封澤鵬 劉澤勤

天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

對建筑樓宇碳排放量計(jì)算模型的探索

封澤鵬 劉澤勤

天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

對建筑樓宇碳排放量的計(jì)算模型進(jìn)行研究，將有助于評估建筑樓宇整個生命周期對環(huán)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(jìn)行了探索，通過對建筑物材料及所耗能源數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析，獲得不同建筑材料及能源碳排放系數(shù)。在前人研究的基礎(chǔ)上，建立建筑物碳排放量的計(jì)算模型。通過案例分析，得到建筑使用和維護(hù)階段中的碳排放量占到全生命周期的比例最大的結(jié)論。

碳排放量碳排放系數(shù)全壽命周期計(jì)算模型

由于我國經(jīng)濟(jì)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(fèi)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，既是保護(hù)環(huán)境的需要，也是中國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求。對建筑樓宇進(jìn)行碳排放量的研究，就是從本質(zhì)上探索在生產(chǎn)實(shí)際中實(shí)施低碳運(yùn)行的可能性。當(dāng)前國內(nèi)關(guān)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(jì)算方法的研究報(bào)道還不多見。本文通過建立碳排放量的計(jì)算模型，用不同運(yùn)輸方式、建筑材料和能源的碳排放系數(shù)，更為直接、簡單、快速地計(jì)算出單體建筑全生命周期的碳排放量，并且進(jìn)行案例分析，獲取住宅建筑碳排放指標(biāo)參數(shù)，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(shù)支持。

1 建筑壽命周期碳排放的計(jì)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(chǎn)，建材的運(yùn)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(zhǔn)備階段又包括建材設(shè)備制造，建材運(yùn)輸，以及建筑所需要能源的生產(chǎn)，輸送等消耗能源從而產(chǎn)生的碳排放量也包括在內(nèi)。

由于建筑物建筑面積，建造材料、機(jī)械的使用量等都有差別，直接導(dǎo)致碳排放量差別很大；而使用階段持續(xù)時間幾乎占了建筑生命周期的全部，評價年限對評價結(jié)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(jié)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(biāo)，可減少由于建筑物規(guī)模、設(shè)計(jì)年限不同帶來的計(jì)算誤差影響。

根據(jù)國家頒布的《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2001）的規(guī)定，紀(jì)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(gòu)筑物使用年限為50年。本文研究中設(shè)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(chǎn)、建材運(yùn)輸、建造施工、建筑使用和維護(hù)、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(chǎn)、建材運(yùn)輸、建造施工、建筑使用和維護(hù)、建筑拆卸5個階段的碳排放量。

1.1 建材生產(chǎn)

建筑建材生產(chǎn)階段的碳排放主要是由于建材的生產(chǎn)過程消耗電力、煤、石油、天然氣等能源及生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)之中的物化反應(yīng)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(jì)入時，歸為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中而不列入建筑范疇，為避免重復(fù)，建筑領(lǐng)域內(nèi)不再計(jì)入，但對比建筑單體的碳排量時，為保證建筑單體碳排放計(jì)入和比較的完整性，應(yīng)列入該部分碳排[3]。為滿足低碳建筑全空間的內(nèi)涵要求，還將監(jiān)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(shù)（考慮建部分建材回收）[4～8]。

建材生產(chǎn)碳排放量P1計(jì)算公式為

式中：Qi為第i種建材的用量為單位建材生產(chǎn)過程的碳排放系數(shù)。

表1 建筑材料碳排放系數(shù)

1.2 建材運(yùn)輸

建材運(yùn)輸碳排放量P2的計(jì)算公式為：

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

表2、3分別為部分運(yùn)輸方式單位能耗、動力能源的單位能耗的碳排放量。不同運(yùn)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(zhuǎn)化求得不同運(yùn)輸方式的碳排放系數(shù)，見表4。

表2 部分運(yùn)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(yùn)輸方式的碳排放系數(shù)

1.3 建筑施工

建筑施工過程的能耗主要為施工現(xiàn)場攪拌混凝土、混凝土澆筑振搗、施工過程照明及辦公區(qū)及倉儲間的各種機(jī)械設(shè)備的耗電量。建筑施工階段的碳排放量計(jì)算有兩種方法，一種是通過各施工工藝的單位碳排放系數(shù)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(shù)，再根據(jù)耗電量和化石能源消耗量，計(jì)算得到建筑施工階段的碳排放量。前一種方法由于受到機(jī)械性能，及施工環(huán)境的影響，施工產(chǎn)生的碳排放量不僅跟工程量有關(guān)系，更受機(jī)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(jì)算方法。

建筑施工碳排放量P3計(jì)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(shù)。

根據(jù)IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）在2006年發(fā)布的計(jì)算方法，中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒提供的國內(nèi)一次能源的熱值，得到化石能源碳排放系數(shù)如表5所示[11]。

表5 化石能源碳排放系數(shù)

電力的碳排放系數(shù)可先將電力折算為標(biāo)準(zhǔn)煤量，通過標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放系數(shù)來獲得電力的碳排放系數(shù)。電力折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù)，本文在公式推導(dǎo)中使用等價系數(shù)，根據(jù)能耗換算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電力等價折算系數(shù)以當(dāng)年火力發(fā)電平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗計(jì)算[12]。等價系數(shù)每年各不相同，為了與國際接軌，同時便于歷史資料對比，規(guī)定只有在計(jì)算國家、省、市級的能源消費(fèi)總量時，電力仍采用等價系數(shù)計(jì)算，而基層企業(yè)計(jì)算能源消費(fèi)量時，電力必須采用當(dāng)量系數(shù)計(jì)算[13]。綜合以上本文以國家統(tǒng)計(jì)局每度電折0.404千克標(biāo)準(zhǔn)煤，作為電力折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)[14]。我國發(fā)改委發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放因子為0.67kg/kgce。

采用標(biāo)煤法計(jì)算二氧化碳的排放量的公式為[15]：

式中：β為電力折算為標(biāo)準(zhǔn)煤等價系數(shù)，kg/kWh；Kec標(biāo)準(zhǔn)煤碳排放因子，kg/kgce。

綜合以上得到電力碳排放系數(shù)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(yùn)行的耗電量和耗氣量。然后再根據(jù)表5以及推導(dǎo)出的電力的碳排放系數(shù)為0.997kg/kWh轉(zhuǎn)化為建筑的碳排放量。

建筑使用階段碳排放量P4計(jì)算公式如下：

式中：N為建筑使用年限，在碳排放量計(jì)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(jì)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(qū)5層三單元一梯兩戶住宅為例，用碳排放量數(shù)學(xué)模型計(jì)算建筑樓宇的碳排放量。建筑物總建筑面積為2945.35m2，根據(jù)實(shí)地的數(shù)據(jù)收集可得建筑運(yùn)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(shè)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(shù)據(jù)為：建材的運(yùn)輸為公路卡車運(yùn)輸，運(yùn)輸距離按200km計(jì)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(jù)北京市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，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(jì)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(jù)表7所列技術(shù)結(jié)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(jì)算時取N=50年。

計(jì)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(xiàn)[11]計(jì)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(qū)域電網(wǎng)，電力的來源主要是火電，其電力的碳排放系數(shù)高達(dá)0.997kg/kWh。

3 結(jié)論

對比計(jì)算結(jié)果可以看出，對建筑而言，建筑使用和維護(hù)階段中的碳排放量占到全生命周期的比例最大，高達(dá)75.3%，其次建材的生產(chǎn)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(yùn)輸為0.4%。因此，加大建筑使用和維護(hù)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(huán)境保護(hù)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(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（300134）；E-mail:fengzepeng110@126.com