基于全生命期的既有建筑改造碳排放统计分析及效能提升研究

气候和能源问题已经成为全世界共同面临的重大挑战之一，2030 年碳达峰，2060 年碳中和已经成为中国的重大战略部署。随着中国城镇化的快速发展，截至2021 年，中国既有建筑面积总量已突破 700亿㎡。随之而来，建筑的能耗及碳排放量也在持续增长，建筑全过程碳排放占全国碳排放总量的 47.1%，其中运行阶段碳排放占全国碳排放总量的 21.6%，建材生产运输阶段的碳排放占全国碳排放总量的 24.4%。降低建筑全过程碳排放是建筑业的重要课题，尤其是存量建筑的低碳化改造，将成为未来建筑领域节能降碳的重要研究方向。

1 既有建筑改造全生命期理论

1.1 建筑全生命期

全生命期评价（Life Cycle Assessment, 即 LCA）是一种评价产品、工艺或服务从原材料采集，到产品生产、运输、使用及最终处置整个生命周期阶段（从摇篮到坟墓）的能源消耗及环境影响的工具。单体建筑的全生命周期应当包括建筑材料生产阶段、建筑材料运输阶段、建筑施工阶段、建筑运营阶段和建筑拆除处置阶段。

1.2 既有建筑改造全生命期

为便于研究，以改造发生作为分割点将既有建筑改造的全生命周期分为改前和改后两个阶段，如图 1 所示，改前阶段包括建筑修建至改造发生前的建筑材料生产及运输、建筑施工以及改造前运营阶段。改后阶段包括改造发生开始至建筑拆除处置阶段，包含改造所需的建筑材料生产及运输、建筑施工、建筑运营和建筑拆除处置五个阶段。本次研究主要针对改后阶段，分析研究改后阶段碳排放特点并提出相应的减排策略。

图1 既有建筑全生命周期划分

2 既有建筑改造全生命期碳排放计算

2.1 项目概况

项目位于北京市怀柔区某工业园区内，原功能为燃煤锅炉房，单层砖混结构，建筑面积 708.36㎡，高度 7.68m。改造后用于展示项目所在园区的建设成果及运营情况，改造目标为运营期零碳建筑。

2.2 计算模型

统计既有建筑改造过程中实际的能源、人员以及材料消耗等信息，计算建筑材料生产及运输、建筑施工、建筑运营和建筑拆除处置五个阶段的碳排放量。为便于比较，以单位建筑面积碳排放作为计算值。建筑全生命周期单位面积碳排放总量 C 计算如下：

（1）

式中基于全生命期的既有建筑改造碳排放统计分析及效能提升研究分别代表建筑材料生产、建筑材料运输、建筑施工、建筑运营和建筑拆除处置阶段的单位建筑面积碳排放量。

碳排放因子是指生产或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。碳排放因子将建筑全生命周期中能源、建筑材料、机械设备台班等的使用量与碳排放量联系起来，为便于分析，本次研究建材、化石能源碳排放因子主要来源为《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019 ，依据 2023 年生态环境部《关于做好 2023—2025 年发电行业企业温室气体排放报告管理有关工作的通知》，本文采用的电力碳排放因子为 0.5703 tCo2/MWh。

2.3 建材生产阶段碳排放计算

建材生产阶段的碳排放主要来自原材料开采运输中能源的使用以及建材生产工艺中的排放。建材用量根据项目实际发生清单计算，改造建筑主要建材生产（考虑部分建材的回收）的碳排放总量为 979.06 kgCo2e/㎡，如图 2 所示。

图2 材料生产碳排放量

2.4 建材运输阶段碳排放计算

建材运输过程中的碳排放量与建材的重量、运输工具、运输距离有关，建筑建材运输过程的碳排放总量为 8.78 kgCo2e/㎡，如图 3 所示。

图3 材料运输碳排放量

2.5施工阶段碳排放计算

施工阶段产生的碳排放量主要来自施工机械设备的能源消耗和施工涉及的人员的能源消耗，改造建筑建造施工阶段机械设备耗能的碳排放总量为 11.16 kgCo2e/㎡，各类机械设备碳排放量构成，如图 4 所示。办公及施工人员耗能的碳排放总量为 34.84 kgCo2e/㎡，见表1 和表 2 施工阶段合计的碳排放总量为 46.00kgCo2e/㎡。

图 4 机械设备碳排放量

表 1 办公人员碳排放量

表2 施工人员碳排放量

2.6 运营阶段碳排放计算

模拟建筑改造后的实际用能情况，对建筑运营期的采暖、制冷、通风、照明、设备等终端用能量进行计算，得出建筑年用电量为 134.22 kWh/(㎡a)。改造建筑利用建筑自身及周边建筑的屋面和立面，设置了光伏发电。经测算，光伏年发电量为 160.38 kWh/(㎡a)，改造建筑运营阶段碳排放量为 -10.57 tCo2e/ 年。按照改造后建筑 30 年寿命，合计运营阶段单位面积碳排放量为 -447.57 kgCo2e/㎡。改造建筑运营阶段碳排放，见表 3。

表3 改造建筑运营阶段碳排放

注：1. 终端能耗包含项目采暖、制冷、照明、通风、设备等全部终端能耗。2. 负号代表可再生能源盈余。

2.7 拆除废弃阶段碳排放计算

按照建筑规模估算建筑拆除阶段的人员、机械台班，以及建筑垃圾的发生量估算建筑拆除废弃阶段碳排放量，如图 5 所示。计算得出改造建筑拆除阶段的碳排放总量为 11.52 kgCo2e/㎡。

图 5 建筑拆除阶段碳排放量构成

2.8 结果分析

汇总以上计算结果，改造建筑全生命周期单位面积碳排放总量 C 为 597.75 kgCo2e/㎡，如图 6 所示。其中建材生产阶段碳排放量 979.06kgCo2e/㎡，占比93.66%；建材运输阶段碳排放量 8.78kgCo2e/㎡，占比 0.84%；施工阶段碳排放量 46.00kgCo2e/㎡，占比4.40%；建筑拆除处置阶段碳排放量 11.52 kgCo2e/㎡，占比 1.10%。建筑运营阶段碳排放量 -447.57 kgCo2e/㎡。

图6 建筑全生命期碳排放

3 既有建筑改造减排策略研究

3.1 建材生产及运输阶段

3.1.1 合理选择低碳建筑材料

碳排分析结果表明，建材生产阶段的碳排放总量占到项目全生命周期碳排放总量的 93.66%，但从建材生产阶段碳排放的构成看，不可回收，或回收利用率较低的建材占比为 46.1%，选用绿色建材，或者可回收利用率高的建材，将有效减少建筑全生命期的碳排放量。

3.1.2 合理选择材料运输方式

建材选择上，除了选择距离项目所在地更近的原材料供应商，应尽可能选择新能源汽车进行建材运输。

3.2 建筑施工阶段

建筑施工阶段，总体碳排放量为 59.54 kgCo2e/㎡，从施工阶段碳排放的构成上看，如图 7 所示。施工过程可以通过以下措施合理降低施工和拆除阶段碳排放量。

图7 施工阶段碳排放构成

3.2.1 合理安排工作人员

从构成上看，由于改造项目的特殊性及新冠疫情的影响，该项目施工工期较长，反应到碳排放数据上，该项目施工人员产生的碳排放量占施工和拆除阶段碳排放总量的 62.1%，抛除不可控因素的影响，对现场管理人员以及工人的合理安排将会对施工过程的节能降碳起到积极性作用。

3.2.2 合理选择机械设备

机械设备所产生的碳排放量占施工和拆除阶段碳排放总量的 32.4%，从机械设备种类上看，以柴油机械为主，在施工阶段尽可能采用以电能或其他可再生能源为能源的机械设备，可以降低施工阶段碳排放量。

对于既有建筑改造而言，施工企业还可通过建筑垃圾的减量排放和资源化利用等手段，进一步降低施工过程的碳排放水平。例如从建筑全生命周期视角考虑，免拆模等新型结构体系，相比传统项目当中使用组合钢模板，其在材料、运输及施工过程的碳排放量要低很多。

3.3 建筑运营阶段

改造建筑功能为展厅，建筑内存在大量高耗能展示设备，建筑运营过程中设备用电量较大，建筑设计目标为运营期零碳，通过光伏发电产生的碳替代抵消建筑的实际碳排放，实现建筑运营零碳的目标，大幅降低建筑全生命周期的碳排放总量。若项目未达成运营期零碳，如图 8 所示。其终端耗电量为 134.22 kWh/(㎡a)，建筑全生命周期碳排放量达 3341.69 kgCo2e/㎡，是目前项目的 5.59 倍。因此，降低建筑运营期碳排放量，对于降低建筑全生命周期碳排放量具有重要作用。

图 8 未实施零碳碳排放构成

4 结论

既有建筑改造不同于新建建筑，改造存在诸多的条件限制和制约。因此，既有建筑节能改造不应按照统一的模式去执行，应考虑建筑的实际情况，因地制宜的制定改造方案，同时改造的方案制定应站在建筑全生命周期的视角考虑建筑碳排放量，例如对于建筑中已有的材料、构件，尽可能的实现再利用，不仅可节省改造的投资，对于降低全生命周期碳排放量同样起到积极作用。同时，对于既有建筑的零碳改造，对于降低建筑全生命周期的碳排放量具有重要的作用。