建筑幕墙碳排放如何计算,应重点关注「隐含碳」

2023.09.11 09:09
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根据全球建筑建造联盟在2019年发布的《全球建筑建造业现状报告》中的统计数据,在2018年全球二氧化碳总排放量中,建筑业占全球碳排放比例的39%,其中28%来自于建筑的运营阶段,有11%来自于建材的生产阶段



但是中国的国情不同,由于中国的新建项目相对较多,根据2023年初,由中国建筑节能协会和重庆大学联合发布的《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》显示,2020年全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿吨CO2,占比全国碳排放总量50.9%。其中,建材生产阶段碳排放28.2亿吨CO2,占比全国碳排放总量28.2%;建筑运行阶段碳排放21.6亿吨CO2,占比21.7%


这与全球建筑联盟的全球数据大不相同,建筑材料的碳排放的高于建筑运营阶段的碳排放


  2020年中国建筑全过程碳排放总量及占比情况




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建筑全生命周期的碳排放


在建筑项目全生命周期一直存在着碳排放,建筑全生命周期的碳排放是建筑物在与其有关的建材生产及运输、建造阶段、运行阶段、以及拆除阶段产生的温室气体排放的总和(以二氧化碳当量表示)。称之为「隐含碳」和「运营碳」。


运营碳」是运营建筑物消耗能源而排放的碳,包括直接或间接用于供暖、供电的化石燃料燃烧所产生的碳排放。


隐含碳」是建筑物整个生命周期中与材料和施工过程相关的碳,包括建筑材料制造、运输、安装、维护和处置过程中产生的含碳的温室气体排放。也就是《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》中提到的占比更高的(28.2%)建材生产阶段的碳。


  建筑项目全生命周期


从上图中,建材生产为A1~A3阶段;施工过程为A4~A5阶段;运营和维护为B1~B5阶段;拆除和处置为C1~C4阶段。


用公式来表示:

建筑物的隐含碳 = 建材生产(A1~A3)+ 建设过程(A4~A5)+ 使用(B1~B5)+ 拆除和处置(C1~C4)

建筑物的运营碳 = 运营(B6~B7)


  隐含碳、运营碳的产生阶段


降低运营碳,从设计角度来说,可以用高效的机械设备,采用光伏等可再生能源,使用可回收的雨水,采用节能性能更好的围护墙体,去减少运营中产生的碳排放。


在国内,政府颁布了非常多的一些节能法案,不断提高我们的节能标准,所以让我们的运营过程中的碳排放正在逐渐的降低。


幕墙降低运营碳的方式

  • 优异的保温隔热性能的维护结构;

  • 外立面遮阳;

  • 超低能耗外窗、超低能耗玻璃幕墙;

  • 采用BIPV,建筑立面、屋面设置光伏板,选用高效光伏发电组件,可提供电量。


建筑降低运营碳的方式

  • 热水系统采用空气源热泵;

  • 项目功能房间照明灯具均采用LED灯具等节能型灯具,采用智能照明控制系统;

  • 自然通风;

  • 天然采光;

  • 屋顶绿化;

  • 智能化管理系统。






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建筑隐含碳目前未很好的降低 


隐含碳不同于运营碳,运营碳排放来自建筑建成后运营中的化石能源消耗,例如建筑物的加热、冷却、通风、照明和电源插头负载所需的电力和天然气等。运营碳排放可以随着建筑节能改造及可再生能源的使用而减少,而隐含碳伴随建筑的建造完成,就已经锁定了。


在联合国环境规划署《2022年全球建筑建造业现状报告》中提到:尽管隐含碳对全球温室气体排放有重大贡献,但在减少建筑排放的战略中,隐含碳一直未得到充分解决。大多数建筑规范和法规都涉及降低运营碳,如照明、或冷却室内环境所需的能源,但通常不要求计算隐含碳,即材料的提取、制造、施工、维护和废弃处置过程中的排放,随着市政电网走向电气化,建筑运营变的越来越高效,而材料中隐含碳并没有特别好的被降低或者是被人去重视


建筑中,主体结构的隐含碳占比最大,也是隐含碳减排的重点。幕墙的隐含碳排放,大约占整个建筑生产建造阶段的10%~20%。幕墙的隐含碳关键在于材料的选择,应在设计早期进行碳评估,并确定幕墙的系统。


幕墙材料都有「隐含碳」,玻璃、铝型材,从矿山采挖到工厂加工,再到施工现场安装过程,后期建筑的使用及维护更新,最后到建筑生命周期结束的拆除都会产生碳排放。


  贯穿全生命周期的隐含碳来源


国内幕墙的材料基本以铝型材、钢材为主,尤其铝型材在整个的幕墙里面占了比较大的一部分,铝型材在生产过程中会消耗大量的能源,铝型材基本是通过电解铝方式生产,而国内80%以上的电厂用的是火电,从而导致在生产型材过程中消耗大量的能源,产生大量碳排放。


国内在2019年颁布《GBT51366-2019建筑碳排放计算标准》中提及「碳排放因子」,生产1吨的电解铝会产生2万多公斤的二氧化碳排放量,所以铝板铝型材的碳排放量非常高。


相比较,钢材的碳排放会低很多,玻璃的碳排放又比钢材的碳排放低一些。


  建材碳排放因子


根据目前第三方建材碳足迹数据库中的一些相关数据,不难看出,铝及铝制品的碳排放是钢材的10倍,铝板与石材碳排放差距也是巨大,石材属于低碳材料,铝材及铝板属于高碳材料。陶板、玻璃、UHPC、GRC的碳排放量在金属、石材之间。


 幕墙门窗常用建筑材料的碳排放因子


因此,可以总结出,建筑材料的碳排放因子与材料的用量决定了碳排放的多少。因而选择碳排放因子小的材料是设计师的考量,而改善生产工艺,降低建材的碳排放因子则是建材生产商的关注点。


在建筑材料中,木材是一个非常低碳环保的材料,木材结构的碳排放量非常低,重型木结构建筑是目前市场上热门的可持续产品,这些木材经过胶合,用于打造大型结构梁,重型木材建筑物有明显的减碳优势。


▲ 荷兰SuperHub Meerstad Market项目


木材也可以作为幕墙体系的龙骨或者装饰材料,可以大大的帮助建筑外立面减少碳的排放。


 木龙骨幕墙






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建筑幕墙碳排放计算 


那么,如何计算建筑幕墙「隐含碳」排放?


按照国内的建筑碳排放计算的标准《GBT51366-2019建筑碳排放计算标准》,我们在幕墙设计阶段计算幕墙的碳排放量,需考虑:建材生产阶段碳排放,建材运输阶段碳排放、以及拆除阶段的碳排放。


  建筑生产阶段碳排放计算

 建筑运输阶段碳排放计算


以一栋办公楼为例,在设计初期就要考虑建筑幕墙全生命周期的隐含碳计算。幕墙可能会有石材幕墙、玻璃幕墙、金属板幕墙等多个系统,再分别计算每一个幕墙系统的碳排放。


如石材幕墙系统,每平方米幕墙材料用量分别是多少?根据“建材数量 X 该建材碳排系数”,分别计算石材占了多少碳排放?钢龙骨占了多少碳排放?岩棉占了多少碳排放?把一座建筑的碳排放逐点拆分,看某一个幕墙体系的碳排放。


在幕墙方案设计时,需要将不同幕墙系统的碳排放对比,如对玻璃幕墙系统,分别对单元式幕墙、框架式进行分析。如果做单元式幕墙,会含有多少的铝合金的成分,会有多少的岩棉,会有多少的玻璃,最后把生产建造过程中的碳排放计算出来。如果是采用框架式幕墙,幕墙则会有多少的碳排放。


行业人员这里应该能够看出,单元幕墙的铝型材含量高,它的碳排放会比较多。如果采用框架式的幕墙体系,他的碳排放会相对比较小。


所以建筑幕墙的碳排放需要采用全生命周期和系统思考方法,思考隐含碳加上运营碳,整栋建筑幕墙碳排放降低还是增加。如低K值节能幕墙,更低的K值可以在运营阶段减少运营碳,但是铝合金型材的材料使用量加大会带来隐含碳增加,那么对于整个建筑的碳排放来说,需要综合考虑在降低K值的过程中,如果避免隐含碳的提高,综合判断建筑的运营碳和隐含碳。


 近零碳建筑(中建滨湖设计总部)




我们在进行幕墙设计的时候,除了从建筑美学、幕墙性能、幕墙的造价的角度外,同时需要从碳排放的角度考虑幕墙的材料选择、系统选择,并重视隐含碳排放和运行碳排放两方面工作,尤其对于2030年的碳达峰的目标而言,隐含碳为主要组成部分,需要特别加以重视。


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