建筑碳減排促進“雙碳”戰(zhàn)略實施的路徑探討

滕 敏 謝丹鳳

山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展勢頭迅猛，CO2的排放量也急劇增加，使溫室效應(yīng)持續(xù)加強，全球平均氣溫不斷攀升，進而引起更加復(fù)雜和劇烈的氣候變化，引發(fā)洪澇等更加頻繁和更具破壞性的自然災(zāi)害。中國作為負責(zé)任的大國，也表明了在減少碳排放方面的決心。2020 年9 月22 日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，指出中國力爭于2030年前CO2排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。習(xí)近平總書記還在黨的二十大報告中提到2035 年我國發(fā)展的總體目標，其中也包括“碳排放達峰后穩(wěn)中有降”。

國際能源研究中心報告顯示，從全球來看，建筑行業(yè)碳排放量占總量的40%。“中國建筑節(jié)能協(xié)會能耗專委會發(fā)布的《中國建筑能耗研究報告（2021）》顯示，2019 年全國建筑全過程碳排放總量分別達到22.33 億tce 和49.97 億tCO2，占全國碳排放比例分別達45.8%和50.6%。”［1］由此可見，建筑領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型是我國實現(xiàn)“雙碳”目標的重中之重。

1 建筑碳排放構(gòu)成及特點

建筑行業(yè)體量極其龐大，對于建筑碳排放的測量，學(xué)術(shù)界沒有統(tǒng)一觀點，大多將建筑碳排放分為建筑直接碳排放和建筑間接碳排放。建筑直接碳排放是指建筑運行階段直接消費的化石能源帶來的碳排放，主要產(chǎn)生于建筑施工和建材生產(chǎn)及運輸階段，建筑間接碳排放是指建筑運行階段消費的電力和熱力兩大二次能源帶來的碳排放，這是建筑運行碳排放的主要來源。建筑材料的生產(chǎn)是建筑直接碳排放的重要來源。在建筑物的施工過程中，混凝土、鋼鐵、水泥、磚、玻璃都是不可或缺的應(yīng)用材料，其能源消耗和碳排放的數(shù)據(jù)也十分龐大。

建筑間接碳排放則與城市形態(tài)息息相關(guān)。例如城市的氣候狀況，空間形態(tài)，建設(shè)強度和土地利用形態(tài)。具體作用機制如圖1所示。

圖1 間接碳排放具體作用機制

2 建筑碳排放影響因素

建筑碳排放是多方面、多階段、多途徑相互作用和共同作用的綜合結(jié)果。在建筑的全生命周期中，一幢建筑物無論是建筑材料的制作，墻體的壘砌，還是室內(nèi)的裝修，房屋的維護與拆除，其過程都會有大量CO2的釋放。建筑的結(jié)構(gòu)類型也是造成不同建筑碳排放有所差異的重要因素。建筑碳排放不僅要考慮需求端，還要考慮供給端，供給過程中因供給效率不高而造成的浪費是碳排放不可忽視的因素。

2.1 建筑全生命周期的各個階段

“建筑全生命周期是建筑工程項目從規(guī)劃設(shè)計到施工，再到運營維護，直至拆除為止的全過程。”［2］包括了設(shè)計、建造、運維、拆除四個階段。

1）設(shè)計階段

設(shè)計階段主要對整個工程作出全面規(guī)劃，為整個工程的低碳減排提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。比如僅僅是計劃建材的需要量這一小項，若與實際建材需要量差距過大，就會造成后續(xù)建材生產(chǎn)和運輸過程中產(chǎn)生大量不必要的碳排放。因此，雖然這一階段的碳排放占比不多，卻是建筑全生命周期中十分重要的一環(huán)。

2）建造階段

建造階段主要包括混凝土、鋼材、鋼筋等建筑材料的生產(chǎn)、運輸以及施工過程中產(chǎn)生的碳排放。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國建筑行業(yè)CO2排放占我國全社會總排放量的51.3%［3］。因此，若攻克了建材生產(chǎn)這一難題，我們就又朝著“雙碳”戰(zhàn)略邁出了一大步。

3）運維階段

運維階段包括建筑的正常運行以及建筑的維護和修繕。運維階段主要是進行不同類型的能源和資源的消耗（如電力、天然氣），主要表現(xiàn)在空調(diào)的運行，采暖設(shè)備的使用，以及采光照明設(shè)備、燃氣設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。通過能源的消耗也會產(chǎn)生不同類型的碳排放因子，特別是天然氣等一次能源，更應(yīng)降低其消耗量，節(jié)能減排。

4）拆除階段

拆除階段是一個工程量巨大的任務(wù)，除了用一些簡單的工具對建筑物進行人工拆除外，還需要借助大型機械如挖掘機來進行機械拆除或者爆破拆除，對建筑物實施解體和破碎，最后將建筑廢棄物運輸至指定地點。此階段CO2的排放量主要由建材消耗量、建材的平均輸送距離和運輸方式下單位重量運輸距離的碳排放因子決定。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)類型

不同類型的建筑材料在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放不同，那么由不同建材砌筑成的不同建筑結(jié)構(gòu)的碳排放量也會有很大差異。本文主要以木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)為例。其中，木結(jié)構(gòu)的建筑大多采用東北落葉松、東北冷杉、北美花旗松和北美冷杉四種木材。

木材生長于大自然，是一種穩(wěn)定、無污染的天然綠色材料。而鋼和混凝土都是經(jīng)過了復(fù)雜而漫長的工序加工而成，且加工過程有大量的CO2的釋放。圖2是不同建筑結(jié)構(gòu)材料的碳排放。從圖中可以看出，鋼結(jié)構(gòu)的碳排放僅在建材生產(chǎn)這一方面就比木結(jié)構(gòu)超出了兩倍不止。由此可見，相較于傳統(tǒng)高耗能結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)在減排方面有著顯著優(yōu)勢，而且樹木在生長的過程中，對CO2具有匯聚和固定即固碳的作用。若采用適當(dāng)措施延長木材的壽命，還能增加碳儲庫的容量。除此之外，因混凝土建筑的比熱容大，室溫滯后時間較長，所以如果想讓室內(nèi)溫度達到設(shè)定溫度，需要提前較長時間打開空調(diào)。關(guān)閉空調(diào)后，也需要較長時間才能回到正常的室內(nèi)溫度。而木材的比熱容小，保溫隔熱性能好，提前打開的時間較短，由此產(chǎn)生的能量消耗也較少。。

圖2 不同建筑結(jié)構(gòu)材料的碳排放[4]

2.3 建筑能源供給效率

建筑能源供給效率指城市能源系統(tǒng)對碳基能源的依賴以及生產(chǎn)和傳輸過程的能量損耗（碳基能源就是含有碳的，可降低溫室氣體排放的，如沼氣即甲烷、天然氣、煤層氣、煤氣等清潔能源，因為氣體比固體燃燒完全，所以碳基能比直接燃燒煤炭要清潔許多）。我國火電(煤電、氣電綜合)熱效率為47.2%，輸電線路損耗在6%左右［5］。建筑系統(tǒng)中風(fēng)機水泵的電力消耗(包括集中供熱系統(tǒng)水泵電耗)占我國城市運行電耗的10%以上［6］，造成了能源的巨大浪費。

若將部分碳基能源替換成非碳基能源（簡單來說就是不含碳的能源，如風(fēng)能、太陽能、潮汐能等大多數(shù)可再生能源），則能在供給方面節(jié)約大量能源。

3 建筑碳減排的實施路徑

3.1 著眼于建筑全生命周期各個階段

1）設(shè)計階段

建筑信息模型即BIM（Building Information Modeling）技術(shù)現(xiàn)已在建筑領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，主要是通過建立3D虛擬模型將建筑物可視化，還具有對象參數(shù)化和數(shù)據(jù)集成的特點，可以數(shù)據(jù)分析模型，參與建筑的全生命周期的各個階段。在設(shè)計階段起著尤為關(guān)鍵的作用。通過可視化的操作，可以檢測建筑內(nèi)部設(shè)備及構(gòu)件有無碰撞或者設(shè)計不合理之處，可以有效預(yù)防因設(shè)計錯誤而造成的能源浪費。

2）建造階段

大力推廣綠色建筑。在施工過程中，要注意能源節(jié)約。建設(shè)時應(yīng)根據(jù)項目及所在地的實際情況，區(qū)分施工區(qū)和生活區(qū)，合理選用技術(shù)工藝及流程。要提高建筑綠色化就要在建筑全過程體現(xiàn)綠色理念，設(shè)備節(jié)能，廢物回收，能源循環(huán)，并使用數(shù)字賦能，將建筑數(shù)據(jù)信息化。通過信息共享實現(xiàn)建筑集約化，打破信息孤島。

最重要的一環(huán)是使用綠色建筑材料，加大節(jié)能環(huán)保材料的使用比例。近期，美國芝加哥大學(xué)研制出一種類似變色龍的建筑材料，它可以通過感知室外溫度來調(diào)整其紅外線的釋放強度，從而減少暖通設(shè)備的使用。例如，在夏天溫度很高時，變色龍材料可釋放出高達92%的紅外線熱量，從而減低建筑物本身的溫度。冬天較冷時，這種材料僅僅釋放7%的紅外線，減少建筑物的熱量損失，以此達到建筑物保溫的效果。目前，我國的新型混凝土也已投入使用。新型混凝土主要是以綠色混凝土和綠色水泥為主，具有綠色無害的功能，在施工過程中能保證周圍環(huán)境的穩(wěn)定性。新型混凝土與傳統(tǒng)混凝土材料相比功能效果更好，可以延長材料的使用壽命，可以使用300年，也不會發(fā)生惡化的情況。綠色混凝土材料主要是以工業(yè)廢渣為主，會使用少量的水泥和混凝土加工，因此綠色混凝土不僅能提高資源的利用率，還能保護周圍生態(tài)環(huán)境。

3）運維階段

運維階段碳排放占比超過建筑全生命周期碳排放總量的一半以上［7］，是實現(xiàn)建筑節(jié)能減排降碳的重中之重。運維階段應(yīng)從提高建筑運行能效和調(diào)整能源使用比例即優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)兩方面著手。

據(jù)估計，建筑物排放大約一半的能源足跡來自室內(nèi)空間的供暖和制冷，故建筑運行效能主要應(yīng)從建筑設(shè)備入手，使用節(jié)能的照明設(shè)備，同時對供冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、供電設(shè)備、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等建筑系統(tǒng)進行節(jié)能降碳優(yōu)化，其核心目的是在實現(xiàn)建筑使用功能和室內(nèi)舒適度的基礎(chǔ)上，降低能耗和碳排放。

調(diào)節(jié)能源使用比例，就是在使用以碳基能源為代表的清潔能源基礎(chǔ)上，增加非碳基能源的比例，例如使用風(fēng)能發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、太陽能取暖（主要途徑是利用被動式太陽能的房子，這是一個加熱系統(tǒng)依賴于建筑物的圍護結(jié)構(gòu)自己完成吸熱、存儲熱量和釋放熱量的功能，以此減少冬季熱量負荷，甚至不用加熱也可以保持舒適的室內(nèi)環(huán)境）、地下水源熱泵。既可以減少能源消耗，又能減少碳排放。

4）拆除階段

（1）制定合理的拆除方案

上文提到的三種拆除方案中，爆破拆除和機械拆除的工作效率較高，使用廣泛，但由于簡單粗暴，其建筑材料的可回收率極低，增加了建筑垃圾處理的碳排放。有研究表明，“人工拆解比拆毀方式鋼鐵回收率高20%”［8］。可見，合理制定三種拆除方法的使用比例，能有效促進資源循環(huán)使用，減少建筑垃圾廢物的碳排放。

（2）提高建筑廢棄物運輸效率，減少運輸距離

可以適當(dāng)增加建筑廢棄物的收納場地，將各類廢棄物分類，選擇就近地點排放。合理選擇運輸路線和運輸工具，減少運輸總次數(shù)。

3.2 綜合使用節(jié)能技術(shù)

節(jié)能技術(shù)是指能夠?qū)崿F(xiàn)能源的高效利用，使其轉(zhuǎn)化為最大限度的能源利用效率技術(shù)，如能源替代、能源再次利用等。

能源替代是指在能源生產(chǎn)、運輸、消費等領(lǐng)域?qū)κ褂玫娜剂线M行替換，從而降低碳排放的過程。能源替代是實現(xiàn)碳減排的重要手段，當(dāng)前，傳統(tǒng)能源利用效率低且碳排放總量不斷增加，已經(jīng)成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，加快能源轉(zhuǎn)型成為實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要舉措。

我國已經(jīng)開始實施碳減排的戰(zhàn)略，而能源利用過程中的再次利用是實現(xiàn)碳減排的重要措施。能源再次利用具體措施如對生產(chǎn)過程中的能源、原材料和水等自然資源進行回收利用，實現(xiàn)資源節(jié)約和循環(huán)利用，對能源消費與消耗過程進行優(yōu)化，實現(xiàn)碳排放總量控制。加強對能效提升技術(shù)的研究，促進能源利用效率提升。

3.3 建立健全建筑能耗監(jiān)督系統(tǒng)

近年來，隨著建筑節(jié)能工作的深入開展，建筑能耗逐漸成為我國重要的能源消耗類型。建筑能源利用效率（即建筑能耗占總能耗的比重）是衡量一個國家和地區(qū)發(fā)展建筑事業(yè)水平的重要指標。

通過分析建筑能耗數(shù)據(jù)，建立健全建筑能耗監(jiān)督系統(tǒng)，可實現(xiàn)綠色智慧社區(qū)的建設(shè)目標。主要包括三個方面的內(nèi)容：

1）通過對建筑耗能數(shù)據(jù)分析，找出能耗數(shù)據(jù)異常發(fā)生的原因，提出有針對性的解決措施。

2）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立健全節(jié)能監(jiān)督系統(tǒng)，提高能源管理水平。

3）根據(jù)智能家居管理要求，建設(shè)智慧社區(qū)節(jié)能監(jiān)督系統(tǒng)，打造綠色智慧社區(qū)。

建筑能耗監(jiān)督系統(tǒng)是對建筑能耗的動態(tài)監(jiān)控，是提高能源管理水平的有效手段。首先是數(shù)據(jù)的收集和處理，然后對數(shù)據(jù)進行綜合分析，最后提出節(jié)能監(jiān)督方案。根據(jù)節(jié)能方案，可以通過建筑能耗實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對建筑物用能信息的遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)焦?jié)能監(jiān)督管理中心，為開展能源審計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。在實際工作中，應(yīng)該重視能源管理部門與建設(shè)單位的溝通工作，及時了解和掌握建筑能耗信息。通過節(jié)能監(jiān)督系統(tǒng)可以實現(xiàn)綠色智慧社區(qū)目標，提高能源利用效率，降低能耗成本，促進資源循環(huán)利用。

4 結(jié)語

在“雙碳”戰(zhàn)略實施的背景下，建筑碳減排勢在必行。BIM 技術(shù)的數(shù)據(jù)集成能力、可視化能力和數(shù)據(jù)分析能力在建筑全生命周期都得到了廣泛應(yīng)用，在需求端減少碳排放的效果顯著。在供給端也通過能源回收、能源再利用基本實現(xiàn)了能源的循環(huán)利用。但就現(xiàn)階段而言，雖然建筑碳減排路徑的研究方興未艾，而其具體的實施路徑卻受到了一定程度的約束。例如，碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的精細程度不高，核算體系不完善、方法單一、數(shù)據(jù)匱乏等問題都等待進一步突破。