第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
全球平均气温升高、海平面上升、南北两极积雪和冰川融化等众多自然现象显示：地球正经历着一次显著的以全球气候变暖为主要特征的气候变化，其变化的速度远远超出了科学的预测及人们的想象。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出，在 19 世纪的一百年里，全球地面温度上升了 0.74℃，其中后五十年温度上涨最为明显。同时，全球气温上升的速度仍在逐步加快，据IPCC预测，截止到2100年，全球温度将有1.4~5.8℃的增长。气候变暖对人类的生存环境及未来发展产生了各种不利的影响，已经不容忽视。而气候变暖主要是由人类活动引起的大量温室气体排放所造成，温室气体中主要成分为二氧化碳(CO2)，约占 80%，其余还有甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氟氯碳化物(CFCS)等[1]。近百年来，随着工业技术的飞快发展，人类对化石能源(如煤、天然气、石油等)的过度燃烧使得大气中的温室气体急剧增多。诺贝尔经济学奖得主Svante Arrhenius在1986年曾预测，燃烧化石燃料会导致大气中的CO2浓度增加一倍，其最终结果将影响全球平均气温，使其上升5℃左右。CO2虽不是污染物，但它却可以导致全球气候的变暖，并最终导致地球的生物圈失衡，严重损害到人类和其他生物的生存。
作为一个重大的全球性问题，国际社会对温室气体导致气候变暖有着越来越多地关注，世界各个国家已经认识到了 CO2减排的重要性。1979 年，第一次世界性气候会议组织召开，号召全球保护人类赖以生存的环境；1992 年，为了控制全球变暖，世界各国签订了《联合国气候变化框架公约》，各缔约方对延缓全球气候变暖和控制温室气体排放量等相关问题进行了讨论，明确了各国减排的行动框架，努力将温室气体浓度控制在一定水平，减少人类活动对气候变化带来的负面影响；1997年，《京都议定书》的通过，确定了发达国家在2008~2012年的 CO2排放量标准；2009 年，全世界 192 个国家的谈判代表在哥本哈根举行会议，对 2012 年至 2020 年的全球温室气体排放量进行协商并确定协议。中国在全球性减排的背景下，积极参与并出台了《国家应对气候变化方案》及其相关政策，促进节能减排，力争到2020年将单位国内生产总值CO2排放强度比2005年降低 40%~45%。我国是发展中国家，又是以煤为主的能源生产和消费国家，根据中国科学院科技政策与管理科学研究所预测：我国 2010 年 CO2排放为13.3~15.7 亿吨，2020 年 CO2排放为 15.43~21.74 亿吨[2]。这些数据表明，中国未来的碳排放形势依然十分严峻。然而，随着经济的快速发展，中国的能源消耗和碳排放量将继续增加。因此，在减少碳排放量的问题上中国正面临着巨大的压力。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
目前，国外对建筑全生命周期碳排放计算十分重视，展开了大量研究，并建立了完善的基础数据库。
英国最早重视碳排放问题，于1990年制定了世界上第一个绿色建筑评估体系，该体系包含丰富的碳排放计算模型和数据，并将 CO2排放量作为评价绿色建筑节能的一项重要指标。此外，英国内政部还颁布了SAP(Standard Assessment Procedure)来对住宅进行综合评价，提出了估算建筑使用阶段能耗和CO2排放量的计算方法，并将 CO2排放率和 CO2环境影响级作为重要的评价指标。Filippin应用英国的碳排放测算方法对阿根廷圣罗沙15所学校建筑进行研究，通过对建筑全生命周期能源的使用效率和温室气体的排放量进行估算，最终得出每平米每个学生在全生命周期各个阶段的温室气体排放量；Adisa Azapagic等对英国常见的三种类型的建筑进行研究，从全生命周期的角度考虑各个阶段对环境的影响。结果显示，建筑使用阶段温室气体的排放对环境影响最大，考虑建筑材料的回收和利用有利于减少温室气体的排放。其中使用年限为50年的独立建筑温室气体排放达到455 t，半独立建筑为374 t，连栋建筑为309 t。
与英国侧重研究建筑使用阶段的碳排放量不同，日本将研究的重点放在建筑全生命周期的碳排放量上。1997 年，日本建筑师学会发出控制全球变暖的呼吁，建议采用节能环保的建筑材料、减少使用维护耗能、延长建筑使用年限等方法来降低建筑全生命周期的碳排放量。他们对日本不同结构类型建筑的碳排放比例、性能与使用年限的关系深入研究，总结建筑全生命周期各个阶段的碳排放的能耗和 CO2排放的现状。1999 年，日本建筑师学会出版了《建筑物的生命周期评价指针》及相关计算软件。利用该软件，日本学者对大量的建筑进行全生命周期的碳排放量进行模拟计算，积累了丰富的基础数据。同时将全生命周期的碳减排量作为影响评价建筑环境的一个重要指标。Suzuki 等对日本的住宅建筑展开研究，采用产业平衡表的方法对住宅建筑的全生命周期碳排放以及能源消耗进行计算，提出了针对建筑建造施工、使用维护、拆除和清理全过程的计算CO2排放的投入产出计算方法。
国外一些学者主要对建造施工阶段的能源消耗和碳排放进行研究，如Nassen 等采用自上而下的投入产出分析方法计算某瑞典建筑建造施工阶段的能耗和 CO2排放量，并将结果与采用自下而上全生命周期法计算的案例结果进行对比，发现投入产出法的计算结果比生命周期法高90%；Acquaye 对爱尔兰建筑建造阶段中的温室气体排放进行研究，利用输入输出的方法计算其温室气体排放量，为建筑业能源的使用和温室气体排放强度提供强有力的技术支撑，为选择低碳建筑材料和低碳建筑设计提供了依据。
第二章 碳排放计算基本理论与方法
2.1 全生命周期评价理论
2.1.1 全生命周期评价的发展
20世纪60年代末70年代初，全生命周期评价(life Cycle Assessment，LCA)最早在美国诞生。具有标志性的事件是，1969 年，美国可口可乐公司对其产品外包装问题进行了探索，试图对不同材质的外包装从材料生产到废弃整个过程中的能源消耗以及向外界排放的污染物进行定量的研究。该研究对40多种外包装材质进行调查，分析计算了每种材质外包装在全生命周期过程的材料用量及能源的使用情况。在此之后，美国环保局针对此项研究提出了初期全生命周期评价方法的技术框架。
20世纪70年代，石油成为各个国家争夺的重要能源，此时，全生命周期评价方法被大量应用在能源的研究与分析当中。
20世纪80年代末，随着环境的日益恶化、人类对生存现状要求的不断提高以及节能意识的逐渐增强，世界各国开始普遍关注生命周期评价的各项研究成果，这使得全生命周期评价发展十分迅速。
到了 20 世纪 90 年代，全生命周期评价方法发展的已经比较成熟，一些标准和规范逐渐产生。1990 年，国际环境毒理学与化学协会(SETAC)召开国际研讨会并首次提出了“全生命周期评价”的概念。1993年，美国环保局出版的《清单分析的原则与指南》对全生命周期清单分析的框架进行了系统的规划，对全生命周期评价的推广和使用起到了很大的推动作用。
我国对全生命周期评价的研究比较晚，大约开始于 20 世纪 90 年代，且初期的研究主要以理论研究为主。参照国际标准，我国在1999年到2006年之间，相继出台了一些规范和标准，对我国的环境影响与评价提供了理论支持与依据。我国自然科学基金已经批准了多项关于全生命周期评价的研究项目，关于 LCA的方法和思想已经应用到了我国实践当中。
关于全生命周期评价的理论框架，各国结构的研究结果基本一致。本文采用ISO14040制定的理论框架，将全生命周期评价划分为四个部分，分别是：目的和范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释，如图2-1所示。
2.2 碳排放计算基本方法
由于建筑碳排放的数据很难获得，且缺乏统一的计算标准。对于碳排放的计算，我国处于起步阶段。目前，国际上碳排放的计算主要有实测法、物料衡算法、排放系数、投入产出法四种。这四种方法是获得气体排放量数据的主要方法，它们各有优缺点，又相互补充，应根据不同的计量需要选择不同的计算方法。
2.2.1 实测法 实测碳排放量方法是指通过监测手段或相关部门认定的连续计量设施，测量排放气体的流速、流量和浓度，用环保部门认可的测量数据来计算碳排放总量的一种统计计算方法。其计算公式见(2-1)：G=KQC (2-1)
式中，G为CO2排放量；K为单位排放系数；Q为空气流量；C 为CO2浓度。
实测法中的基础数据要通过科学、合理地收集研究样品得到，样品要来源于现场实地的监测，要有一定的代表性。因此实测法具有精度高、数据准确等特点。但是，它的缺点是要保证所选取的样品具有很强的代表性和精确度，一旦不能满足这个要求，监测的数据就失去了意义。并且，如果只对 CO2一种气体进行实测，成本费用会很高，不太符合实际。
目前，实测法最好的应用是美国对烟气的实际监测，并且使用效果很好。我国也应用实测法解决了一些监测问题，但缺乏长期的维持使用，仍有一些问题尚未解决。因此通过实测法对CO2进行连续监测不太符合我国的基本国情。
第三章 建筑全生命周期碳排放计算模型构建.......................19
3.1 建筑全生命周期碳排放来源界定..............19
3.1.1 规划设计阶段...................19
3.1.2 建材生产阶段................20
3.1.3 建造施工阶段..................20
第四章 某住宅建筑全生命周期碳排放计算举例................37
4.1 工程背景.................37
4.2 碳排放因子选择....................38
4.2.1 能源碳排放因子选择....................38
第五章 建筑全生命周期碳排放减排策略研究...............45
5.1 规划设计阶段减排策略...................45
5.1.1 改善建筑节能设计.......................45
5.1.2 合理选择建材.........................46
第五章 建筑全生命周期碳排放减排策略研究
从前文分析与研究的成果可以看出，建筑全生命周期各个阶段都有能源的消耗和碳排放的产生，因此应该注重每一个阶段的节能与减排。由高华家园廉租住房住宅小区 3#住宅楼全生命周期碳排放的计算结果来看，使用维护阶段的碳排放占整个全生命周期的比重最大，相应的其减排空间也最大。其次，建材生产阶段碳排放的比重也较大，也具有较大的减排空间。建造施工阶段和拆除清理阶段的碳排放较少，但我国每年的新建建筑和报废建筑都很多，因此也不容忽视。至于规划设计阶段，虽然直接产生的碳排放很少，甚至可以忽略，但其对全生命周期后续阶段的碳排放影响很大，其减排工作也要十分重视。
5.1 规划设计阶段减排策略
虽然规划设计阶段能源的消耗和碳排放量都很少，但建筑规划设计对建材的选择以及建筑使用阶段的采暖、制冷、照明等具有深远的影响，因此规划设计阶段的减排不可忽视。
5.1.1 改善建筑节能设计
要做好建筑整体规划及设计，必须要结合当地的自然地理环境条件，由于自然通风和自然采光与建筑的形体、间距、密度、高低错落的空间布局等密切相关，因而，应在建筑布局及造型上采取最优设计方案来尽可能实现自然通风和采光，从而获得良好的自然通风及采光，这样才能减少建筑照明和空调采暖的能耗，实现良好的室内环境；其次设计中应建议使用新型的建筑围护结构材料，以更好地满足保温、隔热、透光、通风等各种需求，甚至可根据变化了的外界条件随时改变其物理性能，达到维持室内良好的环境同时降低能源消耗的目的，其中包括外墙保温和隔热、屋顶保温与隔热、热物理性能优异的外窗以及智能外遮阳装置等；再次进行良好的绿化环境设计，这样可以调节居住区的微环境，避免产生城市“热岛效应”，同时能改善建筑物室内舒适度，从而降低建筑能耗，达到低碳减排的效果。
第六章 结论与展望
本文基于全生命周期评价理论，首先确定了碳排放的来源，然后对化石能源、电力以及主要建材的碳排放因子进行分析，最后应用排放系数法和全生命周期评价理论完成了建筑全生命周期碳排放计算模型的建立。利用建立的模型，计算了石家庄市高华家园廉租住房住宅小区 3#住宅楼全生命周期各个阶段的碳排放量，同时重点比较、分析保温层厚度和使用年限两个因素对其全生命周期碳排放的影响，最后针对计算结果提出减排策略。
6.1 结论
(1)将全生命周期评价应用于建筑碳排放，建立了系统的、可操作性的建筑碳排放计算模型。同时，在大量文献、统计资料等相关研究基础上，收集、推算出化石能源、电能、主要建材、以及施工机械台班等碳排放因子。
(2)应用模型计算了高华家园廉租住房住宅小区 3#住宅楼全生命周期的碳排放，得到该住宅建筑全生命周期碳排放总量E=57474097.64 kg，单位建筑面积每年碳排放量C=70.03 kg/(m2·y)。从计算结果中可以看出，碳排放量最多的是使用维护阶段，占全生命周期碳排放总量的 82.16%，然后是建材生产阶段，占总排放的 15.64%，再次是拆除清理阶段占总排放的 1.55%，建造施工阶段排放占总排放的0.65%。根据案例碳排放量的计算结果，提出建筑全生命周期各阶段碳减排的重点应该放在使用维护阶段，可通过开发和利用新能源、提高能源使用效率以及提高节能减排意识等策略减少碳排放。
(3)规划设计阶段碳排放量很少，甚至可以忽略，但是规划设计决定建筑后期的碳排放量，是项目后期材料、机械使用、施工方式选择的重要依据。本文重点通过改变保护层厚度对其全生命周期碳排放进行优化设计，得出如下结论：对于保护层厚度来说，随着保温层厚度的增加，单位建筑面积每年碳排放量先增加然后减小，所以并不是保温层越厚碳排放量越少，而是存在一个最佳的保护层厚度，这需要根据具体的案例工程具体分析。
(4)对于拆除清理阶段，本文重点提出延长建筑使用年限减少单位建筑面积每年碳排放量的减排策略，得出如下结论：在满足建筑正常使用的前提下，延长建筑的使用年限，避免过早拆除建筑可以从一定程度上减少单位面积每年的碳排放量。
参考文献（略）