商業綜合體建筑全生命周期碳排放的分析與控制摘要：建筑業在迅猛發展的同時也消耗了大量的能源，給環境帶來了大量的碳排放。作為當前重要大型公共建筑之一的商業綜合體，其建造、改造、運營、拆除均需要消耗大量能量，因此，考慮全生命周期，對其進行碳排放分析，加強其能耗限制以改善商業綜合體的能源消耗和碳排放，有著重要意義。本文通過分析商業綜合體建筑全生命周期碳排放模型，探討了全生命周期碳排放的控制，最后，分析2個項目各階段的碳排放量，為控制商業綜合體碳排放提供了依據。關鍵詞：全生命周期；商業綜合體；碳排放引言：本文分析了商業綜合體建筑的單體構成與系統構成，以此為維度從建造、改造、運營和拆除等建筑全生命周期各階段，論述碳排放的類型、來源和數量，估算了各個單體內部和各個系統碳排放的總量及各個單體總體碳排放的比例，提出了商業綜合體建筑單體全生命碳排放優化與控制要點，并運用于實際工程案例，證明了本文觀點的正確性與可行性。1商業綜合體建筑全生命周期碳排放模型1.1商業綜合體建筑構成商業綜合體建筑按功能可分為商業裙房、辦公塔樓、公寓塔樓、酒店塔樓、綜合塔樓和地下建筑等單體。按建筑系統構成可分為地上結構系統、地下結構系統、基礎系統、暖通系統、給排水系統、強電系統、弱電系統等。圖1給出了建筑幾種不同系統碳排放分類（崔瑩，2018）。圖1：建筑各系統碳排放分類（崔瑩，2018）碳排放涵蓋設計、建造、正常使用與維護和拆除四個階段，如圖2所示。圖2：碳排放核算邊界圖（劉燕,2015）1.1.1設計階段由于設計階段過程較短，該過程中的碳排放一般忽略不計。1.1.2建造階段建造階段的碳排放統計應包括原材料的開采、生產、運輸、現場施工直至浚工交付。1.1.3運營維護階段運營維護階段指建筑物建成開始使用至廢棄為止，此階段碳排放量通常最大。1.1.4拆除階段根據仲平（仲平，2005）和葛堅（葛堅，2008）的研究，拆除階段碳排量分別占建造階段的10.1%與7.8%。取二者的平均值8.95%作為拆除階段的碳排放量比例（劉燕，2015）。2商業綜合體建筑全生命周期碳排放優化與控制2.1全生命周期控制階段及控制指標商業綜合體建筑生命周期碳排放包括隱含碳、運營碳和生命末期碳，如圖5所示。圖3：建筑生命周期碳排放2.1.1建造階段碳排放建筑結構領域的隱含能是物質材料從原材料提煉到生產過程完成所消耗的能量、轉化為建筑結構構件所消耗的能量和進行施工裝配所消耗的能量的總和（WatsonD,1979）。生產過程中發生的化學反應會產生碳排放，如水泥生產過程中碳酸鈣轉化為氧化鈣時二氧化碳是一個副產品。以上情況中，隱含碳總量包括兩部分，一部分由隱含能消耗產生，另一部分是化學反應產生。2.1.2運營階段碳排放運營階段碳排放和很多因素有關，如建筑的設計壽命、能源效率、可再生能源的使用和運設施的運營頻率等（RameshT,2010）。商業綜合體項目在運營階段的碳排放最高，消耗比例可達到50%~60%（Thormark,2002）。建筑運營階段的構件維修、翻新及更換屬于周期隱含碳范疇，是由風災、地震災害和海嘯等災害引起的結構破壞造成的隱含碳，和建筑高度、設計使用年限、結構抗風設計中的基本風速、結構抗震設計中的性能水準、抗震設防等級和基本地震加速度等結構設計參數有關。2.1.3生命末期碳排放生命末期碳排放有拆除階段和再利用階段。拆除階段建筑結構的拆除是建筑結構生命周期的重要組成部分。建筑結構的拆除是指結構設計師協同拆除工程的工程師通過一定的手段，憑借一定的方法對建筑物（含構筑物）實行破壞，并清運殘渣，拆除包括破壞和清渣兩個階段。再利用階段ICE數據庫采用50:50的方法來計算再利用階段碳排放。在一個建筑結構的生命周期初期，材料從初級原料（如地下原生礦）獲取。在末期，小部分材料被再利用和再循環到一個新的產品當中，材料質量不會損失，同時需要更多的初級原料，以補充該產品的質量。經歷了三個不同的生命周期，所有的材料最終被消耗掉，如圖6所示。圖4：再利用階段方法說明2.2商業綜合體建筑單體全生命碳排放優化與控制要點2.2.1設計要求與碳排放控制策略明確設計要求是建筑設計的首要工作，對建筑方案進行控制，建筑生命周期碳排放系統設計控制邊界如圖7所示。圖5：建筑生命周期碳排放系統設計控制邊界（1）設計要求及外部環境建筑設計首先需要充分理解設計要求，根據擬建建筑的功能定位、占地面積、建筑面積、容積率等要求，初步確定建筑物體量、結構等主要特征。其次，建筑物外部環境條件很大程度上影響建筑舒適度以及設備負荷，同時也是建筑物用能的重要來源，例如地下水源、綠地、太陽能等，因此對于外部環境和資源的分析對建筑物低碳設計尤為重要。（2）建筑本體設計通過對建筑本體的合理設計，可以充分利用環境資源，隔絕建筑外部惡劣氣候，配置合適的建筑設備，創造舒適健康的室內環境。因此，在低碳建筑設計中，建筑本體設計最為關鍵，在設計中應當充分利用好各建筑要素。以非機械電氣設備干預手段實現建筑能耗降低的節能技術，稱為被動式節能技術。如：選擇正確朝向和開口位置，實現建筑物的自然通風；設計合適的建筑幾何形體，采用保溫隔熱建材，使其達到優秀的熱工性能；為建筑立面設計合理的遮陽方案，以獲取充足的自然光，并調節太陽輻射得熱；充分利用綠化植物，如中庭綠化、種植屋面等，實現負碳效應，改善微氣候和空氣質量等。被動式節能技術資金投入少，效果明顯，但一般不足以完全滿足使用要求，通常需要結合機電設備，進一步調節室內環境。（3）設備選型主動式技術基于建筑負荷的合理預測，對采暖系統、制冷系統、通風系統、照明系統、電力系統等優化設計，從而達到降低碳排放的目的。此外，利用機電設備對建筑周圍環境中的太陽能、風能、水能、地熱能等可再生能源的利用，例如太陽能電池板、風力發電等技術，也屬于被動式節能技術。這些技術需要在建筑建設前期投入一定數量的資金，但是從建筑生命周期經濟和環境效益角度，則有可能是合理的（陳沖，2013）。2.2.2結構方案的設計與選擇如圖8所示，根據建筑方案，綜合考慮項目現狀情況，構思環境最優的結構設計方案，并對先行的建筑方案從結構設計的角度提出合理化建議，選用經環境最優的結構設計參數，確定適合本項目使用的結構用材、結構體系、結構布置和構件截面，指導下一階段設計，減少環境負擔。圖6：方案設計階段碳排放控制流程結構體系的隱含碳設計包括基礎方案和上部結構的隱含碳設計。根據經驗確定了一系列可能的結構體系方案以后，對不同的方案進行試算，在受力合理的基礎上選擇隱含碳較少的結構方案。比如框架-筒體的超高層建筑，外框架可采用鋼筋混凝土梁柱、鋼管混凝土梁柱或型鋼混凝土梁柱，可以加斜撐，也可以做加強層，對不同方案逐一試算，找到隱含碳較少的結構方案。2.2.3碳排放計算分析在規劃階段，預估隱含碳和經濟性指標數值，需要計算的指標有隱含碳和經濟成本的總量和單位面積數值，使單位面積隱含碳指標在當地隱含碳標準的合理誤差范圍內，經濟性指標也在經驗范圍之內；在方案階段，首先，需要比較不同方案的隱含碳和經濟性指標，具體包括：隱含碳和經濟成本的總量和單位面積數值，結構材料鋼筋、混凝土型鋼和壓型鋼板的隱含碳指標和經濟性指標，結構構件剪力墻、樓板、柱、梁和伸臂（環帶）桁架的隱含碳指標和經濟性指標；其次，通過調整隱含碳或經濟性過大的結構材料或結構構件的布置或材料組成，使結構方案得到可持續優化；然后，還應在可持續指標整體分析時保證單位面積隱含碳指標在當地隱含碳標準的合理誤差范圍內，經濟性指標也在經驗范圍之內；最后，在對各個方案進行對比時，應從業主需求出發，綜合考慮隱含碳指標和經濟性指標，如果業主需要環境影響小的方案，就選擇隱含碳指標小的方案，如果業主需要經濟性好的方案，就選擇經濟性指標小的方案；在其他階段，需要計算的指標有隱含碳和經濟成本的總量和單位面積數值，在結構優化過程中，使單位面積隱含碳指標在當地隱含碳標準的合理誤差范圍內并盡量減小，使環境影響最小，經濟性指標也應在經驗范圍之內盡量減?。蛔詈?，對設計進行校核，記錄設計經驗，和業主及其他專業設計人員進行交流。3工程案例3.1項目13.1.1工程概況該項目高度240米，共48層，建設用地面積3.68萬平方米。具體功能區域的建筑面積見表1。表1：各功能區建筑面積統計功能區域建筑面積（萬平方米）辦公19.17商業建筑6.68地下商業建筑1.23地下車庫各階段碳排放計算（1）設計階段由于設計階段過程較短，該過程中的碳排放一般忽略不計。（2）建造階段建筑材料碳排放如下表所示：表2：建筑材料用量與碳排放因子統計材料名稱材料用量（萬元）材料價格（含裝配）碳排放因子[20]混凝土65488.601000元/m30.35t/m3鋼構13014.751200元/t2.6t/t幕墻玻璃25812.421700元/m21.1t/m2石材1320.231000元/t0.002t/t表3：建筑材料碳排放統計材料名稱碳排放（萬噸）混凝土22.921鋼構28.20幕墻玻璃16.70石材0.00264本案例中采用張又升學者給出的建筑建造階段碳排放推估公式（張又升,2002）Y=X＋1.99其中：Y為單位面積建造階段CO2排放量（kg/㎡）；X為建筑地上層數。根據該公式推估本工程建造階段施工碳排放量，代入X=48，得到單位面積建造，階段CO2排放量為49.99kg/m2，案例建筑面積為38.4057萬m2，則得到該工程建造階段碳排放量為1.92萬噸。（3）運營維護階段取耗電60.3kwh/m2，得到運營維護階段含碳量為60.3×38.4057萬×70年×0.844=136.82萬噸（4）拆除階段根據前文，取建系數8.95%，得拆除階段碳排放量為：1.92萬噸×0.0895=0.172萬噸。（5）各階段碳排放量匯總表4：各階段碳排放匯總階段名稱碳排放（萬噸）設計階段-建造階段69.74運營維護階段136.82拆除階段0.172總計206.703.2項目2該項目一共分為5期，本工程分為4個商業地塊，建筑面積約27.4萬m2，地上酒店塔樓17層，綜合商業6層，酒店和綜合商業位于同一地下室上，地下室共3層，屬于大型商業綜合體項目。按建筑功能，地下2層、地下3層為汽車車庫和設備用房兼做人防地下室；地下1層為商業及超市用房；酒店裙房和綜合商業1~6層為商業，包含餐飲、零售、影院、冰場等業態，酒店塔樓從7~17層為精品酒店。3.2.1碳排放分析假設結構有50年使用壽命，商業綜合體不同功能建筑建造階段成本及碳排放成本估算（金海,2020）如表4（建造階段僅統計了材料建造及運輸的碳排放總量）。表5：建造階段成本及碳排放估算統計非人防車庫寫字樓持有商業酒店建造成本/萬元371272742417026144碳排放/kg128753838377325402399068380取耗電60.3kwh/m2，可估算運營階段碳排放量為：60.3×50×112509×0.928=314791t。取建造階段的碳排放量的8.95%為拆除階段的碳排放量：(128753+8383773+27881+9068380)×8.95%=1576t（劉燕,2015）。故對于全生命周期，總碳排放量估算為316574t。4總結本文針對商業綜合體建筑單體全生命碳排放優化與控制進行分析，最后將碳分析方法運用于兩個實際工程案例。針對實際工程案例，得到以下結論：商業綜合體項目在設計階段的碳排放量過少，可忽略不計。商業綜合體項目在運營階段的碳排放最高，需加以控制。結構方案選取對碳排放控制是極為重要，直接影響各階段的碳排放量。在商業綜合體的設計中，建議采用主動、被動節能技術結合來控制建筑的碳排放。鋼構的碳排放因子遠大于混凝土的碳排放因子，在進行建筑設計時，應綜合考慮碳排放等因素選取結構材料。參考文獻[1]政府間氣候變化專門委員會.氣候變化2007綜合報告[M]．瑞典:TERI出版社，2008.[2]陳沖.基于LCA的建筑碳排放控制與預測研究[D].武漢,華中科技大學,2013.[3]崔瑩.公共建筑碳排放特征及分析模型研究[D].北京建筑大學,2018.[4]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