基于LCCO2的中學宿舍碳排放研究
——以宜昌市某中學為例

葉 吳銀光 吳國駿 張曼怡 陳 宏

中國社會正處于蓬勃發展階段，但快速發展也帶來了許多環境問題，比如我國已經成為碳排放量最多的國家之一。于是在“十四五”的背景要求下，我國多次表示要力爭在2030年前達到CO2排放峰值，2060年前努力實現碳中和。為響應國家號召，我國各行各業都在進行低碳發展的轉型。中國建筑業CO2排放量占全球活動碳排放的40%左右[1]。數據顯示僅2016年中國建筑業消耗的標準煤就為8.99億噸，占全國能源消耗的20.62%，制造了19億6000萬噸的CO2[2]。建筑的LCCO2是指在建筑產品的全生命周期內，計算因能源和資源消耗而在外部環境中產生的碳排放總量。其中包括了幾個階段，分別是建筑運行階段、建筑材料生產和運輸階段、施工和拆除階段。

目前我國碳排放量的計算還處于比較基礎階段。當前估算建筑物碳排放的主要方法有測量法、材料平衡算法、模型法和排放系數法[3]。Chiara Piccardo等人[4]基于建筑的全生命周期，計算得出即使假定碳供應量非常低，建筑圍護結構的熱改善也可以在整個生命周期內節省大量最終能源和一次能源，并減少CO2排放。從工業革命到現在，化石能源是生活中不可缺少的主要能源之一，對此的依賴程度穩步上升?？焖俚某鞘谢M程和碳排放同時增加，自1990年以來，全球碳排放總量增加了約50%，碳排放問題早已被放上臺來，歸為影響全球氣候變暖的主要因素[5]。

從建筑領域出發，建筑的類型具有多樣性。而校園建筑是城市建筑里的重要類型。近年來低碳校園、綠色校園的話題更是層出不窮。學校作為青年學生社會實踐和科研活動最密集的場所，應當積極擔負社會責任，直面碳減排問題[6]。校園能源結構復雜，包含的建筑類型眾多，其中宿舍相當于一個生活用能集合體。在整個生命周期中，能源資源的消耗和廢棄物的處理將帶來巨大的碳排放量[7]。

通過實地調研數據，研究校園宿舍的全生命周期碳排放，既可以反映出學校的現狀問題，也可以模擬運用現在的新技術，新材料進行優化后是否能達到一個減碳效果。對于校園建筑日后的碳減排優化具有指導意義。

1 研究對象的確定

本文選取湖北省宜昌市某中學作為研究對象。宜昌是湖北省的地級市，古稱夷陵，因“水至此而夷、山至此而陵”得名。地處夏熱冬冷地區，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候。中學新校區于2017年投入使用。學校用地面積216012.76m2，建筑面積120045m2。容積率0.52，建筑密度12.2%，綠地率42%（圖1）。在校學生規模約3200人。其中有4棟5層的學生公寓，按6人間布置，共設置617間學生宿舍，宿舍建筑面積22781m2（圖2）。

圖1 項目效果圖

圖2 宿舍范圍

2 碳排放的全生命周期計算與優化分析

2.1 宿舍現狀碳排放計算

（1）碳排放計算方法介紹

運行階段碳排放計算方法：建筑運行期間碳排放的計算范圍包括運行期供暖空調、生活熱水、照明和電梯、可再生能源、建筑碳匯系統的碳排放[8]。

本文依據《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）計算碳排放量。主要方法為能耗量乘以碳排放因子（圖3）。

圖3 建筑物運行階段碳排放計算邊界及范圍的劃分

（2）現場調研

宿舍形式較為簡單，以條狀平面布局，鋼筋混凝土框架結構。命名為E1、E2、E3、E4棟（圖4～5）。用電能源類型有宿舍重要負荷、開水器、空調、熱水器、照明插座。由于學生宿舍類型的特殊性，空調設備的使用時間僅在特定時間段開啟，并且電費自理（圖6～10）。

圖4 宿舍區效果圖

圖5 宿舍平面示意圖

圖6 宿舍總電耗調查統計

圖7 E1宿舍分項電耗統計

圖8 E2宿舍分項電耗統計

圖9 E3宿舍分項電耗統計

圖10 E4宿舍分項電耗統計

圖11 宿舍水耗調查統計

（3）運行階段碳排放結果（表2）

表2 宿舍運行階段碳排放計算

宜昌屬于華中電網，碳排放因子為0.5257kgCO2/kWh（表1）。

表1 2012年中國地區電網平均CO2排放因子（kgCO2/kWh）

（4）建筑材料生產和運輸過程碳排放結果

根據調研得到的材料用量表可知，E1宿舍樓主體結構主筋鋼筋總用量250.463t，E2宿舍樓主體結構主筋鋼筋總用量254.715t，E3宿舍樓主體結構主筋鋼筋總用量305.438t，E4宿舍樓主體結構主筋鋼筋總用量411.053t?？傆嬩摻钣昧?221.67t。因其他混凝土等材料為整體采購，具體施工用在宿舍樓的數量未知，采用平均估算法，整體采購25000立方混凝土，宿舍樓用量大約2000立方，一立方混凝土為2.4t，C50混凝土用量4800t。

建材生產碳排放：

1221.67×2.05+4800×0.385=4352.42t CO2

建材運輸碳排放：

1221.67×500×0.000057+4800×40×0.000057=45.76tCO2

由于實際運輸方式不明，默認全部選擇重型柴油貨車（載重46t）運輸，碳排放因子0.057[kgco2e/(t·km)]。

混凝土的基本運輸距離為40km，其他建筑材料的基本運輸距離為500km。

（5）施工和拆除階段碳排放結果

由于實際建造過程所用工程機械現在并不能確定，擬定為履帶式推土機，功率75kW，所需柴油 56. 50kg。若工作24小時，則需要柴油1356kg。柴油的燃燒值是3.3×107J/kg，能量為4.5×1010J，碳排放因子為72.59tCO2/TJ。

建造階段碳排放為：

72.59×0.045TJ×90天=294tCO2。

中國目前建筑中沒有拆除的碳排放數據庫，因此本文采用經驗推算法，根據施工階段的10%計算碳排放量[9]。

拆除階段碳排放為：294×0.1=29.4tCO2。

2.2 宿舍優化提升后碳排放計算

（1）綠色建筑技術策劃及策略提出

從計算結果可得，建筑全生命周期碳排放占比最大的為建筑運行階段。從現場測繪調研的情況來看，學生宿舍對于被動式的技術幾乎沒有運用。采用單元式空調進行供冷供暖，電熱水器提供生活熱水。因此，筆者總結了以下碳減排策略，為校園建筑提供優化指導的思路。

①在前期設計上可提高包括墻體、屋頂、門窗、地板的保溫性和隔熱性這些圍護結構的性能。降低建筑運行階段的冷熱負荷。

②在前期設計上盡可能優化建筑平面布局，合理利用自然采光和自然通風進行節能。

③在后期運維上使用性能較好的節能空調系統，減少建筑單位面積的冷熱負荷。

④使用高效的節能設備，如燈具、插座、節水器具。適當加設太陽能生活熱水系統或光伏系統。

從《綠色建筑評價標準》（GB/T50378—2019）切入，列舉了項目優化和減少碳排放相關的綠色技術規定[10]（表3）。

表3 選用綠色技術條文

表5 學生宿舍優化后運行階段碳排放計算

表8 坐便器用水效率等級指標[13]

表9 小便器沖洗閥用水效率等級指標

（2）優化后全生命周期碳排放計算

①運行階段：將建筑圍護結構的工程構造進行調整。外墻的K值從0.95調整至0.768，屋頂構造的K值從0.44調整至0.36（圖12）。并且增設了太陽能熱水系統（表4～5）。

表4 學生宿舍優化后能耗計算

圖12 宿舍模擬建模示意圖

a 節水龍頭（表6）。

表6 水嘴用水能效等級指標[11]

b 節水坐便器（表7～9）。

表7 大便器沖洗閥用水效率等級指標[12]

c 節水淋浴器（表10）。

表10 淋浴器用水效率等級指標[14]

d 每人每天節水公式為[15]（表11）。

表11 各指標含義及取值

通過以上公式算得：Qd =2L，學生宿舍入住大約3000人；

使用節水器具后年節水量為2×3000×365=2190t；

年減碳量為：2190×0.000168=0.37tCO2。

e 優化增加200m2落葉喬木，200m2草本花卉（表12）。

表12 不同生活型植物單位葉面積日固碳量[16] g/ (m2·d）

年碳匯值為：3 6 5×（9.7 5×2 0 0+12.16×200）=1599430g=1.6tCO2。

②建材生產及運輸階段

筆者根據綠色技術條文，選擇更加環保的建造材料，選用碳排放因子較小的轉爐碳鋼1.99tCO2/m2。

生產碳排放為：1221.67×1.99+4800×

0.385=4279.12tCO2。

運輸產生的碳排放由于材料總重量和運輸方式沒有改變，故維持45.76tCO2不變。

③建造及拆除階段

此階段由于建造方式和拆除回收比例不變，故碳排放量維持不變。

（3）對比驗證碳減排策略

通過以上對比計算（圖1 3），我們可以得到學生宿舍優化前全生命周期碳排放量為1 8 5 6 3.6 2 1t C O2，優化后為13 9 9 3.8 2 1t C O2（表13），減碳量為4569.8tCO2。其中對減碳量影響最大的是運行階段的電耗減碳，占比96.2%，對應綠色建筑技術條文的7.2.4和7.2.9。提高圍護結構的熱工性能和使用可再生能源。其次對減碳量影響較明顯的為生產階段的建材改變，減碳占比1.65%，對應7.2.15和7.2.17。使用合理的建筑結構材料與構件，使用可循環材料。對于碳匯減排，模擬增加的綠化面積越多減排量越顯著，對應8.2.3充分利用場地空間設置綠化用地。

圖13 學生宿舍優化前后碳排放量對比柱狀圖

表13 學生宿舍優化前后全生命周期減碳比

結語

本文選取宜昌市某中學宿舍樓為目標對象，通過調研和文獻數據來源，運用PK PM軟件進行優化后能耗模擬，并基于《建筑碳排放計算標準》（GB/T51366—2019）計算出項目現狀全生命周期年碳排放量為18563.621tCO2，再從《綠色建筑評價標準》（GB/T50378—2019）里選出運用在優化上的綠色技術條文，得到減碳量為4569.8tCO2。得到結論如下：

①學生宿舍運行階段的碳排放量最大占比74.7%，建造拆除階段最小占比1.6%。

②使用綠建技術如將建筑圍護結構的熱工性能在原有基礎上提升20%，并且利用太陽能熱水，可以減少24.6%的碳排放總量。

③電耗減碳占比最大達96.2%，碳匯減排隨著綠化面積的增加而增加。

資料來源：

文中所有圖表均為作者自繪。