建筑运营阶段的碳排放计算——基于碳排放因子的排放系数法研究

第41卷第3期 2015年6月 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 175 建筑运营阶段的碳排放计算 一基于碳排放因子的排放系数法研究 鞠 颖，陈 易 (同济大学建筑与城市规划学院，上海200092) 摘要：建筑物运营阶段所产生的碳排放量占其全生命周期总排放量的60％一80％，本文对计算该阶段碳排放量 常用的排放系数法进行了分析，指出：排放系数法简便直接，结果的精确性取决于能源碳排放因子和能源消耗量。 关键词：碳排放；建筑能耗；碳排放因子；计算；建筑设计 中图分类号：TU ll 文献标志码：B 文章编号：1008—1933(2015l03—175—05 0 引 言 2003年，英国政府发布的《能源白皮书》首次提 出了“低碳经济(Low Carbon Economy)”的概念¨ 。 此后，“低碳社会”、“低碳城市”、“低碳生活”等一 系列概念应运而生，成为研究者关注的重点。作为 低碳经济的重要组成部分，低碳建筑也成为一个重 点研究课题。2009年的哥本哈根世界气候大会上， 中国政府提出“2020年单位国内生产总值二氧化碳 排放下降40％～45％”[2 3，从此明显加快了低碳建 筑在中国的发展。 一般认为，中国低碳建筑的发展始于20世纪 8O年代，主要体现在建筑节能领域，由局部试点发 展到部分城市；至21世纪初时，建筑节能工作已推 行至全国范围内，执行的节能设计标准已由1986年 提出的节能30％提升到了65％ 。尽管如此，目前 大部分研究工作的关注点仍集中在“建筑节能”上， 建筑碳排放的标准化、定量化研究相对比较匮乏。 关于碳排放量计算方法的研究在国内仍处于初 期阶段，目前的研究成果主要包括建筑定性的评价 和单体建筑的实验性计算等 J，尚未统一建筑物全 生命周期内各个阶段的计算边界及计算方法，尚难 以对其进行标准化的量化评估。 1 碳排放量计算 通过对国内外相关文献的总结，建筑物的碳排 放计算方法可大致归纳为三种类别：实测法、质量平 衡法和排放系数法。三种方法各有侧重点，且使用 收稿日期：2014-O5-08 作者简介：鞠颖(1989一)，女，硕士研究生在读，研究方向：建筑设 计。 基金项目：国家自然科学基金项目(51278338) E—mail：chenyinew@sina．eom 的尺度不同。文献[5]对这三种方法进行了介绍并 作了详细的对比。排放系数法是建筑尺度下最常用 的碳排放计算方法，其基本原理是“碳排放量=活 动数据×排放因子”。该方法方便直接、可信度高， 得到了政府问气候变化专门委员会(IPCC)的推荐。 从全生命周期考虑，建筑物主要经历了建材阶 段、施工阶段、运营阶段、拆除及回收阶段。各阶段 的活动内容不同，大致包括建材消耗量、运输周转 量、机械台班数、建筑能耗、材料再利用量和材料再 循环量等 。其中，运营阶段产生的碳排放量最 多，约占整个周期的60％～80％，其次为占10％一 30％的建材阶段，而施工阶段和拆除及回收阶段所 占比例甚小，一般不到1％。因此，绝大部分情况下 都以建筑物运营阶段作为碳排放量的主要计算阶 段，相应的，本文研究的“活动数据”也主要指建筑 物在运营阶段中的能源消耗量。 建筑物运营阶段的碳排放系数法是通过碳排放 因子将建筑能耗数据转化为建筑碳排放数据，因此 国内现有的建筑碳排放量计算方法研究大多是与建 筑能耗研究并提，并未区分。实质上，建筑碳排放量 与建筑能耗有很大的相似关系，但侧重点有所不同， 能耗是从建筑“输入”的角度研究，建筑输人能源； 而碳排放是从建筑“输出”的角度分析，建筑排放温 室气体 。 2建筑能耗数据 计算建筑碳排放量的前提是了解建筑的用能状 况，相关能耗数据一般可通过实际的调查统计或模 拟计算获得。建筑能耗的调查统计，在我国属于能 源统计的范畴 J，官方统计数据来源有《中国能源 统计年鉴》、《中国统计年鉴》以及各主管部门的统 计数据等。而建筑能耗模拟计算主要以建筑供暖和 空调能耗为主要研究对象 ]。由于环境因素、软件 176 四川建筑科学研究 第41卷 因素等原因，两种方法的结果有一定偏差，如文献 [10]以某办公建筑为对象，将能耗模拟结果与实测 结果进行对比，分析了引起数据差异的主要原因。 2．1 能耗实测方法 目前发达国家对建筑能耗的调查统计工作比较 完善，我国也越来越重视这一工作，但仍未对建筑能 耗建立明确的统计制度。目前，只有某些城市或是 一些业内人士进行了小范围的某区域或某类建筑的 能耗调查工作。文献[8]对这些工作进行了具体的 介绍。 建筑能耗计量工作应对空调、照明和动力等各 类用能实施分项计量。基于分类分项的理念，文献 [11]介绍了常用的支路能耗数据计算方法，依托于 拓扑结构利用数学模型将监测数据转化为建筑业主 及建筑师等所关心的分类分项能耗数据。基于此， 还可以对建筑能耗监测系统的监测点进行设计。 2．2能耗计算方法 建筑物(空调)负荷计算是建筑能耗计算的基 础 9 J。建筑能耗计算目前主要有两大类：一类是基 于稳定传热理论上的静态简化计算方法；另一类是 基于不稳定传热理论上的动态逐时模拟方法 。 简化计算方法是建立在静态负荷计算基础上的一种 估算的方法，即以瞬时最大设计条件下的全热损失 为依据进行建筑空调长期运行能耗的估算 引；而动 态模拟方法是建立在动态逐时负荷计算基础上的一 种较精确的方法，即利用计算机技术建立精确的数 学模型，对建筑的热耗过程进行模拟，计算出任意变 化气象条件下的逐时负荷，然后进行全年叠加¨ 。 2．2．1 简化计算方法 建筑能耗简化计算方法发展于2O世纪70～80 年代，其理论依据是热力学第一定律(即能量守恒 定律) 。该方法的基本原理是基于稳定传热理 论，将供暖期或供暖期中各旬、各月的耗热量进行计 算，而不考虑各部分围护结构的蓄热效应。此类方 法属于静态分析方法，即不需要详细掌握热耗随时 间变化的具体情况，只需知道整个建筑或单位建筑 面积在一个采暖期内的热耗量即可。 目前，常见的简化计算方法有度日法(degree— day procedure)、当量满负荷运行时间法(equivalent ful1 1oad hour)、有效传热系数法(effective U-value) 及广泛使用的温频法(Bin) j。文献[14]对上述方 法进行了研究，指出其计算结果粗略，但计算速度 快，易于手算，可用于研究能耗趋势，进行系统比较 与替代。 2．2．2动态模拟方法 建立在计算机技术上的动态模拟法始于2O世 纪60年代¨ ，有两大重要的发展节点。其一，是以 DOE-2为代表的传统建筑能耗模拟软件的产生；其 二是结合BIM技术的新一代能耗模拟软件的出现。 1)传统建筑能耗模拟软件 发达国家自4O年前的世界石油危机后，对建筑 能耗分析逐渐重视，开始结合各自的规范标准开发 相应的、甚至针对不同建筑类型的能耗模拟分析软 件，如美国的DOE．2、Energy Plus、BLAST、eQuest，加 拿大的Hot 2000，英国的ESP-r，日本的HASP，我国 的DeST、PKPM等。其中，DOE-2是使用最为广泛 的软件，其他大多软件都是以DOE-2为计算内核进 行开发的。文献[16—17]介绍了部分软件并进行了 详细的比较。 传统建筑能耗模拟软件(简称“传统软件”)一 般是基于AutoCAD的操作平台进行开发的。而在 CAD技术盛行的2D时代，建筑能耗计算一般需要 通过专业人员才能完成。其所使用的专业软件不仅 要求操作人员有一定的能量分析知识，还需要手工 录入大量专业数据才能进行¨ 。因此，这种方法仍 有局限性，一是只能计算建筑运营阶段的建筑能耗， 二是建筑能耗的计算不能在设计的任意阶段快速进 行，通常只能在设计的最终阶段完成，丧失了其对建 筑方案设计的反馈作用。据调查 ，我国大部分建 筑能耗计算与评价都发生在施工图阶段。 这些软件更适合暖通、空调专业人员用于对已 确定设计方案的建筑进行制冷、采暖负荷分析 等¨ ，难以适用建筑设计人员的需求，并不能帮助 建筑师及时调整方案以获得节能优化。为此，国内 不少学者尝试开发了适用于建筑设计人员的能耗简 化计算软件，如SCBEC[19]、BeCaSoft 、AOEC[21]， 但尚未得到广泛的推广。 2)结合BIM技术的建筑能耗模拟软件 BIM即“建筑信息化模型”(Building Information Modeling)，是基于对象的建模技术(Object—based Modeling)。所建立的模型包含了大量的建筑材料 和构件的特征信息，故称为信息化模型。不同于传 统软件，基于BIM技术所建立的模型不再只是点线 面所构成的三维图像，而是一个更为全面、综合的信 息数据库。模型所包含的大量建筑信息可帮助设计 者实现建筑工程的可视化和量化分析。 目前，常用的BIM软件有Autodesk公司的Re— vit系列 和Graphisoft公司的ArchiCAD系列。同 时，为了满足建筑师在低碳建筑设计过程中的需求， 使其能在设计的任何阶段得到建筑能耗、甚至碳排 放的相关信息，两大公司各自为其BIM软件打造了 专门的建筑能量评估工具——Autodesk Green 鞠颖，等：建筑运营阶段的碳排放计算——基于碳排放因子的排放系数法研究 177 Building Studio 及Graphisoft EcoDesigner。 能耗模拟结果对建筑方案设计的反馈作用非常 重要，能帮助建筑师及时调整方案，进行优化设计。 利用BIM技术，建筑师可在设计的任何阶段调整模 型信息参数，即调整建筑的朝向、空间形态、建筑材 料等。一旦信息参数改变，得到的实时建筑能耗及 碳排放的分析结果也会发生相应的改变，整个计算 过程只需几分钟_2 。同传统软件相比，BIM软件能 够快速直接地反映出方案调整对建筑碳排放所产生 的改变，使建筑师能实时对比分析结果，找出碳排放 更低、对环境影响更小的建筑设计策略，在方案阶段 就能实现“低碳建筑”诉求。若需要更具体、更详细 的建筑能量计算和分析，则可将以XML(可拓展标 识语言)的格式生成的BIM分析结果进一步供其他 能量分析软件使用¨ 。 3基于碳排放因子的排放系数法 排放系数法的基本原理可表达为“碳排放量= 活动数据×碳排放因子”。其中，活动数据是指特 定时期内在界定地区里，人类活动导致的排放或清 除的数据【2 ，如能源使用量、材料生产量、废弃物产 生量等数据。碳排放因子(Carbon Emission Factor) 是指生产或者消耗单位质量物质伴随的温室气体的 生成量，是表征某种物质温室气体排放特征的重要 参数 。与活动数据相对应，碳排放因子一般有建 材碳排放因子、单位距离的运输强度的碳排放因子、 能源碳排放因子、单位材料再利用的碳排放因子及 单位建材再循环的碳排放因子 。本文研究范围 限定在建筑运营过程，所采用的碳排放因子主要为 能源碳排放因子。 3．1 碳排放量计算过程 建筑运营过程的碳排放量计算，首先要确定建 筑的运行能耗，包括化石能源即煤、石油、天然气消 耗量和耗电量，详见第2节。然后根据相应的能源 碳排放因子，将能耗数据转化为碳排放量的数据。 可按如下公式进行计算： C=∑(E×F)i i=0 式中，c为运营过程中总碳排放量，单位为kg(c)；E 为运营过程中各种能源的消耗量，单位为kg、L、 kW．h等；F为能源碳排放因子，单位为kg(c)／能 源消耗量单位。 3．2能源碳排放因子 能源碳排放因子将所有的能源和碳排放量建立 联系，方便计算。从量上来说，包含了能源从开采到 使用各个环节碳排放量的总和。国内外大多机构对 主要能源的碳排放因子进行了测定，并建立了相应 的数据库。但大多机构只对主要能源，如煤、石油、 天然气、电力进行了测定，而没有对汽油、柴油等进 行测定。其中，IPCC是国际上最权威的温室气体研 究组织，由联合国环境署(UNEP)和世界气象组织 (WMO)于1988年联合建立。其数据库是目前相对 完善的碳排放数据库，也是建立最早的数据库 J。 通过查阅国内外检测机构网站及专业领域学术论文 等，将碳排放因子的数据来源进行了总结，大致形式 有数据库、项目报告、指南、标准、部门调查或技术资 料等，详见表1。 表1 能源碳排放因子数据库来源 (资料来源：作者整理自制) l78 四川建筑科学研究 第41卷 地区能源结构、实验条件、计量方法及统计标准 等的不同，导致不同机构对同种能源碳排放因子的 测算结果产生差异。一般来说，当地城市机构测定 的碳排放因子的精确度依次大于国家机构、国际机 构的测算结果。以二次能源电力的碳排放因子为 例，文献[32]对上海市电力的测算结果为0．43 kgCO ／kW·h，通过分子量的转换，其碳排放因子为 0．12 kgC／kW·h。同国际能源署(IEA)测算的中国 2011年的数据 0．76 kgCO2／kW·h(约为0．21 kgC／kW·h)相比，差距为42．9％。这是由于电力 碳排放因子数据的测算需综合考虑当地电力来源比 例，一般火力发电比例越高，生产单位电量的碳排放 量就越高。上海市电力来源的构成中水电和核电等 清洁能源的比例较大，可达50％【2 。因此较其他 省市或中国整体水平，上海市的电力碳排放因子偏 小。为研究电力碳排放因子测算结果的差异性，文 献[7]对我国各大电网的碳排放系数及世界几个主 要国家的电力碳排放系数进行了总结。 为了提高碳排放计算结果的精确度，研究者应 选择符合研究对象所处地域情况的碳排放因子。文 献[31]基于对国内外研究机构给出的能源碳排放 因子的分类、整理及数据分析，提出了相应的选择方 法。 4结论及建议 本文通过大量分析，对建筑物运营阶段常用的 碳排放系数法进行了研究，得出以下结论。 1)排放系数法计算简便直接、可信度高，但由 于不同统计来源的排放因子导致结果差异性较大。 我国应尽早建立官方的能源碳排放因子等相关数据 库，从而为标准化的量化计算打下基础。 2)同碳排放因子一样，活动数据(建筑能耗)是 排放系数法中的重要参数，同时决定了排放系数法 的准确性。获得能耗数据的途径主要有两个，一为 能耗实测，二为简化估算或能耗模拟计算。 3)通过能耗实测，虽然可以获得准确的能耗数 据，但耗时长、费人力，一般适用于统计某区域建筑 的能耗水平，建立相应的能耗数据库等。 4)简化估算结果粗略，但计算速度快，易于手 算，可用于研究能耗趋势，进行系统的比较和选型。 5)能耗模拟软件的运用使获得建筑能耗数据 变得方便、快捷。目前，相比传统的能耗模拟软件， 运用结合BIM技术的模拟软件，可以很快地在设计 的各个阶段对不同方案的碳排放量进行比较，为设 计师提供选择依据。随着阶段的深入，还可以结合 传统模拟软件，获得具有绝对可比性的数据结果。 总之，为了实现节能减排的目标，一方面应尽快 广泛开展建筑能耗实测监控和建立相应的数据库， 同时也应该充分发挥计算机软件的优势，为中国低 碳建筑的定量化研究提供支持，推动低碳建筑的发 展。 参考文献： 【1]刘志林，戴亦欣，董长贵，等．低碳城市理念与国际经验[J]． 城市发展研究，2009(06)：i-7，12． [2]胡泉．建筑物碳排放计算有章可循[N]．中国房地产报，2013 —01一l4． [3]王崇杰，薛一冰．节能减排与低碳建筑[J]．工程力学，2010 (s2)：4247． 【4]张时聪，徐伟，孙德宇．建筑物碳排放计算方法的确定与应 用范围的研究[J]．建筑科学，2013(02)：35-41． [5]刘明达，蒙吉军，刘碧寒．国内外碳排放核算方法研究进展 [J]．热带地理，2014，34(2)：248-258． [6] 张婷．住宅全生命周期碳排放核算方法及低碳住宅评价体 系[D]．马鞍山：安徽工业大学，2013． [7] 阴世超．建筑全生命周期碳排放核算分析[D]．哈尔滨：哈尔 滨工业大学，2012． [8]左现广，唐鸣放．国内外建筑能耗调查与统计研究[J]．重庆建 筑，20o3(02)：16—18． [9]刘大龙，刘加乎，杨柳．建筑能耗计算方法综述【J]．暖通空 调，2013(01)：95-99． [10]毛永乐，赵永青．某办公建筑能耗模拟与实测数据对比分析 [J]．智能建筑与城市信息，2013(7)：54-58． [11]马金星，张吉礼，陈永攀，等．建筑分类分项能耗计算方法的研 究[J]．建筑热能通风空调，2012(02)：36-39，88． 【12]侯政．用度日法分析气候变化对建筑采暖能耗的影响[D]． 西安：西安建筑科技大学，2007． 【13]鄢涛．深圳市公共建筑能耗与节能分析[D]．重庆：重庆大 学，2005． 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