建筑碳排放计算及减碳策略之探索

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会上提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取2060年前实现碳中和”，正式向世界递交了我国的减排时间表。从此，我国各行各业以“30.60”“双碳”目标为指引，开启了实现碳中和的新征程。建筑业是我国国民经济的重要产业部门之一，随着我国城镇化建设的不断推进，建筑业的能源消耗占到总量的30%多，直接或间接碳排放占比达到40%多。建筑业的节能减排和低碳发展将会直接影响到“双碳”目标的实现。建筑行业能源消耗的主要部分就是建筑运行阶段的消耗，其碳排放量占到行业的60%左右。我国建筑规模巨大，节能潜力非凡，是整个行业碳减排的重中之重。为了实现建筑工程的低碳甚至零碳，实现碳中和，对建筑工程的能源消耗、碳排放、碳吸收等进行有效地核算成为必要手段。近日，住房和城乡建设部颁布国家标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021将建筑工程碳排放计算作为强制要求，在设计阶段就坚持以尽可能低的能耗和碳排放实现高品质的建筑工程。本文将以建筑工程各种能源消耗出发，结合工程特点，探索建筑工程碳排放计算方法，提出实现碳中和的建议和措施。一、民用建筑工程碳排放建筑工程涉及部门数量众多，建筑材料种类多且来源繁杂，碳排放关系错综复杂。建筑碳排放在方案及设计阶段应考虑其全寿命周期的节能减碳，增强建设单位、施工单位及供货商等对碳排放核算的意识，为建筑物未来参与碳排放交易、碳足迹跟踪提供数据支撑。建筑物碳排放的主要内容及相互关系见图1所示。图1

建筑物碳排放主要内容及相互关系图民用建筑工程全寿命周期内总碳排放包括建材生产及运输、建筑物运行使用、建造及拆除三个阶段的碳排放。建筑生产及运输阶段的碳排放包括建材生产阶段及将其运输至现场所产生的碳排放之总和。通过设计图纸、采购清单、材料表等工程相关技术资料，可计算出各种材料的消耗量，与相应材料的碳排放因子相乘即可获得相应材料生产阶段的碳排放量。运输阶段的碳排放则为运输距离、总能源消耗量、单位重量运输距离的碳排放因子之积。建筑物运行阶段的碳排放包括暖通空调、生活热水、照明及电梯、可再生能源、建筑碳汇系统等在建筑物使用期间产生的碳排放。建筑物总碳排放为建筑物总能源消耗产生的碳排放减去可再生能源产生的减碳量，如果有碳汇系统的建筑物，还应减去碳汇系统的减碳量。建筑物建造及拆除阶段的碳排放包括建筑物建造施工阶段和寿命终止时将其拆除所产生的碳排放总和。从工程开工至竣工验收过程中，施工所消耗的能源总量与相应能源的碳排放因子之积为建造过程的碳排放，同时还应计入各种措施项目（如脚手架、垂直运输等）所产生的碳排放。建筑物拆除阶段碳排放包括场地内拆除设备及运输设备在拆除肢解过程中产生能源消耗与相应碳排放因子之积的汇总。当采用特殊方法拆除时，应按具体拆除方案确定能源用量，进而计算其碳排放量。二、建筑碳排放计算方法建筑物类型多样、功能不同，建筑方式及选材也会多种多样。建筑物寿命较长，中途设备的升级更替，寿命终止的拆除等都存在不可预见因素。建筑所选用材料的碳排放构成复杂，其直接碳排放及相关间接碳排放包含在其本身的碳排放中，不应全部计入建筑碳排放中，但其碳足迹可以作为建筑选材的依据。目前建筑碳排放主要是指建筑物运行阶段的碳排放，并按CO2当量运行核算。为了比选建筑方案的优劣，评价不同种类建筑之间的碳排放差异，也可计算出单位面积建筑碳排放数据。本文以下均指建筑碳排放总量的计算。2.1

《标准》计算法《标准》计算法是指按2019年12月1日实施的《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019中所规定的方法进行计算。计算能源消耗时不计入家用电器、办公电器、炊事等的碳排放量。建筑运行阶段总碳排放量：式中，CΣ为建筑运行阶段总碳排放量，kgCO2；Ei为第i类能源年消耗量；Ci为第i类能源碳排放因子;ERi为第i类可再生能源提供的能源量;i为建筑运行期间能源类型，包括电力、燃气、石油、市政热力等;j为建筑用能类型,包括供暖空调、照明生活热水等;CP为建筑碳汇系统年减碳量，kgCO2/a；y为建筑设计寿命，a。采用《标准》计算法时，应对暖通空调、生活热水、照明及电梯、可再生能源、建筑碳汇系统等分别计算。暖通空调系统能耗包括冷源能耗、热源能耗、输配系统及末端空气处理系统能耗。计算时应考虑建筑围护结构，物理分隔、设计参数的设定及环境参数等因素。由于制冷剂使用而产生的温室气体排放，折合成碳排放量计入总碳排放中。式中，Cr为建筑使用制冷剂产生的碳排放，kgCO2/a；r为制冷剂类型；mr为制冷剂充注量，kg/台;

yr为设备使用寿命，a。生活热水系统能耗按下式计算：式中，Ew为生活热水系统年能源消耗，kW·h/a；Qr为生活热水年耗热量，kW·h/a；Qs为太阳能系统提供的热水热量，kW·h/a；ηr为生活热水输配系统效率；ηw为生活热水系统热源年平均效率。照明及电梯系统的能耗计算应与设计文件的参数一致，且应考虑不同控制方式的影响，可按下式计算：式中，Ez为照明系统年能耗(kW·h/a)；EP为第i间房照明每天的能耗值;Ej为应急照明每天的能耗值；Pi为第i间房功率密度值(kW/m²)；Ai为第i间房面积(m²)；ti为第i间房照明时间(h);j为房间类型数量。式中，ET为电梯系统年能耗；EY为电梯系统年运行能耗；ED为电梯系统年待机能耗；P为特定能耗量；t为电梯年平均运行小时数；V为电梯速度，m/s；W为电梯载重量，kg；Es为电梯待机时能耗。kW；ts为电梯年平均待机小时数。可再生能源系统主要包括太阳能热水系统、光伏发电系统、地源热泵系统、风力发电系统等提供的能量。建筑工程设计过程中地源热泵所提供的能量在暖通系统计算时已考虑在内，不应重复计算。风力发电在建筑单体工程中应用较少，需要时可查阅相关资料计算其年发电量。光伏系统年发电量可按下式计算：式中，ERPV为光伏系统年发电量，kWh；I为光伏电池表面年太阳辐射照度，kWh/m²；KE为光伏电池转换效率；KS为光伏系统的损失效率；AP为光伏面板净面积，m²。太阳能热水系统提供能量可按下式计算：式中，ERS为太阳能热水系统年供能量，kWh/a；Ae为太阳集热器面积，m²；JT为集热器表面上年平均太阳辐照量，MJ/m²；ηL为管路及储热装置的热损失率；ηC为集热器的平均集热效率。2.2

能耗节点计算法《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019中给出了建筑运行阶段碳排放计算内容及方法，关于暖通空调的计算，需要月平均冷热负荷，围护结构型式、空间物理分隔、冷热系统类型、控制策略等很多条件；照明及电梯在计算时需要确定，所有空间的照度及功率密度值、控制方式，电梯运行及待机时间等数据；按《标准》方法计算时，分类项目多，计算工作量大，需要依赖专用软件才可完成，同时在设计的初始阶段，很多条件无法确定和满足，可能造成计算的准确性偏差。建筑工程的碳排放量为建筑内各环节的能源消耗乘以相应能源的碳排放因子进行计算，其中能源的碳排放因子是相对恒定的，因此，能源消耗的越多，碳排放量越高，建筑工程常用能源网络结构见图2所示。为了计算方便，可将建筑工程视为能源网络中的一个节点，捋清供给侧和消耗侧、输入侧和输出侧关系，正负碳排放之间的关系，既可核算出碳排放量，同时还可平衡碳排放总量，决策碳中和的实现路径。图2建筑常用能源网络结构图根据图2所示，可计算出建筑工程碳排放量为：其中常用能源碳排放因子见表1，建筑工程中各种能源消耗量根据工程类型的不同，相关设计手册中有相应的计算法方法，本文不再赘述。2.3既有建筑碳排放计算2021年国家开始实施城市更新行动，全面提升城市品质。对老旧小区、老旧建筑进行改造提升，目标是建立宜居、绿色、节能、智慧。因此对现有建筑进行碳排放核算，实现既有建筑的低碳化具有十分现实的指导意义。既有建筑一般运行时间较长，设计时对绿色节能技术要求低，新能源利用低，但是各种能源消耗运行数据完善。既有建筑碳排放量计算可用各种能源消耗总量乘以相应碳排放因子得出。如有可再生能源利用应将其产生的碳排放量扣除。式中，Ci为碳排放量；Ei为第i种能源的消耗量；Ci为第i种能源的碳排放因子；ERi为第i种可再生能源；j为能源类型数。三、建筑工程减碳策略随着国家“30.60”双碳目标的不断深入推进，建筑工程的低碳零碳化趋势越来越严峻，加速实现建筑工程碳中和势在必行，碳中和简式如图3所示。图3

碳中和简式从图3看出，要想实现建筑零碳排放必须尽可能减少碳排放量，同时尽可能增加碳的“负排放”即“碳吸收”量。由于建筑工程的正常运行不可能不消耗能量，只能通过努力缩小他们之间的差值，只有差值真正的等于0，才算实现了零碳排放。建筑工程实现低碳零碳排放，需要制定详细的脱碳路线图和具体措施。首先，摸清建筑工程的“碳家底”，找出建筑的“碳”在哪里，明确建筑红线范围内正常运营时的碳排放量，选择适当的计算方法核算建筑的碳排放量，根据碳排放总量，结合工程实际情况，制定自身的减碳目标和方案，配合“30.60”双碳目标，明确碳中和时间表。其次，建筑工程运行阶段主要依赖市政能源的输入，碳排放均为间接碳排放，政府加大政策引导及相关技术投入。着力构建新型电力系统及热力网络，降低能源供给侧的碳排放因子，减少建筑碳排放量。第三，建筑工程从前期规划开始，科学规划与缜密设计并行，以低碳为宗旨，构建建筑的主体及园区绿化体系，冷热源管理体系（如遮阳、朝向、保温、通风等），从建筑本体围护结构及构造体系着手减少能源消耗量。第四，重构建筑工程新型能源结构，实现建筑能源电气化，随着国家电网内可再生能源利用率的不断提高，随着电力系统效率的提升，电力对碳排放的影响会是最显著的能源，建筑用能电气化可显著减少其碳排放量。第五，技术创新、管理创新，降低建筑工程内部能源消耗，因地制宜加大可再生能源利用力度，加大地源（水源）热泵的使用。加大技术创新力度，提高运维管理水平，创建绿色建筑的智慧化管理。消除系统之间独立封闭的障碍，打通信息孤岛之间的联通，共享大数据，用好云平台，建立基于降低内耗减少碳排放的运维策略。第六，建筑工程加大高效节能机电设备的应用，不断提高冷(热)系统的COP值，限制不满足能效标准的变压器、电机、电梯、照明灯具等设备的应用，在工程中加大低碳机电设备及材料的采购。第七，加强理念宣传与管理。建筑工程实现碳中和，与建筑工程内每个用户密切相关。用户是节能降耗的主体。转变使用者的用能观念和习惯，让每个人都积极参与到碳中和的新浪潮中，为