清华大学林波荣、庄惟敏院士研究团队：建筑全生命周期碳排放—内涵、计算和减量

清华大学林波荣、庄惟敏院士研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2024年4月刊发《建筑全生命周期碳排放——内涵、计算和减量》一文，指出起源于一般产品和服务的生命周期评价方法已逐渐被应用于建筑全生命周期碳排放（Life-Cycle Carbon Emissions，LCCE）的研究。

文章通过文献综述厘清建筑LCCE内涵、计算和减量的相关研究现状。重点剖析全球161项研究共826个建筑碳排放计算案例，基于ISO 21930规定的建筑全生命周期阶段划分框架和排放因子法的基本原理。梳理建材生产、建造、使用、报废阶段和附加模块的碳排放计算方法，并统计获得各项结果分布区间。基于建筑碳排放分布与减碳热点的分析，从减少建材和能源活动数据、降低建材和能源碳排放因子、利用系统附加效益等六个方面，评估建筑碳减量技术要点和效益。最后，文章总结了现有建筑LCCE研究目标与思路、计算方法、基础参数及技术路径存在的问题和挑战，并提出了相应的发展建议。

内容摘要图示

1.引言

作为全球应对气候变化努力的一部分，大量研究调查了建筑物在建设和运营期间的碳排放。工业革命后，人类的机械化生产活动迅速增加，导致温室气体（GHG）排放显著增加，GHG 排放与自然吸收之间的动态平衡逐渐恶化。

为了解决这个问题，1997 年在日本通过的《京都议定书》正式要求签署国控制其 GHG 排放。2021 年 11 月，联合国（UN）气候变化框架公约举行了第 26 届联合国气候变化大会，并完成了《巴黎协定》的实施规则，规定 “将全球平均气温升幅控制在远低于工业化前水平 2°C 以上，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上 1.5°C” 为全球使命 。通过这种方式，全球气温目标首次被依法制定 。

根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2018 年的一份报告，实现 1.5°C 的目标需要与 2010 年的水平相比，全球碳排放量减少 40% - 50%，这必须在 2030 年实现；此外，到 2050 年应实现碳中和。根据联合国环境规划署（UNEP）的一份报告，2020 年全球建筑部门占二氧化碳（CO₂）总排放量的 37%，其中 27% 来自建筑运营，10% 来自建筑材料的生产。在建筑运营的 27% 中，9% 是直接排放，而其余 18% 是来自电力和商业热能消耗的间接排放。

IPCC 将碳排放源分为四个部门：工业、电力、建筑和运输。为了提供宏观层面的碳排放统计数据，建筑运营的排放，包括直接和间接排放，被归类为来自建筑部门，而建筑材料生产的排放通常被归类为来自工业部门。然而，建筑物的生命周期碳排放（LCCE）包括建筑材料的生产及其在建筑部门的消费。建筑材料的生产和运输是由建筑部门的需求决定的。因此，减少建筑物 LCCE 的措施应考虑到建筑运营产生的直接和间接排放，以及建筑材料生产和运输产生的排放。

研究建筑物 LCCE 是确定碳排放热点和制定碳减排计划的有效方法。然而，目前各种研究中使用的方法差异很大，不同案例之间的可比性很低。在某些情况下，从同一个问题可以推断出完全相反的结论，这阻碍了就典型建筑物的碳排放强度形成共识，并阻碍了未来碳减排目标的制定。因此，本研究旨在通过文献综述，对建筑物 LCCE 的当前研究进展（即含义）、计算建筑物 LCCE 的方法（即计算方法）和实现低碳排放的方法（即碳减排策略）有一个大致的了解。此外，本研究总结了当前研究的差距和挑战，并提出了相应的发展建议。

2.相关研究综述

在本研究中，回顾了 161 篇关于建筑物碳排放研究的已发表报告，包括 85 项建筑物 LCCE 研究、69 项建筑物内含碳排放（ECE）研究和 7 项建筑物运营碳排放（OCE）研究。建筑物生命周期阶段的计算和案例的子项目在第 3.1.2 节中介绍。161 项研究涉及 826 个计算案例。案例研究的地理位置、气候类型、建筑功能、结构、楼层数、建筑面积和预期使用寿命总结在附录 A 中的图 S2 中。

3.构建LCCE 的意义

3.1. 建筑生命周期评估

3.1.1. 生命周期评估、生命周期能源评估和生命周期碳排放评估之间的差异和相关性

与生命周期碳排放评估（LCCEA，life-cycle carbon emission assessment ）相关的概念包括生命周期评估（LCA，life-cycle assessment）和生命周期能源评估（LCEA，life-cycle energy assessment）。

LCA 是最早提出的方法，已应用于建筑行业和其他相关行业。在建筑系统中，进行 LCA 是为了评估所有资源负荷，包括土地、能源、水和材料，以及环境负荷，包括全球变暖、臭氧消耗、酸化、富营养化和光化学烟雾。LCEA 和 LCCEA 都可以被视为 LCA 的组成部分。特别是，LCEA 主要关注输入的能源消耗，包括总能源需求、一次能源消耗和可再生能源利用，而 LCCEA 关注输出的环境影响，特别是导致全球变暖的温室气体排放（图 1）。

图 1. LCA、LCEA 和 LCCEA 之间的关系。

3.1.2. 建筑物生命周期阶段的分类

国际标准化组织（ISO）于 2017 年发布了 ISO 21930，作为建筑 LCA 的正式国际规则；它规定了制定建筑活动环境产品声明的原则、代码和要求，为建筑产品和服务建立了产品类别规则，并提出了环境产品声明报告中生命周期清单分析和生命周期影响评估的计算规则。ISO 21930 将整个建筑生命周期分为五个模块或阶段和 17 个子阶段：建筑材料生产（A1 - A3）、施工（A4 - A5）、使用（B1 - B7）、寿命结束（C1 - C4）和系统边界之外的补充信息（D）。这为建筑生命周期阶段的分类和计算建筑物 LCCE 的系统边界的定义提供了基础（图 2）。

图 2. 建筑生命周期阶段

D 模块涉及系统边界之外再利用、回收和 / 或能量回收的潜在净效益。为了便于解释，以下讨论仅以 “建筑材料的回收” 为代表。就建筑物 LCCE 计算而言，该模块对使用可回收材料的建筑物具有重要的碳减排效益。建筑材料的回收发生在两个建筑生命周期之间：前一个生命周期的结束和下一个生命周期的开始。这个特殊的位置造成了在两个相关周期之间分配碳减排效益的问题。这个问题在现有的与 LCA 相关的标准 / 指南中在一定程度上被提及，但仍然缺乏分配效益的统一方法。

本质上，回收的建筑材料是指在前一个生命周期中产生的可回收废物，可以作为下一个周期的原材料。世界资源研究所和世界可持续发展商业理事会提出了一种将所有效益分配给前一个周期的方法和另一种将所有效益分配给后一个周期的方法 [8]。欧盟委员会为产品环境足迹提出了一种方法，允许将材料回收的环境效益在两个生命周期中平均分配一半 [9]。江等人 [10] 提出了一种改进的方法，可以区分混合回收和独立回收路线，并在钢铁生产的 LCA 中证明了其可行性。在这种方法中，应考虑各种可回收材料之间的差异。

3.1.3. 相关研究中建筑物生命周期阶段的完整性

统计结果表明，ISO 21930 在相关研究中没有得到严格执行。实际上，根据具体案例的计算目标和数据可用性等因素进行了调整。在 85 项 LCCE 研究中，只有 7 项（8.2%）涉及包括 ECE（A1 - A3，A4 - A5，B1 - B5，和 C1 - C4）、OCE（B6 - B7）和补充效益（D）的计算，而 23 项（27.1%）涉及除模块 D 之外的所有阶段的计算。在 69 项 ECE 研究中，只有三项完全考虑了 ECE 的四个阶段，而只有两项除了上述阶段之外还考虑了模块 D。

3.2. 碳排放

3.2.1. 温室气体类型和建筑排放源

一般来说，碳排放仅包括 CO 的排放2;然而，目前的做法是参考温室气体排放。IPCC 区分了数十种温室气体，并确保它们得到补充和更新。《京都议定书》规定了六种产生重大影响的温室气体：CO₂、甲烷 （CH4）、一氧化二氮 （N₂O）、氢氟烃 （HFC）、全氟化碳 （PFC） 和六氟化硫 （SF₆)。其中，CO2在大气中占最大比例;因此，在解决控制和减少问题时，它被赋予了最高优先级。虽然其他 GHG 的浓度较低，但它们的全球变暖潜能值 （GWP） 超过了 CO2数万到数万倍。

专家已就所有温室气体（GHGs）的全球变暖潜能值（GWP）及与建筑相关的排放源达成了非正式共识；然而，在调查建筑碳排放时，关于是否将其纳入考量，仍未达成一致意见。所有计算案例均包含建筑全生命周期各阶段产生的二氧化碳（CO₂）量。

除CO₂外，另有两种温室气体，即甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O），引起了广泛关注。N₂O来源于化石燃料和生物质（如烹饪所用）的燃烧。这些化石燃料包括煤、石油和天然气，而生物质则包括作物秸秆、树皮、锯末和花生壳。CH4主要来源于厨余垃圾、新鲜垃圾、生活污水、沼气发酵装置和垃圾填埋场。根据中国香港环境保护署的数据，CO₂、CH4和N₂O占所有温室气体的95%以上。Sim等人对韩国一栋高层住宅楼的碳排放进行了调查，并报告了上述三种温室气体的排放量；结果表明，混凝土是CO2排放的主要来源，而钢铁则是CH₄和N₂O排放的主要来源。

中国香港的一项案例研究涉及上述三种温室气体，并显示65.6%的CH₄来自使用阶段，而33.8%来自建筑材料的生产。对于木框架建筑，CH₄是填埋处理等生命周期结束阶段最重要的碳排放源之一。Dodoo等人报告称，CO₂和CH₄占木材填埋处理计算碳排放量的50%。

3.2.2. 建筑碳排放的模式

建筑的碳排放可分为三种模式：直接排放、间接排放和隐含排放。直接排放和间接排放主要由建筑运营产生。直接排放主要由用于供暖、烹饪和生活热水生产的化石燃料（如天然气和散煤）燃烧引起；也可能包括含碳建筑材料化学反应产生的温室气体排放。间接排放是指因购买电力、供暖和制冷而产生的碳排放。隐含碳排放（ECE，embodied carbon emissions）主要由建筑材料和构件产生；它们排放于原材料开采、建筑材料制造、安装、使用、维护、修理、更换和翻新、建筑拆除、废物处置、回收和再利用以及所有阶段的运输过程中。

3.3. 关于全生命周期碳排放（LCCE）系统边界的讨论

在实际操作中，并非所有研究都需采用相同的时间维度或温室气体含量，因为研究对象不同。例如，制造商开发建筑材料主要涉及“摇篮到大门”阶段；对于填埋场，有必要考虑木材产生的CH4排放，而不必考虑混凝土或钢铁产生的排放。然而，研究结果应包含相关细节，以便确定前提条件和应用范围。作者明确了研究建筑全生命周期隐含碳排放（LCCE）的系统边界，并得出结论，应定义以下三个维度：

（1） 空间边界，即碳排放的研究对象或排放者，包括建筑材料、构件、系统和周围环境。

（2） 时间边界，包括建筑物生命周期的长度和阶段分类。前者主要与建筑物的使用寿命有关，而后者涉及五个不同的跨度：“摇篮到大门”、“摇篮到现场”、“摇篮到运营”、“摇篮到坟墓”和“摇篮到摇篮”。或者，这些可以分为三个模块：使用前、使用中和使用后。

（3） 碳排放边界，包括 GHG 类型、碳排放来源和碳排放方式。

4. 建筑 LCCE 的计算

4.1碳排放测量的基本方法

碳排放测量的基本方法包括实验、质量平衡和排放因子 （EF） 方法，所有这些方法都基于碳流分析。

(1)实验方法。这种基于测量的碳排放方法包括现场和非现场测量。前者直接计算通过连续排放监测系统获得的 GHG 浓度和流量数据。后者通过专业人士的采样、测试和定量分析来计算碳排放量。

(2)质量平衡方法。这种方法监测碳排放者以分析整个碳流的平衡，其中忽略了内部反应过程。CO₂排放量的计算方法是将系统输入和输出之间的碳含量差乘以 CO₂/C 质量转换系数，44/12。

(3) 排放因子方法。这种方法基于“活性数据 （AD） ×碳 EF”的原则。EF 反映了各种活动的碳排放强度。AD 是指对直接或间接导致碳排放的活动水平的定量衡量，例如化石燃料、电力、热能和建筑材料的消耗。

在实践中，实验方法只能产生直接排放数据，因此仅限于产生直接排放的领域，例如石灰石煅烧的水泥生产初始阶段。此外，捕获不同 GHG 浓度的数据在技术上要求很高。质量平衡方法对于特定建筑材料的生产是可行的;然而，由于系统的材料输入和输出多种多样，碳含量不稳定，该方法不适用于准确计算建筑系统的碳流动。相比之下，EF 方法对于建筑项目更可行。必须确定两个关键参数 AD 和 EF 才能进行计算。在没有原始数据的情况下，可以从以前的研究中获得相关数据库的参数（图 3).

5.减少建筑物 LCCE

5.1. 碳排放热点与减排原则

5.1.1. 建筑碳排放的分布

全生命周期隐含碳排放（ECE）和运营碳排放（OCE）在全生命周期碳排放（LCCE）中的比例取决于多种因素，如建筑功能、所用材料、建筑围护结构性能、建筑能效和建筑寿命。Ibn-Mohammed等人的综述表明，ECE占LCCE的2%–80%。毛等人、拉梅什等人、哈里斯以及科尔和王对使用寿命为50–60年的传统住宅建筑的研究表明，ECE占LCCE的11%–40%；相比之下，对于使用寿命为50–60年的传统非住宅建筑，这一比例被发现为10%–27%。能源碳强度可以显著影响这一比例，从而导致减排重点的不同。例如，罗巴蒂等人在澳大利亚对一栋高层建筑的研究表明，当使用不同的电力排放因子（EFe）参数时，ECE在LCCE中的比例从27%增加到58%。

在低能耗建筑中，ECE的比例显著增加，甚至可以超过OCE。查斯塔斯等人分析了95个住房案例，并报告称，对于传统建筑、被动房、低能耗建筑和净零能耗建筑，ECE在LCCE中的比例分别为9%–22%、32%–38%、21%–57%和71%。罗克等人分析了全球范围内的238个建筑全生命周期评价（LCA）案例，并表明，基于现有能效法规设计的建筑的ECE在LCCE中的平均比例为20%–25%；对于高能效建筑，这一比例增加到45%–50%，在极端情况下甚至可超过90%。克里斯蒂安松等人[106]调查了挪威奥斯陆的八栋独立住宅的碳排放，包括一栋主动房、两栋被动房、四栋净零能耗建筑和一栋基于2010年挪威建筑规范设计的参考住宅，报告称ECE占LCCE的60%–75%。在另一项关于澳大利亚绿色建筑的研究中，由于实现了运营阶段的净零排放，ECE的贡献被假定为100%。

所回顾的案例研究提供了309组数据，包括ECE、OCE和LCCE的计算结果。其中，43组数据符合低能耗建筑、绿色建筑、净零能耗建筑、主动房或被动房的认证标准。在以下分析中，这43组被归类为认证组（组C），而剩余的266组被归类为非认证（NC）组。考虑到建筑寿命的影响，功能单位（FU）统一为“每建筑平方米×每年”。

就LCCE而言，组C的LCCE中位数（LCCE25%–LCCE75%）为10.00（6.76–26.57）kgCO2e·m−2·a−1，显著低于组NC的32.17（22.04–55.08）kgCO2e·m−2·a−1。组C和组NC的ECE中位数（ECE25%–ECE75%）分别为4.50（3.40–13.80）kgCO2e·m−2·a−1和8.16（4.19–12.01）kgCO2e·m−2·a−1。因此，尽管组C通常需要更好的建筑围护结构热性能，但其ECE低于NC组。这可能是因为组C中有46.5%（43例中的20例）是木结构，而NC组中木结构的比例仅为16.2%（266例中的43例）。组C和NC组的OCE中位数（OCE25%–OCE75%）分别为6.30（3.95–11.95）kgCO2e·m−2·a−1和24.35（14.33–41.81）kgCO2e·m−2·a−1。组C的ECE比例，即P中位数（P25%–P75%），为47.4%（29.4%–59.2%），远高于NC组的24.3%（14.1%–36.0%）。

5.1.2. 建筑减排原则

基于第3节和第4节中介绍的建筑LCCE的含义和计算方法，LCCE可以表示为：

其中，ADm.i为建筑材料i的活动数据（单位）；EFm.i为建筑材料i的碳排放因子（kgCO2e·单位−1）；ADe.i为运营能源i的活动数据（单位）；EFe.i为运营能源i的碳排放因子（kgCO2e·单位−1）；CED为通过辅助效益减少的碳排放（模块D），kgCO₂e；CEe为通过其他技术减少的碳排放，kgCO₂e。

在以下分析中，将减少建筑碳排放的技术分为六组：减少建筑材料活动数据（ADm，activity data of building materials）和运营能源活动数据（ADe，operational energy）；降低EFm和EFe的碳排放因子；利用辅助效益（CED）；以及采用其他减排技术（CEe）。技术内容和减排效益优先。

5.2. 减少建筑碳排放：技术内容与效益

5.2.1. 减少建筑材料活动数据

减少ADm的方法包括优化建筑结构形式和尺寸；使用强度更高、更换频率更低、使用寿命更长的建筑材料；应用工业化建筑系统；以及采用精益施工技术。

减少混凝土和钢材的使用可以显著降低传统钢筋混凝土结构建筑施工过程中的碳排放。在高层钢筋混凝土结构建筑的研究中，甘等人、滕和潘以及崔等人优化了建筑结构形式和构件尺寸，导致ECE减少了13.5%–31.6%。甘等人、太等人以及崔等人[209]比较了不同材料强度等级的结构设计方案，发现提高钢筋和混凝土的强度后，ECE减少了11.0%–16.7%。梅基尼翁等人评估了建筑使用寿命对其碳排放的影响，并表明使用寿命与技术解决方案同样重要。赫拉维等人[77]证明，在伊朗一座预制钢框架住宅的生产和施工中采用精益技术减少了4.4%的ECE。罗巴蒂等人[169]通过在澳大利亚的高层建筑中实施后张预应力混凝土结构系统，实现了ECE的8%减少。

预制混凝土相对于现浇混凝土的优势在于原材料使用量更少、施工废弃物更少、施工过程中的资源消耗更少。在材料层面，董和恩格以及董等人表明，预制混凝土每单位体积的碳排放比现浇混凝土低10%。在构件层面，丁等人、万·奥马尔等人以及李等人研究了预制混凝土构件，并报告称与相应的现浇混凝土构件相比，碳排放减少了19.0%–26.3%。

在建筑系统层面，预制混凝土对减少碳排放的影响受预制率等因素影响，通常认为预制率越高，减排效果越显著。然而，研究人员对预制对碳排放的影响仍持怀疑态度。滕等人分析了27座预制建筑，发现有3个和5个案例分别表明ECE和OCE有所增加；进一步分析表明，如果预制建筑中所用材料不被重复使用，ECE将增加。此外，运输需求的增加可能会削弱预制混凝土的优势。

5.2.2. 减少EFm

可以通过两种途径减少EFm：一是使用现有低碳足迹的材料产品，二是优化A1–A3阶段的建筑材料生产。

（1）使用低碳建筑材料。混凝土、钢材和木材是最常研究的低碳建筑材料，因为它们在建筑行业中应用广泛。通常，与由其他两种材料构成的结构相比，木结构表现出更低的ECE。然而，木材的减排效益取决于一些先决条件，如现场组装和适当的森林管理、生产方法、运输距离和粘合剂的选择。

瑞典、美国和澳大利亚的建筑研究表明，木结构的ECE比钢筋混凝土结构低26.5%–34.0%。关于混凝土和钢结构建筑的比较得出了截然相反的结论。在苏等人、龚等人、维塔莱等人和琼森等人的案例研究中，钢结构建筑的ECE比钢筋混凝土结构低10.4%–48.1%。然而，之前的研究得出结论，钢结构建筑的ECE比钢筋混凝土结构高12.7%–54.0%。

此外，生长迅速的植物（如竹子和秸秆）以及传统材料（如土坯）的低碳潜力正受到越来越多的关注。皮陶等人的比较研究表明，快速生长的植物在生长周期内能够储存大量碳，由这些植物构成的建筑材料比生长周期相对较长的木材具有更大的碳汇潜力。在中国、伊朗、巴尔干地区和安第斯巴塔哥尼亚地区使用竹子和秸秆作为建筑材料的案例研究也显示了类似的减排效益。与使用现代系统和材料相比，在印度、斯里兰卡、巴勒斯坦和伊朗使用传统技术和材料（包括使用土坯和粉煤灰砌块以及石灰石和石灰砂浆）的案例研究显示了减排效益。

（2）减少建筑材料生产过程中的碳排放。减少建筑材料生产过程中碳排放的措施包括替代高碳原材料、优化生产工艺和利用过程碳排放。赖等人评估了主要建筑材料的减排潜力，并报告称，当50%的水泥由粒化高炉矿渣作为原材料组成时，A1–A3阶段的ECE减少了34.7%–45.9%，使用再生钢材可防止75.7%的钢材碳排放。特纳和柯林斯开发了一种由地质聚合物制成的混凝土，使A1–A3阶段的ECE减少了9%，优于传统的普通硅酸盐水泥混凝土。此外，徐等人通过产品优化使竹制构件的A1–A3阶段平均ECE减少了15.7%。在中国，使用废钢电弧炉工艺钢生产钢结构构件被视为主要的低碳措施之一。

由于建筑材料是ECE的主要贡献者，优化建筑材料生产至关重要。在中国香港关于钢筋混凝土结构建筑的研究中，甘等人表明，使用辅助胶凝材料（35%粉煤灰或75%粒化高炉矿渣）、100%回收废钢、生态水泥和40毫米骨料可减少建筑ECE 9%–39%。同样，滕和潘[52]调查了中国香港高层住宅建筑的钢筋混凝土结构，并表明用高炉矿渣部分替代普通硅酸盐水泥可减少ECE 22.8%，而使用水泥替代品（25%聚氟氧烷基）可减少ECE 9.8%。普内尔和布莱克表明，粉煤灰和粒化高炉矿渣可使普通硅酸盐水泥的A1–A3阶段ECE减少20%–30%。伊登和弗思[143]评估了英国四种典型的建筑方案，并表明使用30%聚氟氧烷基混合物的混凝土可使新住房的ECE减少24%。

5.2.3. 减少ADe

运营能耗对建筑的LCCE贡献显著。无论是被动措施还是主动系统优化，现有的建筑节能技术都直接影响建筑的能耗和相应的OCE。克奈费尔对228个城市的12座原型建筑进行了多组组合模拟，并表明实施常规节能措施后，LCCE减少了9%–33%。

中国、法国爱尔兰、意大利、瑞士、美国和澳大利亚的研究认可了低能耗建筑、绿色建筑和被动房在全生命周期内的减排效益。对于英国的一座校园建筑，科萨维等人表明，使用光伏系统可使OCE减少30%。阿特马卡等人评估了土耳其的一项历史建筑翻新项目，并表明使用高效暖通空调系统可使LCCE减少43%。莱戈尔布鲁和史密斯提出了一个离散多目标优化框架，以确定每座校园建筑的最佳暖通空调系统。这些最佳暖通空调系统使LCCE减少了15%。

建筑围护结构作为能耗的主要部分，对建筑OCE有显著影响。李等人评估了相变材料墙对中国东北部典型农村房屋排放的影响，并表明使用合理的相变材料墙设置可使LCCE减少高达52.7 kgCO2·m−2·a−1。哈克等人调查了英国低层住宅建筑100年的LCCE，并表明与轻质围护结构的建筑相比，重型围护结构的建筑LCCE减少了高达7%。在另一项研究中，在土耳其两栋房屋的外墙上安装了80毫米保温层，使LCCE减少了23.4%。卡拉米等人通过应用真空绝热技术减少了欧洲一座房屋供暖释放的OCE。波姆波尼等人比较了128种双层表皮立面配置，并指出在调查的案例中，有85%的情况下双层表皮立面产生的碳排放低于单层立面。对于给出了OCE计算结果的案例，上述技术的OCE减排效果从10%到72%不等。

5.2.4. 减少Efe

除了能耗之外，决定建筑OCE的另一个重要因素是EFe，这取决于能源构成。莫斯特罗-罗梅罗等人[172]比较了美国和瑞士的两座独立住宅。他们的结果表明，瑞士的OCE仅为每平方米加热楼面面积279千克二氧化碳当量（kgCO₂e·heated·m−2），远低于美国的2147 kgCO₂e·heated·m−2，因为瑞士的能源主要是水电和核电。奥蒂斯等人比较了西班牙和哥伦比亚的两座低层住宅建筑；由于电力EFe较低，哥伦比亚的OCE显著低于西班牙。此外，将纯电力与电力和天然气的组合作为能源供应的比较表明，适当的能源组合在西班牙和哥伦比亚分别减少了25%和9%的OCE。用低碳电力替代高碳电力可以减少9%–67%的OCE。

在寒冷气候地区，OCE主要来自供暖系统。一般来说，基于生物质和电阻加热系统的碳排放最低和最高，分别。集成生物质区域供暖可以减少高达90%的OCE。基于澳大利亚的一个大型零售商场，布拉斯拉夫斯基等人表明，仅对冷热电联产（CCHP）进行适度投资即可使OCE减少高达29.6%，而加强CCHP投资并结合现场太阳能发电可使OCE减少约72%。一项关于瑞典韦克舍一座木结构建筑的研究表明，区域供暖与基于生物质的集成气化联合循环系统（BIGCC）或热泵与BIGCC的结合使用，可以实现建筑材料生产和总LCCE的负值。张和王比较了中国寒冷地区一座高层住宅建筑的几种供暖方案，并表明当使用燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉和太阳能辅助热泵时，OCE依次减少。

5.2.5. 利用CED的优势

CED包括建筑材料回收和再利用以及能源回收的减排效益。例如，布莱尼尼研究了意大利的一座混凝土低层住宅，并表明与填埋相比，建筑拆除后的材料回收减少了18%的ECE。科埃略和德布里托评估了五种建筑废弃物处理方法，并表明核心材料的分离、回收和再利用在拆除阶段减少了77%的碳排放。戈斯等人表明，在新西兰通过改进现场回收和再利用建筑废弃物，建筑翻新的碳排放减少了5%–15%。对于中国的一座高层住宅建筑，王等人[38]表明，现场回收优于工厂回收或填埋。然而，关于CED的研究和技术不足，阻碍了相关效益的利用。王等人[253]调查了中国9个城市，发现95%的装修和翻新废弃物都是通过填埋处理的。

CED的效益在木结构建筑中尤为显著。对于瑞典的一座多层木结构公寓，古斯塔夫松等人报告称，在施工阶段，由于木材加工产生的生物质残留物产生的能量高于施工过程消耗的能量，导致建筑材料生产过程中的净碳排放为负值。将拆除的木制构件作为生物燃料替代化石燃料可以显著减少净碳排放。多杜等人表明，用拆除的木制构件替代化石燃料的减排效益比使用回收的混凝土或钢材更为显著。然而，减排效果主要取决于拆除木材的上游森林管理、生产、施工和处理。萨特和奥康纳以及丘尔金娜等人阐明了木材替代带来的减排效益范围，并强调了可持续森林管理和合理使用木材残留物作为先决条件。

5.2.6. 挖掘CEe的潜力

以下措施针对的是非由建筑材料和能源生产和使用产生的碳排放，因此通常被排除在建筑碳排放计算之外。然而，应识别这些排放，因为它们有可能在更广泛的范围内促进建筑减排。

（1）绿色植物的碳汇。基于文献回顾，贝西尔和库切得出结论，绿色屋顶可以捕获和储存碳，垂直绿化系统的年碳积累量为13.41–97.03 kg·m−2。关于碳成本，赛义德阿巴迪等人[258]表明，用绿色屋顶替代传统屋顶产生了4.6 kgCO₂·m−2的碳排放。同样，绿色墙壁和空间的减排性能也得到了确认。

（2）人员活动的碳排放控制。通过合理管理日常活动，可以减少日常活动中的温室气体排放。张和范调查了中国香港的一家酒店，并发现通过实施照明、空调和废物回收等策略，多年来避免了约1900吨二氧化碳当量的排放。其中，最显著的是食物废物回收策略，每年减少了500–700吨二氧化碳当量的排放。

（3）二氧化碳的捕获、利用和储存。二氧化碳的捕获、利用和储存被认为是实现水泥和陶瓷等生产过程中产生二氧化碳的工业深度脱碳的唯一具有成本效益的替代方案。通过加速碳化作用可以减少水泥和混凝土的碳排放。例如，钱等人试图增加水泥基材料、钢渣和废弃混凝土中二氧化碳的吸收并转化为碳酸盐，使用固碳细菌。

（4）非二氧化碳温室气体的处理。如第3.2.1节所述，非二氧化碳温室气体的全球变暖潜能值通常是二氧化碳的数十到数万倍，氟化制冷剂的泄漏可相当于高水平的碳排放。与其依赖无氟制冷技术的成熟，研究人员可以通过回收或燃烧将相关氟化物转化为二氧化碳，从而将全球变暖潜能值降低到1，从而显著降低相应的温室气体效应。

5.3. 关于建筑ECE和OCE联合减排的讨论

5.3.1. 在ECE和OCE之间取得平衡

许多建筑减排技术会增加ECE但减少运营过程中的OCE，最终降低总LCCE。布莱尼尼和迪卡罗比较了意大利设计的低能耗和标准独栋住宅。结果表明，低能耗建筑的ECE增加了12.5%，OCE减少了71.7%，而低能耗建筑在70年使用寿命期间的LCCE为标准建筑的46.1%。杨等人调查了中国七座具有代表性的示范木结构建筑。通过改善建筑围护结构，ECE增加了28.5%，OCE减少了39.3%，LCCE减少了32.7%。

值得注意的是，并非所有OCE的减少都以ECE的增加为前提。在英国的一座办公楼中，通过自然通风、扩大恒温器设定范围、CCHP和光伏系统、减轻10%的钢筋混凝土设计、使用30%粉煤灰和再生砖、软木板绝缘以及木质内饰，LCCE减少了高达16%，包括ECE减少了32%和OCE减少了14%[144]。通过基于被动房标准对瑞典一座低层公寓进行翻新，OCE减少了50%–82%。通过优化材料使用，特别是使用更多木材材料，ECE可以减少68%。

5.3.2. 碳回收期

碳回收期通常用于表征通过OCE减少来抵消ECE增加所需的时间。对加拿大一项建筑改造项目的分析表明，改造造成的ECE将在3–13年的碳回收期内通过节能得到平衡。为了支持低碳决策，在欧洲使用预制混凝土来判断碳回收期元素的减排效率，以及在加拿大对多单元住宅和办公楼的节能改造。

然而，这些计算忽略了ECE在建筑使用前已经排放的事实，通过OCE抵消实现碳平衡需要数年甚至数十年的时间。在几乎所有情况下，都使用了未来的静态EFe进行计算。考虑到未来电网EFe逐年下降，每年OCE抵消量将相应减少，这可能会延长碳回收期，甚至最终导致无法实现碳平衡。

6.研究差距和建议

6.1 研究差距与挑战

基于我们对建筑全生命周期隐含碳排放（LCCE）影响、计算及减排策略的分析，发现了以下差距与挑战：

(1) LCCE研究目标与理念不匹配：根据IPCC的分类，建筑的直接和间接碳排放归类为建设部门，而建筑材料生产的碳排放归类为工业部门。这种分类会导致对碳排放来源的误解，并可能阻碍有效减排技术的实施，因为减少建筑LCCE需要行业间的合作，特别是建筑材料行业与建设部门之间的合作。因此，LCCE的计算方法和减排划分不应基于IPCC的规定。

(2) 建筑材料活动数据（ADm）获取难度大：当前计算建筑材料在生产和使用阶段碳排放的方法需要分析建筑材料消耗量，这需要通过设计图纸、采购清单和项目预算等技术数据进行查询。而在施工和拆除阶段计算碳排放的方法则需要每个子项目的机械班次数以及现场生产的材料和组件。然而，实际项目中使用的建筑材料和施工、拆除过程中使用的耗能设施种类繁多，因此相关数据极难准确识别和测量。

(3) 文献中案例碳排放计算结果差异大：不同案例间碳排放计算结果的显著差异使得难以就典型建筑的碳排放强度和减排目标达成共识。系统边界的不同设置使得难以总结和比较不同案例研究的结果。尽管每个案例中主要能源使用的排放因子（EF）值相似，但电力排放因子差异显著，水泥、混凝土、钢材和木材的排放因子也存在数量级差异。大多数研究中排放因子的来源模糊，数据质量和透明度存疑。

(4) 中国尚未建立计算建筑ECE的基础数据库：中国尚未建立可靠的建筑材料数据库。尽管欧洲数据库不适合中国，但在中国许多案例研究中仍被引用。基于不可靠数据的计算可能导致误导性结论，并阻碍有效低碳选项的发现。然而，基于单个企业内单一活动的测量建立数据库是困难的，因为建筑材料的原材料提取、运输到产品制造等活动往往由多家企业完成。

(5) 未考虑电力排放因子作为基本参数的变化及其对建筑LCCE的影响：通常使用现有能源排放因子来计算未来建筑的运营碳排放（OCE）。仅有个别案例研究考虑了建筑生命周期内电力组合逐渐脱碳导致的电力排放因子减少。电力排放因子随时间变化，忽视这一趋势使得无法准确进行未来碳排放计算和减排技术效益评估。

(6) 大多数建筑以“全空间×固定时间”模式运行，未充分利用“部分空间×部分时间”的OCE减排潜力：OCE可计算为[(能源需求强度×面积×时间)/能源效率]×能源排放因子。由于乘法效应，压缩实际能源需求的时间和空间具有放大的减排效果。然而，“部分空间×部分时间”的OCE减排潜力尚未被充分利用。极端情况下，整个建筑空间都实行过度的全职恒温恒湿调节，导致不必要的OCE增加。

(7) 低碳建筑技术效益与成本的不确定性给制定减排路径带来挑战：外部因素（如气候变化）导致建筑运营碳排放来源的变化，改变了建筑减排的重点。不同地区原材料、能源、资源禀赋和技术条件不同，因此借鉴其他地区的低碳技术可能不合适。能源和材料基本参数的变化会影响减排技术的成本和效益。这些不确定性给减排方法的进一步发展带来挑战。

(8) 建筑使用、报废、再利用和回收阶段的基础研究不足，导致技术空白：如第3.1.2节所述，仅分别有26.7%、32.9%和13.7%的案例对B、C和D阶段进行了计算，对建筑LCCE的全面调查很少见。对建筑材料预期使用寿命的信息不足使得无法计算和评估周期性ECE。由于缺乏对低碳处理和回收技术的研究，使用和报废期间的建筑废弃物目前被填埋处理，这阻碍了通过补充效应减少LCCE的潜力。

6.2 发展建议

为应对这些研究空白与挑战，提出以下关于行业标准、计算方法、基本参数和减排策略的建议：

(1) 基于建筑全生命周期的减排效果，协同建筑材料与建筑标准，促进建筑材料与建设部门间的行业合作：建议修订或部分修改相关标准，以实现建筑材料与建设部门在碳排放计算方法和指标上的协调。基于协同标准，建议逐步分阶段强制建筑材料和施工企业进行碳排放核算。基于大规模碳排放核算实践和碳排放数据库，可以划定建筑材料和建设部门的碳排放基准线和标识评估标准。

(2) 基于上述推荐的协同标准，整合建筑材料与建筑碳排放的计算边界和方法，提高数据透明度和计算可重复性：由于影响因素众多，难以避免每个建筑案例中的数值差异，因此除了相关报告和交流规则外，更现实的是制定统一的计算方法。这需要报告计算结果时提供信息透明度，包括LCCE系统边界、计算步骤和使用的基本参数，以防止对结果的误解。

(3) 调查不同地区典型建筑材料产品的全生命周期碳排放边界，建立典型建筑材料产品的基本排放因子（EFm）数据库：建筑材料生产企业应带头明确碳排放边界，标准化原材料采购、生产、加工和工厂运输的数据收集方法，并建立典型建筑材料产品的碳排放清单。因此，应为整个行业编制和推广技术指南。应实施EFm的产品标识方法，以确保碳排放数据的所有环节都能被溯源、追踪和更新。

(4) 推广施工全过程精细化信息化管理，建立基于施工和拆除过程的碳排放基础数据库：领先的施工和拆除企业应全面梳理典型建筑结构的典型施工和拆除过程，明确每个过程的碳排放源和边界，标准化数据收集方法，并建立碳排放清单编制流程。通过标准、政策指导和领先企业的示范，将施工和拆除相关材料、过程和机械的精细化信息化管理全面推广到整个行业。

(5) 基于现有建筑能源管理平台和建筑模拟技术，监测和预测建筑OCE，并形成典型建筑的OCE数据库：将现有建筑能源管理平台收集的能源消耗数据结合各种能源排放因子转换为建筑OCE。特别需要预测电网排放因子的发展趋势，并及时发布区域动态电力排放因子数据。基于普及的数据收集和模拟预测，可以为建筑OCE设定目标值，为进一步推广低碳政策、法规和技术提供基础数据支持。

(6) 继续推广绿色建筑认证，以指导OCE减排：第5节中的比较表明，拥有各种绿色建筑认证（低能耗建筑、绿色建筑、净零能耗建筑、主动房、被动房等）的建筑群组LCCE显著低于非认证群组。这一发现表明现有绿色建筑技术对实现低碳目标的积极贡献。因此，应持续执行民用建筑的能效标准以控制能源消耗。此外，应优化建筑能源供应组合，特别是开发当地可再生能源供当地使用以降低能源排放因子。

(7) 加强建筑设计、技术集成和工程应用示范中各利益相关方的协作，以减少建筑ECE：随着OCE的减少，ECE的影响将进一步增加。基于第5节的分析，应重点关注以下方面：以新型低碳建筑材料为载体的轻质建筑结构体系；模块化制造系统、装配式建筑和工业化施工技术；施工废弃物减量、高质量回收和现有建筑使用寿命延长策略和技术；以及将各环节碳排放减排技术与典型建筑项目类型结合使用。

7. 结论

本研究对与建筑LCCE相关的意义、计算方法和低碳技术进行了文献综述。共审查了全球161项研究，涉及826个计算案例，其中包括85项关于LCCE、69项仅关于ECE和7项仅关于OCE的研究。最后，从研究目标与理念、计算方法、基本参数和减排策略等方面阐明了现有建筑LCCE研究中的差距与挑战，并提出了相应的发展建议。

对碳排放计算方法的回顾表明，实践中并未严格遵守ISO 21930提供的建筑生命周期阶段划分。在A1-A3、A4-A5、B1-B5、B6-B7、C1-C4和D阶段计算碳排放的案例分别占总数的90.7%、56.5%、26.7%、57.1%、32.9%和13.7%。仅有9.4%的案例在计算中考虑了技术设备系统。未考虑B1-B5阶段产生的周期性ECE，也未对C1-C4阶段和模块D进行针对实际项目的专门计算，主要使用假设。

从案例中提取了各生命周期阶段的碳排放值。总体而言，A1-A3、A4-A5、B1-B5、B6-B7、C1-C4和D阶段的中位碳排放分别为321.2、32.2、114.9、20.9、1515.0和-188.6 kgCO2e·m−2，对LCCE的贡献率分别为15.6%、1.6%、7.1%、1.2%、75.2%和-4.1%。在ECE相关项目中，没有哪个阶段对总ECE的贡献可以忽略不计（<5%）。不同建筑类型的ECE存在差异。木结构被一致认为是最低碳的结构，而关于钢结构和混凝土结构的结论在不同案例研究中存在差异。

基于对建筑碳排放分布和减排热点的分析，将减排策略和相应效益分为六组：减少活动数据和碳排放因子（ADm、ADe、EFm和EFe）、利用补充效益（CED）和其他（CEe）。在审查的案例中，与ADe和EFe相关的技术成功减少了OCE。与基准方案相比，优化方案可通过主动和被动建筑节能技术将OCE减少10%–72%，通过用低碳电力替代高碳电力可将OCE减少9%–67%。生物质能源与区域供暖或热泵结合使用可将OCE减少高达90%。将木材回收利用为生物质生产并替代化石燃料可理想地实现净零碳甚至负碳。

与ADm和EFm相关的技术主要用于减少ECE。与基准方案相比，通过优化结构形式和尺寸以及使用强度更高、更换频率更低、使用寿命更长的建筑材料，优化方案可将ECE减少4.4%–31.6%；通过混凝土预制可减少ECE 1.5%–26.3%。用木材替代混凝土或钢材作为主要建筑材料可减少ECE 13.0%–96.5%。快速生长的植物基建筑材料、土坯和其他传统建筑材料的低碳潜力备受关注。替换高碳原材料、优化生产过程和利用建筑材料生产阶段的碳排放可减少建筑材料的EF。

值得注意的是，每个案例研究中的基准情景设置不同，因此碳减排效益的定量结果不能直接作为不同策略间横向比较的直接依据。每个案例都涉及对建筑LCCE敏感的特定因素，因此必须避免将一个案例的结论应用于另一个案例或基于概括和演绎得出结论。只有在基于建筑全生命周期的详细具体情况分析后，才能进行系统的减排策略优化。在一致框架下，需要继续从实际场景中收集数据，并逐步改善当前建筑LCCE研究基础数据质量不佳的现状。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.08.019

来源：友绿网   注：友绿智库编译，文章有删减

素材来源：中国工程院院刊《Engineering》2024年4月

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