超低能耗建筑將助力碳達峰碳中和

引言數(shù)據顯示，建筑業(yè)的CO2排放量占全球能源和過程相關總量的近40%[1]。2020年，我國碳排放總量約為98.94億噸二氧化碳，其中建筑運行碳排放約為21億噸，占21%，建筑業(yè)建材排放量約為14.8億噸，占15%[2]。所以，建筑產業(yè)鏈是全國碳排放較高的行業(yè)，是實現(xiàn)低碳節(jié)能的關鍵領域。截止到2020年底，我國建筑總面積約680億m2。預計2030年，建筑總面積將超過750億m2，2060年，建筑總面積預計維持在800億m2左右。按基準情景（BAU）計算，2030年碳達峰約排放26億噸CO2，2050年碳排放約為24億噸。據專家初步測算，假設僅實施建筑節(jié)能政策，2030年新建建筑全部近零能耗，2050年全面實現(xiàn)新建建筑零能耗，則2050年的碳排放約為14億噸；如果實施建筑節(jié)能+建筑光伏一體化等，那么2025年會實現(xiàn)建筑碳達峰，到時的CO2排放量約23億噸，2050年實現(xiàn)碳中和，CO2排放量約為12億噸；如果實施低碳路線，則2021年達峰約23億噸；2050年碳排放約8億噸。建筑業(yè)碳排放量的預測如圖1所示。由此可見，低碳甚至零碳路線是實現(xiàn)“雙碳”目標的唯一選擇。圖1

建筑業(yè)碳排放量預測1、零碳建筑標準及發(fā)展歷程

1.1零碳建筑相關標準關于“零碳建筑”，行業(yè)內還沒有統(tǒng)一的定義。婁偉在《100%新能源與可再生資源城市》[3]中，定義零碳建筑為零碳排放的建筑物，可以獨立于電網運作，能夠依靠太陽能或風能運作。這種建筑在不消耗煤炭、石油、電力等能源的情況下，全年的能耗全部由場地產生的可再生能源提供。天津市環(huán)境科學學會的《零碳建筑認定和評價指南》（目前還處于征求意見階段，2021年8月25日結束）定義為充分利用建筑本體節(jié)能措施和可再生能源資源，使可再生能源二氧化碳年減碳量大于等于建筑全年全部二氧化碳排放量的建筑，其建筑能耗水平應符合現(xiàn)行國家標準GB/T51350—2019《近零能耗建筑技術標準》相關規(guī)定。陳立新[4]指出，按照建筑的全壽命周期理論，可將零碳建筑定義為在建筑材料、構件及部件的生產、規(guī)劃與設計建造與運輸、運行與維護直到拆除與處理的全循環(huán)過程中，建筑向外界環(huán)境排放的CO2綜合值為零。2021年4月9日，住建部啟動國標《零碳建筑技術標準》的編制工作，預計2022年底完成。該標準將進一步厘清節(jié)能與低碳標準體系的關系、零碳建筑相關定義與邏輯、綠色電力對零碳建筑影響、碳交易機制等重點問題。

1.2發(fā)展歷程零碳建筑的概念來源于零碳城市，起源于歐美。世界上第一個“零碳建筑”范例是2002年完成的倫敦貝丁頓零碳社區(qū)BedZED（BeddingtonZeroEnergyDevelopmentinLondon）[5]。2003年，英國社區(qū)及地方政府部門首次提出了“低碳建筑”的概念。2007年，英國政府又進一步提高了建筑節(jié)碳的目標，正式提出“零碳建筑”[6]的概念。我國對低碳建筑的研究始于2008年，當時一般理解為應用了節(jié)能技術，做到碳排放盡可能低的建筑[7]。重慶市地方標準DBJ50/T—139—2012《低碳建筑評價標準》是我國第一部關于低碳建筑的標準。深圳市市場監(jiān)督管理局于2018年頒布了地方標準化指導性技術文件SZDB/Z311—2018《低碳商場評價指南》。盡管我國低碳建設實踐較晚，但圍繞建筑節(jié)能的技術應用非常多，典型代表包括國家體育場“鳥巢”和國家游泳中心“水立方”。世博會的各類場館在設計中也堅持低碳的設計理念，使用了冰蓄冷、江水源冷卻系統(tǒng)、地源熱聚、雨水收集等低碳節(jié)能技術手段，并構建人工濕地、太陽能光伏發(fā)電等，增加碳匯，有效降低了碳排放。2、建筑領域能耗與碳排放的界定與核算

目前，我國對于建筑能耗與排放的核算邊界也缺乏統(tǒng)一的標準。對于建筑領域用能，有的研究僅核算建筑運行階段的能耗，而有的研究同時考慮了建筑建造與建筑運行2個階段的能耗，這就導致不同研究最終給出的建筑領域總能耗有較大差異。對于建筑運行用能的分類，也存在不少分歧。許多國際能源研究機構在研究全球各國建筑用能時，通常將建筑運行階段能耗劃分為居住建筑用能和非居住建筑用能兩大部分，也將這種分類應到對我國建筑用能的分類中。但是由于我國建筑用能存在非常明顯的地域差異和城鄉(xiāng)差異，導致這種統(tǒng)計口徑下的建筑能耗總量、建筑能耗強度無法反映我國建筑用能的真實特點。況且對于建筑建造用能而言，由于上游涉及多個環(huán)節(jié)，是否計入建材的生產運輸?shù)饶芎臅矊Y果造成很大影響。例如在我國能源平衡表中建筑業(yè)用能就特指建筑業(yè)企業(yè)用能，主要包含建筑現(xiàn)場施工用能，而這也無法反映建筑建造對我國全社會能源消耗的真實影響。另外，對于建筑領域相關的碳排放，不同機構也有不同的核算邊界，例如政府間氣候變化專門委員會（IPCC）就基于生產者責任法，僅核算建筑內由于化石燃料直接燃燒造成的直接碳排放，而由于電力、熱力、建材等使用所造成的間接碳排放就不在核算范圍內，這也無法全面地反映建筑部門的運行、建造等活動對于氣候變化的真實影響[8]。為便于掌握建筑物全壽命周期碳排放情況，本文的核算階段、核算邊界及核算指標采用GB/T51366—2019《建筑碳排放計算標準》規(guī)定的碳排放計算周期（建筑全生命周期）、計算邊界、計核算規(guī)則及碳排放因子等[9]。

2.1建材生產及運輸階段碳排放計算建材生產及運輸階段的碳排放應為建材生產階段碳排放與建材運輸階段碳排放之和，按式（1）計算。其中，建材生產階段碳排放計算見式（2），建材運輸階段碳排放計算見式（3）。2.2建造階段碳排放計算建筑建造階段的碳排放量應根據建造階段的各種燃料動力用量與對應能源碳排放因子，按式（4）計算：2.3運行階段碳排放計算運行階段碳排放的計算應考慮建筑供暖、建筑供冷、生活熱水、照明及可再生能源系統(tǒng)在建筑運行期間的綜合碳排放量。建筑的使用壽命應與設計文件一致，按50年計算。建筑物碳排放的計算范圍應為建筑工程規(guī)劃許可證范圍內的能源消耗的碳排放和可再生能源及碳匯系統(tǒng)的減碳量。建筑各系統(tǒng)的碳排放量應根據各系統(tǒng)不同類型能源消耗量和不同類型能源的碳排放因子確定，建筑運行階段單位建筑面積的總碳排放量CM應按式（5）、式（6）計算：特別說明的是：可再生能源系統(tǒng)應包括太陽能生活熱水、光伏系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)，詳細可參見GB/T51366—2019。2.4拆除階段碳排放計算建筑拆除階段的碳排放量應根據拆除階段的各種燃料動力用量及對應能源碳排放因子按式（7）計算：3、裝配式建筑的碳減排效果

裝配式建筑具有節(jié)約資源、減少能耗、更加安全、更加環(huán)保，而且施工周期短、抗震性能好等優(yōu)勢。早在2016年國務院就出臺《國務院辦公廳關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》（國辦發(fā)〔2016〕71號），要求大力發(fā)展裝配式混凝土建筑，不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的比例。堅持標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應用，提高技術水平和工程質量，促進建筑產業(yè)轉型升級。據資料統(tǒng)計，2005~2018年間，建筑全過程碳排放量從22.34億噸增長至49.32億噸，十三年間CAGR達到6.28%，但“十三五”期間，碳排放量從2015年底的44.94億噸增長到2018年底的49.32億噸，三年CAGR僅為3.15%[10]?？梢?，受益于建筑行業(yè)的工業(yè)化，建筑全過程碳排放量增速已經明顯放緩，裝配式建筑的低碳紅利初現(xiàn)。湯煜等[11]的研究表明，裝配式建筑全生命周期內比傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑節(jié)約5.86%碳排放量，其中建材準備、建筑施工和建筑回收階段碳排放節(jié)約10%以上。曹靜[12]以南京市某項目為例，應用排放因子法建立混凝土裝配式與現(xiàn)澆住宅建筑碳排放計算公式，測算比較構件生產階段、運輸階段和施工階段兩種建筑碳排放的差異，結果表明，裝配式建筑較現(xiàn)澆式建筑碳排放量總計減少3.74kg/m2。并提出裝配式建筑在各個階段相應的減碳措，如改進預制構件產品生產工藝、合理優(yōu)化物流運輸方案和實現(xiàn)低碳施工管理方式等。劉洪娥等[13]則從建筑施工廢棄物方面的碳排放量方面進行了研究，據《預制裝配與現(xiàn)澆模式住宅建造節(jié)能減排評測比較》一文測算，預制裝配式住宅在建筑施工廢棄物方面的碳排放量較傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅節(jié)省率達到24.99%。由此可見，相比傳統(tǒng)施工方式，裝配式建筑在建筑施工階段的節(jié)能減排效果顯著，集中體現(xiàn)在施工過程中的能耗節(jié)約、人工節(jié)碳及用水節(jié)約。所以，裝配式建筑是保障建筑業(yè)整體實現(xiàn)碳減排目標的必要手段和措施，為建筑業(yè)實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”目標任務提供有效支撐。4、玉田二期辦公生活區(qū)示范項目PC建筑碳排放核算

4.1金隅智造房屋體系簡介金隅智造房屋主要包括裝配式混凝土建筑、裝配式鋼結構、裝配式外墻、工業(yè)化內裝、超低能耗建筑五大產品復合體系，涵蓋裝配式建筑全領域、全鏈條。目前已研發(fā)標準、圖集、技術手冊40冊，工藝、技術規(guī)程、施工工法30本，專利60余項，形成具有自身特色的產品集成組合體系。本文以玉田二期辦公生活區(qū)宿舍樓為例，討論裝配式PC建筑全壽命碳排放問題。

4.2項目概況金隅住宅產業(yè)化（唐山）有限公司二期生活區(qū)項目，該項目總建筑面積5651.6m2，包括辦公、宿舍和食堂等3個子項。其中，宿舍樓主體三層，層高3.6m，建筑面積2810m2，裝配式剪力墻結構，外墻采用80%節(jié)能夾心保溫外墻板（保溫為復合石墨擠塑板，局部采用反打技術），非承重內墻采用200（100）mm厚B05級加氣條板。依據GB/T51129—2017《裝配式建筑評價標準》計算，宿舍樓的裝配率得分為93分，達到AAA級裝配式建筑。

4.3宿舍樓的碳排放核算選用eQuest能耗模擬軟件對宿舍樓建筑的運行階段進行模擬，并采用PKPM-CES碳排放計算軟件進行全生命周期的碳排放計算，分別對使用年限為30年、40年、50年、60年時的碳排放情況進行分析。主要考慮由于使用年限的變化引起運行維護階段采暖空調耗能的增加。計算結果見表1、表2。需要說明的是，鑒于零碳建筑的技術標準及評價方法還沒有頒布，加之裝配式建筑相關的碳排放因子數(shù)據有限，本研究結果僅供參考。表1

不同使用年限全生命周期碳排放量計算表2

分階段碳排放匯總表根據表1可以看出，隨著建筑使用年限的增加，建筑全生命周期總碳排放量也在不斷提高，主要原因是從建筑全生命周期的角度考慮，建筑建材生產、運輸階段、建造階段、拆除階段基本為固定值，而建筑運行階段的碳排放量隨著使用年限不斷增加，所以隨著使用年限的增加，單位建筑面積每年碳排放量不斷降低（如圖2所示）。隨著建筑使用年限的增加，建筑全生命周期總碳排放量降低的趨勢呈現(xiàn)漸緩，除建筑建材生產、運輸階段、建造階段、拆除階段按使用年限的影響外，另一方面原因是使用年限的變化引起運行維護階段采暖空調耗能的增加。圖2

建筑使用年限對碳排放量影響根據建筑全生命周期碳排放量計算結果可以發(fā)現(xiàn)，碳排放量最多的建筑運行階段，其次是建材生產階段，這兩個階段約占總碳排放量的97.8%（如圖3所示），所以采用低碳建筑材料、提升建筑固廢資源重復利用、降低建筑運行能耗可有效降低建筑全生命周期的碳排放。圖3

建筑全生命周期碳排放量4.4宿舍樓的碳中和措施探討從上面的計算可知，該宿舍樓的全生命周期（按50年計算）碳排放總量約9839.2噸。我們就可以從規(guī)劃、設計、施工以及運維等多個角度考慮，減排相應的CO2，從而使CO2綜合值為零。（1）規(guī)劃階段。利用場地的地形、陽光、樹蔭和風能促進節(jié)能；盡可能將建筑融入周圍景觀；選擇好的位置，最大限度地減少碳足跡，并美化周圍植被等。（2）設計階段。設計階段是實現(xiàn)零碳的最重要的環(huán)節(jié)。本著“被動優(yōu)先、主動優(yōu)化”的原則，盡可能采取包括被動太陽能設計、遮陽板、中空low-e玻璃、熱反射外墻涂層、零碳地板、屋頂綠化、BIPV、太陽能熱水器、水源熱泵系統(tǒng)、雨水回收、毛細管輻射、能耗監(jiān)控系統(tǒng)、生物質能源等節(jié)能設計方法。（3）選用低碳建材。建筑中80%的碳來自結構材料，所以碳中和建筑必須選擇低碳建材。低碳建筑材料包括零碳地板、保溫墻體、再生混凝土、高強鋼以及由回收的建筑材料制成的砌塊等。（4）精益施工。利用BIM技術和現(xiàn)場的數(shù)字化協(xié)同等手段，提高項目管理能力，進一步節(jié)省能源、節(jié)約時間和材料，消除浪費，減少碳排放。（5）運營與維護。建議業(yè)主最大限度地提高供暖、制冷和暖通空調系統(tǒng)的效率，使用節(jié)能技術和大數(shù)據進行運維管理。如，通過先進的傳感器和數(shù)字孿生構建不斷更新的數(shù)字模擬模型，利用人工智能實現(xiàn)能源的監(jiān)測、維護和綜合優(yōu)化，從而盡可能接近峰值效率。（6）建筑拆除和材料再利用。在建筑物被拆開之前，盡可能地考慮對它的再利用，避免造成資源浪費。結語

建筑業(yè)是碳排放的重要源頭之一。發(fā)展綠色零碳建筑，對于降低建筑能源消耗和減少碳排放有極其重要的意義。（1）建筑設計方案及低碳建材的選用