綠色建筑碳排放模擬計算探討

易嘉

（上海朗詩規劃建筑設計有限公司，上海 200092）

1 引言

隨著中國“雙碳”戰略的實施，低碳建筑成為行業的發展趨勢。為最大限度地減少建筑在全生命周期內的碳排放量，在建筑物設計階段便對其進行碳排放計算是最經濟有效的方法。碳排放計算是借助設計階段建筑物的地理信息、周邊環境信息、幾何信息、材料信息，推算出建材生產階段的能源消耗量，計量單位包括質量（kg 或t）、體積（m3）、用電量（kW·h），并將其統一轉化為碳排放因子（kg CO2e/ 單位材料用量），碳排放因子（Carbon Emission Factor）是指將能源與材料消耗量乘以二氧化碳排放相對應的經驗統計系數，得到建筑物不同階段相關活動的碳排放歸一量化指標。PKPM-CES 碳排放計算軟件采用全生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）算法，是國際標準方法[1-2]，可以實現系統性的量化分析。

2 基礎數據搜集

碳排放計算的首要步驟是基礎數據搜集和推算，按照工程全生命周期的不同階段，可分為設計階段、施工建造（生產）階段、運行維護階段和拆除階段4 大類基礎數據，每個大類數據又分為若干小類。

2.1 設計階段

本階段按照不同專業進行數據采集，其共同點是與材料用量有關，主要包括如下內容。建筑專業：設計磚墻用量（m3）、設計保溫材料用量（m3）、以窗洞面積統計的設計窗用量（m2）、以門洞面積統計的設計門用量（m2）、電梯和自動扶梯的數量及其額定參數等。

結構專業：設計混凝土用量（m3）、設計鋼筋用量（t）、設計型鋼用量（t）等。對于一般住宅，可按照70 kg/m2估算用鋼量，0.44 m3/m2估算混凝土用量，有類似工程的經驗數據積累時，可采用其經驗數據。在PKPM 綠建模型中一般建模鋼筋混凝土剪力墻而不建模鋼筋，故混凝土用量可以從模型中讀取，而鋼筋用量則需要估算后手動填入。

給排水專業：設計給排水管用量（m 或t）、設計潔具用量（個）、生活熱水的設計參數、可再生能源利用等。

電氣專業：設計橋架用量（m）、設計電纜用量（m）、照明功率密度（W/m2）、可再生能源利用等。

暖通及動力專業：設計風管用量（t）、暖通設備及其負荷計算參數、炊事（燃氣）指標或用量、可再生能源利用等。

景觀專業：設計各類植物的面積（大小喬木、灌木、花草密植混種區、自然野草、草坪、水生植物）、建筑或建筑群所占場地面積、綠化率等。景觀綠化的碳排放量為負值，屬于減少碳排放的有利因素，稱為“綠化碳匯”。對于一般的住宅小區，可按喬木的種植占比10%，灌木的種植占比60%，草坪、水生植物等的種植占比30%估算，則各類植物的固碳量約為：喬木0.0150 t CO2e/（m2·a），灌木0.0075 t CO2e/（m2·a），草坪、水生植物0.0005 t CO2e/（m2·a）。

2.2 施工建造（生產）階段

本階段主要補充搜集施工措施的碳排放數據，例如，建造所用的機械的能源種類、臺班數等。但在項目設計初期，施工單位的建造設備一般是分批進場，具體需要的臺班數也隨工程建設而動態變化，因此，在設計階段進行碳排放計算，施工階段的數據只能根據經驗公式估算。在PKPM-CES 碳排放計算軟件中，在沒有任何建筑建造階段的能耗相關的數據的情況下，可選用廣東省住房和城鄉建設廳的《建筑碳排放計算導則（試行）》[3]經驗公式進行估算，如式（1）所示：

式中，X 為地上層樓層數；Y 為單位面積的碳排放量，kg CO2。

當運輸距離無準確的交通數據時，可參照GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》[4]附錄E 中默認值取值，混凝土默認運輸距離值為40 km，其余建材的默認運輸距離為500 km，交通方式默認為陸運。

2.3 運行維護階段

建筑物運行階段的主要能耗主要包括生活熱水、冬季供暖、夏季空調、通風機、照明、電梯等的用電量，因此，其基礎數據主要包括：生活熱水供應時間（天數）、暖通設備運行時長及維護次數、光伏發電系統的運行時長等，此類參數可以在設計階段預估并同步輸入。

2.4 拆除階段

該階段一般沒有基礎數據需要輸入，主要是采用估算法，PKPM-CES 碳排放計算軟件提供了按建筑體量估算、按比例或能耗清單估算、按拆除工程詳細計算等。在設計階段，一般沒有任何詳細的拆除數據，可選用廣東省住房和城鄉建設廳《建筑碳排放計算導則（試行）》（2021 版）的經驗公式進行估算，如式（2）所示：

用建筑總面積乘以單位面積的碳排放量Y，即得到拆除階段的碳排放量。

2.5 碳排放因子數據來源

在PKPM-CES 碳排放計算軟件中，各類材料的碳排放因子的數據來源主要包括：

1）GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》；

2）《建筑全生命周期的碳足跡》[5]；

3）GB/T 2589—2020《綜合能耗計算通則》[6]；

4）GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》[7]；

5）《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南 發電設施（2022 年修訂版）》[8]；

6）上海市生態環境局《關于調整本市溫室氣體排放核算指南相關排放因子數值通知》[9]；

7）廣東省住房和城鄉建設廳《建筑碳排放計算導則（試行）》；

8）《城市綠地碳匯核算方法及其研究進展》[10]。

由于碳排放分析模型的抽象性和概括性，不能完全還原現實世界，因此，當遇有不規則外形的建筑時，就需要通過預算表、決算表、采購清單或者建立更精確的BIM 模型來統計材料用量。

2.6 基準建筑

根據GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》 第2.0.1～2.0.3 條及其條文說明，基準建筑是指的執行2016 年及以前節能設計標準的建筑。包括JGJ 26—2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》[11]、JGJ 134—2010 《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[12]、JGJ 75—2012《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》[13]和GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》[14]。

GB 55015—2021 《建筑節能與可再生能源利用通用規范》第2.0.3 條所指的“相對于基準建筑的碳排放強度平均降低40%，碳排放強度平均降低7 kg CO2/（m2·a）以上”，在具體的項目實踐中，該兩個指標是否需要同時滿足，或是僅滿足其中1 個，需要根據項目所在地的具體要求確定，如果沒有特別的規定，一般均應滿足，并且需要設置可再生能源。

3 碳排放模擬計算實例

3.1 工程概況

本工程位于北緯31.00°，東經121.00°，氣候分區屬于夏熱冬冷ⅢA 區，朝向為南偏東2.5°。該高層住宅所在居住小區的總用地面積26 873 m2，綠地率35%，該高層住宅的節能計算模型為地上19 層（含機房層），地下1 層，建筑高度57.70 m，地下建筑面積393 m2，地上建筑面積6 701 m2，總建筑面積7 094 m2，體形系數0.41，結構類型為鋼筋混凝土剪力墻結構，計算模型如圖1 所示。

圖1 上海某高層住宅碳排放計算模型

3.2 基礎數據和基本參數

本工程通過PKPM-CES 碳排放分析模型統計主要材料用量，但碳排放分析模型中沒有建模鋼筋，故需要按照70 kg/m2估算用鋼量，并手動輸入材料表進行碳排放計算，結果如圖2所示?？梢姡摻罨炷两Y構中，按照碳排放量由大到小，混凝土和鋼筋兩種材料占總碳排放量的50%以上，其次是門窗，再次是保溫材料，而生活水管的碳排放量則很小。

圖2 生產及運輸階段的碳排放量（單位：t CO2e）

可再生能源使用方面，由于本工程是一般的公寓住宅，且設計時間早于GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》的實施時間，沒有設置太陽能熱水系統，也未選擇節能照明設備或高效供暖設備。因此，只能依靠綠化碳匯作為減碳措施。

選取2022 年上海市電網碳排放因子4.2×10-4t CO2e/（kW·h）為本工程參數，采用全生命周期評估（LCA）算法。

3.3 減碳措施

本工程選取單體建筑進行碳排放計算，應采用所在居住小區用地的一部分作為該建筑的“從屬用地”，然后將“從屬用地”的面積乘以綠地率算出綠化碳匯面積。所選的“從屬用地”面積一般應按照各樓棟的地上總建筑面積按比例分攤，如圖3 所示，全小區總用地26 873 m2，該單體建筑的“從屬用地”面積取2 300 m2，綠地率35%，按照灌木占60%、草坪占30%，喬木占10%計算。

圖3 建筑單體分攤綠化碳匯用地面積示意圖

3.4 設置要點和計算結果判讀

一般而言，生產運輸和運行維護所占全生命周期總碳排放量的比例應基本接近，則整體計算相對可信。本工程建造及運行共50 年的總碳排放量為6 621 t CO2e，單位面積碳排放量為1 t CO2e/m2，年均碳排放指標為0.021 t CO2e/(m2·a)，碳排放強度在2016 年執行的節能設計標準的基礎上降低了40.40%，碳排放強度降低了5.41 kg CO2e/(m2·a)，雖然碳排放強度小于7 kg CO2e/(m2·a)，但相對于基準建筑降低超過40%，仍舊滿足規范的部分要求。不同階段的碳排放量及其占比如圖4 所示。

圖4 本工程50 年全生命周期碳排放量（t CO2e，%）計算結果及占比

按照GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》第4.1.2條，碳排放計算總采用的建筑設計壽命應與設計文件一致，當設計文件不能提供時，應按50 年計算，一般生產運輸約5 年，則運行維護約45 年，假設按照50 年計算得到的建筑物全生命周期的總碳排放量為C，則生產運輸階段的總碳排放量約為0.5C，年均碳排放量0.5C/5=0.1C；運行維護階段碳排放量為0.45C，年均碳排放量約0.45C/45=0.01C，相當于生產運輸階段年均碳排放量的10%，主要發生在空調、熱水、照明和電梯系統的設備用電中。

當建筑物在超過50 年之后繼續使用時，考慮到居住環境改善、建筑物檢測和大修，可將每年的碳排放量增加到0.02C估算建筑物延期使用的附加碳排放量，當建筑物使用年限達到70 年時，其附加碳排放量約為0.02C(70-50)=0.4C，已經接近于生產運輸階段的總碳排放量，碳排放總量預估達到1.4C。當建筑再次延期使用至100 年時，隨著結構構件的耐久性降低，建筑物的維護成本呈非線性快速增長，以致出現加固、替換結構構件的大修狀況，可將該階段的年均碳排放量增加到0.05C 估算建筑物延期使用的附加碳排放量，則在第70～100年間，建筑運行維護的碳排放量將增加0.05C(100-70)=1.5C，預估超過建筑物前70 年的碳排放量。

4 結語

綜上所述，綠色建筑全生命周期碳排放計算是需要全專業、各參建方密切配合的工作，從基礎數據搜集到標準和算法的選用都要盡可能適配當前工程項目的實際情況，參數估計要靈活運用建筑熱工設計原理，做到自洽、合理，而不是機械地套用規范條文。目前，中國規范對于普通房屋和構筑物規定的設計使用年限為50 年，但是很多1950 年代建造的建筑距今都超過了70 年仍在繼續使用，從碳排放的角度看，此類建筑由于頻繁地進行環境改造、結構大修，引起的附加碳排放量將隨時間的推移而呈非線性快速增長趨勢，反而成為減碳的重大阻力之一。因此，筆者建議從長遠的減碳效益考慮，應提高普通房屋和構筑物的設計使用年限至100 年，通過應用高強輕質材料來減少建造階段的碳排放量，并為遠期減碳打下良好的基礎。