■ 江蘇龍騰工程設計股份有限公司暖通總工程師 徐正宏

2020年9月22日，國家主席習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布中國二氧化碳排放量力爭在2030年達到峰值，2060年前實現碳中和。2018年，我國建筑全生命周期碳排放總量是49.3億tCO2，占全國能源總碳排放量的50%以上，并且呈上升趨勢[1]。在國家“雙碳”背景下，建筑行業(yè)發(fā)展低碳化，甚至零碳化的技術路線將成為未來的發(fā)展趨勢。本文以南京市南部新城新建零碳幼兒園為案例，對零碳幼兒園建筑全生命周期內的碳排放量進行初步分析。

1.工程概況

該項目位于江蘇省南京市秦淮區(qū)，東北兩側緊鄰規(guī)劃住宅用地，規(guī)劃用地面積約4071.31m2、綠地面積1425.27m2、總建筑面積3121.56m2、容積率0.63，綠地率35.01%，其中1#單體為框架結構，地上3層，主要功能為活動單元、專用教室、教師辦公室等，地下1層主要功能為廚房、設備用房等后勤輔助用房；2#單體采用木結構形式，地上1層為多功能活動室，地下1層為設備用房（圖1）。該項目采用以下設計原則：一是選擇綠色建材和裝修材料，通過合理朝向和空間布局盡可能最大化利用自然通風和自然采光；二是盡量使用可再生能源，通過“被動式+主動式”設計，降低能源需求大約20%。

圖1 建筑功能布局

2.低碳化設計技術路線

2.1 以節(jié)能為導向的機電設計

對于幼兒園建筑的空調冷熱源，根據《托兒所、幼兒園建筑設計規(guī)范》（JGJ 39-2016）第6.2.1條，應優(yōu)先利用可再生能源，如太陽能、風能、地熱能等。對于體量較小的幼兒園建筑，空調系統應推行精細化設計和控制：首先，在設計階段應進行全年動態(tài)空調負荷計算，根據全年負荷變化特點進行設備選型和制定自控方案，盡量提高空調系統在部分負荷工況下的性能；其次，在運行階段要結合建筑的被動式房屋設計，在春夏季盡可能多利用自然通風，其余時段根據室內人員需求和室外氣象參數變化及時調整空調系統的運行策略。

此外，應充分采用自然采光并注重照明系統的節(jié)能，后者一般通過采用高效照明器具和智能照明控制系統兩方面實現。

2.2 以被動式房屋為導向的建筑設計

根據項目所在地的氣候特征，對建筑物朝向、外立面設計、建筑體型系數、圍護結構保溫、開窗形式（窗墻面積比及外窗設計可調節(jié)遮陽）、建筑內部空間布局（高大空間立體中庭、建筑夾層通風空間等）進行合理設計，增強建筑自然通風（過渡季節(jié)）和自然采光，降低建筑物冷熱負荷的同時實現建筑內環(huán)境自調節(jié)，打造建筑物內部微氣候，提高建筑的被動式性能。此外，夏熱冬冷地區(qū)的建筑圍護結構性能參考《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》。

2.3 建材低碳化設計

建筑建材應盡量選用可再循環(huán)的建筑材料或EPD（環(huán)境產品申明）認證的綠色建材。一般幼兒園建筑規(guī)模小，可結合木結構體系，選用木材作為主要建筑材料。此外，室內裝修可采用無吊頂設計和清水混凝土，也可采用麥秸板、竹材等自然材料。

2.4 碳中和設計

利用地熱能、太陽能等可再生能源，用于建筑本身的制冷、制熱、發(fā)電等，以及在地塊內盡量最大化綠地系統，利用植物光合作用實現對建筑本身碳排放的中和。幼兒園建筑由于其自身建筑特點要求設置一定比例的室外場地和綠地率，具備碳中和設計的先決條件。

3.全生命周期碳排放測算

參考建筑全生命周期碳排放量核算方法[2]，依據國家標準《建筑碳排放計算標準》（以下簡稱《標準》），按照建材生產、運輸、建筑施工、建筑使用（含維修）和拆除廢棄五個階段，分別進行計算和匯總。

3.1 建材生產階段

基于項目建筑工程預算書清單，依據《標準》將各類建材總量和對應的碳排放因子的乘積累加，可得到建材生產階段的碳排放總量Cm。該項目主要建筑材料用量及生產、運輸階段碳排放統計，詳見表1。

表1 1#單體和2#單體建材生產和運輸階段碳排放統計

由上述統計結果可見，得益于木結構設計，2#單體建材生產階段單位平方建筑面積碳排放量僅200KgCO2/m2，遠小于傳統建筑。綜上，該項目建材生產階段碳排放總量Cm=1476270KgCO2。

3.2 建材運輸階段

該項目各類建材按照重型汽油貨車運輸方式考慮，依據《標準》中的貨物運輸碳排放因子，可計算得到建材運輸階段碳排放。因此，該項目建材運輸階段碳排放總量Ct=156116（1#單體）+7281（2#單體）= 163396KgCO2。

3.3 建筑施工階段

目前，該項目正處于設計階段，無法獲取準確的施工臺班統計數據。參考文獻[3]的計算方法，按一般公建施工階段單位建筑面積碳排量15.4KgCO2/m2的經驗值，估算該階段的碳排放總量Cc=44601(1#單體)+3471(2#單體)=48072KgCO2。

3.4 建筑使用階段

建筑使用階段是建筑全生命周期中持續(xù)時間最久、碳排放量最大的一個階段，對于碳排放評價的影響重大，該階段的碳排放主要包括暖通空調、生活熱水、照明及電梯、可再生能源、建筑碳匯系統等在整個建筑使用期間產生的碳排放以及建筑構件維護產生的碳排放。根據建筑專業(yè)相關規(guī)范和建設方使用需求，該項目建筑設計使用年限為50年。

3.4.1 暖通空調系統能耗

一種準確分析幼兒園建筑空調系統全年運行能耗的方法是分階段、分設備分項統計。由于幼兒園建筑的使用特點，全年運行能耗分析需扣除寒暑假時段的運行能耗，根據南京市教育局相關規(guī)定，該項目空調系統運行時間段設定如表2所示，扣除寒暑假，年運行總時長約9個月，表3采用BIN法計算可得到全年動態(tài)空調負荷，得到建筑全年最大冷熱負荷及累計冷熱負荷值。

表2 空調系統運行時間

表3 空調負荷分項統計

該項目空調系統冷熱源采用了1臺螺桿式地源熱泵機組，根據設計選型：該機組夏季制冷COPc=5.0，冬季制熱COPh=4.6，地源側水泵和末端冷熱水泵功率均為7.5kW，建筑物空調末端采用風機盤管、熱管式熱回收新風機組以及組合式空調器的形式。綜上所述，該項目冬、夏季空調系統各部分全年運行能耗及碳排量統計，如表4所示。

表4 空調系統全年運行能耗及碳排放統計

該項目空調系統年運行碳排放總量Ckt為=45979.04（1#單體）+9178.71（2#單體）=55157.75KgCO2/a。整個空調系統中地源熱泵主機和輸配水泵的運行碳排放占比較大，約為70%。因此，降低空調系統運行碳排放的關鍵是提高熱泵機組的性能系數、降低輸配管路的阻力以及提高循環(huán)水泵的運行效率。

3.4.2 生活熱水系統能耗

該項目建筑物生活熱水均采用太陽能熱水系統，根據《標準》，生活熱水耗能量及碳排放忽略不計。

3.4.3 照明及電梯系統能耗

根據電氣專業(yè)設計參數，照明系統和電梯系統（該項目僅設1部食梯）年運行能耗和碳排放量計算，如表5所示。

表5 照明和電梯系統年運行能耗及碳排放統計

計算得知，該項目照明及電梯系統年運行碳排放量Czm為11076.05(1#單體)+708.5（2#單體）=11784.6 KgCO2/a。

3.4.4 建筑構件維護產生的碳排放

建筑構件維修所產生的碳排放計算比較復雜，該項目采用以修繕周期和規(guī)模為研究邊界的“工程量類比法”，將公建的構件維護劃分為小修、中修、大修三類，考慮50年的使用年限內，大修1次、中修4次、小修若干次，并且大修一次的碳排放量占建筑設計建造階段（即建材生產、運輸及施工階段）碳排量總和的25%；中修一次的碳排放量占比為20%；小修的碳排放占比可忽略不計。因此，該項目運營階段構建維護產生的碳排放為：

根據上文的測算結果，該項目建筑構件維護產生的碳排放量Cco=1713445.65（1#單體）+58680.3（2#單體）=1772125.95KgCO2/a。

3.4.5 可再生能源系統能耗

該項目應用的可再生能源主要有地源熱泵、太陽能生活熱水以及光伏發(fā)電，其中，地源熱泵系統的節(jié)能量已體現在空調系統能耗計算一節(jié)；生活熱水全部來自太陽能，其供能量不計入生活熱水耗能量。本節(jié)僅統計光伏發(fā)電系統帶來的減碳排放量。

2#單體（多功能活動室）設計了光儲直柔光伏發(fā)電系統，屋頂安裝了容量為15kWp固定式多晶硅光伏發(fā)電系統，并配合建設一套化學儲能單元，每套24kWh磷酸鐵鋰電池。當光照充足時，該系統可供活動室全部建筑用電、儲能系統充電，余電供北側樓（1#單體）使用；光照不足時，由儲能系統給多功能活動室供電。

同時，建設一套電源配電系統，用于對分布式電源和負荷進行組網運行，實現對各個就地支路的測量與控制，整個系統運行模式通過設置可自動轉換，光伏發(fā)電自發(fā)自用，與電網并網不上網。

根據測算，該光伏發(fā)電系統理論年發(fā)電量約1.64萬kWh（折合成減少的碳排放量約13275.8KgCO2/a）。

3.4.6 綠地碳匯

該項目主要的碳中和手段是可再生能源的應用和室外綠化帶來的綠地碳匯，綠地碳匯相比較而言碳減排量較小，城市公共綠地單位綠地面積的固碳能力約為0.166KgCO2/m2.a，該項目綠地率達35%，綠地面積約1426m2，簡單計算可得全生命周期內綠地系統碳減排量Cld=-118356KgCO2。

綜上所述，該項目全生命周期建筑使用階段的碳排放分布統計如表6所示?？梢?，采用木結構的2#單體，由于構建維護和光伏發(fā)電的減碳排放量，遠遠大于空調系統和照明系統的碳排放量，2#單體使用階段零碳排放，并且由于光伏發(fā)電的余量，還可以用來給1#單體供電，減少1#單體運行階段碳排放，該項目建筑使用階段的碳排量總量合計為3744819KgCO2。

表6 建筑使用階段（50年）能耗及碳排放統計

3.5 拆除廢棄階段

該階段對建筑全生命周期的碳排放總量的影響較小，對拆除階段碳排放總量進行估算，按常規(guī)公建單位建筑面積拆除碳排量32.3KgCO2/m2的經驗統計值可得Cd=93545.32（1#單體）+7281.07（2#單體）=100826.4KgCO2。

3.6 全生命周期內建筑物碳排放預評估

綜合上文中關于該項目從建設到拆除全生命周期各階段的預評估統計數據，可匯總得到全生命周期內建筑物碳排放量，對2#單體實現零碳目標貢獻最大的是建筑使用階段太陽能光伏發(fā)電，考慮到該光伏系統供電余量也可用于1#單體建筑用電，可適當調整，得到更接近實際運行數據的結果，詳見表7。

表7 建筑全生命周期碳排放統計

根據上述預評估結果，該項目2#單體已符合全生命周期零碳建筑的要求；1#單體全生命周期總碳排放量約6155215KgCO2，折合年單位建筑面積碳排放量42.5KgCO2/m2.a，遠低于國家統計指標，其中，建筑使用階段碳排放量僅為2018年全國公共建筑單位面積運行碳排放量的一半。

4.結語

該項目全生命周期內年平均單位面積碳排放量42.5KgCO2/m2.a（其中2#單體碳排放量為0），低于國家統計指標。其主要原因是建材生產階段使用了低碳木材（2#單體為木結構設計），建筑使用階段對可再生能源（地源熱泵、太陽能熱水、光伏發(fā)電）的應用，以及該項目作為幼兒園建筑，避開了寒暑假期高能耗的時段。相比傳統公建類項目，該項目充分降低了建筑全生命周期的碳排放并達成2#單體零碳屋的設計目標。全生命周期內，建筑使用階段的年平均單位面積碳占比最高，其次是建筑建材生產階段，年平均年單位面積碳排放量為35KgCO2/m2.a，其余所有階段以及碳匯等對碳排放影響均較小。因此，低碳建筑建材的選擇以及建筑使用過程中可再生能源技術的應用，對于建筑物全生命周期碳排放的控制起著決定性作用，尤其以可再生能源的應用效果最顯著。