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必修课!门窗幕墙全生命周期de“碳排放”研究

发布时间:2022-4-24 0:00:14浏览次数:10373文章出处:江西幕墙设计公司口碑

“2030年碳达峰,2060年碳中和”已成为国家战略目标,建筑幕墙门窗全生命周期评价是建筑领域贯彻落实该目标的重要支撑,然而目前国内相关研究十分缺乏。论文系统整理了近期领导人重要讲话和国家相关政策金属幕墙工程设计公司,梳理了国内外建筑全生命周期评价的相关标准,在此基础上对建筑幕墙门窗生命周期CO2评价方法、阶段分析、计算方法进行了探讨,并讨论了目前存在的问题。研究对于建筑幕墙门窗领域贯彻落实双碳目标具有一定参考意义。


1、前言

  碳中和是应对气候变暖对人类生存环境造成重大威胁的重要途径。2015年,《巴黎协定》明确了全球共同追求的“硬指标”,即把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内,并为把升温控制在1.5℃之内努力。

  2019年,全球碳排放总量为364.41亿t,中国碳排放为101.75亿t,占比为27.9%。根据清华大学建筑节能研究中心测算:2019年中国建筑建造和运行相关CO2排放占中国全社会总CO2排放量的比例约38%,其中建筑建造占比为16%,建筑运行占比为22%。

  2020年9月,习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重承诺,中国二氧化碳排放力争于2030年前达峰,努力争取2060年前实现碳中和。2021年10月,国家主席习近平在出席《生物多样性公约》领导人峰会时指出,中国将构建起碳达峰、碳中和“1+N”政策体系。

  2021年9月22日,中共中央国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,明确指出要大力发展节能低碳建筑,持续提高新建建筑节能标准,加快推进超低能耗、近零能耗、低碳建筑规模化发展,全面推广绿色低碳建材。该文件作为“1”总管长远,在“1+N”政策体系中发挥统领作用,将与2030年前碳达峰行动方案共同构成顶层设计。

  2021年10月10日,中共中央国务院印发《国家标准化发展纲要》中明确提出要建立健全碳达峰、碳中和标准,加快完善地区、行业、企业、产品等碳排放核查核算标准,完善低碳产品标准标识制度,实施碳达峰、碳中和标准化提升工程。

  2021年10月21日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于推动城乡建设绿色发展的意见》,再次强调实施建筑领域碳达峰、碳中和行动;大力推广超低能耗、近零能耗建筑,发展零碳建筑;实施绿色建筑统一标识制度;完善绿色建材产品认证制度,开展绿色建材应用示范工程建设。

  2021年10月24日,国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》,提出推进城乡建设绿色低碳转型,推广绿色低碳建材和绿色建造方式;加强适用于不同气候区、不同建筑类型的节能低碳技术研发和推广,推动超低能耗建筑、低碳建筑规模化发展。

  从领导人讲话和相关政策来看,双碳目标已成为国家战略并提出了明确的时间节点,时间紧迫,任务重大;在建筑领域,大力发展节能低碳建筑、全面推广绿色低碳建材将成为建筑领域落实双碳目标的重要途径;标准体系、节能低碳技术将成为主要的推进手段。


 2、国内外相关标准及研究概况

  2.1国际标准及研究概况

  国际建筑全生命周期碳足迹评价标准体系包括28个相关标准璃幕墙施,根据标准间的逻辑关系可分为环境标志、生命周期评估、温室气体核算和建筑生命周期碳足迹评价等四个层级。

  (1)“环境标志”国际标准

  “环境标志”标准(即ISO 14020系列:ISO 14020、ISO 14021、ISO 14024、ISO 14025和ISO 14027)通过标准化的流程、颁发环境标志来提供产品生命周期环境负荷信息,购买方基于环境考虑选择持有“环境标志”的产品和服务,促使供方改进产品环境因素,减少环境压力。

  以ISO 14020提出的环境管理和声明的9项通用原则为纲领,ISO 14024、ISO 14021和ISO 14025分别规定了制定和使用I型、II型、III型环境标志的原则和要求。随着ISO 14025、ISO 14046、ISO 14067的发布,第三类环境标志被广泛应用于碳足迹的信息交流中。

  (2)“生命周期评价”国际标准

  在环境标志标准的指导下,产品的环境负荷信息由宣告者或第三方进行验证,为了实现环境管理的标准化,生命周期评估的程序和方法应运而生。“生命周期评价”标准即ISO 14040系列:ISO 14040、ISO 14044、ISO 14048、ISO 14071、ISO 14047、ISO 14049、ISO 14045、ISO 14072、ISO 14073。

  ISO 14040和ISO 14044提出了生命周期评价的原则、阶段、主要特征,介绍了方法学框架、生命周期清单分析、生命周期解释、报告、坚定性评审的原则、方法、程序和要求。ISO 14048、ISO 14071分别介绍了生命周期评价文件编制格式和评审程序。ISO 14047和ISO 14049是生命周期评估方法的应用范例:进行影响评估、目的和范围界定及清单分析;生命周期理论指导下的实践包括ISO 14045对产品体系生态效率的评估、ISO 14072对组织生命周期的评估及ISO 14046和ISO 14073对水足迹的评估和应用范例。

  这里需要强调下PAS 2050,是全球第一部产品碳足迹标准,以ISO 14040系列的LCA法为基础,根据ISO 14025的产品种类规则确定产品或服务的生命周期阶段和系统边界。随着英国、日本等国纷纷出台产品碳足迹评价标准和规范,标准国际化的需求越来越强烈。ISO 14067应运而生,它以PAS2050为参考标准幕墙工程案例,在目的和范围、抵消制度、产品类别规则以及数据质量评定等方面与其一致;在原则、系统边界和排放源等方面则有所差异,但基本都是可协调的。

  (3)“温室气体核算”国际标准

  全生命周期理论是对研究对象环境影响的全方位评价,其中环境负荷比重最大的是温室气体(GHG)。ISO 14064系列标准为组织量化、报告GHG排放提供了程序方法,其中ISO 14064-1从组织层次上对GHG排放和清除进行量化和报告的原则和要求。ISO 14064-2讨论旨在减少GHG排放量或加快GHG清除速度的GHG项目。ISO 14064-3提出了实施和管理GHG声明审定与核查的原则和要求。ISO 14065和ISO 14066分别规定了从事温室气体确认和验证机构的认可规范及能力要求。ISO 14069是ISO 14064-1组织温室气体的量化和报告原则的应用示例。

  ISO 14067以LCA标准和ISO 14020系列为纲领,旨在为产品全生命周期碳排放的量化、报告和交流制定更确切的要求,提供清晰和具有一致性的表述方式,成为全生命周期温室气体的计算和报告的国际通用标准。

  (4)建筑全生命周期评价的国际标准

  前述标准分别为建筑全生命周期评价标准的制定提供了宏观理论指导、方法步骤和应用范例,但主要是产品与组织的碳排放国际标准。建筑物并非标准化、批量生产的产品,因此建筑全生命周期评价必须基于特定的标准来进行。

  ISO房屋建筑可持续委员会编撰了一系列建筑可持续发展标准,其中纲领性标准是ISO 15392,提出了建筑工程可持续性的总则及其在经济、社会和环境方面的应用。ISO 12720介绍了ISO 15392原则的应用。ISO 21932是建筑和土木工程可持续性的术语规范。在方法论方面,ISO 21929建立了一系列核心指标用于评估建筑在生命周期内的可持续性,这一组核心指标反映了建筑对经济、环境和社会可持续发展的贡献。ISO 21931-1提出了建筑工程环境性能评价框架。


建筑碳排放作为建筑环境负荷的主要构成,也引起了ISO的关注。ISO 16745-1建筑环境性能-建筑碳指标构建,包括使用阶段的系统边界、能源使用的碳排放、能源载体的能耗及输出能量,以及碳指标报告和交流的模式。ISO 16745-2是针对既有建筑使用阶段碳指标验证的要求。该套标准构建了基于既有建筑使用阶段的能耗及建筑信息的环境参数,可用于碳排放核算。

  以ISO 14025第三类环境标识的产品类别规则为基础,ISO 21930《建筑和土木工程的可持续性——建筑产品或服务环境宣言的核心规则》提出建筑产品第三类环境宣告的原则与要求,以及更详细的建筑产品类别规则,即制定建筑全生命周期碳排放产品类别规则与第三类环境宣告EPD的程序。

  2.2国内标准及研究概况

  国内标准主要参考ISO标准,也可分为环境基础类标准、企业碳排放核算标准、建材碳排放核算标准、建筑碳排放核算标准,如表1所示。



 总体来看,我国建筑领域碳排放相关标准主要参考ISO标准,自行制定标准相对缺乏,尤其欠缺建材碳排放因子计算相关标准。

  3、建筑幕墙门窗生命周期CO2评价方法研究

  生命周期评价方法按GB/T 24040-2008《环境管理 生命周期评价 原则与框架》(即ISO 14040),分为4个步骤:目的和范围确定、生命周期清单分析(LCI)、生命周期影响评价(LCIA)和生命周期解释。

  生命周期评价研究的第一步是目的和范围的确定。应根据应用意图、开展该项研究的理由、沟通对象和结果是否被用在对比论断中并向公众发布来确定目的;生命周期评价(LCA)的范围包括确定所研究的产品系统,系统的功能或在比较研究情况下系统的功能,功能单位和基准流,并应确定系统边界、数据质量要求。LCA研究是一个反复的技术,随着对数据和信息的收集,可能需要对研究范围的各个方面加以修改,以满足原定的研究目的。

  生命周期清单分析(LCI)包括数据的收集和计算,以此来量化产品系统中相关输入和输出,主要包括数据收集、数据计算,物质流、能量流和排放物的分配。清单分析是一个反复的过程,当取得一批数据并对系统有进一步认识后,可能会出现新的数据要求或发现原有数据的局限性,因而需要对数据收集程序做出修改,以适应研究目的,有时也会要求对研究目的和范围加以修改。

  生命周期影响评价(LCIA)的目的是根据LCI的结果对潜在环境影响的程度进行评价,包括与清单数据相关联的具体的环境影响类型和类型参数。LCIA也为生命周期解释阶段提供必要的信息。影响评价是一个反复评审LCA研究目的和范围的过程,通过这个过程来确定是否已经达到研究目的,如果研究目的无法实现,则需要对目的和范围进行修改。这个阶段,影响类型的选择、模拟,以及评估等都受到主管因素的影响,因此为确保清楚说明和报告研究中的假设,透明性十分重要。

  生命周期解释是综合考虑清单分析和影响评价发现的一个阶段,结果应与所规定的目的和范围保持一致,并得出相应的结论、对局限性做出解释,以及提出建议。解释宜反映出LCIA结果是基于一个相对的方法得出的事实。该结果表明的是潜在的环境影响,并不对类型重点、超出阈值、安全极限或风险等实际影响进行预测。

  从全生命周期角度,建筑幕墙门窗与建筑材料在建筑生命阶段轨迹相同,包括了生产、施工、使用、拆除、处置等阶段。

  (1)生产阶段,包括玻璃、型材、五金、密封材料的原料和加工制造,以及幕墙门窗的加工制造;这个阶段伴随着物质迁移和能量输入,但在建筑物生命周期中时间较短。

  (2)施工阶段,包括运输和安装等过程,如幕墙门窗运输至施工场地、工地准备、安装等;这个阶段历时也较短,伴随着物质输入和能量输入。

  (3)使用阶段,幕墙门窗几乎不直接造成的能耗和排放,但其节能性能对建筑物供暖、空调和照明能耗影响较大,间接影响着建筑物的碳排放。

  (4)拆除阶段,可认为是和安装工程相反,过程历时极短,但能量输入强度较大。

  (5)处置阶段,包括幕墙门窗拆除后废弃材料的后续过程,主要是废弃材料运输、分拣,部分材料可经过处理后再循环利用,另一部分材料则在废弃物处理厂降解处理。过程历时极长,但能量输入很少。

  幕墙门窗生命周期各阶段的CO2排放来源情况如表2所示。


    从建筑物的生命周期看,生产阶段是建筑物生命周期的上游,即幕墙门窗本身固有的环境影响;在建筑的施工阶段,幕墙门窗的环境影响主要体现为成品或部品到施工现场的运输和施工中材料的损耗;在建筑物运行阶段,幕墙门窗因使用寿命需要对其维护或更换,直接环境影响具体表现在替换建材的生产、运输及废弃材料的运输产生的环境影响,此外,幕墙门窗的间接环境影响表现在产品节能性能对建筑物节能量的贡献(建筑能耗软件模拟);建筑物在拆除和清理阶段,幕墙门窗的环境影响体现在废弃材料从建筑点到处置点的运输、不可循环废弃建材最终处置、可循环利用废弃建材回收利用再加工造成的环境影响。

  从建筑物碳排放核算角度,幕墙门窗生产阶段的碳排放表现为产品本身固有的碳排放指标,施工、维护、拆除和处置阶段幕墙门窗碳排放可通过具体工程相应工程量清单核算,而建筑运行阶段因幕墙门窗性能导致的建筑物碳排放属于间接碳排放,需要根据幕墙门窗等节能性能指标通过建筑能耗模拟计算得到。因此,建筑幕墙门窗本身固有的碳排放指标和节能性能指标是对建筑物全生命周期碳排放核算具有重要意义,是建筑幕墙门窗碳排放核算需要关注的重点。


 4、建筑幕墙门窗生命周期法碳排放计算探讨

  幕墙门窗碳排放计算的重点是固有碳排放和节能性能,其在建筑生命周期内CO2排放量包括5个阶段的叠加。

 式中:

  Wt——生命周期CO2排放量;

  W1——生产阶段CO2排放量;

  W2——施工阶段CO2排放量,包括运输至施工场地及安装过程;

  W3——使用阶段CO2排放量,由节能性能引起供暖空调能耗的CO2排放量;

  W4——拆除阶段CO2排放量;

  W5——处置阶段CO2排放量。

  (1)生产阶段。生产阶段包括幕墙门窗原材料及运输、加工组装过程碳排放,玻璃、型材、五金和密封材料均为原材料生产及其深加工(指经过简单加工后可装配的产品)过程、以及运输过程的碳排放;

式中:

  W1——生产阶段CO2排放量;

  W1-1——原材料生产及其深加工过程CO2排放量;

  W1-2——原材料生产及其深加工产品运输CO2排放量;

  W1-3——加工组装过程CO2排放量。

  (2)施工阶段。幕墙门窗不同运输途径和施工方法所产生的碳排量不同,此阶段碳排放量由两大部分组成,计算如下:

式中:

  W2——施工阶段CO2排放量;

  W2-1——施工阶段运输过程CO2排放量;

  W2-2——施工阶段安装过程CO2排放量。

  (3)使用阶段。幕墙门窗使用阶段的碳排放属于建筑物间接碳排放,可通过产品的节能性能指标供给建筑物能耗和碳排放计算使用。幕墙门窗的节能性能指标主要包括传热系数K值、太阳得热系数SHGC值、可见光透射比Tv值及气密性能。

  也有通过将具有不同类型外窗的设计建筑全年能耗与按照节能设计标准设定的参照建筑的全年能耗的差值作为建筑运行阶段外窗的间接能耗,再折合至相应的使用年限(外窗使用年限按25年计)的CO2排放量作为外窗使用阶段CO2的排放量。

  (4)拆除阶段。幕墙门窗拆除相当于安装过程的逆过程,主要包括拆除作业、材料运输出建筑产生的CO2排放量,此阶段产生的CO2排放可按照安装工艺产生CO2排放的90%进行估算。

 (5)处置阶段。目前国内对废旧建筑材料的处置分为可回收与不可回收共2大类。建筑材料中的钢材、铝材、铜材及玻璃等一般被认为是可回收材料,多在现场进行回收,或是运输至专门工厂加工处理后利用;其余的大部分则进入建筑垃圾渣土消纳场所进行填埋处置或被运往郊区露天堆放。

  外窗中可回收利用的材料主要为铝合金、钢材、玻璃等,废旧建材处置阶段的CO2排放可用公式表示:

式中:

  W5——处置阶段CO2排放量;

  W5-1——处置阶段废旧材料运输至处置场所产生的CO2排放量;

  W5-2——处置阶段回收利用材料由处置场所运输至生产厂家所产生的CO2排放量。

  将上述5个阶段产生的CO2排放量相加,便可得到建筑幕墙门窗全生命周期CO2的排放量。实际使用过程中,W1称为建筑幕墙门窗的固有碳排放量,和使用阶段的幕墙门窗节能性能指标,可以通过前期核算和测评得到,再提供给建筑物做全生命周期碳排放核算使用。

  5、 问题讨论

  建筑幕墙门窗固有碳排放量计算过程中,玻璃、型材、五金和密封材料的原材料生产及其深加工(指经过简单加工后可装配的产品)过程中的碳排放数据是严重缺失的。平板玻璃深加工过程中碳排放数据有一定的依据,但平板玻璃裁切、钢化、镀膜、夹胶、合片等深加工过程中碳排放数据缺失。同样,型材、隔热条、密封材料、五金件等材料和配件的碳排放数据也是缺失的。因此,尽快实现各类配套件材料碳排放因子的具体化,并建立动态可查询的数据库是一项重要任务。

  如前所述,从建筑物碳排放核算角度,建筑幕墙门窗本身的碳排放量和节能性能指标对于建筑物碳排放核算具有重要价值。而建筑幕墙门窗施工阶段、拆除阶段和处置阶段碳排放则可根据具体工程进行核算。因此,建立建筑幕墙门窗节能性能和固有碳排放指标动态数据库,为建筑物碳排放核算提供依据就十分重要。

  6、结论

  综上所述,可的结论如下:

  (1) “2030年碳达峰,2060年碳中和”已成为国家战略并有了明确的时间节点,在建筑领域大力发展节能低碳建筑、全面推广绿色低碳建材将成为落实该目标的重要途径,标准体系、低碳技术将成为主要的推进手段。

  (2)国际建筑全生命周期碳足迹评价标准体系可分为环境标志、生命周期评估、温室气体核算和建筑生命周期碳足迹评价等四个层级。国内相关标准主要参考ISO标准,也可分为环境基础类标准、企业碳排放核算标准、建材碳排放核算标准、建筑碳排放核算标准,自主制定标准相对缺乏,尤其是建材碳排放因子计算相关标准。

  (3)从建筑物碳排放核算角度,建筑幕墙门窗本身固有的碳排放指标和节能性能指标具有重要意义,是建筑幕墙门窗碳排放核算需要关注的重点;国内幕墙门窗原材料碳排放因子、幕墙门窗固有碳排放动态数据缺失,建立幕墙门窗节能性能和固有碳排放指标动态数据库数据具有重要意义。

(文章来源:中国幕墙网)

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