商業(yè)綜合體建筑全生命周期碳排放的分析與控制

商業(yè)綜合體建筑全生命周期碳排放的分析與控制摘要：建筑業(yè)在迅猛發(fā)展的同時(shí)也消耗了大量的能源，給環(huán)境帶來了大量的碳排放。作為當(dāng)前重要大型公共建筑之一的商業(yè)綜合體，其建造、改造、運(yùn)營(yíng)、拆除均需要消耗大量能量，因此，考慮全生命周期，對(duì)其進(jìn)行碳排放分析，加強(qiáng)其能耗限制以改善商業(yè)綜合體的能源消耗和碳排放，有著重要意義。本文通過分析商業(yè)綜合體建筑全生命周期碳排放模型，探討了全生命周期碳排放的控制，最后，分析2個(gè)項(xiàng)目各階段的碳排放量，為控制商業(yè)綜合體碳排放提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：全生命周期；商業(yè)綜合體；碳排放引言：本文分析了商業(yè)綜合體建筑的單體構(gòu)成與系統(tǒng)構(gòu)成，以此為維度從建造、改造、運(yùn)營(yíng)和拆除等建筑全生命周期各階段，論述碳排放的類型、來源和數(shù)量，估算了各個(gè)單體內(nèi)部和各個(gè)系統(tǒng)碳排放的總量及各個(gè)單體總體碳排放的比例，提出了商業(yè)綜合體建筑單體全生命碳排放優(yōu)化與控制要點(diǎn)，并運(yùn)用于實(shí)際工程案例，證明了本文觀點(diǎn)的正確性與可行性。1商業(yè)綜合體建筑全生命周期碳排放模型1.1商業(yè)綜合體建筑構(gòu)成商業(yè)綜合體建筑按功能可分為商業(yè)裙房、辦公塔樓、公寓塔樓、酒店塔樓、綜合塔樓和地下建筑等單體。按建筑系統(tǒng)構(gòu)成可分為地上結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、基礎(chǔ)系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、強(qiáng)電系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)等。圖1給出了建筑幾種不同系統(tǒng)碳排放分類（崔瑩，2018）。圖1：建筑各系統(tǒng)碳排放分類（崔瑩，2018）碳排放涵蓋設(shè)計(jì)、建造、正常使用與維護(hù)和拆除四個(gè)階段，如圖2所示。圖2：碳排放核算邊界圖（劉燕,2015）1.1.1設(shè)計(jì)階段由于設(shè)計(jì)階段過程較短，該過程中的碳排放一般忽略不計(jì)。1.1.2建造階段建造階段的碳排放統(tǒng)計(jì)應(yīng)包括原材料的開采、生產(chǎn)、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工直至浚工交付。1.1.3運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段指建筑物建成開始使用至廢棄為止，此階段碳排放量通常最大。1.1.4拆除階段根據(jù)仲平（仲平，2005）和葛堅(jiān)（葛堅(jiān)，2008）的研究，拆除階段碳排量分別占建造階段的10.1%與7.8%。取二者的平均值8.95%作為拆除階段的碳排放量比例（劉燕，2015）。2商業(yè)綜合體建筑全生命周期碳排放優(yōu)化與控制2.1全生命周期控制階段及控制指標(biāo)商業(yè)綜合體建筑生命周期碳排放包括隱含碳、運(yùn)營(yíng)碳和生命末期碳，如圖5所示。圖3：建筑生命周期碳排放2.1.1建造階段碳排放建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的隱含能是物質(zhì)材料從原材料提煉到生產(chǎn)過程完成所消耗的能量、轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件所消耗的能量和進(jìn)行施工裝配所消耗的能量的總和（WatsonD,1979）。生產(chǎn)過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生碳排放，如水泥生產(chǎn)過程中碳酸鈣轉(zhuǎn)化為氧化鈣時(shí)二氧化碳是一個(gè)副產(chǎn)品。以上情況中，隱含碳總量包括兩部分，一部分由隱含能消耗產(chǎn)生，另一部分是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。2.1.2運(yùn)營(yíng)階段碳排放運(yùn)營(yíng)階段碳排放和很多因素有關(guān)，如建筑的設(shè)計(jì)壽命、能源效率、可再生能源的使用和運(yùn)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)頻率等（RameshT,2010）。商業(yè)綜合體項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)階段的碳排放最高，消耗比例可達(dá)到50%~60%（Thormark,2002）。建筑運(yùn)營(yíng)階段的構(gòu)件維修、翻新及更換屬于周期隱含碳范疇，是由風(fēng)災(zāi)、地震災(zāi)害和海嘯等災(zāi)害引起的結(jié)構(gòu)破壞造成的隱含碳，和建筑高度、設(shè)計(jì)使用年限、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的基本風(fēng)速、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的性能水準(zhǔn)、抗震設(shè)防等級(jí)和基本地震加速度等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。2.1.3生命末期碳排放生命末期碳排放有拆除階段和再利用階段。拆除階段建筑結(jié)構(gòu)的拆除是建筑結(jié)構(gòu)生命周期的重要組成部分。建筑結(jié)構(gòu)的拆除是指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師協(xié)同拆除工程的工程師通過一定的手段，憑借一定的方法對(duì)建筑物（含構(gòu)筑物）實(shí)行破壞，并清運(yùn)殘?jiān)?，拆除包括破壞和清渣兩個(gè)階段。再利用階段ICE數(shù)據(jù)庫(kù)采用50:50的方法來計(jì)算再利用階段碳排放。在一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的生命周期初期，材料從初級(jí)原料（如地下原生礦）獲取。在末期，小部分材料被再利用和再循環(huán)到一個(gè)新的產(chǎn)品當(dāng)中，材料質(zhì)量不會(huì)損失，同時(shí)需要更多的初級(jí)原料，以補(bǔ)充該產(chǎn)品的質(zhì)量。經(jīng)歷了三個(gè)不同的生命周期，所有的材料最終被消耗掉，如圖6所示。圖4：再利用階段方法說明2.2商業(yè)綜合體建筑單體全生命碳排放優(yōu)化與控制要點(diǎn)2.2.1設(shè)計(jì)要求與碳排放控制策略明確設(shè)計(jì)要求是建筑設(shè)計(jì)的首要工作，對(duì)建筑方案進(jìn)行控制，建筑生命周期碳排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制邊界如圖7所示。圖5：建筑生命周期碳排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制邊界（1）設(shè)計(jì)要求及外部環(huán)境建筑設(shè)計(jì)首先需要充分理解設(shè)計(jì)要求，根據(jù)擬建建筑的功能定位、占地面積、建筑面積、容積率等要求，初步確定建筑物體量、結(jié)構(gòu)等主要特征。其次，建筑物外部環(huán)境條件很大程度上影響建筑舒適度以及設(shè)備負(fù)荷，同時(shí)也是建筑物用能的重要來源，例如地下水源、綠地、太陽(yáng)能等，因此對(duì)于外部環(huán)境和資源的分析對(duì)建筑物低碳設(shè)計(jì)尤為重要。（2）建筑本體設(shè)計(jì)通過對(duì)建筑本體的合理設(shè)計(jì)，可以充分利用環(huán)境資源，隔絕建筑外部惡劣氣候，配置合適的建筑設(shè)備，創(chuàng)造舒適健康的室內(nèi)環(huán)境。因此，在低碳建筑設(shè)計(jì)中，建筑本體設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)充分利用好各建筑要素。以非機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)手段實(shí)現(xiàn)建筑能耗降低的節(jié)能技術(shù)，稱為被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)。如：選擇正確朝向和開口位置，實(shí)現(xiàn)建筑物的自然通風(fēng)；設(shè)計(jì)合適的建筑幾何形體，采用保溫隔熱建材，使其達(dá)到優(yōu)秀的熱工性能；為建筑立面設(shè)計(jì)合理的遮陽(yáng)方案，以獲取充足的自然光，并調(diào)節(jié)太陽(yáng)輻射得熱；充分利用綠化植物，如中庭綠化、種植屋面等，實(shí)現(xiàn)負(fù)碳效應(yīng)，改善微氣候和空氣質(zhì)量等。被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)資金投入少，效果明顯，但一般不足以完全滿足使用要求，通常需要結(jié)合機(jī)電設(shè)備，進(jìn)一步調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。（3）設(shè)備選型主動(dòng)式技術(shù)基于建筑負(fù)荷的合理預(yù)測(cè)，對(duì)采暖系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到降低碳排放的目的。此外，利用機(jī)電設(shè)備對(duì)建筑周圍環(huán)境中的太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹睦?，例如太?yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)，也屬于被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)。這些技術(shù)需要在建筑建設(shè)前期投入一定數(shù)量的資金，但是從建筑生命周期經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益角度，則有可能是合理的（陳沖，2013）。2.2.2結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)與選擇如圖8所示，根據(jù)建筑方案，綜合考慮項(xiàng)目現(xiàn)狀情況，構(gòu)思環(huán)境最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)先行的建筑方案從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度提出合理化建議，選用經(jīng)環(huán)境最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定適合本項(xiàng)目使用的結(jié)構(gòu)用材、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件截面，指導(dǎo)下一階段設(shè)計(jì)，減少環(huán)境負(fù)擔(dān)。圖6：方案設(shè)計(jì)階段碳排放控制流程結(jié)構(gòu)體系的隱含碳設(shè)計(jì)包括基礎(chǔ)方案和上部結(jié)構(gòu)的隱含碳設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定了一系列可能的結(jié)構(gòu)體系方案以后，對(duì)不同的方案進(jìn)行試算，在受力合理的基礎(chǔ)上選擇隱含碳較少的結(jié)構(gòu)方案。比如框架-筒體的超高層建筑，外框架可采用鋼筋混凝土梁柱、鋼管混凝土梁柱或型鋼混凝土梁柱，可以加斜撐，也可以做加強(qiáng)層，對(duì)不同方案逐一試算，找到隱含碳較少的結(jié)構(gòu)方案。2.2.3碳排放計(jì)算分析在規(guī)劃階段，預(yù)估隱含碳和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)數(shù)值，需要計(jì)算的指標(biāo)有隱含碳和經(jīng)濟(jì)成本的總量和單位面積數(shù)值，使單位面積隱含碳指標(biāo)在當(dāng)?shù)仉[含碳標(biāo)準(zhǔn)的合理誤差范圍內(nèi)，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也在經(jīng)驗(yàn)范圍之內(nèi)；在方案階段，首先，需要比較不同方案的隱含碳和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，具體包括：隱含碳和經(jīng)濟(jì)成本的總量和單位面積數(shù)值，結(jié)構(gòu)材料鋼筋、混凝土型鋼和壓型鋼板的隱含碳指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件剪力墻、樓板、柱、梁和伸臂（環(huán)帶）桁架的隱含碳指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；其次，通過調(diào)整隱含碳或經(jīng)濟(jì)性過大的結(jié)構(gòu)材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置或材料組成，使結(jié)構(gòu)方案得到可持續(xù)優(yōu)化；然后，還應(yīng)在可持續(xù)指標(biāo)整體分析時(shí)保證單位面積隱含碳指標(biāo)在當(dāng)?shù)仉[含碳標(biāo)準(zhǔn)的合理誤差范圍內(nèi)，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也在經(jīng)驗(yàn)范圍之內(nèi)；最后，在對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比時(shí)，應(yīng)從業(yè)主需求出發(fā)，綜合考慮隱含碳指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，如果業(yè)主需要環(huán)境影響小的方案，就選擇隱含碳指標(biāo)小的方案，如果業(yè)主需要經(jīng)濟(jì)性好的方案，就選擇經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)小的方案；在其他階段，需要計(jì)算的指標(biāo)有隱含碳和經(jīng)濟(jì)成本的總量和單位面積數(shù)值，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，使單位面積隱含碳指標(biāo)在當(dāng)?shù)仉[含碳標(biāo)準(zhǔn)的合理誤差范圍內(nèi)并盡量減小，使環(huán)境影響最小，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也應(yīng)在經(jīng)驗(yàn)范圍之內(nèi)盡量減??；最后，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，記錄設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，和業(yè)主及其他專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交流。3工程案例3.1項(xiàng)目13.1.1工程概況該項(xiàng)目高度240米，共48層，建設(shè)用地面積3.68萬(wàn)平方米。具體功能區(qū)域的建筑面積見表1。表1：各功能區(qū)建筑面積統(tǒng)計(jì)功能區(qū)域建筑面積（萬(wàn)平方米）辦公19.17商業(yè)建筑6.68地下商業(yè)建筑1.23地下車庫(kù)各階段碳排放計(jì)算（1）設(shè)計(jì)階段由于設(shè)計(jì)階段過程較短，該過程中的碳排放一般忽略不計(jì)。（2）建造階段建筑材料碳排放如下表所示：表2：建筑材料用量與碳排放因子統(tǒng)計(jì)材料名稱材料用量（萬(wàn)元）材料價(jià)格（含裝配）碳排放因子[20]混凝土65488.601000元/m30.35t/m3鋼構(gòu)13014.751200元/t2.6t/t幕墻玻璃25812.421700元/m21.1t/m2石材1320.231000元/t0.002t/t表3：建筑材料碳排放統(tǒng)計(jì)材料名稱碳排放（萬(wàn)噸）混凝土22.921鋼構(gòu)28.20幕墻玻璃16.70石材0.00264本案例中采用張又升學(xué)者給出的建筑建造階段碳排放推估公式（張又升,2002）Y=X＋1.99其中：Y為單位面積建造階段CO2排放量（kg/㎡）；X為建筑地上層數(shù)。根據(jù)該公式推估本工程建造階段施工碳排放量，代入X=48，得到單位面積建造，階段CO2排放量為49.99kg/m2，案例建筑面積為38.4057萬(wàn)m2，則得到該工程建造階段碳排放量為1.92萬(wàn)噸。（3）運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段取耗電60.3kwh/m2，得到運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段含碳量為60.3×38.4057萬(wàn)×70年×0.844=136.82萬(wàn)噸（4）拆除階段根據(jù)前文，取建系數(shù)8.95%，得拆除階段碳排放量為：1.92萬(wàn)噸×0.0895=0.172萬(wàn)噸。（5）各階段碳排放量匯總表4：各階段碳排放匯總階段名稱碳排放（萬(wàn)噸）設(shè)計(jì)階段-建造階段69.74運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段136.82拆除階段0.172總計(jì)206.703.2項(xiàng)目2該項(xiàng)目一共分為5期，本工程分為4個(gè)商業(yè)地塊，建筑面積約27.4萬(wàn)m2，地上酒店塔樓17層，綜合商業(yè)6層，酒店和綜合商業(yè)位于同一地下室上，地下室共3層，屬于大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目。按建筑功能，地下2層、地下3層為汽車車庫(kù)和設(shè)備用房兼做人防地下室；地下1層為商業(yè)及超市用房；酒店裙房和綜合商業(yè)1~6層為商業(yè)，包含餐飲、零售、影院、冰場(chǎng)等業(yè)態(tài)，酒店塔樓從7~17層為精品酒店。3.2.1碳排放分析假設(shè)結(jié)構(gòu)有50年使用壽命，商業(yè)綜合體不同功能建筑建造階段成本及碳排放成本估算（金海,2020）如表4（建造階段僅統(tǒng)計(jì)了材料建造及運(yùn)輸?shù)奶寂欧趴偭浚?。?：建造階段成本及碳排放估算統(tǒng)計(jì)非人防車庫(kù)寫字樓持有商業(yè)酒店建造成本/萬(wàn)元371272742417026144碳排放/kg128753838377325402399068380取耗電60.3kwh/m2，可估算運(yùn)營(yíng)階段碳排放量為：60.3×50×112509×0.928=314791t。取建造階段的碳排放量的8.95%為拆除階段的碳排放量：(128753+8383773+27881+9068380)×8.95%=1576t（劉燕,2015）。故對(duì)于全生命周期，總碳排放量估算為316574t。4總結(jié)本文針對(duì)商業(yè)綜合體建筑單體全生命碳排放優(yōu)化與控制進(jìn)行分析，最后將碳分析方法運(yùn)用于兩個(gè)實(shí)際工程案例。針對(duì)實(shí)際工程案例，得到以下結(jié)論：商業(yè)綜合體項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段的碳排放量過少，可忽略不計(jì)。商業(yè)綜合體項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)階段的碳排放最高，需加以控制。結(jié)構(gòu)方案選取對(duì)碳排放控制是極為重要，直接影響各階段的碳排放量。在商業(yè)綜合體的設(shè)計(jì)中，建議采用主動(dòng)、被動(dòng)節(jié)能技術(shù)結(jié)合來控制建筑的碳排放。鋼構(gòu)的碳排放因子遠(yuǎn)大于混凝土的碳排放因子，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮碳排放等因素選取結(jié)構(gòu)材料。參考文獻(xiàn)[1]政府間氣候變化專門委員會(huì).氣候變化2007綜合報(bào)告[M]．瑞典:TERI出版社，2008.[2]陳沖.基于LCA的建筑碳排放控制與預(yù)測(cè)研究[D].武漢,華中科技大學(xué),2013.[3]崔瑩.公共建筑碳排放特征及分析模型研究[D].北京建筑大學(xué),2018.[4]劉燕.基于全生命周期的建筑碳排放評(píng)價(jià)模型[D].大連理工大學(xué),2015.[5]金海,楊靜,李曉輝,劉洪麗,宣玉杰,基于BIM的建筑材料碳排放計(jì)量與實(shí)例分析,水泥技術(shù),2020(02):54-58.[