绿色建筑碳排放模拟计算探讨

易嘉

（上海朗诗规划建筑设计有限公司，上海 200092）

1 引言

随着中国“双碳”战略的实施，低碳建筑成为行业的发展趋势。为最大限度地减少建筑在全生命周期内的碳排放量，在建筑物设计阶段便对其进行碳排放计算是最经济有效的方法。碳排放计算是借助设计阶段建筑物的地理信息、周边环境信息、几何信息、材料信息，推算出建材生产阶段的能源消耗量，计量单位包括质量（kg 或t）、体积（m3）、用电量（kW·h），并将其统一转化为碳排放因子（kg CO2e/ 单位材料用量），碳排放因子（Carbon Emission Factor）是指将能源与材料消耗量乘以二氧化碳排放相对应的经验统计系数，得到建筑物不同阶段相关活动的碳排放归一量化指标。PKPM-CES 碳排放计算软件采用全生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）算法，是国际标准方法[1-2]，可以实现系统性的量化分析。

2 基础数据搜集

碳排放计算的首要步骤是基础数据搜集和推算，按照工程全生命周期的不同阶段，可分为设计阶段、施工建造（生产）阶段、运行维护阶段和拆除阶段4 大类基础数据，每个大类数据又分为若干小类。

2.1 设计阶段

本阶段按照不同专业进行数据采集，其共同点是与材料用量有关，主要包括如下内容。建筑专业：设计砖墙用量（m3）、设计保温材料用量（m3）、以窗洞面积统计的设计窗用量（m2）、以门洞面积统计的设计门用量（m2）、电梯和自动扶梯的数量及其额定参数等。

结构专业：设计混凝土用量（m3）、设计钢筋用量（t）、设计型钢用量（t）等。对于一般住宅，可按照70 kg/m2估算用钢量，0.44 m3/m2估算混凝土用量，有类似工程的经验数据积累时，可采用其经验数据。在PKPM 绿建模型中一般建模钢筋混凝土剪力墙而不建模钢筋，故混凝土用量可以从模型中读取，而钢筋用量则需要估算后手动填入。

给排水专业：设计给排水管用量（m 或t）、设计洁具用量（个）、生活热水的设计参数、可再生能源利用等。

电气专业：设计桥架用量（m）、设计电缆用量（m）、照明功率密度（W/m2）、可再生能源利用等。

暖通及动力专业：设计风管用量（t）、暖通设备及其负荷计算参数、炊事（燃气）指标或用量、可再生能源利用等。

景观专业：设计各类植物的面积（大小乔木、灌木、花草密植混种区、自然野草、草坪、水生植物）、建筑或建筑群所占场地面积、绿化率等。景观绿化的碳排放量为负值，属于减少碳排放的有利因素，称为“绿化碳汇”。对于一般的住宅小区，可按乔木的种植占比10%，灌木的种植占比60%，草坪、水生植物等的种植占比30%估算，则各类植物的固碳量约为：乔木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（生产）阶段

本阶段主要补充搜集施工措施的碳排放数据，例如，建造所用的机械的能源种类、台班数等。但在项目设计初期，施工单位的建造设备一般是分批进场，具体需要的台班数也随工程建设而动态变化，因此，在设计阶段进行碳排放计算，施工阶段的数据只能根据经验公式估算。在PKPM-CES 碳排放计算软件中，在没有任何建筑建造阶段的能耗相关的数据的情况下，可选用广东省住房和城乡建设厅的《建筑碳排放计算导则（试行）》[3]经验公式进行估算，如式（1）所示：

式中，X 为地上层楼层数；Y 为单位面积的碳排放量，kg CO2。

当运输距离无准确的交通数据时，可参照GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》[4]附录E 中默认值取值，混凝土默认运输距离值为40 km，其余建材的默认运输距离为500 km，交通方式默认为陆运。

2.3 运行维护阶段

建筑物运行阶段的主要能耗主要包括生活热水、冬季供暖、夏季空调、通风机、照明、电梯等的用电量，因此，其基础数据主要包括：生活热水供应时间（天数）、暖通设备运行时长及维护次数、光伏发电系统的运行时长等，此类参数可以在设计阶段预估并同步输入。

2.4 拆除阶段

该阶段一般没有基础数据需要输入，主要是采用估算法，PKPM-CES 碳排放计算软件提供了按建筑体量估算、按比例或能耗清单估算、按拆除工程详细计算等。在设计阶段，一般没有任何详细的拆除数据，可选用广东省住房和城乡建设厅《建筑碳排放计算导则（试行）》（2021 版）的经验公式进行估算，如式（2）所示：

用建筑总面积乘以单位面积的碳排放量Y，即得到拆除阶段的碳排放量。

2.5 碳排放因子数据来源

在PKPM-CES 碳排放计算软件中，各类材料的碳排放因子的数据来源主要包括：

1）GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》；

2）《建筑全生命周期的碳足迹》[5]；

3）GB/T 2589—2020《综合能耗计算通则》[6]；

4）GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[7]；

5）《企业温室气体排放核算方法与报告指南 发电设施（2022 年修订版）》[8]；

6）上海市生态环境局《关于调整本市温室气体排放核算指南相关排放因子数值通知》[9]；

7）广东省住房和城乡建设厅《建筑碳排放计算导则（试行）》；

8）《城市绿地碳汇核算方法及其研究进展》[10]。

由于碳排放分析模型的抽象性和概括性，不能完全还原现实世界，因此，当遇有不规则外形的建筑时，就需要通过预算表、决算表、采购清单或者建立更精确的BIM 模型来统计材料用量。

2.6 基准建筑

根据GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》 第2.0.1～2.0.3 条及其条文说明，基准建筑是指的执行2016 年及以前节能设计标准的建筑。包括JGJ 26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[11]、JGJ 134—2010 《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[12]、JGJ 75—2012《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》[13]和GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》[14]。

GB 55015—2021 《建筑节能与可再生能源利用通用规范》第2.0.3 条所指的“相对于基准建筑的碳排放强度平均降低40%，碳排放强度平均降低7 kg CO2/（m2·a）以上”，在具体的项目实践中，该两个指标是否需要同时满足，或是仅满足其中1 个，需要根据项目所在地的具体要求确定，如果没有特别的规定，一般均应满足，并且需要设置可再生能源。

3 碳排放模拟计算实例

3.1 工程概况

本工程位于北纬31.00°，东经121.00°，气候分区属于夏热冬冷ⅢA 区，朝向为南偏东2.5°。该高层住宅所在居住小区的总用地面积26 873 m2，绿地率35%，该高层住宅的节能计算模型为地上19 层（含机房层），地下1 层，建筑高度57.70 m，地下建筑面积393 m2，地上建筑面积6 701 m2，总建筑面积7 094 m2，体形系数0.41，结构类型为钢筋混凝土剪力墙结构，计算模型如图1 所示。

图1 上海某高层住宅碳排放计算模型

3.2 基础数据和基本参数

本工程通过PKPM-CES 碳排放分析模型统计主要材料用量，但碳排放分析模型中没有建模钢筋，故需要按照70 kg/m2估算用钢量，并手动输入材料表进行碳排放计算，结果如图2所示。可见，钢筋混凝土结构中，按照碳排放量由大到小，混凝土和钢筋两种材料占总碳排放量的50%以上，其次是门窗，再次是保温材料，而生活水管的碳排放量则很小。

图2 生产及运输阶段的碳排放量（单位：t CO2e）

可再生能源使用方面，由于本工程是一般的公寓住宅，且设计时间早于GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的实施时间，没有设置太阳能热水系统，也未选择节能照明设备或高效供暖设备。因此，只能依靠绿化碳汇作为减碳措施。

选取2022 年上海市电网碳排放因子4.2×10-4t CO2e/（kW·h）为本工程参数，采用全生命周期评估（LCA）算法。

3.3 减碳措施

本工程选取单体建筑进行碳排放计算，应采用所在居住小区用地的一部分作为该建筑的“从属用地”，然后将“从属用地”的面积乘以绿地率算出绿化碳汇面积。所选的“从属用地”面积一般应按照各楼栋的地上总建筑面积按比例分摊，如图3 所示，全小区总用地26 873 m2，该单体建筑的“从属用地”面积取2 300 m2，绿地率35%，按照灌木占60%、草坪占30%，乔木占10%计算。

图3 建筑单体分摊绿化碳汇用地面积示意图

3.4 设置要点和计算结果判读

一般而言，生产运输和运行维护所占全生命周期总碳排放量的比例应基本接近，则整体计算相对可信。本工程建造及运行共50 年的总碳排放量为6 621 t CO2e，单位面积碳排放量为1 t CO2e/m2，年均碳排放指标为0.021 t CO2e/(m2·a)，碳排放强度在2016 年执行的节能设计标准的基础上降低了40.40%，碳排放强度降低了5.41 kg CO2e/(m2·a)，虽然碳排放强度小于7 kg CO2e/(m2·a)，但相对于基准建筑降低超过40%，仍旧满足规范的部分要求。不同阶段的碳排放量及其占比如图4 所示。

图4 本工程50 年全生命周期碳排放量（t CO2e，%）计算结果及占比

按照GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》第4.1.2条，碳排放计算总采用的建筑设计寿命应与设计文件一致，当设计文件不能提供时，应按50 年计算，一般生产运输约5 年，则运行维护约45 年，假设按照50 年计算得到的建筑物全生命周期的总碳排放量为C，则生产运输阶段的总碳排放量约为0.5C，年均碳排放量0.5C/5=0.1C；运行维护阶段碳排放量为0.45C，年均碳排放量约0.45C/45=0.01C，相当于生产运输阶段年均碳排放量的10%，主要发生在空调、热水、照明和电梯系统的设备用电中。

当建筑物在超过50 年之后继续使用时，考虑到居住环境改善、建筑物检测和大修，可将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，当建筑物使用年限达到70 年时，其附加碳排放量约为0.02C(70-50)=0.4C，已经接近于生产运输阶段的总碳排放量，碳排放总量预估达到1.4C。当建筑再次延期使用至100 年时，随着结构构件的耐久性降低，建筑物的维护成本呈非线性快速增长，以致出现加固、替换结构构件的大修状况，可将该阶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，则在第70～100年间，建筑运行维护的碳排放量将增加0.05C(100-70)=1.5C，预估超过建筑物前70 年的碳排放量。

4 结语

综上所述，绿色建筑全生命周期碳排放计算是需要全专业、各参建方密切配合的工作，从基础数据搜集到标准和算法的选用都要尽可能适配当前工程项目的实际情况，参数估计要灵活运用建筑热工设计原理，做到自洽、合理，而不是机械地套用规范条文。目前，中国规范对于普通房屋和构筑物规定的设计使用年限为50 年，但是很多1950 年代建造的建筑距今都超过了70 年仍在继续使用，从碳排放的角度看，此类建筑由于频繁地进行环境改造、结构大修，引起的附加碳排放量将随时间的推移而呈非线性快速增长趋势，反而成为减碳的重大阻力之一。因此，笔者建议从长远的减碳效益考虑，应提高普通房屋和构筑物的设计使用年限至100 年，通过应用高强轻质材料来减少建造阶段的碳排放量，并为远期减碳打下良好的基础。