双碳背景下建筑隐含碳量化评估研究

双碳背景下建筑隐含碳量化评估研究

何玉环

上海环境保护事业发展有限公司 上海 200030

摘要：建筑行业作为全球能源消耗和碳排放的重要来源，其隐含碳排放成为环境可持续性领域的焦点研究。本文对建筑领域隐含碳排放的量化研究进行了系统综述。梳理了建筑隐含碳的概念和范畴，着重介绍了其涵盖的生命周期阶段和排放类型，包括初始隐含碳、循环隐含碳和拆除隐含碳。针对当前常用的评估方法，包括基于过程、基于输入输出和混合分析方法，进行了深入分析和比较。此外，本文还探讨了现有研究方法的局限性，包括数据的不完整性和地域差异，以及如何应对这些挑战。因此，提出和完善建筑在设计、施工运行阶段的隐含碳方法有效量化框架对解决碳排放问题具有重大意义。

关键词：双碳、建筑隐含碳、量化评估

1引言

全球变暖和气候变化的威胁日益严重，这也提高了人们对经济增长、能源使用和相应环境污染物之间关系的认识1。全球建筑业平均每年消耗约40%的能源，并显著导致碳排放。目前，全球多个国家已将建筑节能作为实现2050年减排目标的重要手段。因此，各国制定了多项提高建筑能效的措施，包括法规和标准、节能补贴激励政策和节能改造技术指导，如中国的《既有建筑绿色改造评估标准》、美国的《能源政策法案》、澳大利亚的《政府运作中的能效政策》和英国的《绿色协议》。

中国作为世界第二大经济体，一直是全球最大的碳排放国。因此，2020年中国政府提出的“碳达峰”和“碳中和”战略措施，即2030年碳达峰、2060年实现碳中和、减缓全球气候变化、应对环境挑战。在中国，建筑碳排放量是全国第二大碳排放量贡献源。随着经济收入的增加和对生活质量的需求不断提高，中国未来的能源消耗潜力可能是巨大的。要实现碳达峰，需对建筑业的年度碳排放量进行综合量化评估。在传统研究中，通常认为建筑物生命周期中的运营碳（OC）量大于隐含碳（EC）的量。为此，建筑领域的标准和法规通常侧重于运营阶段的碳减排，而很少关注建筑物在建造、维护和拆除过程中使用建筑材料、产品和工艺所包含的隐含碳。随着节能建筑成为常态，可再生能源增加，建筑物的运营排放开始接近“净零”，排放热点正在转移到建筑生命周期的其他部分，即材料制造（例如，水泥和钢铁的生产）、维护和更换（例如，地板的维护或更换）和报废（例如，建筑垃圾的焚烧）。与隐含碳相比，建筑物运行碳的计算相对简单，隐含碳缺乏统一、完整和准确的数据。隐含碳数据库的缺乏也阻碍了基于生命周期的环境评估在建筑设计和施工中应用。建立完整和一致的隐含碳数据库的主要挑战之一是缺乏全球公认的隐含碳计算方法2。

随着未来快速城市化的前景，中国建筑业的碳排放量将继续增加，对国家总排放量的贡献将更大。因此有必要对建筑业隐含碳评估方法和案例进行全面详细的综述和分析，以获得新的见解。

2建筑隐含碳的定义和范围

建筑隐含碳（EC）排放或碳足迹没有单一的定义。然而，这个概念可以定义为建筑过程的直接碳排放和制造建筑材料和部件所需的能源消耗的间接碳排放，包括与整个生命周期中消耗的能源相关的碳，不包括在建筑使用寿命结束时通过回收和再利用而节省的碳。此外，从生产链的角度来看，这个概念可以定义为在所有上游工艺中提供产品所需的能源消耗过程的碳排放。这两个定义也称为初始隐含碳排放量或碳足迹（CF），仅关注建筑物入住前阶段的碳排放量。建筑物中的总隐含二氧化碳可分为三种类型：初始隐含碳（IEC），循环隐含碳（REC）和拆除碳（DC）3。

过去，建筑生命周期内绝大多数（超过80%）的排放都与建筑物的运行有关，特别是维持热舒适性的大量（化石燃料衍生的）能源需求。然而，更新、更节能的建筑的引入有助于将运营碳排放量减少到全生命周期碳（WLC）排放量的50%以下。因此，需要对减少与建筑材料生产相关的能源使用和碳排放总量的效果进行量化。大量研究采用了不同的方法来评估不同国家各种建筑类型的隐含碳排放量。

3建筑隐含碳的测量和评估方法

以前对住宅建筑隐含碳的研究主要集中在方法和案例上。通常采用各种方法，包括实际测量、质量平衡法、基于过程的分析和投入产出分析来测量和评估碳排放。前两种方法适用于测量和核算实际碳排放量，其中需要记录材料、能源和环境排放量的数据。但是，在建筑物建造之前无法进行数据监控和测量。因此，在设计过程中，最后两种方法用于利用工程量清单和建筑信息模型来评估隐含碳。

建筑隐含碳研究主要的计算方法包括基于输入产出的方法，基于过程的方法以及混合和统计分析方法，每种方法系统边界覆盖范围不同且都具有一定的局限性4。

3.1 基于过程的评估方法

基于过程的分析是一种自下而上的方法，从建筑材料作为最终产品开始，然后向后（上游）进行核算，尽可能包括所有直接和间接能源输入，涵盖建筑材料制造和运输、建筑施工、维护和拆除过程中的碳排放总量。然而，当超过上游的某个点时，收集能源使用变得困难，使得数据难以获取，导致一些过程缓解仍然被排除在计算之外。

Lenzen将这种由数据缺失引起的不完备性和截断误差量化为50%和10%5。通过将所有材料量乘以相应的基于过程的隐含碳排放强度来计算建筑物的隐含碳排放量。尽管此类计算提供了特定于建筑物的隐含碳排放量，但建筑物施工、管理和相关服务（例如银行）所包含的隐含碳仍然被排除在计算之外。施工管理、融资、规范合规等活动通常涉及通过增加劳动力、设备和车辆使用以及其他非能源材料使用（如办公用品）来消耗能源，如果使用传统的基于过程的方法，这可能很难量化其他能源输入，例如用于修复建筑材料生产和施工对环境的不利影响的能源，也被排除在基于过程的计算中。例如，如果材料制造厂在将其废物排放到环境中之前对其进行处理，则此类过程也会消耗能源，而这些能源必须分配给建筑材料生产。建筑工地还需要处理和转移工地的任何建筑排放物，这可能涉及通过设备和车辆使用能源。

3.2 基于输入输出（IO）的评估方法

基于IO的隐含能源计算是一种自上而下的方法，其中直接需求系数来自经济投入产出模型。直接需求系数表示一个行业部门从其他部门产生单位美元产出所需的投入（以美元计）。通过使用直接需求系统来量化能源供应部门的直接能源投入。由于每个行业都有供应链，因此所有直接需求也会导致间接需求。例如，当水泥工业部门的水泥产量增加1美元时，提供焦炭、石灰石、石膏等投入品的所有其他工业部门也会增加产量，以满足增加的需求。Cai Xiaowei等通过采用I-O模型估算中国建筑业能源消耗的直接和间接碳排放（人为排放），结果表明建筑业引起的其他工业部门的间接碳排放约占该部门人为碳排放总量的97%，且这些排放主要集中在七个上游行业部门6。

基于IO的分析涵盖了一个全面的系统边界，因为它考虑了整个系统的流入和流出。然而，其结果可能是高度综合的，而不是针对具体产品的。例如，在IO分析中，结构钢的隐含能量是通过量化生产结构钢以及各种其他钢铁产品的制造业的能源强度来计算的。这种方法假设该行业的所有产品都具有相同的隐含能量，这可能不准确。

3.3 混合分析评估方法

混合分析结合了基于过程和基于IO的分析的优点，以提高计算的可靠性和特异性。根据计算框架和所使用的数据类型，混合分析可以是基于过程的，也可以是基于IO的2。

在基于过程的混合（PH）计算中，IO数据被集成到基于过程的模型中，以提高计算的系统边界完整性。直接能源部分通常使用实际能源消耗数据计算，而IO数据则用于涵盖间接能源输入。然后将材料量乘以PH能量强度，以量化总隐含碳排放量。尽管系统边界完整性略有提高，但某些能源输入，如服务、运输、劳动力等的隐含能源消耗，仍未包含在计算中。事实上，计算可能会完全忽略某些直接能源输入，特别是在复杂产品的情况下。例如，如果使用钢材数量来计算钢结构产品（如腹板托梁、大梁、桁架和横梁）的内含能，那么在其制造和运输过程中消耗的直接能源可能不会被计算在内。对于更复杂的产品（如建筑物）使用PH方法，由于其不完整性，可能会导致重大误差。

基于投入产出混合计算（IOH）将基于过程或统计的能源使用数据插入IO模型，以提高计算的可靠性。将过程或部门层面的能源数据整合到IO模型中的方法有很多。一种方法是，在IO模型中插入能源单位的工业部门实际能源使用数据，而其他商品和过程仍使用货币单位。这种方法实际上是将统计分析和IO分析相结合，以提高IO模型的可靠性。这种方法非常有用，尤其是在每个产业部门都有能源使用数据的情况下。此外，由于能源强度的计算值是以单位工业产出的能源单位为单位的，因此避免了能源关税的使用，而这正是基 IO方法的主要可靠性问题之一。

4总结与展望

现阶段，缺乏能够提供可靠的数据转换机制和系数的评估工具来促进基于双碳背景下的建筑业隐含碳评估工作。例如，代表过时技术或制造工艺的过时工艺的数据可能无法反映能耗和排放较低的较新技术的实际情况。同样，数据的空间差异也是导致隐含碳排放评估结果变化的原因。不同国家的建设不仅在地理和气候特征方面存在差异，而且在原材料质量、生产工艺、运输距离、能源关税和其他因素方面也存在差异。所有这些差异都降低了特定数据在不同位置之间的可重复性。因此，直接应用国外数据来评估中国建筑的隐含碳影响是不切实际的。

在双碳背景下，建筑业的碳排放问题既是挑战，也是机遇。通过技术创新、政策引导和社会参与，建筑业有望在低碳转型中发挥积极作用，为实现碳中和目标贡献力量，为建设更加环保和可持续发展的社会贡献力量。

参考文献

1.Yang, L., Yan, H. & Lam, J. C. Thermal comfort and building energy consumption implications – A review. Applied Energy115, 164–173 (2014).

2.Embodied Energy of Construction Materials: Integrating Human and Capital Energy into an IO-Based Hybrid Model | Environmental Science & Technology. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es503896v.

3.Li, X., Yang, F., Zhu, Y. & Gao, Y. An assessment framework for analyzing the embodied carbon impacts of residential buildings in China. Energy and Buildings85, 400–409 (2014).

4.Dixit, M. K. Embodied energy analysis of building materials: An improved IO-based hybrid method using sectoral disaggregation. Energy124, 46–58 (2017).

5.Lenzen, M. Errors in conventional and input-output-based life-cycle inventories. Journal of Industrial Ecology4, 127–148 (2000).

6.Spatiotemporal Changes of Built-Up Land Expansion and Carbon Emissions Caused by the Chinese Construction Industry | Environmental Science & Technology. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5b01732.