建筑领域碳排放核算研究综述

在碳达峰碳中和远景目标提出的背景下，控制温室气体的排放成为了当今研究的热点。建筑领域作为减排降碳的重点行业正受到越来越多的社会关注。建筑领域核算边界的划定和选择是开展建筑领域碳排放研究的基础，但目前的文献研究划分方式存在差异，没有统一的标准，使得各研究案例之间缺乏可比性。为了给建筑领域减碳相关研究提供参考，本文阐述了国内外针对建筑领域碳排放核算的划分方式及核算方法，并指出了现有碳排放核算边界存在的问题。

建筑领域；碳排放；核算边界；核算方法；寿命周期

     伴随着工业化与城市化的进一步发展，发展中国家对于能源方面的生产和需求仍在进一步增长，但是这样的发展必然加重全球环境和气候变化的问题。为了应对2020年之后气候变化带来的不利影响，各国签署了《巴黎协定》，要将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2 ℃以内，并努力将温升控制在1.5 ℃以内，形成全球的气候治理格局。
     根据世界银行的统计数据（见图1），世界范围内的碳排放量总体上仍在不断增长，而横向对比各个国家，我国的碳排放量是美国的近2倍，超过德国、日本等国家4倍以上，这说明我国面临着巨大的减排压力。但是我国主动承担世界减排责任，正在积极开展相关研究、制定减排政策和规划。习近平主席在2020年9月22日的联合国大会上郑重宣布了中国政府在减缓气候变化方面的战略部署：二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。目前，控制碳排放已经成为我国远景目标的重要组成部分，各个行业也在不断探索碳达峰和碳中和的路径。

 

     Huang等人对2009年全球建筑业的碳排放进行了核算，全年建筑业的二氧化碳排放量为57亿t，占全球总排放量的23%；根据《中国建筑节能年度发展研究报告2020》，2019年与建筑运行相关的碳排放占社会总碳排放的21.2%，而建筑全过程碳排放占全国总碳排放的50.6%。文献指出，建筑部门的减排潜力在三大能耗部门中占据首位，可以为碳排放的提前达峰贡献约50%的节能量。目前，我国的城镇化发展还在快速进行，建设用地面积仍在进一步扩大。除此之外，我国在1990—1999年间居住建筑的平均寿命只有21.59年，城市的更新和规划会使得这些建筑面临拆除、改建，进一步造成建筑领域的碳排放增加。因此，建筑领域是住房与城乡建设管理部门节能减排的重点，更是我国实现碳达峰碳中和的重点。
     现有建筑领域碳排放的研究呈现出数量多、核算边界存在差异的状况。目前的碳排放核算主要采用投入产出法、过程分析法等。投入产出法适用于经济领域；过程分析法即寿命周期法，首先面对的问题是核算边界的确定。建筑领域碳排放的核算是预测碳排放趋势、制定减碳路径的重要基石，核算边界的清晰明确将直接决定核算结果的可靠性。本文通过对建筑领域碳排放相关的中英文文献进行梳理和总结，比较归纳建筑领域碳排放的核算框架、核算边界及核算方法，希望对建筑领域碳排放的进一步研究提供参考。

     随着可持续理念在建筑领域的发展，寿命周期分析（LCA）已成为一种分析建筑环境性能的重要参考方法，各国政府及组织在积极开展研究制定标准化方法及体系。经过多年的实践和探索，已经有了多个认知度较高的核算标准，例如美国世界资源研究所（WRI）的全球第一个核算标准——《温室气体议定书》，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的《IPCC国家温室气体清单指南》，以及英国的PAS 2050：2011《商品和服务在寿命周期内的温室气体排放评价规范》等。
     国际标准化组织（ISO）系列标准推荐的基于过程的方法是碳排放核算中最常用的方法之一，ISO 14064、ISO 14067是系列中较为重要的2个分支。其中ISO 14067：2018旨在指导和规范产品碳排放的核算，其主体框架和原则继承于ISO 14040和ISO 14044，其内容还参考了GHG Protocol和PAS 2050：2011；与前2种标准不同的是，该标准强调对每一类产品设定特定的核算范围，而与2013版本相比新版本更加注重量化，对用电量的计算等要求更加明确，并且对于农业、森林的相关产品提出了具体的指导。ISO 14064-1：2018、ISO 14064-2：2019及ISO 14064-3：2019针对的则是企业或者活动层面的碳排放核算，分别提供了温室气体在组织层面、项目活动层面清单的量化和规范，以及对清单和项目文件的审查核定，其中组织层面的边界包括单个或多个设施，其排放来自单个或多个温室气体源或汇；与2006版本相比，扩充和细化了间接碳排放温室气体清单，这一改动反映了间接碳排放受到越来越多的重视。除此之外，新标准对具体项目的温室气体也提出了新的指导，例如附录D对生物活动造成的碳排放清单进行了指导，附录E提供了与电力的进出口相关的温室气体清单指南。
     欧洲标准化委员会针对建筑工程的可持续性提出了标准EN 15804：2019，涵盖所有寿命周期阶段，其计算和过程遵循ISO 14040：2006，建筑全寿命周期核算框架如图2所示，该框架适用于从单体建筑出发核算其碳排放，可以评估新建建筑和既有建筑的性能。EN 15804：2019与上一版本相比，构建了更完整的产品回收计算体系，纳入更广泛的环境指标，将产品及包装中的生物炭纳入报告，实现各类产品的横向比较。

 

     我国的CECS 347：2014《建筑碳排放计量标准》也介绍了建筑的全寿命周期核算框架，如图3所示，与EN 15804：2019的建筑全寿命周期框架相比，划分阶段相同，只是各个阶段下的模块划分不同。国外对于运行阶段的模块划分更细致，虽然国内的计量标准在后续的计算中也包括了对用水量的计算，但是国外将操作用水单独作为一个模块，更能强调其重要性；在回收阶段，国内的框架重在对材料的回收，而国外的模块还强调了能量的回收。

 

     对于建筑领域的碳排放核算边界，更多的是针对一个国家、省份区域等较为宏观尺度的研究，通过核算可以为该地区政府提供降低碳排放的政策建议。从划分核算阶段的角度去研究核算边界，研究主要可分为：狭义建筑碳排放，即仅运行阶段，以及从全寿命周期的各个阶段进行核算；而从核算对象的角度去研究核算边界，则可针对民用建筑本身或者从城市角度将为建筑物配套的基础设施也纳入核算范围。本章从核算阶段及核算对象等方面进行总结阐述。
3.1 运行阶段核算边界研究
     目前国内外建筑领域碳排放核算边界划分不尽相同，从建筑领域碳排放时间轴核算，可大致划分为：以运行阶段为主和全寿命周期。倪江波指出住房城乡建设领域的二氧化碳排放主要是在建筑运行环节；沈丹丹的研究结果表明，运行阶段的碳排放量占比达到76.2%，控制碳排放量最有效的方式就是针对运行阶段。而运行阶段的碳排放又可以聚焦于用能和用水所造成的碳排放。运行阶段能源使用包括供热、生活热水供应、空调、照明、炊事等；运行阶段的用水应考虑期间所有用水及其处理，包括饮用水、卫生用水、生活热水、景观用水、绿色屋顶用水、绿色墙面用水、供暖用水、空调冷却用水及加湿用水等。
     针对运行阶段碳排放核算展开的研究见表1。

 

     从上述运行阶段的研究文献可以看出，该领域研究主要针对民用建筑。划分方式均包含了居住建筑和公共建筑，只是供暖部分存在差异，大多数的研究将供暖单独列出，也有将供暖作为用能终端与炊事、照明等并列，用能终端主要划分为空调、照明、家用设备、炊事、热水等。较为公认的建筑运行阶段碳排放核算宏观层面的划分方式如图4所示。

 

     在核算建筑领域碳排放时，有学者认为只核算运行过程的碳排放是不完整的，根据《中国建筑能耗研究报告2020》，从建筑全寿命周期角度出发，可以将建筑的整个过程分为建筑材料生产、建筑材料运输、建筑施工、建筑运行、建筑拆除5个阶段，建筑领域只包含其中的建筑施工、建筑运行、建筑拆除3个阶段，而建筑碳排放主要聚焦于建筑材料生产、建筑施工和建筑运行3个阶段，建筑领域的碳排放在相关报告中只包含建筑施工和建筑运行2个阶段。
     在近些年来的研究中，学者们更全面地研究建筑领域的碳排放，认为物化阶段的碳排放在整个寿命周期中占有较大的比重，不可忽视。例如汪洪等人强调了建筑材料中二氧化碳含量是建筑低碳化的重点；龙惟定等人将居住建筑的碳排放划分为运行碳排放和隐含碳排放，隐含碳排放包括了建筑材料生产、建筑材料运输、建筑制造及建筑改造和拆除过程的碳排放，居住建筑的全寿命周期中隐含碳排放占比超过50%，是主要的碳排放源。因此，为了更好地量化建筑领域的碳排放，设计更优的碳排放策略，就需要全方位地研究建筑领域的碳排放，即采用全寿命周期的方法进行分析。
3.2 全寿命周期划分碳排放核算边界研究
     目前国内针对新建、扩建和改建的民用建筑制定了GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》，包括了建筑物建材生产及运输、建造、运行及拆除等活动相关的温室气体排放的计算方法。其中运行阶段碳排放细化为暖通空调系统、生活热水系统、照明及电梯系统的碳排放，以及可再生能源系统产能的减碳量、建筑碳汇的减碳量。
     GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》规定，在可行性研究报告、建设方案和初步设计文件中均需计算运行阶段的碳排放，而建材、建造和拆除只是鼓励计算。GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》规定，在施工图审查及评价阶段应对建筑的运行、建材的生产和运输进行碳排放计算。
     除了国内计算标准中的划分方式，从建筑全寿命周期的过程分析考虑，建筑碳排放核算可以按照时间层面、空间层面、各类能源中的碳流动划分，以及直接、间接等方式划分。碳排放核算的划分方式汇总见表2。

 

     将上述国内外有关建筑全寿命周期碳排放核算划分进行汇总，具体见表3。

 

     国内外文献的研究主要集中在民用建筑，建筑领域碳排放核算边界划定主要是按照线性的，即时间顺序，全寿命周期划分。从表3来看，其主要边界是一致的，这些研究均包含了建材生产阶段、建筑施工、运行阶段及拆除阶段。少部分的文献为了让建筑碳排放的核算更加完整，考虑了建材的回收利用，并将建筑的设计阶段也纳入核算边界，认为设计阶段所决定的建筑参数会对后续阶段的碳排放产生一定的影响。总体而言，由于目前对建筑领域碳排放核算边界没有统一的标准，各文献研究者的建筑领域碳排放核算边界存在差异。
3.3 建筑领域基础设施碳排放核算边界研究
     由于我国建筑领域的建设归属于住房与城乡建设部门管理，其管理的范围涵盖更广，包括城市建设、村镇建设、城市管理（城镇供热、城市燃气、城镇供排水、城市生活垃圾、园林绿化、城市公共交通等），以及围绕建筑业开展的设计施工建造和维修改造。从建筑行业管理者的角度去看待建筑领域，还应考虑建筑领域基础设施的碳排放核算。由于基础设施涵盖的范围非常广，囊括了市政公用工程设施、公共生活服务设施等，与建筑领域相关的只是其中一部分，目前对于基础设施的研究更多的是从城市角度，与城市基础设施相关的碳排放核算研究见表4。

 

     城市基础设施碳排放核算涉及范围较广，相关的研究案例也较少，但从上述与建筑领域相关的城市基础设施碳排放研究可以看出，城市市政相关的废弃物、废水处理造成的碳排放与居住建筑用能所造成的碳排放量相比较少；从市政设施的各个子系统的对比可以看出，垃圾处理过程对碳排放的贡献值更大。文献提出，建筑的建造与运行是城乡建设碳排放控制中需关注的重点，尤其应该关注运行阶段的供暖、炊事及生活热水等对一次能源的消耗。但是目前与城市基础设施及城乡建设领域相关的碳排放核算边界的研究存在着数量少、责任范围不清晰的问题。
     在总结文献过程中，虽然整个领域核算的边界没有确切的定义，但是各个阶段的核算内容较为清楚，可以明确针对各个阶段过程逐一进行碳排放核算，并且运行阶段的碳排放仍是建筑领域的主要排放源。

     我国建筑领域碳排放核算研究还处于探索阶段，缺少系统化的统计方法，无法获取权威明晰的统计数据。目前国际上普遍使用的碳排放核算方法可以归纳为排放因子法、物料平衡法和实测法3种。实测法是最基础的方法，即通过工具和实验对碳排放源进行直接监测从而获得数据，该方法受到地域、成本等的限制，适用于测量已建成项目或者特定生产过程的碳排放系数；物料平衡法遵循质量守恒规律，即投入等于产出，可以用于估算排碳量、检验其他计算方法结果的准确性；排放因子法的应用非常广泛，既适用于单体建筑，也可以用于宏观尺度的建筑领域核算，由于不同地区的排放因子存在差异，导致存在不确定的因素，在使用过程中需要对主要数据的选用进行匹配。但是该方法存在排放因子的更新速度较慢、碳排放因子覆盖不全面的问题。本章总结分析从能源分类角度核算碳排放、不同阶段核算碳排放的方法及模型的相关研究。
4.1 建筑领域能源碳排放核算研究
     You等人认为建筑系统的碳排放包括建筑材料工业生产过程排放、能源消耗排放、可降解建筑物垃圾产生的碳排放和土地足迹排放4类。其中能源消耗是造成建筑领域二氧化碳排放的重要因素之一，与建筑领域相关的能源碳排放涉及了化石燃料燃烧、电力生产、热力生产等相关的碳排放核算。建筑领域碳排放按照耗能方式可以划分为不同的类别，例如：龙惟定等人将其划分为直接燃烧排放CO2的直接碳排放，建筑用电、区域供热供冷、冷热水相关的间接碳排放，以及材料、运输、建筑建造拆除过程的隐含碳排放；任志勇则按照静止燃烧碳排放、移动燃烧碳排放、电力的碳排放、材料的碳排放进行划分。而无论是哪一种碳排放种类的划分，能源消耗碳排放均是重中之重，据统计，能源消耗的碳排放量占碳排放总量的比例高达90%。
     能源消耗碳排放最直接的核算方式是采用分类能源的思路去核算建筑领域的碳排放，即使用分类能源的实物消费量与对应能源的碳排放因子进行计算；也可以通过单位面积能耗强度，将建筑碳排放与建筑面积、单位面积的碳排放量联系起来，单位建筑面积的碳排放量能更准确地反映碳排放水平：建筑碳排放量=建筑面积×单位面积能耗×排放因子。
     除此之外，还可以采用人均能耗与人口数作为指标进行计算，或者采用单位GDP的能源消费量增加值作为计算指标进行计算。
     但是国内关于建筑能耗的官方数据较少，目前可以从中国建筑节能协会构建的中国建筑能耗与碳排放数据平台（CBEED）查询相关省级及全国的民用建筑能耗数据，该平台数据是基于对统计年鉴中的数据进行拆分所获得的与建筑能耗相关的数值，该种核算较为简单，可以获得逐年及各个省份的序列数据；也可以参考《基于能耗总量控制的建筑节能标准及实施机制研究》，选取典型地区、城市的居住建筑和公共建筑进行能耗模拟，获取建筑能耗数据；还可以参考清华大学建筑节能研究中心在全国范围内进行大规模的调研和入户实测获得的更为准确的建筑能耗数据。
     碳排放因子则可以根据IPCC的排放因子数据库、中国生态环境部的《省级温室气体清单编制指南》及半官方的中国产品全寿命周期温室气体排放系数库等中给出的数据自行摘录。
     需要注意的是：第一，采用能耗强度方式核算碳排放时，单位面积能耗是通过计算获取的数据，直接用该计算值去核算能耗总量较为粗糙，因此要获取更准确的能耗总量和碳排放总量，采用实物量进行计算更合适；第二，能源的种类多样，其折算方法的选择可能会造成碳排放结果完全不同的评价，目前我国在统计能源的平衡表中是根据发电平均煤耗把电力折算成标准煤，而蒸汽和热力等其他能源仍然按照当量热值法来换算；第三，由于电力、热力等排放因子并不在数据库清单范围之内，在核算建筑用电、建筑供热所产生的碳排放量时需要进一步计算二次能源的碳排放因子。
4.2 建筑各阶段碳排放核算方法研究
     近年来，国内陆续颁布了与建筑领域碳排放相关的计算标准，标准中所给出的计算方法针对的是单体建筑或建筑群，如表5所示。

 

     从各个阶段来看，根据目前包含范围最全面的标准GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》，建材生产阶段可以根据不同类型材料的消耗量及其对应的排放因子计算；建材运输阶段可以根据建材消耗量、平均运输距离及单位质量运输距离的排放因子计算；运行阶段的碳排放应根据标准划分的各个系统所使用的不同能源的消耗量及其对应的排放因子计算，扣除消耗可再生能源所产生的能源；建筑建造和拆除阶段则是根据不同类型的能源消耗量或者总的使用量及其对应的排放因子计算。其中运行阶段的计算还应注意建筑用水、翻修维护带来的间接碳排放量。
     建筑用水所导致的间接碳排放量其实也与能源密不可分，在核算时主要采用排放因子法。余娇使用制水和配水的数量、制水和配水的能耗强度及电力的碳排放因子计算给水碳排放，根据处理污水量、处理能源强度与电力的碳排放因子计算污水碳排放；Dale等人研究了区域能源和供水情景模型，设定水处理能耗中80%是电能，其数据来自于政府发布及文献收集；牛晓科在计算自来水的碳排放时，设定其二氧化碳排放因子为0.168 kg/t，再通过用水量的监测数据进行计算；白佳令认为水系统的间接碳排放是机械设备造成的碳排放与水处理相关的生化作业造成的碳排放之和。
     目前，建筑的翻新改造是城市更新的重要组成部分，但是由此会产生大量的装修及装饰废弃物，这些废弃物的处置会造成间接碳排放的增加，对于该类废弃物的数量的研究主要是通过实地调查各类建筑的各楼层单位面积废物产生量与翻新的建筑面积的方式进行计算，其间接碳排放应该为装修废弃物的运输、回收和废弃物处理阶段的碳排放量之和。由于不同翻修方式、不同建筑类型、不同回收处理方式所造成的间接碳排放存在差异，要想获得一个区域的环境影响，需要通过大范围的调查获取数据，导致其计算难度较高。
4.3 碳排放核算模型研究
     为了实现碳达峰碳中和目标，除了需要计算当前状况的碳排放，更需要对未来的碳排放进行预测，根据获得的数值制定相应的碳减排政策。根据计算思路，可以将碳排放核算模型的基本方法分为自上而下、自下而上方法。其中，自上而下方法是先估算总体区域,再逐步进行降尺度的碳排放分析；而自下而上方法是先计算单个建筑的能耗和碳排放，再放大到区域尺度进行碳排放计算。
     按照不同的计算思路，可以将预测模型划分为自上而下、自下而上及混合预测模型，见表6。

 

     从目前的研究来看，碳排放核算和预测的模型种类较为多样，且由于影响碳排放的因素较为复杂，导致选择不同的模型可能会获得不同的碳排放预测结果。在选择模型时应仔细研究模型的适用范围，通过对比选择最合适的模型进行核算预测。

     目前，建筑领域碳排放核算边界与核算方式的研究已经有较多的探索，建筑领域碳排放核算阶段、类型划分及核算方法已较为成熟、完整。通过对现有建筑领域碳排放核算边界研究的梳理，还存在以下几个问题需要进一步改进和探索。
     1） 国外对于寿命周期分析的框架和方法体系已经较为成熟，标准之间相互联系并不断发展，对于各个阶段碳排放的划分更细致，我国的体系整体上涵盖的范围也较为完整，而对于建筑用水和回收可以进一步细化。
     2） 建筑领域碳排放核算边界界定不统一，导致核算结果不一致，核算结果无法对比和参考。如在核算某区域建筑领域的碳排放时，现有的核算划分边界存在分歧，能否用狭义的仅建筑运行阶段的碳排放来反映该区域建筑领域的碳排放；在计算住房与城乡建设行业的碳排放时，所包括的城市基础设施建设范围较广，核算其碳排放时如何准确划分边界，目前研究数量较少、边界范围不明晰，还需进一步开展研究。
     3） 建筑领域碳排放核算过程中，存在建筑领域官方数据较少、碳排放因子更新速度较慢且覆盖不全面的问题，电力、热力、建筑用水、废弃物造成的间接碳排放计算还需进一步研究；面对国家目前施行的能耗总量和强度双控的政策，从实物量的角度核算能耗总量和碳排放的逐年变化序列数据会更准确。
     建筑领域碳排放核算边界的界定是开展建筑领域碳排放研究的基础，核算边界的准确与否直接决定结果的可靠性、代表性，同时也是评估建筑领域碳排放的重要依据。因此各行业间应相互协调沟通，对碳排放边界进行合理拆解和划分，建立各行业明晰的碳排放核算边界，将有助于各行业全面核算分析碳排放值，从而更加准确地制定其减碳路径，对实现各地区的碳达峰碳中和提供更加有针对性的指导。

本文刊登于《暖通空调》2022年第11期