建筑生命周期评估中碳排放计算研究

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摘要：建筑生命周期评估是对建筑产业全过程的环境影响效益进行系统性分析的工具，其分析内容全面，但复杂的操作流程不便于在方案前期对建筑设计进行指导。建筑生命周期碳排放计算以单一指标为计算对象，是一种能综合反映建筑节能、节材以及永续发展等方面环境影响效益的评估方法。然而，新版《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2019仍将建筑生命周期碳排放计算分析置于最后，难以引起关注和重视，此外，建筑策划中也欠缺以减碳为绿色理念核心的思考。本文通过对建筑生命周期评估方法及评估内容的对比，分析碳排放计算在建筑生命周期评估和绿色建筑评价中的重要性，并研究建筑生命周期碳排放计算对绿色建筑设计的指导意义。本研究表明建筑生命周期环境影响负荷可以通过碳排放量进行高度概括，减碳在绿色建筑设计中具有较强的代表性与针对性优势。

关键词：住区、生命周期、碳排放、绿色建筑

一、引言

生命周期评估（LifeCycleAssessment，简称LCA）的应用可追溯至1960年美国可口可乐公司用其来分析生产不同饮料容器的资源消耗，产品各阶段的环境影响评估也在近几十年逐步完善。建筑的生命周期评估因建筑寿命远长于一般工业产品，建筑的批量化生产应用较少，在建筑性能和环境影响评估时所涉及的因素繁多，因此自成一套体系。我国的建筑生命周期评估发展时间不长，在行业中更多是以国标《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2019以及各地方绿色建筑评价标准作为评估建筑全生命过程整体性能与环境效益的依据，其中，“建筑碳排放计算”是绿色建筑评价标准中权重系数最大的“提高与创新”项之一。然而，在诸多绿色建筑评估实践中，碳排放计算仅在设计完成后以核算报告的形式呈现，其设计指导作用与价值难以体现。

二、建筑生命周期评估

生命周期评估是测量产品在生产、使用、分解过程中环境效益的方法[1]，是整合产品全生命周期各环境影响的系统性分析工具，其中，建筑生命周期评估涵盖了建材加工制造、施工、建筑使用与维护、拆除和废弃等阶段，并按照目标与范围界定、评估清单梳理、环境影响评估及评估结论诠释四个步骤进行全过程模型化、系统化计算，找出影响热点并预测环境发展趋势，其目的在于建筑本体效益研究、市场约束与政策指导。1.建筑生命周期评估工具。建筑生命周期评估工具（BuildingLifeCycleAssessmentTool，简称LCATool）是建筑生命周期评估的重要载体，是以建材、能源的使用量为计算基础，通过生命周期列表数据库将其转化为相应的环境负荷量。使用建筑生命周期评估工具需要注意两点：一是评估工具的选择，此方法决定了建筑性能及环境效益的评估机制；二是数据库的选用，直接影响评估结果的准确度与透明度。建筑生命周期评估工具可按照评估目标、使用环境、适用阶段和适用人群等进行分类，然而不是所有工具都具有分析建筑全生命环境影响的能力。根据生命周期各阶段的适用性，建筑生命周期评估工具分为两类：一类核查建筑全生命周期的环境冲击，即从摇篮到坟墓；另一类是阶段性的建筑环境影响评估，如从摇篮到大门。本文仅对能够进行建筑整体全生命周期评估的工具进行分析（表1）。表1显示，在适用类型上，SimaPro和BEES不是基于建筑整体的系统化评估工具，其评估的全面性体现在二者对建材进行了详尽统计与分析，包含的环境影响指标也更丰富，但部分指标量化困难。在评估范畴上，日本AIJ-LCA将建筑的环境负荷与资源可持续利用相结合，利于项目的经济性与社会性分析[3]；在结论呈现方式上，SimaPro和ATHENATM只进行环境影响力的量化计算，而BEES和AIJ-LCA还可进行成本效益评估（表2）。诚然，建筑生命周期评估工具的适用范围、评估内容直接决定了建筑综合性能呈现的全面性，然而大量的数据收集及分析也势必会增加评估的难度，更不利于设计前期概念方案的构思和推导，因此在众多的环境影响因素中，寻找、归纳主要影响因子对建筑生命周期评估的推广使用具有重要意义。2.建筑生命周期影响评估方法。建筑生命周期环境影响评估方法体现了各类LCATool的评估机制，不同评估方法既有相似之处，又有因地制宜的地域性特色。根据ISO14044标准规定，环境影响评估方法基本架构包括特征化因子、危害评估、标准设置、权重分配、补充说明五个要素，其中，第一项是必备要素，其余四项依据具体的评估方法进行选择（表3）。特征化、标准设定及权重分配对工程设计以及影响评估尤为关键。特征化是对建筑生命周期中造成人体或环境影响的因子以及影响潜力进行建模、推导和预测分析的过程[8]。例如，钢材加工及生活用电等环节产生的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氢氟碳化合物（HFCs）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）会造成不同程度的全球暖化、臭氧层破坏、酸雨及呼吸道疾病。为便于评估，需为造成某一环境影响的典型物质设定特征化因子[9]，并采用统一的单位进行各物质影响力的计算，各类物质对于环境影响的相对贡献值以特征化系数表示。权重系数是以被调查者对于不同影响危害的感知度和主观价值评判为依据而设定的，权重系数越大代表某一环境影响的重要性越高。日本的生命周期环境影响评估方法（LifecycleImpactassessmentMethodbasedonEndpoints，简称LIME）以及美国Eco-indicator99均为“生态系统”设定了最大的权重系数，在BEES中又将影响类别进一步细化，其中“全球暖化”被赋予了最大权重系数，约占BEES评估因子中的三分之一（表4），说明全球暖化现象在不同评估方法中的重要性非常显著。

三、建筑碳排放计算

1.低碳建筑与节能建筑。低碳建筑以减少碳排放量为设计出发点，是对单一物质元素进行控制的建筑设计思路。节能建筑以减少建筑生命周期能耗，尤其是运行能耗为目标，是对综合能源消耗进行控制的建筑设计思路。在建筑评估范畴上，节能建筑只专注于节能领域，而低碳建筑则是关注节能、节材、废弃物处理等较广范畴[4]。简而言之，低碳建筑虽仅以碳排放作为衡量标准，却比节能建筑更能揭露建筑生命周期中的各类影响冲击。2.碳排放计算的意义。目前，我国建筑产业造成的环境影响主要来自于建材生产加工和建筑运行耗能两个阶段[12]，主要表现为全球暖化、臭氧层破坏和大气酸化，其中50%的空气污染，42%的温室气体以及50%的氟氯化合物来源于各类建筑能源和资材的消耗[13]，因此上述环境影响均被赋予最大的权重系数（表5）。根据日本建筑生命周期评估LIME2（图1），全球暖化对人体和自然环境乃至社会发展的影响非常广泛、深远，包括加剧疾病感染风险、影响植被生长、降低农产品产量、提高空调制冷能耗等七个方面。全球暖化主要甲烷、一氧化碳、二氧化碳以及氢氟碳化合物等温室气体引起。《IPCC第四次评估报告》及IPCC《气候挑战：2014》分别指出，不同温室气体的全球暖化程度不同，其中二氧化碳总体贡献值是76%，甲烷总体贡献值为14.3%，氧化亚氮总体贡献值为7.9%，其他温室气体总体贡献值小于2%[14]；21世纪末期及以后时期的全球平均地表变暖主要取决于累计的二氧化碳排放，即使停止二氧化碳排放，气候变化的诸多方面仍将持续许多世纪[15]。由此可见，二氧化碳是造成全球暖化的主要影响因子，其他影响因子中也以含碳的一氧化碳、甲烷及氢氟碳化合物为主。相关研究表明，一氧化碳和甲烷等气体的全球暖化潜力特征化系数分别为二氧化碳的1.57倍和23倍（表6），因此，可将各类温室气体的环境影响转化为以二氧化碳当量（kgCO2e）为统一衡量标准的评估指标，以便评估指标和影响类别之间的关系能够得到更加直观的体现。此外，臭氧层破坏、酸雨、光化学污染等环境影响也是生命周期环境影响评估的重点，其影响来源于氟利昂、二氧化硫、臭氧等物质。这些物质与二氧化碳有相同的生成与排放规律，如发电过程中臭氧、二氧化硫与二氧化碳同时产生，且受发电量影响，产生的二氧化碳越多，其他有害气体产量也越多，所以碳排放计算虽无法对全部环境危害和人体健康危害进行详尽的量化分析，但是其增减变化依然可以反映其他环境危害的影响程度。综上，建筑生命周期碳排放计算以二氧化碳当量为单位，计算指标清晰、计算结论便于理解，既体现了建筑生命周期内节能、减排及循环利用等绿色建筑核心设计理念，有可检验绿色建筑技术的有效性。3.碳排放计算的应用。以表2中的台湾BCF法为例，BCF法是建筑生命周期碳足迹评估的工具，它以科学化的碳排放量指标作为建筑性能评估和等级认证的依据，目标明确、重点突出，在碳足迹的核查中便于使用者找出节能减碳的核心与热点。与BCF法相对应的是台湾的绿色建筑评估体系，即绿建筑标章EEWH[17]，BCF法与EEWH评估体系均可作为建筑等级认证的工具，前者以碳排放量为评估对象，以生命周期为评估范围，是完全量化的评估模式；后者以生态、节能、减废、健康为评判建筑的标准，是更多元化的评估模式。如此，建筑生命周期评估工具与相应的绿色建筑评估体系紧密结合，共同发挥建筑评估诊断的作用促进了台湾绿色建筑的蓬勃发展。与之相比，《绿色建筑评价标准》第9.2.7条对建筑碳排放计算分析进行了要求，《建筑碳排放计量标准》CECS374:2014也对计算方法进行了详细的说明[18]。然而，碳排放计算分析之于绿色建筑评价标准的位置靠后，方案设计阶段缺少对减碳理念的认知和重视，以至于减碳措施分析往往是对其他条文中相关内容的再次梳理与总结，不具有前瞻性和导向性；再者，目前的碳排放计算方法是以最终的施工图、造价清单或电费清单等为核查依据，尚缺基于方案或初步设计的碳排放量估算法，因此难以为建筑师提供指导和建议。

四、结论

建筑生命周期评估因其复杂、繁琐，难以在建筑设计前期得到有效利用，对建筑生命周期评估的合理简化是其推广的前提。在建筑方案阶段，过多的概念融合不利于方案深化，反而容易形成理念混乱、技术堆砌之感。碳排放计算建立在对建筑生命周期评估内容梳理整合的基础上，根据各类影响因子的相关性和重要性设定单一计算对象，能够以点带面，化繁为简，将复杂的生命周期评估转化为通俗易懂、操作便捷的建筑评估手段，是一种系统性的量化方法，也是进行建筑性能等级认证的工具。此外，减碳理念是绿色建筑设计的核心内容，可作为方案比选的统一标准以及各专业协同配合的统一目标，在设计周期内具有全程指导意义。

作者:刘依明 刘念雄 单位:清华大学建筑学院