建筑碳排放分析与减碳路径研究

董莹，刘军，董恒瑞，罗干，孙浩然

（中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司 绿色建筑设计研究院，重庆 400042）

0 引言

据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2021）》[1]显示，2019 年全国建筑业全过程能耗和碳排放总量分别达到22.33 亿吨标准煤和49.97 亿吨二氧化碳，占全国总量的比例分别达45.8%和50.6%，是我国能耗与碳排放“大户”。据相关估计，到2050 年，我国建筑业对全社会碳减排量的贡献量将超56%，潜在节能减排空间巨大，是落实国家“双碳”目标的重点领域[2]。由此可见，在我国推动节能减排以实现碳达峰、碳中和目标过程中，建筑节能减排路径的实施是关键一环，对全方位迈向低碳社会，实现高质量发展具有重要意义。

近年来，我国对如何逐步实现“双碳”目标持续释放出政策“加码”信息，建筑业相关政策陆续发布。2021 年9 月，住建部发布《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021），首次明确建筑碳排放报告成为建筑设计文件中的强制性要求，并要求新建居住和公共建筑碳排放强度应在2016 年节能设计标准基础上平均降低40%，碳排放强度平均降低7kg CO2/(m2·a)以上[3]。2021 年10 月，国务院发布《关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》，其中对“优化建筑用能结构”做出了明确规定。2022 年3 月，住建部发布《关于印发“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划的通知》，明确指出建筑领域需加强统计与监测能力的建设，完善建筑领域能源消费统计制度和指标体系，探索建立城市基础设施能源消费统计制度。建筑碳排放相关标准、制度及方法学作为建筑“双碳”工作的基础技术备受关注。因此，在全球碳达峰、碳中和背景下，亟需厘清建筑领域碳排放计算问题，明晰建筑节能减碳机制，提升建筑节能技术水平，探究建筑“双碳”目标的实施路径。

1 建筑碳排放计算概述

建筑碳排放分析计算是建筑“双碳”研究的基础，国际上绝大部分研究针对建筑运行阶段展开，而国内则对全生命周期范围计算更加青睐。全生命周期理论由卡曼于1966 年首次提出，之后经过众多学者的发展并引入各个领域。广义来讲，全生命周期理论是指一个事物从其兴起到结束的过程。建筑全生命周期则是指从建筑的最初设计、施工，再到建筑整个寿命期间的运行，最后废弃拆除的连续的全过程。由于建筑项目建成所需技术复杂多样、建设周期长、风险高，对其全过程进行阶段划分至关重要。因此，建筑领域学者根据建筑项目过程的性质，将建筑全生命周期分为了建材生产与运输阶段、建造阶段、运行阶段、拆除阶段等四个阶段，并得到普遍认同。

1.1 标准理论基础

1.1.1 主流标准

目前，我国建筑领域的绿色低碳化标准体系仍在建设中，涉及建筑碳排放计算的主流标准包括《建筑碳排放计算标准》（GBT 51366—2019）、《民用建筑绿色性能计算标准》（JGJ ∕T 449—2018）、《建筑和土木工程的可持续性：现有建筑在使用阶段的碳计量》（ISO 16745—2017）和《建筑碳排放计量标准》（CECS 374—2014）。四部标准均阐述了建筑碳排放计算的方法学和原则，主要包含实测法、碳排放因子法、物料衡算法、施工工序能耗估算法等。在具体的计算内容和侧重点上，各标准存在一定的差异（表1）。

表1 各标准不同阶段碳排放计算要求

（1）《建筑碳排放计算标准》提出建筑全生命周期的碳排放计算具体方法，要求计算建材生产及运输、建造、运行、拆除阶段全过程的碳排放总量，重点阐述各阶段碳排放计算方法。

（2）《民用建筑绿色性能计算标准》仅对建材生产及运输、运行阶段的碳排放计算做出要求和分析。

（3）《建筑和土木工程的可持续性：现有建筑在使用阶段的碳计量》是仅针对建筑运行阶段碳排放计量、报告和核证的国际标准，具有较强的国际认可度。

（4）《建筑碳排放计量标准》是由中国工程建设协会编制发布的我国第一部真正意义上的建筑碳排放分析计算标准，适用于新建、改建和扩建及既有建筑的全生命周期碳排放计算，重点介绍数据收集与处理方法。

1.1.2 建筑全生命周期碳排放计算要点

根据《京都议定书》规定，建筑碳排放计算时应包含《IPCC国家温室气体清单指南》《京都议定书》和《多哈修正案》中规定控制的7 种温室气体排放量，具体为：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化合物（HFCs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6）、三氟化氮(NF3)。根据上述四种建筑碳排放计算标准，总结建筑全生命周期碳排放计算要点如下：

（1）建材生产及运输阶段碳排放。主要包括钢筋、水泥、砖等主要建材生产及从产地运输到施工现场过程的碳排放之和，通过查询设计图纸、采购清单等工程建设相关技术资料，确定建筑的建材消耗量。计算时选取主要建材重量不能低于建筑所耗建材总重量的95%，在此条件下，重量占比低于0.1%的建筑材料可不列入计算；

（2）建造阶段碳排放。主要包括完成分部分项工程施工与措施项实施过程碳排放和施工人员在现场办公及生活产生的碳排放。基于建设项目所处阶段（设计、竣工），可选择采用实际施工能源消耗数据统计计算法和施工能耗估算值计算法（施工能耗定额法、工程预算决算书法、经验公式法）进行计算；

（3）运行阶段碳排放。主要来自能源和资源消耗。以住宅为例，能源和资源消耗主要集中在空调系统、照明系统、动力设备系统、生活热水及燃气等，碳排放即来自于各个系统运行耗能释放。本阶段建筑碳排放核算以一个完整的自然年为时间单位，乘以建筑使用寿命得出运行阶段碳排放总量。对于已建成的项目可采用能耗监测法、资源统计法，对未建成的项目可采用能耗模拟法和按设计标准各项参数指标测算法；

（4）拆除阶段碳排放。主要包括机械拆除、人工拆除和建筑废弃物运输所用能耗产生的碳排放。核算方法与建造阶段类似；

（5）碳汇减排量主要包括绿化、水体等碳汇措施的碳吸收量，建筑碳汇以植被绿化为主。建筑碳汇种类及建设面积可从建筑的景观图纸中获得。

1.2 建筑碳排放工具现状

随着标准体系的完善及市场需求增大，建筑碳排放计算工具逐步发展，从其推广规模和实用性来看，可分为以下几类：

（1）软件建模工具：软件建模是实现建筑碳排放分析计算的工具之一，《建筑节能与可再生能源利用通用规范》发布实施以来，其使用率大幅提升。此类工具主要通过建模分析，预测建筑的碳排放情况，如“PKPM-CES 建筑碳排放软件”“T20-CEV5.0”等；

（2）小众定制软件工具：基于客户需求和自身需要，部分团队自主研发了建筑碳排放计算软件，相较于大众商业化软件，其普及率相对较低但针对性更强。如东禾建筑碳排放计算分析专用软件，部分高科技企业基于云服务提供或开发的IaaS、PaaS、SaaS 解决方案等；

（3）人工分析计算工具：除软件工具外，行业内许多研发团队自主开发基于已建成项目实体的建筑碳排放人工分析计算方法。与软件工具不同，人工分析计算的自主性更强，数据更贴近于实际，但数字化程度偏低，分析计算周期较长。

由于建筑碳排放计算分析受发展阶段和已有基础条件等因素的限制，工作中还面临一些待解决问题：一是碳排放因子数据不统一、不完备；二是缺乏针对装配式、市政工程、环境工程的配套碳排放核算标准；三是建筑全生命周期中各种不确定性导致碳排放计算可能存在较大误差；四是计算工具的数据集和输出报告还不够完善。

2 建筑节能减排路径

根据碳排放的主要来源，通过对建筑工程项目从设计、建造及运行、拆除分析入手，因地制宜采取经济合理的措施，实现建筑节能减排目标。

2.1 设计阶段

项目设计对项目全生命周期的成本和质量具有重大影响，此部分设计阶段包含建筑项目的前期设计和建材生产及运输部分。

（1）严控节能标准落实效果。近年来，随着绿色化、低碳化概念对各领域的渗透，我国建筑节能标准不断提高（图1），针对标准特性衍生出绿色建筑、超低能耗建筑、零碳建筑等概念。当前，重庆市实施的《居住建筑节能65%（绿色建筑）设计标准》（DBJ 50-071—2020）、《公共建筑节能（绿色建筑）设计标准》（DBJ 50-052—2020）不仅增加了建筑的结构、景观等节能设计，还提高了绿色建材应用比例[4-5]。2022 年4 月1 日起执行的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》强制要求新建居建和公建平均设计能耗水平在原标准基础上再下降30%和20%，公建平均节能率达72%，严寒和寒冷地区、其他气候区居建平均节能率分别达75%、65%。严格执行节能标准，推动绿色建筑与低碳建筑发展，有助于建筑节能减排目标的实现。

图1 节能建筑发展历程（标准）

（2）加大绿色建材使用比例，合理制定建材运输方案。在建材生产及运输方面，选取节能环保型材料是执行节能设计标准的重点措施之一。就建材寿命和循环利用方面考虑，选择高强度、耐高温、抗腐蚀的高性能与可回收建材，能够有效降低在建筑运营维护阶段由于建筑修缮所带来的碳排放以及二次使用回收建材所减少的新建材用量碳排放。此外，“就地取材”能直接减少建材运输距离，根据不同建材需求采用合理运输工具能提高运输效率，均有助于降低建材运输过程碳排放总量。

2.2 建造阶段

推进建筑绿色建造发展，是建筑业迈向“双碳”目标的关键技术之一。绿色建造是指通过科学化的管理与技术创新，以节能降碳和高质量发展为目标，利用工业化、信息化技术开展建筑建造的方式。绿色建造兼具绿色化、工业化、信息化、集约化和产业化特征[6]，是对传统建造活动的全过程与全要素“脱碳”，有助于建筑全过程建造效率的提升，促进建筑绿色低碳转型。

（1）提升绿色化水平。在建筑建造项目的策划、设计、建材、施工、交付全过程采用绿色统筹一体化方式，回收建筑建造垃圾，降低建造过程能源资源消耗量，提升资源利用率。

（2）提升工业化水平。利用建筑标准化设计、建材工业化生产、现场装配式施工、室内一体化装修和全过程信息化管理手段，完成建筑工业化建造。装配式建筑是工业化生产的重要技术，合理运用建筑外墙、楼梯、楼板等预制构件，可减少施工阶段碳排放。

（3）提升信息化水平。信息共享与集成支撑建造规划与设计、生产与施工各环节绿色化发展，提升各专业与各参与方的协同工作效率。信息化与工业化的融合促使建筑建造绿色化、智能化与精细化深度发展。

试验组与对照组样本量均按等比例分配。从有效性角度，根据统计学要求，按等组间比例1∶1安排例数，根据以往研究文献结果，三伏贴疗法预期的有效率约70%，取α=0.05，β=0.1，双侧检验，每组33例，考虑脱落因素，适当增加例数20%，故每组40例，总计120例。

（4）提升集约化水平。建造集约化发展有助于解决建筑产业的“碎片化”、信息孤岛、协同不足等问题，使建造过程更具组织化、系统化、精细化等特征。

（5）提升产业化水平。产业化即通过资源共享与上下游利益共谋进行产业资源整合，实现全产业链绿色化发展。刺激前端建材产品绿色转型，引领下游绿色建筑、低碳（零碳）建筑产品发展，形成完整绿色产业链。

2.3 运行阶段

建筑运行阶段碳排放占比超过建筑全生命周期碳排放总量的一半以上[7]，是建筑节能降碳的重点环节。依据建筑运行阶段碳排放来源，应从提升建筑运行能效和优化能源结构两方面进行改进。

（1）淘汰落后、能效水平低的设备，提升设备性能。淘汰国家明令禁止的设备，选用高效节能型产品，如中央空调、冰箱、电梯、照明灯具及变压器等主要用能设备，提升暖通系统、电梯系统、照明系统设备能效水平，实现运行设备节能降碳目标。

（2）提高建筑构件及设备品质，加强维护管理，提升运行寿命。对建筑外墙、门窗及灯具、通风机等易损耗构件与设备进行定期保养维护，减少在建筑运行期间的更换频次，避免更换新产品所带来的生产及运输过程碳排放[8]。

（3）优化能源结构，提高清洁能源利用率。大力发展清洁能源是实现“双碳”目标的重要抓手，低碳、零碳建筑建设离不开负碳技术的支持。构建高效合理的建筑可再生能源系统，如太阳能光伏发电、太阳能热水、水源热泵、分布式风能发电等，打造“源网荷储”一体化运营模式，有助于实现建筑绿色可持续发展。

（4）采用智慧技术，构建信息化运营系统。以数字化技术助推建筑能源的“开源节流”，构建建筑智慧化运营平台，从通风、空调、照明等方面减少建筑用能，融合全生命周期能源管理系统，实现能耗指标参数可视化及高能耗响应，进行能源调度和能源管理，降低用能成本与运行过程碳排放。

2.4 拆除阶段

（1）选择合理经济的拆除方案。主流建筑拆除方式包括人工拆除、机械拆除、爆破拆除，其中机械拆除与爆破拆除较为普遍，两者均有拆除速度快的特点，但其建筑材料可回收率低，增加建筑垃圾处理碳排放。相关研究表明，拆解比拆毁方式钢铁回收率高20%[9]。根据建筑类型合理制定人工拆除与机械拆除相结合的方式，提升资源循环利用率，减少下游处理过程碳排放。

（2）降低建筑废弃物运输碳排放。对建筑废弃物进行分类，针对不同废弃物合理选择运输工具和就近废弃物处理点，减少运输次数与总运输距离，降低废弃物运输过程碳排放总量。

从全生命周期角度出发，通过对碳排放因素的分析，采取针对性的减碳措施（图2），加强建筑全过程节能减排管控，为实现建筑低碳排放甚至零碳排放提供有力支撑。

图2 建筑节能减排路径措施

3 结语

20 世纪90 年代，建筑全生命周期碳排放在国际上被纳入绿色建筑标识评价体系，碳量化及减碳量指标成为绿色建筑评估的重点内容。从国家及地方、行业政策来看，建筑业节能减排“当下行动”日渐紧迫。基于低碳化发展背景，本文对建筑全生命周期碳量化的标准依据进行分析，从碳排放来源角度出发，总结提炼了全生命周期各阶段的减碳技术路径，为建筑低碳化技术体系建立及推广应用提供理论支撑。

尽管建筑节能减排相关研究如火如荼，其实施路径发展仍待突破，碳排放量化技术与数据管理还存在一定不足。一方面，碳排放量化技术体系不够完备，缺乏精细化计量分支和准确碳盘查方法，衡量指标不明确，与日新月异的市场和政策脱节；另一方面，智慧运营系统不够完善，缺乏设备故障监测系统和柔性调度、节能优化及需求侧的主动负荷响应。针对各项不足，行业内还需进一步开展技术支撑研究。