基于LCA的建筑全生命周期能耗研究*

王艷 馮群

(濟南大學商學院，山東 濟南 250022)

0 引言

建筑業(yè)是三大能源消耗產業(yè)之一，也是導致全球持續(xù)變暖的溫室氣體排放的主要來源[1]。隨著全球氣候條件的惡化和低碳經濟的興起，世界各國越來越重視能源效率和能源減排。發(fā)達國家的經驗表明，隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展和生活水平的不斷提高，工業(yè)生產中消耗的能源占比會不斷下降，與此同時,建筑業(yè)和交通業(yè)消耗的能源占比會持續(xù)上升。據統(tǒng)計，近年來建筑業(yè)能耗占全球總能源消耗的39%[2]。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在第四次評估報告中指出，到2030年，全球建筑業(yè)的碳減排潛力可以達到每年60億t，是所有產業(yè)中最高的。因此，降低建筑業(yè)能耗是2030年實現碳峰值、2060年實現碳中和目標的重要舉措，也是實現將全球溫度上升控制在1.5℃以內長期目標的關鍵組成部分。

2018年，我國建筑業(yè)的能源消耗達到21.41億t標準煤，二氧化碳排放量達到49.32億t，占全國二氧化碳排放總量的46%，面臨巨大的碳減排壓力[3]。然而，目前相關領域對建筑能耗的認識差異很大，缺少近20年我國建筑能耗的統(tǒng)一數據。對建筑能耗認知的差異，主要源于建筑能耗計算方法和統(tǒng)計口徑不同，導致計算結果差異較大。建筑能耗的統(tǒng)計口徑可分為狹義與廣義。狹義上的建筑能耗是指建筑物運行所需的能源，包括現有建筑中使用的能源，主要用于供暖、空調、照明、電器和烹飪設備等。而廣義上的建筑能耗，參考的是建筑的整個生命周期[4]，包括建筑產品生命周期內的總能耗，僅關注運行階段的建筑能耗是不全面的。因此，本文將建筑能耗分為建筑材料生產和加工階段、施工階段、建筑運行使用階段及建筑的拆除處置階段，并采用全生命周期分析方法，構建建筑全生命周期能耗模型，計算并分析2000—2019年建筑全生命周期能耗[3]。

1 建筑能耗模型

1.1 生命周期分析方法

生命周期分析也稱為全生命周期評價(LCA)，是對一個產品的整個生命周期從初始到結束的研究，是從原材料采購、設計、制造到使用，再到回收和最終處置全過程的研究[5]。按照國際標準，LCA主要包括4個相互關聯的階段，其中目標和范圍的定義是LCA的第一步，需要明確指出LCA分析的目標、背景、理由等；清單分析是計算產品整個生命周期的能源投入和資源消耗等，是目前LCA中發(fā)展最為完善的一部分，也是本文主要使用的部分；環(huán)境影響評估是指在清單分析的基礎上對各種問題潛在影響的嚴重程度進行評價；結果解釋則主要是指清單分析和影響評估、總結與建議[6]。

20世紀90年代初，西方學者將LCA方法引入建筑能耗研究，指出建筑能耗發(fā)生在建筑生命周期的每個階段：建筑材料準備階段、建筑建造階段、建筑使用階段、建筑拆除階段和廢舊建筑材料處置階段[7]。

1.2 建筑全生命周期能耗模型

基于LCA分析，本文將建筑能耗的整個生命周期分為4個階段：建筑材料生產和加工階段、建筑施工階段、建筑運行使用階段及建筑的拆除處置階段。

(1)建筑材料生產和加工階段。該階段產生的能耗主要包括挖掘原材料、進行原材料的處理加工以及運輸建筑材料所消耗的能源。此階段能耗的構成主要是生產加工及運輸水泥、鋼鐵、鋁、玻璃、塑料、石材等建筑材料產生的能耗。

(2)建筑施工階段。該階段的能源消耗是指對建筑物進行施工時使用的能源，如使用的水和電等。

(3)建筑運行使用階段。該階段產生的能耗是指在建筑物使用階段消耗的能源，主要由各種終端設備耗能構成，其中包括為維持建筑環(huán)境所使用的能源，如供暖、制冷、通風、空調和照明，以及為建筑物內各種活動所使用的能源，如辦公、廚房使用等。

(4)建筑的拆除處置階段。該階段的能耗是指建筑在經過一定的使用年限后將其進行拆除并處置拆除廢棄物所消耗的能源，主要包括拆除用水、拆除用電、垃圾處置等消耗的能源。

以上4個階段的能耗也是本文的主要研究范疇?；谏芷谠u價法，對建筑全生命周期的各階段能耗進行全過程系統(tǒng)分析，能夠更加準確地找出建筑能耗變化的真正原因。因此，基于全生命周期分析，可以得出建筑全生命周期能耗為

QLCE=QME+QCE+QUE+QDE

式中，QLCE為建筑全生命周期能耗；QME為建筑材料生產和加工階段能耗；QCE為建筑施工階段能耗；QUE為建筑運行使用階段能耗；QDE為建筑的拆除處置階段能耗。

其中，建筑施工階段能耗與建筑的拆除處置階段能耗在《中國能源統(tǒng)計年鑒》中被統(tǒng)一計算為建筑業(yè)能耗。為了與廣義的建筑業(yè)能耗區(qū)分，本文將此兩部分能耗統(tǒng)稱為建筑建造施工階段能耗，其能源消耗主要與建筑企業(yè)的生產有關。

從建筑物的生命歷程，即原材料加工運輸→建造施工→運行→拆除施工角度出發(fā)，建筑物的整個生命周期能耗可劃分為三個主要階段：與建筑材料的生產和運輸有關的能源消耗，即建筑材料生產和加工階段能耗；與建筑物的建造施工、拆除施工有關的能源消耗，即建筑建造施工階段能耗；與建筑物的運行有關的能源消耗，即建筑運行使用階段能耗。

2 建筑全生命周期能耗計算

2.1 建筑材料生產和加工階段能耗

建筑材料類別眾多，主要包括鋼鐵、鋁、銅等金屬材料，以及水泥、平板玻璃、石材、石灰和塑料等非金屬材料。其中，由于鋼材與鋁材在金屬材料中占比很高，且考慮到數據的可獲得性，對金屬建筑材料的生產能耗主要考慮鋼材能耗與鋁材能耗?？紤]到水泥占非金屬材料能耗的70%，對非金屬材料能耗主要以水泥能耗為主要統(tǒng)計條目，并根據所占比例推算建筑材料工業(yè)能耗[8]。

本文主要采用實物消耗測算法進行建筑材料生產加工能耗的測算，其基本思路是根據當年建筑業(yè)主要建筑材料消費量及其能耗強度進行測算。測算公式如下

QME=∑Ai×Ii

式中，QME表示建筑材料生產和加工階段能耗；Ai表示建筑材料產品i的消耗量；Ii表示建筑材料產品i單位產品的能耗強度。

相關的建筑材料消費數據主要取自《中國建筑業(yè)統(tǒng)計年鑒》，建筑材料產品單位能耗強度數據主要取自《中國能源統(tǒng)計年鑒》中的建筑材料產品單位能耗數據。2000—2019年建筑材料生產和加工階段能耗及所占比例如圖1所示。

圖1 2000—2019年建筑材料生產和加工階段能耗及所占比例

2.2 建筑建造施工階段能耗

《中國統(tǒng)計年鑒》對建筑企業(yè)建造施工能耗進行了單獨統(tǒng)計。2000—2019年全國建筑建造施工階段能耗及所占比例如圖2所示。

圖2 2000—2019年全國建筑建造施工階段能耗及所占比例

2.3 建筑運行使用階段能耗

對建筑運行使用階段能耗的計算，考慮到數據的可獲得性和真實性，采用基于能源平衡表的測算方法。我國能源平衡表中終端能耗部門共有7類，而能源消費主要為建筑能耗的有批發(fā)零售餐飲業(yè)、其他、生活消費3個部門，因此選擇這3個部門作為建筑運行能耗基礎量進行下一步測算并考慮以下問題：①由于我國能源消費是按照行業(yè)進行統(tǒng)計的，在建筑運行能耗基礎量中也統(tǒng)計了相關行業(yè)企業(yè)或者私人交通工具的用能；②其他能耗部門中包含部分建筑運行能耗，如辦公樓的運行等；③我國能源平衡表中對建筑集中供暖能耗的統(tǒng)計是明顯偏低的，建筑能耗基礎量中的熱力消費相比建筑集中供暖能耗明顯偏低，因此需要進行修正[9]。

建筑物在運行使用階段的能源消耗的計算公式可表示為

QUE=QBV-QT+QH+QM

式中，QUE表示建筑物運行使用階段能耗；QBV表示建筑的能耗基礎量；QT表示交通能耗扣除量；QH表示供暖能耗修正量；QM表示其他部門的建筑能耗量。

建筑能耗基礎量QBV由《中國統(tǒng)計年鑒》中批發(fā)零售餐飲業(yè)、其他、生活消費3個部門的能源消耗相加得出。交通運輸扣除量QT根據商業(yè)和公共服務業(yè)(涉及基礎量中批發(fā)零售餐飲業(yè)和其他兩個部門)95%的汽油、35%的柴油用于交通運輸，居民生活和農業(yè)消費的全部汽油、居民生活消費的95%的柴油用于交通運輸進行測算得到[10]。供暖能耗修正量QH通過北方城鎮(zhèn)集中供熱能耗減去建筑能耗基礎量中的熱力消費得到[11]。其他部門的建筑能耗QM通過交通運輸、倉儲和郵政業(yè)中的建筑能耗與工業(yè)、建筑業(yè)能耗中的建筑能耗相加得到，其中交通運輸、倉儲和郵政業(yè)中建筑能耗由交通運輸、倉儲和郵政業(yè)的煤耗與交通運輸、倉儲和郵政業(yè)建筑用電量相加得到，并假定工業(yè)、建筑業(yè)能耗中的建筑能耗與交通運輸、倉儲和郵政業(yè)中的建筑能耗相當[12]。

2000—2019年建筑運行使用階段能耗及所占比例如圖3所示。

圖3 2000—2019年建筑運行使用階段能耗及所占比例

2.4 建筑物全生命周期能耗

將上述各階段的能耗進行匯總后，得出我國建筑物全生命周期能耗。2000—2019年建筑全生命周期能耗及所占比例如圖4所示。

圖4 2000—2019年建筑全生命周期能耗及所占比例

3 建筑全生命周期能耗分析

3.1 建筑能耗周期變化分析

從整體上看，2000—2019年我國建筑全生命周期能耗的變化趨勢主要分為4個階段：

(1)2000—2005年，建筑全生命周期能耗處于加速增長階段，年均增長率約為12.6%。這一階段的增長主要是由基礎設施建設和經濟快速發(fā)展推動的。

(2)2005—2010年，建筑能耗持續(xù)增長，特別是2008年以后，由于建筑材料生產能耗的快速增長，建筑全生命周期能耗增長速度尤為明顯，年均增長速度約為10.6%。

(3)2010—2015年，建筑能耗經過快速增長，在2012年達到自2000年以來的峰值，此后出現震蕩下降趨勢并趨于平穩(wěn)。

(4)2015—2019年，處于平穩(wěn)增長階段，年均增長速度約為6.5%。

3.2 建筑能耗結構變化分析

從建筑全生命周期能耗總量構成來看，建筑運行使用階段能耗與建筑材料生產和加工階段能耗占絕大部分比重，建筑建造施工階段能耗所占比重較小且所占比例較為穩(wěn)定，占建筑全生命周期能耗的3%～5%。其中，建筑運行使用能耗與建筑材料生產和加工能耗的主要變化階段可以分為以下兩個時間段：

(1)2000—2010年，建筑運行使用能耗在2010年前是建筑全生命周期能耗的最大組成部分，占全生命周期能耗的50%～60%。在此時間段，建筑材料生產和加工階段能耗占比相對于建筑運行使用階段能耗略低，占建筑全生命周期能耗的30%～40%。

(2)2010—2019年，建筑材料生產和加工階段能耗所占比例開始逐漸高于建筑運行使用階段能耗，建筑材料生產和加工階段能耗所占比重為50%～60%，建筑運行使用能耗所占比重為30%～40%。

4 結語

通過對2000—2019年建筑全生命周期能耗進行分析發(fā)現，2019年全國建筑全生命周期能耗為24.79億t標準煤。其中，建筑材料生產和加工階段能耗為13.51億t標準煤，占建筑全生命周能耗的比例最高；建筑運行使用階段能耗次之，為10.76億t標準煤；建筑建造施工階段能耗最低，為0.91億t標準煤。自2010年開始，建筑材料生產和加工階段能耗所占比重為50%～60%，建筑運行使用階段能耗所占比重為30%～40%，建筑材料生產和加工階段能耗成為建筑全生命周期能耗的主要組成部分。因此，降低建筑材料生產和加工階段能耗對于降低建筑全生命周期能耗具有重要意義。