建筑物化碳足跡關(guān)鍵技術(shù)研究

劉亮俊 王立梅 邵航 俞堅(jiān) 翟躍忠

【摘要】碳足跡的概念源于碳排放，兩個(gè)之間是包含于被包含的關(guān)系，碳足跡是表示一個(gè)產(chǎn)品的碳排放，在某種意義上，碳足跡也是確定未來可以在哪些方面采用何種方式減少碳排放的重要工具之一。

【關(guān)鍵詞】建筑物化;碳足跡? ? ? ? ? 【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.076

1、建筑物化碳足跡分析

建筑工程物化過程是一項(xiàng)較為復(fù)雜的過程，涉及到的因素較多，通過分析建筑物化碳足跡各階段的來源及影響因素，指出模型中所涉及到的參數(shù)，為模型建立提供基礎(chǔ)。

1.1建材開采（生產(chǎn)）階段

材料是構(gòu)成一切產(chǎn)物的基礎(chǔ)，建材也是建筑工程的源頭，屬于建筑工程最源頭的產(chǎn)物，建材開采（生產(chǎn)）本應(yīng)屬于工業(yè)領(lǐng)域，但在比較建筑物化過程碳足跡時(shí)應(yīng)包含所使用的材料。對(duì)不同建筑物物化過程碳足跡進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)充分考慮物化過程各方面碳排放，其中原材料開采、生產(chǎn)為物化過程碳排放來源之一，并且不同材料生產(chǎn)和使用過程中碳排放存在較大差異，前后碳排放比例不一致，因此材料開采、生產(chǎn)需考慮在建筑碳足跡內(nèi)。建筑材料開采、生產(chǎn)所產(chǎn)生的碳排放應(yīng)涵蓋其全生命周期各個(gè)不同部分，包括將原材料加工至成品過程中材料本身所排放的碳以及其他輔助資源的碳排放。在材料使用過程中，考慮部分材料非一次性使用，存在重復(fù)周轉(zhuǎn)使用，因此在進(jìn)行模型建立時(shí)應(yīng)充分考慮材料使用情況。隨著工業(yè)化的發(fā)展，建筑實(shí)體的增多，建筑材料生產(chǎn)階段所消耗的資源以及碳排放在建筑全生命周期內(nèi)所占比例不容忽視，在物化過程中整體碳排放比例更高，因此，能夠更加有效的控制建筑材料生產(chǎn)過程的碳排放對(duì)于建筑行業(yè)節(jié)能發(fā)展具有十分重要的意義。

1.2物料運(yùn)輸階段

物料運(yùn)輸階段指將材料成品、半成品等由材料生產(chǎn)地運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)的過程，不包含原材料運(yùn)輸至材料生產(chǎn)地的運(yùn)輸過程能源碳排放，該階段所產(chǎn)生的碳排放主要來自運(yùn)輸工具的能耗溫室氣體排放，其影響因素較多，主要有運(yùn)輸建材種類、所用運(yùn)輸工具型號(hào)（載重）、燃料類型、運(yùn)輸距離、運(yùn)輸量等影響因素，不同工程涉及的每項(xiàng)影響因素均不同。

1.3主體施工階段

現(xiàn)階段建筑施工主要依據(jù)施工機(jī)械進(jìn)行，故在建筑施工階段所產(chǎn)生的碳足跡主要來自施工照明和機(jī)械作業(yè)施工消耗能源產(chǎn)生的碳足跡。施工機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力為能源消耗，部分施工機(jī)械消耗電能，部分消耗柴油，還存在一部分消耗的是汽油等;施工機(jī)械的碳足跡影響因素主要是機(jī)械型號(hào)、臺(tái)班能源消耗量等，其中機(jī)械型號(hào)即表示功率、能耗等信息。

1.4施工配套設(shè)施

施工階段施工場(chǎng)地布置一般遵循“三區(qū)分離”原則，即作業(yè)區(qū)、材料堆放區(qū)和辦公生活區(qū)配套設(shè)施主要在辦公生活區(qū)，分為辦公區(qū)和生活區(qū)，其中辦公區(qū)主要能源消耗為電，有電腦、空調(diào)、照明等設(shè)備，生活區(qū)除了消耗電能外，還包括燃?xì)庀摹?/p>

2、建筑物化碳足跡因子分析

碳足跡因子指完成某一種單位工作所產(chǎn)生的碳排放，其中可能包含能源燃燒和材料成品或半成品等，是量化碳足跡的重要參數(shù)，不同國(guó)家存在不同的標(biāo)準(zhǔn)，但一般在建筑碳足跡計(jì)算過程中，認(rèn)定碳足跡因子是不變的，不會(huì)隨著計(jì)算方法與計(jì)算過程的變化而變化。碳足跡因子也是通過能源、材料等數(shù)據(jù)計(jì)算而得，系統(tǒng)邊界為產(chǎn)品或活動(dòng)的全生命周期，在全生命周期中所產(chǎn)生的溫室氣體。模型中所涉及的碳足跡因子主要有能源、材料、運(yùn)輸機(jī)械以及施工機(jī)械碳足跡因子，其中，能源碳足跡因子為所有數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)，不管在材料生產(chǎn)、機(jī)械運(yùn)作過程中都將消耗各種不同的能源，因此在進(jìn)行碳足跡因子計(jì)算時(shí)，能源因子作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證后期因子數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，就必須保證能源因子的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

在碳足跡因子選取過程中，一般情況下需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，但由于試驗(yàn)方法和設(shè)備差異，試驗(yàn)條件的不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)差異性較大，無法提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，但隨著綠色建筑的推廣，學(xué)術(shù)界對(duì)碳足跡因子的研究也愈發(fā)增多，隨之，碳足跡因子的研究成為目前學(xué)術(shù)界討論的熱點(diǎn)。本項(xiàng)目依據(jù)權(quán)威性原則、就近性原則以及均值原則進(jìn)行碳足跡因子選取與計(jì)算。為橫向?qū)Ρ忍峁┮罁?jù)。

（1）權(quán)威性原則，在選取過程中主要依據(jù) IPCC 所提供的數(shù)據(jù)，IPCC 為國(guó)際委員會(huì)，能夠給出精確度準(zhǔn)、適用性廣的數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目的基礎(chǔ)能源以及原材料因子可直接進(jìn)行選取，但部分成品、半成品還需進(jìn)一步采用權(quán)威數(shù)據(jù)計(jì)算，以便提高研究的準(zhǔn)確性。

（2）就近性原則，由于學(xué)術(shù)界對(duì)碳足跡因子尚未有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，在 IPCC 提供數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)文獻(xiàn)研究，其中部分學(xué)者對(duì)部分材料碳足跡因子已進(jìn)行了相關(guān)的研究計(jì)算，采取就近性原則在其中選取與本項(xiàng)目研究工藝相同的數(shù)據(jù)，若研究范圍存在差距，則進(jìn)行多者對(duì)比選取最相近的。

（3）均值原則，由于 IPCC 所提供的數(shù)據(jù)不完整，采取就近性原則，但由于試驗(yàn)設(shè)備、條件大相徑庭，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也有所差異，在范圍相同的基礎(chǔ)上存在幾種試驗(yàn)結(jié)果，需要對(duì)不同結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，在滿足要求的情況下選取其均值作為本次研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。依據(jù)以上原則進(jìn)行碳足跡因子選取，保證所選取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)最合適本項(xiàng)目的研究評(píng)價(jià)，提高研究的準(zhǔn)確性。

3、建筑物化碳足跡計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

（1）模型應(yīng)用需求

前文中所建立的基于 BIM 的建筑物化碳足跡計(jì)算模型能夠有效量化建筑物化階段碳足跡，達(dá)到對(duì)建筑碳足跡的管理，但模型的研究是為了能夠?qū)嶋H應(yīng)用，為了提高模型的可應(yīng)用性以及可操作性，需要將模型進(jìn)一步開發(fā)成應(yīng)用操作系統(tǒng)，為建筑碳足跡提供基礎(chǔ)，為綠色建筑發(fā)展提供量化因子。

（2）碳足跡快速計(jì)算需求

建筑全生命周期碳足跡一個(gè)難以量化的數(shù)據(jù)，要實(shí)現(xiàn)物化階段快速計(jì)算更為量化碳足跡增加困難，但本項(xiàng)目所研究的物化碳足跡計(jì)算是在工程設(shè)計(jì)階段，通過初步設(shè)計(jì)量化碳足跡進(jìn)行建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)，可能會(huì)存在多次優(yōu)化，但設(shè)計(jì)階段周期較短，如果進(jìn)行手工計(jì)算，會(huì)耽誤設(shè)計(jì)周期，造成設(shè)計(jì)工作無法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，產(chǎn)生延期，以致工程整體進(jìn)度產(chǎn)生延誤。因此，快速計(jì)算建筑碳足跡成為工程進(jìn)度保證的需要。

（3）信息化發(fā)展趨勢(shì)需求

當(dāng)前，建筑行業(yè) BIM 技術(shù)迅速發(fā)展，帶動(dòng)著整個(gè)行業(yè)信息化的發(fā)展，未來 BIM 技術(shù)將會(huì)貫穿于建筑全生命周期各個(gè)階段，本項(xiàng)目建立的模型是基于 BIM 技術(shù)完成的物化碳足跡的量化，通過提取 BIM 三維模型中有效數(shù)據(jù)進(jìn)行碳足跡計(jì)算，為適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)信息化的發(fā)展以及行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)，將所建立的模型進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)是行業(yè)所需要的。

3.2 可行性分析

系統(tǒng)可行性分析是在系統(tǒng)開發(fā)前必須進(jìn)行的一項(xiàng)工作，目的不是解決問題，而是判定所提出的問題能否被解決，在一定程度上能夠減少由于未進(jìn)行可行性分析導(dǎo)致的投資損失，具有兩方面的作用，一是為系統(tǒng)的后期研究提供經(jīng)驗(yàn)，二是避免了損失。本項(xiàng)目主要是從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和操作三個(gè)角度的可行性進(jìn)行你分析，為系統(tǒng)開發(fā)提供前期經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

（1）技術(shù)可行性

技術(shù)可行性需要考慮系統(tǒng)的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下能否實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能和性能，基于 BIM 的建筑物化碳足跡計(jì)算系統(tǒng)的主要任務(wù)是結(jié)合 BIM 導(dǎo)出的工程量快速計(jì)算建筑物化階段碳足跡，并分階段進(jìn)行可視化展示。本系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)為中文 Windows? 7 及以上版本，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)為 Access，系統(tǒng)前端的開發(fā)工具選擇易用且能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速開發(fā)的 Borland Delphi 進(jìn)行開發(fā)。Delphi 是在 Windows 平臺(tái)下工作的開發(fā)工具，作為一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（IDE），可以在多種系統(tǒng)環(huán)境下使用，而且它提供了 500 多個(gè)可供使用的構(gòu)件，利用這些部件，開發(fā)人員可以快速地構(gòu)造出應(yīng)用系統(tǒng)，也可以根據(jù)自己的需要修改部件或用 Delphi 本身編寫自己的部件。平臺(tái)本身已經(jīng)非常成熟，基于此平臺(tái)已經(jīng)開發(fā)了多種應(yīng)用系統(tǒng)，在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)本項(xiàng)目所研究的系統(tǒng)開發(fā)。

（2）操作可行性

一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用反饋情況主要依據(jù)具體操作人員，新系統(tǒng)的使用可能帶來組織、人員及信息流程的變更，在已經(jīng)習(xí)慣現(xiàn)有操作的情況下，新系統(tǒng)的應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)人員抵制，越具有操作可行性的系統(tǒng)越容易被用戶所接受。本系統(tǒng)從登陸開始均采用人性化設(shè)計(jì)，可以依據(jù)用戶需求在原基礎(chǔ)上進(jìn)行更新，且所選的開發(fā)工具已經(jīng)成熟，能夠滿足開發(fā)的操作可行性。

（3）經(jīng)濟(jì)可行性

本系統(tǒng)采用 Borland Delphi 和 C/S 模式結(jié)構(gòu)，Access 作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)工具均為市場(chǎng)上常用的，且均可免費(fèi)獲取的零成本軟件，開發(fā)技術(shù)也是開發(fā)人員已經(jīng)熟練掌握的技術(shù)，內(nèi)置的碳足跡因子是由聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)所提供的，其中部分因子與國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)存在差異，材料需要按照組成與生產(chǎn)工藝進(jìn)行碳足跡因子計(jì)算，機(jī)械需按照其機(jī)械能源消耗類型進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)置的定額由各省份定制，這就大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，且系統(tǒng)開發(fā)完成后可以提供給建筑行業(yè)各個(gè)單位，系統(tǒng)出售所能夠帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)開發(fā)的成本，因此，系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)可行性滿足要求。

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