绿色办公建筑碳排放分析

1 引言

从工业革命开始的200 多年间，人类社会的发展越来越依靠化石能源的消耗，快速城市化进程与碳排放同步增长。自1990 年至今，全球碳排放总量增长了约 50%，碳排放已成为影响全球气候变化的主要因素。自《巴黎协定》签订以来，气候变化涉及的科学问题受到人们越来越多的关注。碳排放的75% 来自城市，目前全球已有7,000 多个城市制定了碳减排目标。中国作为世界第一大碳排放国，中国政府承诺，2030 年单位GDP 二氧化碳排放将比2005 年下降60% 〜65%。为实现节能减排的巨大挑战，在占全社会碳排放总量约1/3的建筑领域，低碳城市与绿色建筑研究成为遏制全球气候变化的重要途径。而对建筑碳排放进行准确的量化评估与分析则是考量减排效果的基础。

2 建筑全生命期碳排放计算

建筑全生命期碳排放是指把建筑产品的全生命期看成一个系统，计算该系统由于消耗能源、资源向外界环境排放的总碳量。建筑碳排放计算方法主要分为过程分析法和投入产出分析法两类。前者以建筑全生命期的实际过程为基础，具有较高的数据精度，尤其适于建筑单体的碳排放研究。后者则使用投入产出表格进行估算，属宏观层面，数据相对粗糙。建筑碳排放计算宜优先采用过程分析法，在数据不充分时可采用投入产出法进行补充。

过程分析法碳排放计算涵盖了建筑全生命期的5 大阶段，分别为：建材生产阶段、建材运输阶段、施工阶段、使用阶段（包括建筑运行和维护更新）、建筑拆除废弃阶段（包括建筑拆除和废弃物处理）。其中，建材生产阶段的碳排放主要包括工厂生产所消耗的煤、电、天然气、石油等能源产生的二氧化碳，以及某些化学反应产生的二氧化碳；计算应包含建筑主体结构材料和建筑围护结构材料，所选主要建筑材料的总重量不应低于建筑中所耗建材总重量的95%，重量比小于0.1% 的建筑材料可不予考虑；建材运输阶段碳排放指建材从厂家到施工现场所使用的交通工具排放的二氧化碳，该阶段的碳排放值取决于运量、运输距离、运输工具类型；施工阶段的碳排放主要包括各种机械设备，以及临时办公用电、柴油汽油等液体燃料产生的二氧化碳；使用阶段碳排放包括建筑运营阶段各种设备所消耗的电力、天然气等能源产生的二氧化碳, 以及建筑使用中维护更新老化建材和设备消耗的能源所产生的二氧化碳；建筑拆除废弃阶段碳排放主要来自建筑拆除过程的现场施工，以及废弃物运输和填埋。

建筑碳排放统计数值的影响因素众多，例如不同国家和地区之间能源结构的差异、建材生产技术水平的差异、主要运输方式的差异、建筑使用年限的差异等，都可能导致设计情况相同的两栋建筑产生差别较大的碳排放。其中，建筑使用阶段的碳排放是碳排放控制的关键环节，而降低建筑运行能耗又是低碳建筑的核心问题。目前，建筑能耗分析主要通过三种方法进行：软件模拟分析、能耗实测、统计类比。其中，能耗实测法准确度最高。

办公类建筑耗能的主要方式包括空调、照明、办公电器设备、电梯及其他。其中，空调耗能是办公建筑耗能的最主要形式，而该部分能耗与办公建筑的使用标准、工作性质及时间、建筑外围护结构的保温性能、暖通空调系统的形式，以及室内环境控制要求等直接相关，并且随季节的变化而起伏很大。办公建筑中的照明设备普遍开启时间较长，使用时间集中，能耗很大，仅次于空调系统。用电量的大小主要取决于建筑物的使用特点，全年比较稳定。办公电器设备耗电量受人均办公面积、工作时间长短、工作类型、办公自动化程度等因素的影响较大。

减少化石能源消耗和增加碳汇是实现低碳建筑的两类主要途径。增加碳汇的主要措施是增加绿化种植面积，通过植物吸收二氧化碳。而减少化石能源消耗是降低建筑全生命期碳排放的关键。可以从降低建筑能源需求、提高用能设备效率、充分利用可再生能源三方面发掘潜力。天津市建筑设计院新建业务用房项目在以上三方面进行了深入探索，并且作为绿色办公建筑的典型案例，详细分析了建筑全生命期碳排放。

3 绿色建筑设计实践及碳排放分析

3.1 工程概况

本项目建成于2015 年，是一栋高层办公建筑，总建筑面积20,560 平方米，地上主体10 层，高度41.9 米，地下一层为设备用房，采用现浇钢筋混凝土框架结构，设计使用年限为50 年，如图1、图2 所示。年均使用时间约5,431 小时，使用人数约930 人。本项目已获得国家绿色建筑三星级运营标识和健康建筑二星级设计标识。

图1 总平面图

图2 新建业务用房鸟瞰

3.2 绿色低碳技术

遵循“被动优先、主动优化”的设计原则，本项目从设计伊始，因地制宜地将可持续设计、BIM 全过程应用、智能化集成平台建设、低影响开发等与建筑设计结合，并充分利用可再生能源，采用了近30 项绿色建筑技术，设计能耗指标为72KWh/cm²·a。

采用的被动式节能技术主要包括：建筑布局、朝向与体型系数控制、围护结构节能设计、自然通风、自然采光，建筑遮阳，立体绿化，消能减震结构等，如图3 ～图7 所示。

图3 立面实景照片

图4 设置采光井和导光筒增强地下空间自然采光

图5 智能窗帘控制系统，可根据室外辐照度和风速情况自动控制窗帘的状态，同时设置本地开关

图6 室内垂直绿化

图7 消能减震结构阻尼器施工现场照片，该技术节省混凝土用量1350 立方米，相当于减少碳排放49 吨

采用的主动式节能技术主要包括：

（1）高效暖通空调系统：冷热源采用槽式与平板式太阳能集热供冷、供热系统耦合埋管地源热泵供冷、供热系统，各子系统制取的热水并联后，直接供应建筑空调系统，间接供应建筑生活热水系统；空调系统总冷负荷1,370KW，总热负荷1,135KW，冬季生活热水热负荷50KW。

（2）高效照明系统：采用节能灯具和智能照明控制系统。

（3）能源管理平台和运维管理平台：能够完成对能源消耗的信息采集、分析、展现和管理，提高建筑物综合能源管理水平，并实现了对绿色建筑内多个子系统信息的集成和综合管理。

（4）可再生能源利用：除地源热泵系统、槽式与平板式太阳能集热供冷、供热系统以外，在项目配套的附属综合楼屋顶还设有并网光伏发电系统，峰值总装机容量21KW，如图8、图9 所示。

图8 槽式太阳能集热器

图9 运维管理平台

3.3 建筑低碳指标水平

3.3.1 建材生产阶段碳排放

建材生产阶段包括原材料开采运输和建材生产，主要计算内容为各类建材生产阶段碳排放因子和实际工程中建材的用量。计算应包含建筑主体结构材料和建筑围护结构材料，所选主要建筑材料的总重量不应低于建筑中所耗建材总重量的95%，重量比小于0.1% 的建筑材料可不予考虑。本项目建材生产阶段的碳排放量为551.76kg CO2/m²·a（11.04 kg CO2/m²·a）。所选主要建筑材料的总重量约为建筑实际所耗建材总重量的99.25%。

3.3.2 建材运输阶段碳排放

建材运输阶段是指建材从生产产地运到施工现场的阶段，该阶段的碳排放值取决于运量、运输距离、运输工具类型。本项目建筑材料大部分取自天津本地及周边地区，因此整体运输碳排放量相对较低，约26.8 kg CO₂/m²（0.54 kg CO2/m²·a）。

3.3.3 施工阶段碳排放

施工阶段的能耗主要包括各种机械设备用电，以及柴油、汽油等液体燃料。当已知施工过程用能统计数据时，可用能耗实测法进行精确计算，即对建筑施工现场的能源使用加以统计，得出各类能源用量，再根据每种能源不同的碳排放因子，计算出二氧化碳排放量；当施工用能数据无法获得，但已知施工造价时，可用投入产出法根据施工费用进行估算；本项目采用了多项节能措施降低施工能耗。由能耗实测法，施工阶段碳排放为：4.91 kg CO₂/m²·a（0.10 kg CO₂/m²·a）。

3.3.4 使用阶段碳排放

建筑使用阶段包括建筑运行和维护更新。其中，建筑运行碳排放量涉及暖通空调、生活热水、照明等系统能源消耗产生的碳排放量及可再生能源系统产能的减碳量、建筑碳汇的减碳量计算；建筑各系统的碳排放量根据各系统不同类型能源消耗量和不同类型能源的碳排放因子确定；根据统计，本项目2017 能耗情况如表1 所示。

表1 新建业务用房能耗统计表

华北区域电网碳排放因子为0.4506 。根据上述能耗数值，初步可计算该项目运行碳排放量为34.55（ kg CO₂/m²·a）。76.67×0.4506 = 34.55（ kg CO₂/m²·a）。

维护更新碳排放是指建筑物经常性维修、更新、改造施工以及使用机械、设备、运输工具消耗能量所导致的二氧化碳排放，包含每年的维护、特定年限对非建筑主体结构工程的全面更新；根据相关研究，本项目建筑维护每年的二氧化碳排放按非建筑主体结构工程建造阶段二氧化碳排放量的1% 估算；建筑更新的二氧化碳排放则按每20 年对非建筑主体结构工程全面更新的数据计算；每年维护的二氧化碳排放为0.47 kg CO₂/m²·a，每年更新折合的二氧化碳排放为1.87 kg CO₂/m²·a。因此，维护更新碳排放量为：0.47+1.87 = 2.34 kg CO₂/m²·a。