作者：
钟丽雯，于江，祝侃，田炜
摘要：
建筑领域节能降碳对于我国“双碳”目标的实现十分重要。归纳了目前建筑碳排放计算的主要方法和基础数据获取方式,认为软件模拟仍是重要的技术手段。分析比较了几款国内外建筑碳排放计算软件的特点、计算方法等。以某办公建筑为例,运用东禾、PKPM两款典型的碳排放计算软件进行计算分析比较,两款软件的计算结果在该案例中较为接近。
关键词：
建筑物碳排放；全生命周期评估；计算软件；降碳
建筑领域碳排放是我国社会生产活动碳排放的重要组成部分。随着社会进步与人民物质文化需要的提高，我国建筑领域碳排放不断增加，2006—2017年，我国建筑业碳排放量将近增长3倍，年平均增长率为14%左右
目前，建筑碳排放计算方面已有相关标准政策、文献研究和软件。发达国家政府和国际组织已形成了系统的碳排放核算标准，如联合国环境规划署发布的碳排放通用指标（Common Carbon Metrics）、美国的碳排放计算工具（Carbon Emissions Calculation Tool）、德国的可持续建筑评估技术体系。同时，各个国家的研究机构也开发了建筑全生命周期的评价工具，如加拿大的雅典娜影响评估器（Athena Impact Estimator for Buildings），英国的简化建筑能耗模型（SBEM）等。这些软件基本都配置了强大丰富的建筑全生命周期碳排放数据库，通过数据支撑简化计算，操作界面友好。本文归纳了建筑全生命周期碳排放计算的方法和数据获取方式，并以典型工程项目为例对国内主流碳排放计算软件进行比较，为建筑碳排放计算软件的选用和优化提供参考。
01
建筑全生命周期碳排放计算方法
1.1 计算方法
建筑全生命周期是指从建筑材料、构件等的生产、规划与设计、建造于运输、运行与维护直到拆除与处理的从“摇篮”到“坟墓”的过程。不同国家和组织对全生命周期的划分方法有一定差异，碳排放计算范围也有不同。我国GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》将建筑全生命周期划分为建材生产、建材运输、建筑运行、建造及拆除5个阶段
1.2 数据来源
现行相关标准虽然规定了建筑全生命周期碳排放计算的阶段和方法，并提供了部分建材生产碳排放因子、单位机械台班的能源用量等普适性较强的数据，但是对于在实际工程中的个性化数据如何获取没有作详细说明。建筑全生命周期碳排放数据来源的常用渠道方法如表1所示（●表示该关键参数可以采用某种获取方法）。数据库方法中建材数据库主要有清华大学BELES、北京工业大学的建材LCA数据库、浙江大学的建材能耗及碳排放清单数据库等；绿化碳汇数据库有上海植物园、上海辰山植物园构建的215种常见园林植物碳汇数据库等。技术资料是指设计图纸、模型、计算书、现行标准及相关参考文献。实际调研是指现场施工记录、能耗监测等实地数据采集过程。我国建筑碳排放计算近年来发展较快，但相比于欧美发达国家起步较晚，缺少较为成熟的数据库和大数据分析手段，而实际调研又因人力、物力的限制常常难以开展。因此，数据获取较大地依赖于技术资料和软件模拟手段。
表1 建筑全生命周期碳排放数据来源分析
02
碳排放计算软件分析比较
我国建筑节能减排的政策引导和标准支撑刺激了建筑全生命周期碳排放计算的市场需求，有力地推动了我国建筑碳排放计算软件的研发与推广。目前，我国应用最广、发展最快的建筑碳排放计算软件有东禾碳排放计算分析软件（以下简称“东禾碳排放软件”）、绿建斯维尔碳排放计算软件CEEB（以下简称“斯维尔CEEB软件”）和PKPM碳排放计算软件CES（以下简称“PKPM CES软件”）。这些软件都是以工程师的设计需求为现实基础，围绕我国现行相关标准开发的，覆盖了建筑全生命周期。其中，东禾碳排放软件是基于网络端开发应用，是全国较早的一款轻量化的建筑碳排放计算分析软件。斯维尔CEEB软件和PKPM CES软件都需要下载软件客户端，依据建筑模型开展各阶段的碳排放模拟分析，但是与AutoCAD等其他建筑设计平台和相同开发商的其他软件模块的兼容性较高。3款软件的基本信息汇总详如表2所示。
表2 建筑全生命周期碳排放计算软件的基本信息
2.1 计算方法比较
2.1.1 建材生产及运输阶段
对于建材生产和运输阶段，3款软件从上传的建材用量清单或模型中提取建材信息。PKPM CES软件提供了住宅、别墅和商住3大类建筑的钢筋、混凝土单位面积用量用于修正或补充模型中提取的建材信息。斯维尔CEEB软件提供了居住建筑、办公建筑、商业建筑、酒店建筑等建筑的多种建材单位面积用量指标参考，便于在缺少详细建筑信息时估算。建材运输距离一般根据实际建材采购信息确定，或者按照GB/T 51366—2019建议的默认运输距离（混凝土为40km，其他建材应为500 km）选取。
由于采用准稳态计算方法，不需建立建筑能耗模型，东禾碳排放软件要求输入的参数较为精确，如建筑各朝向的外墙和窗户面积、围护结构热工物理参数、建筑功能分区和相应的面积等。斯维尔CEEB软件和PKPM CES软件都可根据已有的建筑模型，在调用DOE-2内核进行逐时动态模拟，计算供暖空调运行能耗时，只需设定相关的设备能效参数即可。3款软件的动力系统和生活热水的能耗计算及可再生能源的减碳量的计算方法基本一致，都采用经验公式方法，因此需要用户确定公式内涉及的基本参数数值。
建筑建造和拆除阶段的计算一般根据现场施工或拆除的能源用量计算，缺少数据时按照比例法估算。但3款软件对于比例法的概念界定不统一，东禾碳排放软件将其定义为该阶段占建材生产阶段碳排放的比例进行估算，斯维尔CEEB软件和PKPM CES软件则分别将其定义为该阶段占建筑物化阶段碳排放、建筑全生命周期总碳排放的比例。建筑物化阶段是指将规划设计的图纸实现为实体的过程，具体包括建材生产、建材运输和建造阶段
表3 3款建筑碳排放计算软件在建筑各生命周期阶段的计算方法
2.2 适用性比较
从建筑设计的不同时间节点来看，3款软件的适用程度有所区别。由于东禾碳排放软件在建筑运行阶段采用比较简便的准稳态计算方法，比较适合在可行性研究、方案设计等没有深化图纸的时期进行初步的能耗统计。PKPM CES软件和斯维尔CEEB软件在建材生产阶段提供了估算建材的方法，并且这两款软件与传统的设计工具兼容性较高，适合在有了粗略的建筑图纸以后进行隐含碳排放分析。对于有详细BIM模型的项目，也可以把BIM模型导入东禾软件获取建材信息。
03
工程应用算例
3.1 工程概况
该项目地上建筑面积为24 500 m2，地上为17层（含顶部设备夹层），是集办公、科研于一体的智慧大楼。项目为钢筋混凝土核心筒体结构，屋面、外墙和外窗的传热系数分别为0.48、0.39和2.3 W/(m2·K)。项目采用多联机空调系统，并配置新风系统，于2021年竣工。目前，建筑运行已超过1年。
3.2 软件设置
在东禾碳排放软件中导入项目BIM模型，在PKPM CES软件中按照AutoCAD图纸进行三维建模。两款软件中的围护结构传热系数及供暖、空调、通风、动力系统的形式和能效与设计文件保持一致。由于斯维尔CEEB软件和PKPM CES软件的计算机理大致相同，其能耗计算内核也相同，故省略在斯维尔CEEB软件中的建模分析过程。
3.3 结果分析
3.3.1 建材生产阶段
主要建材生产阶段的碳排放量和比例如图1所示，两款软件计算结果基本一致。主要建材中钢筋的碳排放量（折算为标准状态下的CO2，下同）最大，在东禾软件中达2 786.47 t，在PKPM CES软件中为2 483.65 t，占建材生产阶段碳排放的比例分别为39.41%和38.05%。混凝土、玻璃、砌快、隔热金属型材等材料的碳排放量在两款软件中的计算结果相差不大，但同类建材在东禾碳排放软件中统计的数量更大一些。
由于东禾碳排放软件采用BIM模型，设置更为详细，与实际建筑更为接近，因此对建材数量的获取相对精确。但东禾碳排放软件对于BIM模型的精度和标准化程度要求较高，而PKPM CES软件与AutoCAD、天正的兼容性较高，但是在建模后需要详细设置各类构件的构造。
东禾碳排放软件中建材运输阶段的碳排放可选用清单法或比例法。笔者选用清单法，得367.19 t。PKPM CES软件中建材运输阶段的碳排放一般按照清单法计算，得该阶段的碳排放量为353.54 t。由于两款软件统计得到的建材数量区别不大，因此在这个阶段的计算结果也比较相近。
项目配备能耗监测系统，对运行周期内的各项能耗数据进行实时监控。将两款软件的模拟结果与运行实测数据进行比较，运行阶段软件模拟结果总体与实测值相近，如图2所示。空调运行方面，总体实际能耗测量值略高于模拟值，东禾碳排放软件模拟值与实测值差别在10%以内，PKPM CES软件空调能耗模拟总数值更接近于实测值。就逐月统计来看，PKPM CES软件模拟值与能耗变化总趋势相近，但是存在个别月份相差较大的情况，如8月、12月，如图3所示。在照明插座方面，两款软件模拟值均大于实测值，东禾碳排放软件模拟值和PKPM CES软件模拟值与实测值的偏差分别为21.8%和14.3%。在动力系统方面，两款软件的模拟值与实测值相差不大。
图 1 主要建材的碳排放量
图 2 运行阶段各项目的能耗
图 3 PKPM 模拟与实测暖通空调能耗逐月分析
3.3.4 建造及拆除阶段
由于建造及拆除阶段无数据，东禾碳排放软件采用比例法进行估算。建造阶段碳的排放量以该项目生产阶段碳排放总量的2%～6%计算，本项目的取值为4%，计算得建造阶段碳排放为283.04 t。拆除阶段的碳排放量以该项目新建阶段碳排放总量的10%计入，最后碳排量为707.82 t。
PKPM CES软件可选用比例法或经验系数法，本算例选择经验系数法对建造及拆除阶段的碳排放量进行估算，建造阶段的计算方法如式（1）所示，拆除阶段的计算方法如式（2）所示。
式中：X——地上层数；
Y1——建造单位面积的碳排放量，kg;
Y2——拆除单位面积的碳排放量，kg。
根据式（1）、式（2）和建筑的基本信息算得，建筑建造及拆除阶段碳排放分别为465.26 t和856.77 t。
以某高层办公建筑为例，运用东禾碳排放软件和PKPM CES软件模拟建筑全生命周期碳排放。用东禾碳排放软件和PKPM CES软件计算得到该建筑单位面积碳排放量分别为57.55、55.12 kg/a，各阶段碳排放占比相近，如图4所示。这一结果与其他办公建筑碳排放研究的结论相似。李远钊等
图 4 建筑全生命周期碳排放构成
在建材生产阶段，东禾碳排放软件以BIM模型统计建材的方式比PKPM CES软件自行建立三维模型的方式获取的建材信息相对更为完备，但总体计算结果接近。在建筑运行阶段，PKPM CES软件采用逐时动态模拟的方法和东禾软件采用准稳态计算的方法得到的结果都有一定的参考价值。两款软件的暖通空调模拟值与实测值差距均在10%以内，照明插座能耗值偏差略大，而动力系统能耗值偏差较小。在建材运输、建造和拆除阶段，尽管两款软件的计算方式不完全相同，但计算结果相差不大，而且这些部分碳排放占比都很小（2%以内）。
04
结语
本文基于国内建筑碳排放计算领域的发展现状，总结了碳排放计算的主要方法和数据来源，比较了3款典型的建筑碳排放计算软件，并以某办公建筑为例，在东禾碳排放软件和PKPM CES软件中进行工程应用计算，从中可以看出：
(1）建筑全生命周期碳排放计算的主流方法对于数据获取有一定的要求，而受限于行业发展情况和其他不可抗力因素，软件模拟仍是建筑碳排放计算的重要手段。
(2）国内应用较广泛的碳排放计算软件都是以国标为基础开发的，计算逻辑相同，生命周期各阶段的计算方法有所区别，在建筑设计的不同时间节点的适用程度也有所不同，但总体计算结果接近。
(3）在建材生产阶段，将BIM模型上传到东禾碳排放软件相较于PKPM CES软件建立的模型的统计结果更为详尽，但两款软件计算结果总体接近。在建筑运行阶段，东禾碳排放软件采用准稳态计算方法和PKPM CES软件的逐时动态模拟方法都具有一定的应用参考价值。在其他阶段，两款软件的计算结果相差较小。
虽然这些软件是一种便捷的衡量建筑全生命周期碳排放的工具，但在实际工程应用方面还存在以下问题：
(1）建筑全生命周期不同参与者对于碳排放计算的权责划分不明确，协同程度不够。建筑碳排放计算的工作不局限于咨询设计人员，而应该将建设方、施工方、运营方等多方人员包括在内，采用一定的组织机制进行统筹规划，充分调动各方积极性，提高计算效率，如开发一些适用于不同参与主体的内置软件模块。
(2）缺少适用于不同时间节点的碳排放计算软件。目前，市面上主流的碳排放计算分析软件都侧重于建筑设计中后期，一般需获取较为详细的建筑物基本信息。事实上，在建筑设计早期启动碳排放评估很有必要，这不仅能给设计师提供良好的技术指导，也能辅助建设单位进行造价预估和科学决策。
(3）缺少建立行业通用的数据库及市场机制。应建立健全建材生产制造、运输到回收利用的全行业数据流通平台，打通各专业信息壁垒，并以此为指导深化建筑全生命碳排放计算软件的开发，提高软件计算结果可信度和计算速度，从而带动全产业链向数字化、低碳化发展。
参考文献：
[1] 汪振双,覃飞.中国建筑业碳排放时空演变特征分析[J].工程管理学报, 2022, 36(4):11-16.
[2] 林波荣,刘念雄,彭渤,等.国际建筑生命周期能耗和 CO2 排放比较研究[J].建筑科学, 2013, 29(8):22-27.
[3] 张时聪,徐伟,孙德宇.建筑物碳排放计算方法的确定与应用范围的研究[J].建筑科学, 2013, 29(2):35-41.
[4] 李远钊,吴雨婷,于娟,等.基于 SVR 的高层办公建筑全生命周期碳排放预测模型:以天津地区为例[J].建筑节能(中英文), 2021, 49(9):25-30.
[5] 李岳岩,陈静.建筑全生命周期的碳足迹[M].北京:中国建筑工业出版社,2020.
[6] 王晨杨.长三角地区办公建筑全生命周期碳排放研究[D].南京:东南大学,2017.
作者：
钟丽雯，主要从事近零能耗及低碳建筑方面的研究，现供职于南京长江都市建筑设计股份有限公司。
联系客服
