于建筑工程最源頭的產物，建材開采（生產）本應屬于工業領域，但在比較建筑物化過程碳足跡時應包含所使用的材料。對不同建筑物物化過程碳足跡進行比較時，應充分考慮物化過程各方面碳排放，其中原材料開采、生產為物化過程碳排放來源之一，并且不同材料生產和使用過程中碳排放存在較大差異，前后碳排放比例不一致，因此材料開采、生產需考慮在建筑碳足跡內。建筑材料開采、生產所產生的碳排放應涵蓋其全生命周期各個不同部分，包括將原材料加工至成品過程中材料本身所排放的碳以及其他輔助資源的碳排放。在材料使用過程中，考慮部分材料非一次性使用，存在重復周轉使用，因此在進行模型建立時應充分考慮材料使用情況。隨著工業化的發展，建筑實體的增多，建筑材料生產階段所消耗的資源以及碳排放在建筑全生命周期內所占比例不容忽視，在物化過程中整體碳排放比例更高，因此，能夠更加有效的控制建筑材料生產過程的碳排放對于建筑行業節能發展具有十分重要的意義。

1.2物料運輸階段

物料運輸階段指將材料成品、半成品等由材料生產地運至施工現場的過程，不包含原材料運輸至材料生產地的運輸過程能源碳排放，該階段所產生的碳排放主要來自運輸工具的能耗溫室氣體排放，其影響因素較多，主要有運輸建材種類、所用運輸工具型號（載重）、燃料類型、運輸距離、運輸量等影響因素，不同工程涉及的每項影響因素均不同。

1.3主體施工階段

現階段建筑施工主要依據施工機械進行，故在建筑施工階段所產生的碳足跡主要來自施工照明和機械作業施工消耗能源產生的碳足跡。施工機械設備的動力為能源消耗，部分施工機械消耗電能，部分消耗柴油，還存在一部分消耗的是汽油等;施工機械的碳足跡影響因素主要是機械型號、臺班能源消耗量等，其中機械型號即表示功率、能耗等信息。

1.4施工配套設施

施工階段施工場地布置一般遵循“三區分離”原則，即作業區、材料堆放區和辦公生活區配套設施主要在辦公生活區，分為辦公區和生活區，其中辦公區主要能源消耗為電，有電腦、空調、照明等設備，生活區除了消耗電能外，還包括燃氣消耗。

2、建筑物化碳足跡因子分析

碳足跡因子指完成某一種單位工作所產生的碳排放，其中可能包含能源燃燒和材料成品或半成品等，是量化碳足跡的重要參數，不同國家存在不同的標準，但一般在建筑碳足跡計算過程中，認定碳足跡因子是不變的，不會隨著計算方法與計算過程的變化而變化。碳足跡因子也是通過能源、材料等數據計算而得，系統邊界為產品或活動的全生命周期，在全生命周期中所產生的溫室氣體。模型中所涉及的碳足跡因子主要有能源、材料、運輸機械以及施工機械碳足跡因子，其中，能源碳足跡因子為所有數據研究的基礎，不管在材料生產、機械運作過程中都將消耗各種不同的能源，因此在進行碳足跡因子計算時，能源因子作為基礎數據，保證后期因子數據的準確性，就必須保證能源因子的數據準確性。

在碳足跡因子選取過程中，一般情況下需要通過實驗測定，但由于試驗方法和設備差異，試驗條件的不同，導致數據差異性較大，無法提供統一的數據，但隨著綠色建筑的推廣，學術界對碳足跡因子的研究也愈發增多，隨之，碳足跡因子的研究成為目前學術界討論的熱點。本項目依據權威性原則、就近性原則以及均值原則進行碳足跡因子選取與計算。為橫向對比提供依據。

（1）權威性原則，在選取過程中主要依據 IPCC 所提供的數據，IPCC 為國際委員會，能夠給出精確度準、適用性廣的數據，本項目的基礎能源以及原材料因子可直接進行選取，但部分成品、半成品還需進一步采用權威數據計算，以便提高研究的準確性。

（2）就近性原則，由于學術界對碳足跡因子尚未有一個完整的數據庫，在 IPCC 提供數據的基礎上，通過對文獻研究，其中部分學者對部分材料碳足跡因子已進行了相關的研究計算，采取就近性原則在其中選取與本項目研究工藝相同的數據，若研究范圍存在差距，則進行多者對比選取最相近的。

（3）均值原則，由于 IPCC 所提供的數據不完整，采取就近性原則，但由于試驗設備、條件大相徑庭，所產生的數據也有所差異，在范圍相同的基礎上存在幾種試驗結果，需要對不同結果進行對比分析，在滿足要求的情況下選取其均值作為本次研究的基礎數據。依據以上原則進行碳足跡因子選取，保證所選取的基礎數據最合適本項目的研究評價，提高研究的準確性。

3、建筑物化碳足跡計算系統設計

3.1 需求分析

（1）模型應用需求

前文中所建立的基于 BIM 的建筑物化碳足跡計算模型能夠有效量化建筑物化階段碳足跡，達到對建筑碳足跡的管理，但模型的研究是為了能夠實際應用，為了提高模型的可應用性以及可操作性，需要將模型進一步開發成應用操作系統，為建筑碳足跡提供基礎，為綠色建筑發展提供量化因子。

（2）碳足跡快速計算需求

建筑全生命周期碳足跡一個難以量化的數據，要實現物化階段快速計算更為量化碳足跡增加困難，但本項目所研究的物化碳足跡計算是在工程設計階段，通過初步設計量化碳足跡進行建筑優化設計，可能會存在多次優化，但設計階段周期較短，如果進行手工計算，會耽誤設計周期，造成設計工作無法在規定的時間內完成，產生延期，以致工程整體進度產生延誤。因此，快速計算建筑碳足跡成為工程進度保證的需要。

（3）信息化發展趨勢需求

當前，建筑行業 BIM 技術迅速發展，帶動著整個行業信息化的發展，未來 BIM 技術將會貫穿于建筑全生命周期各個階段，本項目建立的模型是基于 BIM 技術完成的物化碳足跡的量化，通過提取 BIM 三維模型中有效數據進行碳足跡計算，為適應當前行業信息化的發展以及行業未來的發展趨勢，將所建立的模型進行系統應用開發是行業所需要的。

3.2 可行性分析

系統可行性分析是在系統開發前必須進行的一項工作，目的不是解決問題，而是判定所提出的問題能否被解決，在一定程度上能夠減少由于未進行可行性分析導致的投資損失，具有兩方面的作用，一是為系統的后期研究提供經驗，二是避免了損失。本項目主要是從經濟、技術和操作三個角度的可行性進行你分析，為系統開發提供前期經驗教訓。

（1）技術可行性

技術可行性需要考慮系統的開發風險，在現有的技術條件下能否實現系統的功能和性能，基于 BIM 的建筑物化碳足跡計算系統的主要任務是結合 BIM 導出的工程量快速計算建筑物化階段碳足跡，并分階段進行可視化展示。本系統運行平臺為中文 Windows? 7 及以上版本，后臺數據庫為 Access，系統前端的開發工具選擇易用且能實現系統快速開發的 Borland Delphi 進行開發。Delphi 是在 Windows 平臺下工作的開發工具，作為一個集成開發環境（IDE），可以在多種系統環境下使用，而且它提供了 500 多個可供使用的構件，利用這些部件，開發人員可以快速地構造出應用系統，也可以根據自己的需要修改部件或用 Delphi 本身編寫自己的部件。平臺本身已經非常成熟，基于此平臺已經開發了多種應用系統，在技術上能夠實現本項目所研究的系統開發。

（2）操作可行性

一個系統的應用反饋情況主要依據具體操作人員，新系統的使用可能帶來組織、人員及信息流程的變更，在已經習慣現有操作的情況下，新系統的應用可能會出現人員抵制，越具有操作可行性的系統越容易被用戶所接受。本系統從登陸開始均采用人性化設計，可以依據用戶需求在原基礎上進行更新，且所選的開發工具已經成熟，能夠滿足開發的操作可行性。

（3）經濟可行性

本系統采用 Borland Delphi 和 C/S 模式結構，Access 作為后臺數據庫，開發工具均為市場上常用的，且均可免費獲取的零成本軟件，開發技術也是開發人員已經熟練掌握的技術，內置的碳足跡因子是由聯合國政府間氣候變化專門委員會所提供的，其中部分因子與國內數據存在差異，材料需要按照組成與生產工藝進行碳足跡因子計算，機械需按照其機械能源消耗類型進行計算，內置的定額由各省份定制，這就大大降低了系統的開發成本，且系統開發完成后可以提供給建筑行業各個單位，系統出售所能夠帶來的經濟效益遠遠大于系統開發的成本，因此，系統開發的經濟可行性滿足要求。

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