天津节能住宅建筑生命周期碳排放核算
郑雪晶，王霞，张欢
(天津大学 环境科学与工程学院，天津，300072)
摘要：温室气体排放而引起的全球变暖问题已经成为国际社会普遍关注的问题，而建筑业的相关活动一直产生大量的温室气体，本研究基于生命周期评价理论(LCA)以中新天津生态城的典型节能住宅为例，通过累计法对该建筑的生命周期碳排放进行了核算，定量得到了该住宅的生命周期碳排放。并根据核算结果，探讨了减少住宅建筑碳排放的途径。
关键词：生命周期评价；碳排放；节能住宅
中图分类号：F407.9 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0262-06
Life cycle assessment for carbon emission of energy efficient residential building in Tianjin
ZHENG Xue-jing, WANG Xia, ZHANG Huan
(School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract: Greenhouse gas (GHG) emission has become a common concern to the international community, and building industry causes large burden on the environment due to the environmental emissions by the production of building materials and running of building system. A quantitative life cycle model for carbon emission accounting was developed based on the life cycle assessment (LCA) theory in this paper. A residential building of the rental project in Sino-Singapore Tianjin Eco-city was selected as an example to accounting the total carbon emission during its life time. Finally, according to the results, ways to lessen carbon emission were discussed.
Key words: life cycle assessment; carbon emission; energy-efficient dwelling
温室气体排放引起的全球变暖问题已经成为国际社会普遍关注的问题，而建筑领域一直是全世界能源消耗和温室气体排放的主要领域。根据联合国环境规划署的统计，在世界范围内，建筑领域的能耗大约占到全社会总能耗的30%~40%[1]。根据联合国政府间气候专门委员会(IPCC)第四次评估报告[2] ，在2004年，建筑领域(除电力应用)的CO2排放达到3 Gt,如果包括建筑中用电产生的CO2，那么CO2的排量将达到8.6 Gt，几乎占到全球温室气体的1/4。据统计，近几年来我国每年建成房屋约16亿~20亿m2。目前，中国建筑能源消耗已经占全国能源消耗总量约27.5%，即6.13 Gt标准煤。但是，与此同时在IPCC报告中也指出，从整个建筑物的生命周期看，建筑领域降低温室气体排放的成本是很低的，它指出到2030年大约可降低50 Gt CO2而所负担的边际成本为零，在此之上降低5~6 Gt CO2所负担的成本在20~100美元/t之间。纵观所有的行业，建筑行业降低CO2的成本是最低的[3] 。所以生命周期碳排放将是绿色建筑评价的一个重要指标，也是建筑业发展的必然趋势。
本文作者基于生命周期评价理论，对中新天津生态城典型建筑物生命周期碳排放进行定量分析，以期对建筑的碳排放核算有清晰、准确的理解，为今后的建筑生命周期碳排放的计算，低碳可持续建筑的设计及评定提供参考 。
1 生命周期评价的定义
生命周期评价(Life cycle assessment)是一种评价产品、工艺或活动从原始材料采集，到产品生产、运输、分配、使用以及最终的处置整个生命周期阶段有关的环境负荷的过程[4]。
建筑生命周期也是建筑产品的生命周期(Building life cycle)，即建筑产品“从摇篮到坟墓”的整个过 程[5-6]，包括：原材料开采，建筑材料、设备生产和构件加工制造、建筑工程施工安装、运行维护及拆除处置等阶段，图1所示为工程建设活动全过程与建筑产品生命周期的关系。核算建设工程项目全过程的碳排放应该基于建筑产品的整个生命周期。
21世纪前20年是我国建筑业发展的持续高峰时期，迫切需要对建筑项目进行全面评估的方法和体系。生命周期评价理论是可持续建筑的核心理论之一，利用它评价建筑项目的总体能耗，可以为完善建筑物生命周期评价理论、建立以该理论为基础的可持续建筑评价体系打下坚实的基础。
2 建筑生命周期碳排放核算模型
2.1 建筑生命周期碳排放核算范围与能单位
(1) 核算范围：建筑生命周期系统边界内部应包含形成建筑实体和功能的一系列中间产品和单元过程流组成的集合[7]，包括建筑材料生产和构配件加工、运输、施工与安装、使用期建筑物运行与维护、拆除与处置，建筑物运营维护阶段的碳排放是采暖、通风、空调 、照明等建筑设备对能源的消耗造成的，不包含由于使用各种家用电器设备而导致的能源消耗与碳 排放。
(2) 功能单位：建筑物规模不一，物化阶段材料、机械使用量相差很大，直接导致碳排放量差别很大；而使用阶段持续时间几乎占了建筑生命周期的全部，评价年限对评价结果影响很大，因此，仅给出建筑物总的碳排放量缺乏可比性，需要建立一个横向可比较的评价。用每年每平方米建筑面积的碳排放量作为评价指标可以有效消除由于建筑物规模、设计年限不同带来的影响，使得评价结果之间具有一致性和可比性。因此 ，建筑生命周期碳排放核算的功能单位为单位建筑面积的年碳排放量。
2.2 清单分析
清单分析内容如图2所示。
在分析建筑生命周期的碳排放清单时，由于可再生能源的利用(如利用太阳能发电)以及绿色植 被对CO2的吸收作用，而对环境有正效益的，应当减少相应数量的电能输入量和CO2 排放量[8-9]。
2.3 核算模型
以CO2气体的全球变暖潜能值(GWP)为基准，其他气体 (CH4和N2O等)的GWP是以CO2为基准，折算为CO2当量来衡量。
建筑生命周期的碳排放即是建筑物化、使用和拆除处置各阶段的各类温室气体排放量与其全球气候变暖影响潜能特征当量因子相乘所得到的总和。可由以下2个公式计算：
(1)
式中：Pm为建筑在某阶段的碳排放总量(kgCO2)；Wi为建筑生命周期内在第m阶段产生第i种温室气体总量(kg CO2)；
为第i种气体的全球变暖影响潜能值(kg CO2/kg温室气体)。
(2)
式中：Ptot为建筑全生命周期碳排放总量，(kg CO2)；Pmanu为建筑材料生产阶段碳排放总量，(kg CO2)；Perect为建筑在建造阶段碳排放总量，(kg CO2)；Poccup为建筑在使用阶段碳排放总量，(kg CO2)；Pdemo为建筑在拆除阶段碳排放总量，(kg CO2)。
图1 建筑生命周期
Fig.1 Building life cycle
图2 清单分析内容
Fig.2 Contents of inventory analysis
根据《京都议定书》， 温室气体包括以下 6类：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)，部分气体的全球变暖潜能值，见表1。
表1 温室气体的当量因子潜能值[9]
Table 1 GWP of greenhouse gases [9]
3 案例计算
3.1 目的和边界设定
中新生态城选址于天津滨海新区，生态城的区域规划面积约为34.2 km2，能源规划范围与总体规划范围相一致，涵盖整个生态城。该区域融入了绿色环保、可持续发展的开发理念，以节地、节能、节水、节材、环保为特点，强化可再生能源利用。根据住宅建筑耗能特性，中新天津生态城公屋项目框剪结构住宅体系采取了以下节能措施：
(1) 提高围护结构的保温隔热性能；
(2) 设置外遮阳体系，通过采取不同的外遮阳措施来降低夏季空调能耗；
(3) 采用节能性空调器、冰箱、洗衣机等室内用能设备；
(4) 通过利用自然通风来降低空调系统能耗；
(5) 通过更换供热方式，改善管网系统的调节，提高热源效率这3方面来降低居住建筑的采暖能耗。
选取公屋项目中一栋住宅楼为研究对象，层数15，总建筑面积4 443.3 m2。住宅采用低温热水地板辐射供暖，系统计量方式为一户一表。工程热源由城市热水管网作为热媒空调设定温度26 ℃，渗透风量0.5次/h换气，采用能效等级为1的变频空调。
系统边界设定为建材生产、建造施工(包括建材运输和施工两部分)、使用维护和建筑拆除4个阶段。
3.2 清单分析
数据来源于施工方案和工程量清单，采用累积的计算方法。以下是该建筑的主要建材清单和施工机械工作时间表。
表2 主要建材数据清单
Table 2 Main building materials
表3 施工机械工作时间表
Table 3 Operating schedule of construction machineries
表4 建材生产阶段碳排放[10-13]
Table 4 Carbon emissions during production of building materials [10-13]
表5 建材运输过程中碳排放[14]
Table 5 Carbon emissions during material transportation [14]
表6 施工阶段碳排放
Table 6 Carbon emissions during the construction
(1) 建材生产阶段。在清单分析中，我们根据提供的建筑材料清单计算出他们的碳排放量。
根据该项目中不同建材的使用量和物化过程中的单位碳排放量，计算得到在建材生产阶段总的碳排放量为1 686.2 t，单位面积碳排放为0.379 t/m2。
(2) 施工建造阶段。施工阶段的碳排放应该包括施工过程和运输过程的碳排放，运输能耗根据运输量、运输距离和燃料单位碳排放量计算；施工阶段根据各施工机械工作的台班数及不同机械工作每台班的排放量计算。
这样计算得到施工阶段总的CO2排放量为37.2 t，单位建筑面积CO2排放量为0.008 4 t/m2。可以看出施工阶段的碳排放比建材生产阶段的碳排放量要小得多。
(3) 运行维护阶段。使用阶段的碳排放根据建筑物的采暖和空调两方面计算，住宅中消防，给排水，及居民家电等与建筑结构，形式关系不大故不予考虑，使用年限设为50年。利用energy-plus动态模拟软件模拟所选建筑的全年动态冷负荷及热负荷。空调设定温度为26 ℃，冬季室内采暖温度设为18 ℃。在该项目中，冬季采用地板采暖，厨房和卫生间都设采暖；夏季采用单体能效等级为1的变频空调，所以，厨房和卫生间都不做考虑。建立负荷模拟模型如图3和图4所示。
计算得到该建筑的全年热负荷为0.67TJ， 已知供热管网效率为93%，锅炉效率为82%，根据煤的燃烧热值及煤的排放因子，得到建筑每年由供热引起碳排放量为57.6 t。计算得到冷负荷为0.33TJ，全部采用能效等级为1的变频空调，得出空调全年耗电量26 841 kW·h,由《中国能源统计年鉴》知华北电网排放因子为0.78，由此得该建筑每年由空调引起的碳排放量为21.07 t。
图3 热负荷计算模型2-zones
Fig.3 Heating load model 2-zones
图4 冷负荷计算模型6-zones
Fig.4 Cooling load model 6-zones
建筑维护过程中碳排放量计算式根据建筑不同构件的使用寿命得到不同建材的修缮系数，再由不同建材在物化阶段和运输过程的碳排放和修缮系数相乘得到维护过程的碳排放量(由于维护过程中施工引起排放无法统计故忽略不计)。维护过程中碳排放量见表7。
(4) 建筑拆除阶段。由于我国建筑拆除阶段使用能耗的数据非常匮乏，参考日本AIJ-LCA的数据，拆除阶段占新建阶段的10%左右，由此相比其他生命阶段，该住宅拆除阶段的CO2排放量非常小，约为 3.72 t。
(5) 生命周期碳排放。该住宅的总的生命周期碳排放和单位面积生命周期碳排放见表8，其中每个阶段碳排放所占比例如图5所示。
表7 维护过程碳排放量
Table 7 Carbon emissions caused by maintainance
表8 生命周期各阶段碳排放量
Table 8 Carbon emissions in various phases
图5 建筑生命周期各阶段碳排放量
Fig.5 Carbon emissions in various phases of life cycle
可以看出：建材生产和使用维护2个阶段的碳排放占主导.由此开展这2个阶段的节能减排是关键。
在本案例中单位面积碳排放量为1.33 t/m2，相对于葛坚[15]在《LCA在建筑环境负荷定量评价中的应用》中对武汉某钢结构住宅计算所得的1.56 t/m2和尚春静和张智慧[16]在《建筑生命周期碳排放核算》中对北京某低层钢筋混凝土结构住宅计算所得的5.7 t/m2有明显减小。另外，在建材生产阶段的碳排放量占总排放量的28.6% ，较国家统计数据10%~20%偏大，而使用维护阶段占总碳排放量的69.4%，较国家统计数据80%~90%偏小。这是由于生态城公屋项目采取了众多节能措施，必然导致在原材料的生产阶段能耗和碳排放量增加，而在使用阶段的碳排量会减小，这也是生态城项目优势所在。
4 结论
(1) 根据计算结果，住宅建筑的使用阶段和建材生产阶段的碳排放量直接决定了住宅建筑总的碳排放量，因此，减少物化阶段和使用阶段的碳排放是建筑业实现节能减排的主要途径。
(2) 物化阶段减少碳排放可以通过减少建材生产能耗、替代使用生产工艺过程中碳排放小的原材料及清洁生产等途径。
(3) 建筑使用期减少碳排放可以在设计时考虑相应的节能措施，如公屋项目采取保温、遮阳、自然通风等技术，在使用时提高居民的节能意识以便减少建筑运行过程能耗而减少碳排放。
(4) LCA在研究范围和研究阶段上全面而综合，在计算分析中明确直观，对建筑生命周期碳排放有一个定量的认识，由此把LCA用于建筑开发项目的影响评价、方案决策等领域，将是一项非常有效可行的方法，更加有利于绿色低碳建筑的选择和推广。
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(编辑 何学锋)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：天津大学自主创新基金资助
通信作者：郑雪晶(1979-)，女，黑龙江大庆人，博士，讲师，从事建筑节能与可再生能源利用研究；电话：022-27400832；E-mail: zhengxuejing@tju.edu.cn
