建筑生命周期評估中碳排放計算研究

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摘要：建筑生命周期評估是對建筑產業全過程的環境影響效益進行系統性分析的工具，其分析內容全面，但復雜的操作流程不便于在方案前期對建筑設計進行指導。建筑生命周期碳排放計算以單一指標為計算對象，是一種能綜合反映建筑節能、節材以及永續發展等方面環境影響效益的評估方法。然而，新版《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2019仍將建筑生命周期碳排放計算分析置于最后，難以引起關注和重視，此外，建筑策劃中也欠缺以減碳為綠色理念核心的思考。本文通過對建筑生命周期評估方法及評估內容的對比，分析碳排放計算在建筑生命周期評估和綠色建筑評價中的重要性，并研究建筑生命周期碳排放計算對綠色建筑設計的指導意義。本研究表明建筑生命周期環境影響負荷可以通過碳排放量進行高度概括，減碳在綠色建筑設計中具有較強的代表性與針對性優勢。

關鍵詞：住區、生命周期、碳排放、綠色建筑

一、引言

生命周期評估（LifeCycleAssessment，簡稱LCA）的應用可追溯至1960年美國可口可樂公司用其來分析生產不同飲料容器的資源消耗，產品各階段的環境影響評估也在近幾十年逐步完善。建筑的生命周期評估因建筑壽命遠長于一般工業產品，建筑的批量化生產應用較少，在建筑性能和環境影響評估時所涉及的因素繁多，因此自成一套體系。我國的建筑生命周期評估發展時間不長，在行業中更多是以國標《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2019以及各地方綠色建筑評價標準作為評估建筑全生命過程整體性能與環境效益的依據，其中，“建筑碳排放計算”是綠色建筑評價標準中權重系數最大的“提高與創新”項之一。然而，在諸多綠色建筑評估實踐中，碳排放計算僅在設計完成后以核算報告的形式呈現，其設計指導作用與價值難以體現。

二、建筑生命周期評估

生命周期評估是測量產品在生產、使用、分解過程中環境效益的方法[1]，是整合產品全生命周期各環境影響的系統性分析工具，其中，建筑生命周期評估涵蓋了建材加工制造、施工、建筑使用與維護、拆除和廢棄等階段，并按照目標與范圍界定、評估清單梳理、環境影響評估及評估結論詮釋四個步驟進行全過程模型化、系統化計算，找出影響熱點并預測環境發展趨勢，其目的在于建筑本體效益研究、市場約束與政策指導。1.建筑生命周期評估工具。建筑生命周期評估工具（BuildingLifeCycleAssessmentTool，簡稱LCATool）是建筑生命周期評估的重要載體，是以建材、能源的使用量為計算基礎，通過生命周期列表數據庫將其轉化為相應的環境負荷量。使用建筑生命周期評估工具需要注意兩點：一是評估工具的選擇，此方法決定了建筑性能及環境效益的評估機制；二是數據庫的選用，直接影響評估結果的準確度與透明度。建筑生命周期評估工具可按照評估目標、使用環境、適用階段和適用人群等進行分類，然而不是所有工具都具有分析建筑全生命環境影響的能力。根據生命周期各階段的適用性，建筑生命周期評估工具分為兩類：一類核查建筑全生命周期的環境沖擊，即從搖籃到墳墓；另一類是階段性的建筑環境影響評估，如從搖籃到大門。本文僅對能夠進行建筑整體全生命周期評估的工具進行分析（表1）。表1顯示，在適用類型上，SimaPro和BEES不是基于建筑整體的系統化評估工具，其評估的全面性體現在二者對建材進行了詳盡統計與分析，包含的環境影響指標也更豐富，但部分指標量化困難。在評估范疇上，日本AIJ-LCA將建筑的環境負荷與資源可持續利用相結合，利于項目的經濟性與社會性分析[3]；在結論呈現方式上，SimaPro和ATHENATM只進行環境影響力的量化計算，而BEES和AIJ-LCA還可進行成本效益評估（表2）。誠然，建筑生命周期評估工具的適用范圍、評估內容直接決定了建筑綜合性能呈現的全面性，然而大量的數據收集及分析也勢必會增加評估的難度，更不利于設計前期概念方案的構思和推導，因此在眾多的環境影響因素中，尋找、歸納主要影響因子對建筑生命周期評估的推廣使用具有重要意義。2.建筑生命周期影響評估方法。建筑生命周期環境影響評估方法體現了各類LCATool的評估機制，不同評估方法既有相似之處，又有因地制宜的地域性特色。根據ISO14044標準規定，環境影響評估方法基本架構包括特征化因子、危害評估、標準設置、權重分配、補充說明五個要素，其中，第一項是必備要素，其余四項依據具體的評估方法進行選擇（表3）。特征化、標準設定及權重分配對工程設計以及影響評估尤為關鍵。特征化是對建筑生命周期中造成人體或環境影響的因子以及影響潛力進行建模、推導和預測分析的過程[8]。例如，鋼材加工及生活用電等環節產生的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氫氟碳化合物（HFCs）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）會造成不同程度的全球暖化、臭氧層破壞、酸雨及呼吸道疾病。為便于評估，需為造成某一環境影響的典型物質設定特征化因子[9]，并采用統一的單位進行各物質影響力的計算，各類物質對于環境影響的相對貢獻值以特征化系數表示。權重系數是以被調查者對于不同影響危害的感知度和主觀價值評判為依據而設定的，權重系數越大代表某一環境影響的重要性越高。日本的生命周期環境影響評估方法（LifecycleImpactassessmentMethodbasedonEndpoints，簡稱LIME）以及美國Eco-indicator99均為“生態系統”設定了最大的權重系數，在BEES中又將影響類別進一步細化，其中“全球暖化”被賦予了最大權重系數，約占BEES評估因子中的三分之一（表4），說明全球暖化現象在不同評估方法中的重要性非常顯著。

三、建筑碳排放計算

1.低碳建筑與節能建筑。低碳建筑以減少碳排放量為設計出發點，是對單一物質元素進行控制的建筑設計思路。節能建筑以減少建筑生命周期能耗，尤其是運行能耗為目標，是對綜合能源消耗進行控制的建筑設計思路。在建筑評估范疇上，節能建筑只專注于節能領域，而低碳建筑則是關注節能、節材、廢棄物處理等較廣范疇[4]。簡而言之，低碳建筑雖僅以碳排放作為衡量標準，卻比節能建筑更能揭露建筑生命周期中的各類影響沖擊。2.碳排放計算的意義。目前，我國建筑產業造成的環境影響主要來自于建材生產加工和建筑運行耗能兩個階段[12]，主要表現為全球暖化、臭氧層破壞和大氣酸化，其中50%的空氣污染，42%的溫室氣體以及50%的氟氯化合物來源于各類建筑能源和資材的消耗[13]，因此上述環境影響均被賦予最大的權重系數（表5）。根據日本建筑生命周期評估LIME2（圖1），全球暖化對人體和自然環境乃至社會發展的影響非常廣泛、深遠，包括加劇疾病感染風險、影響植被生長、降低農產品產量、提高空調制冷能耗等七個方面。全球暖化主要甲烷、一氧化碳、二氧化碳以及氫氟碳化合物等溫室氣體引起。《IPCC第四次評估報告》及IPCC《氣候挑戰：2014》分別指出，不同溫室氣體的全球暖化程度不同，其中二氧化碳總體貢獻值是76%，甲烷總體貢獻值為14.3%，氧化亞氮總體貢獻值為7.9%，其他溫室氣體總體貢獻值小于2%[14]；21世紀末期及以后時期的全球平均地表變暖主要取決于累計的二氧化碳排放，即使停止二氧化碳排放，氣候變化的諸多方面仍將持續許多世紀[15]。由此可見，二氧化碳是造成全球暖化的主要影響因子，其他影響因子中也以含碳的一氧化碳、甲烷及氫氟碳化合物為主。相關研究表明，一氧化碳和甲烷等氣體的全球暖化潛力特征化系數分別為二氧化碳的1.57倍和23倍（表6），因此，可將各類溫室氣體的環境影響轉化為以二氧化碳當量（kgCO2e）為統一衡量標準的評估指標，以便評估指標和影響類別之間的關系能夠得到更加直觀的體現。此外，臭氧層破壞、酸雨、光化學污染等環境影響也是生命周期環境影響評估的重點，其影響來源于氟利昂、二氧化硫、臭氧等物質。這些物質與二氧化碳有相同的生成與排放規律，如發電過程中臭氧、二氧化硫與二氧化碳同時產生，且受發電量影響，產生的二氧化碳越多，其他有害氣體產量也越多，所以碳排放計算雖無法對全部環境危害和人體健康危害進行詳盡的量化分析，但是其增減變化依然可以反映其他環境危害的影響程度。綜上，建筑生命周期碳排放計算以二氧化碳當量為單位，計算指標清晰、計算結論便于理解，既體現了建筑生命周期內節能、減排及循環利用等綠色建筑核心設計理念，有可檢驗綠色建筑技術的有效性。3.碳排放計算的應用。以表2中的臺灣BCF法為例，BCF法是建筑生命周期碳足跡評估的工具，它以科學化的碳排放量指標作為建筑性能評估和等級認證的依據，目標明確、重點突出，在碳足跡的核查中便于使用者找出節能減碳的核心與熱點。與BCF法相對應的是臺灣的綠色建筑評估體系，即綠建筑標章EEWH[17]，BCF法與EEWH評估體系均可作為建筑等級認證的工具，前者以碳排放量為評估對象，以生命周期為評估范圍，是完全量化的評估模式；后者以生態、節能、減廢、健康為評判建筑的標準，是更多元化的評估模式。如此，建筑生命周期評估工具與相應的綠色建筑評估體系緊密結合，共同發揮建筑評估診斷的作用促進了臺灣綠色建筑的蓬勃發展。與之相比，《綠色建筑評價標準》第9.2.7條對建筑碳排放計算分析進行了要求，《建筑碳排放計量標準》CECS374:2014也對計算方法進行了詳細的說明[18]。然而，碳排放計算分析之于綠色建筑評價標準的位置靠后，方案設計階段缺少對減碳理念的認知和重視，以至于減碳措施分析往往是對其他條文中相關內容的再次梳理與總結，不具有前瞻性和導向性；再者，目前的碳排放計算方法是以最終的施工圖、造價清單或電費清單等為核查依據，尚缺基于方案或初步設計的碳排放量估算法，因此難以為建筑師提供指導和建議。

四、結論

建筑生命周期評估因其復雜、繁瑣，難以在建筑設計前期得到有效利用，對建筑生命周期評估的合理簡化是其推廣的前提。在建筑方案階段，過多的概念融合不利于方案深化，反而容易形成理念混亂、技術堆砌之感。碳排放計算建立在對建筑生命周期評估內容梳理整合的基礎上，根據各類影響因子的相關性和重要性設定單一計算對象，能夠以點帶面，化繁為簡，將復雜的生命周期評估轉化為通俗易懂、操作便捷的建筑評估手段，是一種系統性的量化方法，也是進行建筑性能等級認證的工具。此外，減碳理念是綠色建筑設計的核心內容，可作為方案比選的統一標準以及各專業協同配合的統一目標，在設計周期內具有全程指導意義。

作者:劉依明 劉念雄 單位:清華大學建筑學院