商业综合体建筑全生命周期碳排放的分析与控制

商业综合体建筑全生命周期碳排放的分析与控制摘要：建筑业在迅猛发展的同时也消耗了大量的能源，给环境带来了大量的碳排放。作为当前重要大型公共建筑之一的商业综合体，其建造、改造、运营、拆除均需要消耗大量能量，因此，考虑全生命周期，对其进行碳排放分析，加强其能耗限制以改善商业综合体的能源消耗和碳排放，有着重要意义。本文通过分析商业综合体建筑全生命周期碳排放模型，探讨了全生命周期碳排放的控制，最后，分析2个项目各阶段的碳排放量，为控制商业综合体碳排放提供了依据。关键词：全生命周期；商业综合体；碳排放引言：本文分析了商业综合体建筑的单体构成与系统构成，以此为维度从建造、改造、运营和拆除等建筑全生命周期各阶段，论述碳排放的类型、来源和数量，估算了各个单体内部和各个系统碳排放的总量及各个单体总体碳排放的比例，提出了商业综合体建筑单体全生命碳排放优化与控制要点，并运用于实际工程案例，证明了本文观点的正确性与可行性。1商业综合体建筑全生命周期碳排放模型1.1商业综合体建筑构成商业综合体建筑按功能可分为商业裙房、办公塔楼、公寓塔楼、酒店塔楼、综合塔楼和地下建筑等单体。按建筑系统构成可分为地上结构系统、地下结构系统、基础系统、暖通系统、给排水系统、强电系统、弱电系统等。图1给出了建筑几种不同系统碳排放分类（崔莹，2018）。图1：建筑各系统碳排放分类（崔莹，2018）碳排放涵盖设计、建造、正常使用与维护和拆除四个阶段，如图2所示。图2：碳排放核算边界图（刘燕,2015）1.1.1设计阶段由于设计阶段过程较短，该过程中的碳排放一般忽略不计。1.1.2建造阶段建造阶段的碳排放统计应包括原材料的开采、生产、运输、现场施工直至浚工交付。1.1.3运营维护阶段运营维护阶段指建筑物建成开始使用至废弃为止，此阶段碳排放量通常最大。1.1.4拆除阶段根据仲平（仲平，2005）和葛坚（葛坚，2008）的研究，拆除阶段碳排量分别占建造阶段的10.1%与7.8%。取二者的平均值8.95%作为拆除阶段的碳排放量比例（刘燕，2015）。2商业综合体建筑全生命周期碳排放优化与控制2.1全生命周期控制阶段及控制指标商业综合体建筑生命周期碳排放包括隐含碳、运营碳和生命末期碳，如图5所示。图3：建筑生命周期碳排放2.1.1建造阶段碳排放建筑结构领域的隐含能是物质材料从原材料提炼到生产过程完成所消耗的能量、转化为建筑结构构件所消耗的能量和进行施工装配所消耗的能量的总和（WatsonD,1979）。生产过程中发生的化学反应会产生碳排放，如水泥生产过程中碳酸钙转化为氧化钙时二氧化碳是一个副产品。以上情况中，隐含碳总量包括两部分，一部分由隐含能消耗产生，另一部分是化学反应产生。2.1.2运营阶段碳排放运营阶段碳排放和很多因素有关，如建筑的设计寿命、能源效率、可再生能源的使用和运设施的运营频率等（RameshT,2010）。商业综合体项目在运营阶段的碳排放最高，消耗比例可达到50%~60%（Thormark,2002）。建筑运营阶段的构件维修、翻新及更换属于周期隐含碳范畴，是由风灾、地震灾害和海啸等灾害引起的结构破坏造成的隐含碳，和建筑高度、设计使用年限、结构抗风设计中的基本风速、结构抗震设计中的性能水准、抗震设防等级和基本地震加速度等结构设计参数有关。2.1.3生命末期碳排放生命末期碳排放有拆除阶段和再利用阶段。拆除阶段建筑结构的拆除是建筑结构生命周期的重要组成部分。建筑结构的拆除是指结构设计师协同拆除工程的工程师通过一定的手段，凭借一定的方法对建筑物（含构筑物）实行破坏，并清运残渣，拆除包括破坏和清渣两个阶段。再利用阶段ICE数据库采用50:50的方法来计算再利用阶段碳排放。在一个建筑结构的生命周期初期，材料从初级原料（如地下原生矿）获取。在末期，小部分材料被再利用和再循环到一个新的产品当中，材料质量不会损失，同时需要更多的初级原料，以补充该产品的质量。经历了三个不同的生命周期，所有的材料最终被消耗掉，如图6所示。图4：再利用阶段方法说明2.2商业综合体建筑单体全生命碳排放优化与控制要点2.2.1设计要求与碳排放控制策略明确设计要求是建筑设计的首要工作，对建筑方案进行控制，建筑生命周期碳排放系统设计控制边界如图7所示。图5：建筑生命周期碳排放系统设计控制边界（1）设计要求及外部环境建筑设计首先需要充分理解设计要求，根据拟建建筑的功能定位、占地面积、建筑面积、容积率等要求，初步确定建筑物体量、结构等主要特征。其次，建筑物外部环境条件很大程度上影响建筑舒适度以及设备负荷，同时也是建筑物用能的重要来源，例如地下水源、绿地、太阳能等，因此对于外部环境和资源的分析对建筑物低碳设计尤为重要。（2）建筑本体设计通过对建筑本体的合理设计，可以充分利用环境资源，隔绝建筑外部恶劣气候，配置合适的建筑设备，创造舒适健康的室内环境。因此，在低碳建筑设计中，建筑本体设计最为关键，在设计中应当充分利用好各建筑要素。以非机械电气设备干预手段实现建筑能耗降低的节能技术，称为被动式节能技术。如：选择正确朝向和开口位置，实现建筑物的自然通风；设计合适的建筑几何形体，采用保温隔热建材，使其达到优秀的热工性能；为建筑立面设计合理的遮阳方案，以获取充足的自然光，并调节太阳辐射得热；充分利用绿化植物，如中庭绿化、种植屋面等，实现负碳效应，改善微气候和空气质量等。被动式节能技术资金投入少，效果明显，但一般不足以完全满足使用要求，通常需要结合机电设备，进一步调节室内环境。（3）设备选型主动式技术基于建筑负荷的合理预测，对采暖系统、制冷系统、通风系统、照明系统、电力系统等优化设计，从而达到降低碳排放的目的。此外，利用机电设备对建筑周围环境中的太阳能、风能、水能、地热能等可再生能源的利用，例如太阳能电池板、风力发电等技术，也属于被动式节能技术。这些技术需要在建筑建设前期投入一定数量的资金，但是从建筑生命周期经济和环境效益角度，则有可能是合理的（陈冲，2013）。2.2.2结构方案的设计与选择如图8所示，根据建筑方案，综合考虑项目现状情况，构思环境最优的结构设计方案，并对先行的建筑方案从结构设计的角度提出合理化建议，选用经环境最优的结构设计参数，确定适合本项目使用的结构用材、结构体系、结构布置和构件截面，指导下一阶段设计，减少环境负担。图6：方案设计阶段碳排放控制流程结构体系的隐含碳设计包括基础方案和上部结构的隐含碳设计。根据经验确定了一系列可能的结构体系方案以后，对不同的方案进行试算，在受力合理的基础上选择隐含碳较少的结构方案。比如框架-筒体的超高层建筑，外框架可采用钢筋混凝土梁柱、钢管混凝土梁柱或型钢混凝土梁柱，可以加斜撑，也可以做加强层，对不同方案逐一试算，找到隐含碳较少的结构方案。2.2.3碳排放计算分析在规划阶段，预估隐含碳和经济性指标数值，需要计算的指标有隐含碳和经济成本的总量和单位面积数值，使单位面积隐含碳指标在当地隐含碳标准的合理误差范围内，经济性指标也在经验范围之内；在方案阶段，首先，需要比较不同方案的隐含碳和经济性指标，具体包括：隐含碳和经济成本的总量和单位面积数值，结构材料钢筋、混凝土型钢和压型钢板的隐含碳指标和经济性指标，结构构件剪力墙、楼板、柱、梁和伸臂（环带）桁架的隐含碳指标和经济性指标；其次，通过调整隐含碳或经济性过大的结构材料或结构构件的布置或材料组成，使结构方案得到可持续优化；然后，还应在可持续指标整体分析时保证单位面积隐含碳指标在当地隐含碳标准的合理误差范围内，经济性指标也在经验范围之内；最后，在对各个方案进行对比时，应从业主需求出发，综合考虑隐含碳指标和经济性指标，如果业主需要环境影响小的方案，就选择隐含碳指标小的方案，如果业主需要经济性好的方案，就选择经济性指标小的方案；在其他阶段，需要计算的指标有隐含碳和经济成本的总量和单位面积数值，在结构优化过程中，使单位面积隐含碳指标在当地隐含碳标准的合理误差范围内并尽量减小，使环境影响最小，经济性指标也应在经验范围之内尽量减小；最后，对设计进行校核，记录设计经验，和业主及其他专业设计人员进行交流。3工程案例3.1项目13.1.1工程概况该项目高度240米，共48层，建设用地面积3.68万平方米。具体功能区域的建筑面积见表1。表1：各功能区建筑面积统计功能区域建筑面积（万平方米）办公19.17商业建筑6.68地下商业建筑1.23地下车库各阶段碳排放计算（1）设计阶段由于设计阶段过程较短，该过程中的碳排放一般忽略不计。（2）建造阶段建筑材料碳排放如下表所示：表2：建筑材料用量与碳排放因子统计材料名称材料用量（万元）材料价格（含装配）碳排放因子[20]混凝土65488.601000元/m30.35t/m3钢构13014.751200元/t2.6t/t幕墙玻璃25812.421700元/m21.1t/m2石材1320.231000元/t0.002t/t表3：建筑材料碳排放统计材料名称碳排放（万吨）混凝土22.921钢构28.20幕墙玻璃16.70石材0.00264本案例中采用张又升学者给出的建筑建造阶段碳排放推估公式（张又升,2002）Y=X＋1.99其中：Y为单位面积建造阶段CO2排放量（kg/㎡）；X为建筑地上层数。根据该公式推估本工程建造阶段施工碳排放量，代入X=48，得到单位面积建造，阶段CO2排放量为49.99kg/m2，案例建筑面积为38.4057万m2，则得到该工程建造阶段碳排放量为1.92万吨。（3）运营维护阶段取耗电60.3kwh/m2，得到运营维护阶段含碳量为60.3×38.4057万×70年×0.844=136.82万吨（4）拆除阶段根据前文，取建系数8.95%，得拆除阶段碳排放量为：1.92万吨×0.0895=0.172万吨。（5）各阶段碳排放量汇总表4：各阶段碳排放汇总阶段名称碳排放（万吨）设计阶段-建造阶段69.74运营维护阶段136.82拆除阶段0.172总计206.703.2项目2该项目一共分为5期，本工程分为4个商业地块，建筑面积约27.4万m2，地上酒店塔楼17层，综合商业6层，酒店和综合商业位于同一地下室上，地下室共3层，属于大型商业综合体项目。按建筑功能，地下2层、地下3层为汽车车库和设备用房兼做人防地下室；地下1层为商业及超市用房；酒店裙房和综合商业1~6层为商业，包含餐饮、零售、影院、冰场等业态，酒店塔楼从7~17层为精品酒店。3.2.1碳排放分析假设结构有50年使用寿命，商业综合体不同功能建筑建造阶段成本及碳排放成本估算（金海,2020）如表4（建造阶段仅统计了材料建造及运输的碳排放总量）。表5：建造阶段成本及碳排放估算统计非人防车库写字楼持有商业酒店建造成本/万元371272742417026144碳排放/kg128753838377325402399068380取耗电60.3kwh/m2，可估算运营阶段碳排放量为：60.3×50×112509×0.928=314791t。取建造阶段的碳排放量的8.95%为拆除阶段的碳排放量：(128753+8383773+27881+9068380)×8.95%=1576t（刘燕,2015）。故对于全生命周期，总碳排放量估算为316574t。4总结本文针对商业综合体建筑单体全生命碳排放优化与控制进行分析，最后将碳分析方法运用于两个实际工程案例。针对实际工程案例，得到以下结论：商业综合体项目在设计阶段的碳排放量过少，可忽略不计。商业综合体项目在运营阶段的碳排放最高，需加以控制。结构方案选取对碳排放控制是极为重要，直接影响各阶段的碳排放量。在商业综合体的设计中，建议采用主动、被动节能技术结合来控制建筑的碳排放。钢构的碳排放因子远大于混凝土的碳排放因子，在进行建筑设计时，应综合考虑碳排放等因素选取结构材料。参考文献[1]政府间气候变化专门委员会.气候变化2007综合报告[M]．瑞典:TERI出版社，2008.[2]陈冲.基于LCA的建筑碳排放控制与预测研究[D].武汉,华中科技大学,2013.[3]崔莹.公共建筑碳排放特征及分析模型研究[D].北京建筑大学,2018.[4]刘燕.基于全生命周期的建筑碳排放评价模型[D].大连理工大学,2015.[5]金海,杨静,李晓辉,刘洪丽,宣玉杰,基于BIM的建筑材料碳排放计量与实例分析,水泥技术,2020(02):54-58.[