基于数字化转型下的河南省建筑全生命周期减排技术应用研究

白 蕾 王赟潇 魏留明

（河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064）

0 引言

信息化浪潮席卷全球，数字经济迅速崛起，全球正加速向万物互联的数字经济时代迈进，数字化转型成为各产业发展的必然选择。建筑业目前面临高消耗、低品质的发展难题，数字化转型恰恰能够通过产业链条改造实现建筑业的绿色低碳发展。《数字建筑发展白皮书（2022年）》指出，数字建筑覆盖协同设计、智能生产、绿色建造、智慧工地、智能运维等建设各阶段，可实现项目全生命周期的提质增效，降低其对环境的不利影响。

随着大数据、区块链、人工智能、云计算等技术的快速发展，数字化转型成为经济发展与社会变革的重要推力。河南省政府近年来在全省产业数字化转型方面频频发力，2022 年3 月1 日，《河南省数字经济促进条例》正式实施，同年8 月全省数字化转型工作会议召开，会议全面部署推进数字化转型战略。建筑业数字化转型是提升管理效率、降低生产成本、实现建筑产业现代化的必然选择，也是建筑业绿色低碳发展的重要途径。相关研究显示，目前河南省建筑领域能源消耗与碳排放总量仍呈攀升趋势，这将给未来省域减排目标的实现及碳达峰目标的如期完成带来巨大挑战，有必要结合现有数字化技术，根据河南省建筑碳排放实际情况，在建筑全生命周期中恰当应用数字化技术，构建河南省建筑业全生命周期减排路径，为全省如期实现碳达峰与碳中和目标奠定技术基础。

1 建筑碳排放相关概述

1.1 碳排放定义

碳排放泛指温室气体排放，包括水蒸气、二氧化碳、甲烷等在内的多种物质，因二氧化碳作为其主要成分，常用碳作为温室气体的统称，将“碳排放”等同理解为“二氧化碳排放”。大部分科学家和政府逐渐认识到温室气体已逐渐危害地球和人类生存，因此随着各地城镇化速度的加快，减少碳排放量成为21世纪各行各业的最主要任务［1］。

1.2 建筑全生命周期碳排放概述

根据计算范围不同，建筑能耗有广义与狭义之分，广义建筑能耗包括建筑设计、建材运输与消耗、建筑施工、建筑运行、建筑物维修与处理等环节，即全生命周期的建筑能耗；狭义建筑能耗通常包括建筑运行阶段的能源消耗。根据建筑能耗的不同，建筑碳排放也有广义与狭义之分。广义建筑碳排放基于建筑全生命周期理论，不同研究对于建筑阶段的划分也存在差异，部分研究仅将其划分为准备、建造与使用阶段，也有研究将其进行详细划分，如认为建筑全生命周期包括原材料加工与使用、建筑构件制造与现场施工、建筑使用和维护、建筑物处理与废物利用等，狭义的建筑碳排放仅包括建筑运行阶段的碳排放测算。

1.3 数字化技术在建筑低碳发展中的必要性分析

随着全球气候变化和能源短缺问题的日益凸显，建筑业的供给侧结构性改革和转型升级势在必行，数字化技术在建筑业低碳发展中是一个很好的切入点，其通过智能建造、BIM、智慧工地、物联网等技术在建筑全生命周期中的应用，为传统建筑产业发展注入新鲜血液，显著降低建筑全生命周期减排成本及其对人居环境的影响，同时为建筑业企业提供以数据为核心的内驱动力。在建筑全生命周期中，不同阶段皆可对数字化技术进行应用，如材料生产阶段，数字化技术可以用丰富的形式和手段对绿色建筑材料进行评估与分析，提高材料应用效率；建造阶段，数字化技术可对建筑进行全方位的模拟和分析，通过优化设计、改善施工等措施降低能耗；运行阶段，数字化技术可对建筑资源使用及能耗情况进行实时监测和调整，实现能源的高效利用。

2 传统建造模式下河南省建筑全生命周期碳排放测算及结果分析

2.1 河南省建筑全生命周期碳排放测算方法综述

实测法、投入产出法、过程分析法是目前碳排放测算中常用的方法，本研究根据研究目的及研究的可行性，搜集碳排放源消耗情况及其碳排放系数有关数据，选择过程分析法测算河南省建筑全生命周期碳排放量。建筑全生命周期各阶段碳排放计算公式见表1。

表1 河南省建筑全生命周期各阶段碳排放计算公式

2.2 河南省建筑全生命周期碳排放测算结果分析

根据以上计算公式，搜集整理《中国建筑业统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《河南统计年鉴》及《综合能耗计算通则》中相关数据，结合以往研究成果［3-6］，计算得到2011—2020 年河南省建筑全生命周期碳排放总量及各阶段年均比例，结果如图1、图2所示。

图1 2011—2020年河南省建筑全生命周期碳排放总量

图2 2011—2020年建筑全生命周期不同阶段碳排放年均构成

由计算结果可知，在建筑全生命周期碳排放中，材料生产及运行阶段作为碳排放的主要来源，约占全生命周期碳排放总量的97%以上，这两个阶段也是未来减排的关键阶段。通过分析每年不同阶段碳排放构成可知，2014年河南省建筑全生命周期中材料生产阶段的碳排放量大大提升，约占整个全生命周期的77%，远超与之相邻的2013 与2015年。究其原因发现，2014年河南省建筑业企业钢材消耗111 702 852 t，铝材消耗4 968 422 t，钢材消耗量是2013年的4.85倍，是2015年的4.47倍，铝材消耗量是2013 年的4.78 倍，是2015 年的1.69 倍。钢材、铝材消耗量的大幅度提升造成2014 年材料生产阶段的碳排放量大大增加，从而造成该年建筑全生命周期碳排放量的异常；2015—2016年运行阶段碳排放较多，第三产业的大力发展及居民消费水平的提高导致能源消耗增加，从而造成建筑运行阶段碳排放量增加；2017 年之后，随着绿色低碳技术的发展，相关理念受到大众关注，建筑运行阶段的碳排放量不断下降，材料生产阶段又成为建筑全生命周期碳排放的主要阶段。

3 基于数字化转型的河南省建筑全生命周期减排技术应用

3.1 数字化技术在河南建筑业的发展应用

在建筑全生命周期中，数字化技术对各个阶段的减排发挥了积极作用，具有良好的发展前景。在建筑规划与设计阶段，BIM 技术的应用能够对建筑能耗、材料及水资源使用等进行模拟分析，优化设计方案，减少后期建造过程中的碳排放量；在施工阶段，数字化技术如智慧工地、物联网技术等的应用可协助管理施工进度与质量，实现施工现场的精细化管理，减少材料浪费、施工延误等问题的发生，从而降低碳排放量；在建筑运行阶段，数字化技术可应用于建筑能耗的控制与管理，实时监测建筑的能耗，从而优化建筑运行方案，减少能源的浪费和碳排放；在建筑拆除阶段，数字化技术可应用于建筑垃圾的分类与处理，使废弃建材得到重复利用，减少了环境污染和碳排放。

3.1.1 BIM 技术的应用。BIM 技术是数字化转型背景下河南省建筑全生命周期减排的重要技术手段之一。借助BIM 技术，能够实现建筑设计、施工、运行及拆除阶段的数字化管理，从而降低建筑能耗与碳排放量。如在建筑设计阶段，设计人员可在建筑设计中利用BIM 技术获取能源消耗和碳排放可能出现的情景，从而在建筑设计时充分考虑建材的环保性能和建筑的节能性，以降低建筑物材料生产与运行阶段的能源消耗与碳排放量。

3.1.2 智慧工地的应用。智慧工地是指利用先进的数字化技术，实现建筑施工现场的智能化和精细化管理，从而提高施工效率、降低成本、减少碳排放。智慧工地对于建筑全生命周期减排主要可应用于以下方面。第一，智能监测与控制，施工现场通过传感器与控制设备的安装，实现对各项工作的实时监控。第二，智能建造与装配，智慧工地采用机器人技术，实现建筑构造组装的自动化，同时装配式技术的应用也简化了建造过程，减少污染的产生。第三，智能物流和运输，智慧工地利用数字化技术实时监测建筑材料的位置及运输状况，提前获取材料在各部位的利用水平。第四，智能能源管理，智慧工地利用现场安装的智能能源管理系统，实时监测建造过程能耗情况，从而优化能源使用，减少碳排放。

3.1.3 物联网技术的应用。物联网技术将可能产生碳排放的实物与计算机系统相连接，在系统中反映出其碳排放水平，主要运用于智能能源管理、智能照明管理、智能排放管理、智能垃圾分类等方面。针对智能能源管理，物联网技术利用在建筑物内部安装的传感器，实时监测建筑的温度、湿度等环境参数。智能照明系统使用光纤传感器与智能控制设备，实现对照明设备的自动调节与控制。智能排放管理系统利用物联网技术，通过安装有害气体传感器和排气设备，实现对有害气体的实时监测和排放控制管理。在建筑物的公共场所中，利用智能垃圾分类系统，安装智能垃圾桶和传感器，实现对垃圾的分类和回收。

3.2 基于数字化转型的河南省建筑减排实施路径

近年来，随着河南省居住与公共建筑面积的不断增加，二氧化碳排放量增加。根据前述近十年碳排放量的计算情况，要想降低建筑全生命周期碳排放总量，一方面需要着重关注已建成在使用中的建筑，降低其运行过程中的能耗水平，另一方面可将拟建建筑向能耗高、二氧化碳排放量低的低碳建筑转变，使用环保建材，减少其在建造过程中的能耗量。本研究重点关注碳排放量较大的材料生产及运行阶段，从已有建筑与新建建筑两方面入手，应用数字化技术构建河南省建筑减排实施路径。

3.2.1 已有建筑减排路径。对于已有建筑，其减排目标的实现有赖于建筑运行过程中能耗的降低，通过建立能耗监测系统、优化建筑节能体系、采用绿色运营管理等方式，在其过程中有效应用数字化技术，可最终实现减排目标。①建立能耗监测系统。对于已建建筑而言，能耗检测系统可实时检测建筑运行过程中的能耗情况，对能耗水平进行定期评估，为合理制定建筑减排方案提供充分依据。②优化建筑节能体系。建筑节能系统的优化升级是提高建筑能效、降低能源消耗的有效方式，针对已建并在使用中的建筑物，可通过对建筑的制冷、供暖、照明等设备进行改造升级，引入数字化技术。③采用绿色运营管理。绿色运营管理包括建筑设备的优化维护、能源消耗的管理和控制、节水减排等，将物联网、BIM 技术等加入绿色运营管理过程，能有效降低建筑的运营成本与碳排放量。

3.2.2 新建建筑减排对策。对于新建建筑，在设计阶段可将其按照绿色低碳建筑标准进行设计，通过BIM 等数字化技术的应用，模拟未来建造过程，优选新型节能材料和技术，利用可再生能源，最大程度降低其在材料生产及建造阶段的碳排放量。①优化设计方案。在新建建筑的设计阶段，可按照绿色建筑标准、被动式建筑设计标准等进行建筑设计，重点关注后期可能产生的碳排放，利用BIM 技术对未来建造情况进行模拟，优化设计方案，选择环保建材，最大限度地降低碳排放的可能性。②优选新型节能材料和设备。采用新型节能材料和技术是实现新建建筑减排的重要途径，如高效隔热材料、地源热泵、LED 照明等新型节能技术与设备。同时，物联网技术可实现新型节能材料和设备与建造及使用者的有效交互，从而降低建筑能耗。③采用可再生能源。在新建建筑建造过程中，通过智慧工地建设，实时监测建筑的温度、湿度等环境参数，了解施工现场环境污染情况，根据各参数表现进行优化调节，依据实际情况积极采用可再生能源，实现减排目标。

4 结语

建筑业数字化转型是提升管理效率、降低生产成本、实现建筑产业现代化的必然选择，也是建筑业绿色低碳发展的重要途径。建设项目通过BIM、智慧工地、物联网等技术在全生命周期中的应用，为传统建筑产业发展注入新鲜血液，并显著降低建筑全生命周期减排成本及其对人居环境的影响，同时为建筑业企业提供以数据为核心的内驱动力，推动河南省建筑行业的转型升级与高质量发展，早日实现减排目标。