关于建筑物全生命周期碳足迹研究
建筑全生命周期的阶段划分基于LCA，建筑的全生命周期包括从原材料的生产和加工、建筑材料的制造、运输、施工、使用维护直至废弃处置的全过程。根据国内外的相关研究，可以看出建筑全生命周期阶段的划分基本上都包括物化阶段、运行维护阶段和拆除阶段。为保证全生命周期评价的完整性和同时符合可持续发展的要求，将建筑的全生命周期分为建筑材料的开采和生产阶段、施工阶段、运行维护阶段和拆除处置阶段等四个阶段。其中，建筑材料的开采和生产阶段分为建筑材料开采生产和运输两部分，并从全生命周期角度出发，建筑材料的开采生产过程还对建筑材料的回收利用进行考虑，可以有针对性的对建筑材料碳减排措施的提出提供参考。
碳足迹测算范围界定及碳足迹因子分析
碳足迹测算范围的确定
碳足迹测算范围的确定会影响全生命周期碳足迹测算研究的准确性。对建筑碳足迹的测算范围包括建筑从建材开采到建筑实体形成、直至最后拆除和回收利用整个全生命周期过程中产生的 CO2碳排放。在建筑全生命周期所划分的四个阶段中，建筑材料的开采和生产阶段包括建筑材料的开采、生产制作过程和建筑材料从工厂运输至施工现场的运输过程，施工阶段包括建筑材料运输至施工现场后进行工程建设直至建筑交付使用的过程。建筑的运行维护阶段包括建筑日常运营、建筑维护和建筑更新改造的过程。建筑拆除处置阶段包括建筑的拆除、建筑垃圾运输和建筑垃圾处置的过程。建筑全生命周期碳足迹测算范围如下图 3-1。
建筑全生命周期碳源分析
建筑材料开采和生产阶段所产生的碳足迹来源于建筑材料的开采生产过程中消耗的煤、石油、电等能源和材料所产生的碳足迹和建筑材料从工厂运输至施工现场时运输工具消耗能源产生的碳足迹，建筑材料在生产过程中除了生产工艺消耗能源和原材料产生碳足迹，在生产过程中发生的化学反应也会产生一定的碳足迹。对于可回收利用的建筑材料，其在回收利用过程中由于消耗能源会产生碳足迹，同时由于建筑材料的回收利用，还会产生一定的碳抵消。
施工阶段的碳足迹可以划分为三部分：一是施工区的碳足迹，二是办公区的碳足迹，三是生活区的碳足迹。施工区的碳足迹来源于施工过程中施工机械耗能、施工照明耗能和运输建筑垃圾耗能产生的碳足迹；办公区的碳足迹来源于电脑、打印机、照明、空调等消耗能源产生的碳足迹，生活区的碳足迹包括照明、空调、电视等消耗电力和食堂、锅炉房等消耗燃气等能源产生的碳足迹。
运行维护阶段的碳足迹来源于建筑使用过程中为满足正常生活的设备系统如制冷、采暖、通风和照明等在运行时消耗能源产生的碳足迹、日常生活用水产生的碳足迹、建筑维修和更新改造过程中施工机械的耗能和建筑材料开采、生产、运输过程的耗能产生的碳足迹、绿色植物吸收温室气体产生的碳抵消四个部分。建筑的运行维护阶段会消耗大量生活用水，日常用水产生的碳足迹要考虑水处理、水分配和污水处理耗能产生的碳足迹。地表水和地下水等通过净化和过滤等处理成为生活用水。在水处理的过程中会消耗大量能源，并且，由于自来水的来源不同，水在处理过程中产生的碳足迹也会不同。在水分配系统中需要使用水泵把水从源头运输到处理厂再运输到最后的用户，这一运输过程需要消耗大量能源，污水处理过程中也会消耗大量能源。由于排水的水质不同，污水处理的难易程度不同，由此产生的碳足迹也不同。建筑维护时更换的建筑材料在开采、生产和运输过程会产生碳足迹排放。
拆除处置阶段的碳足迹来源于建筑拆除过程施工机械耗能、建筑废弃物运输过程中运输工具耗能和建筑废弃物处置过程耗能产生的碳足迹。根据USGBC 的调查数据，建筑垃圾的数量占垃圾填埋场垃圾总量的30 %，因此，该阶段需要对建筑废弃物运输过程中运输工具耗能产生的碳排放进行考虑。建筑废弃物分为三类：可直接利用的材料、可作为材料再生或可以用于回收的材料和没有利用价值的废料。其中，可作为材料再生的废弃物主要有矿物材料、未处理过的木材和金属等。其回收再利用虽然会增加加工能耗，但是减少了材料在开采和生产过程中的能耗，并且从源头减少了资源消耗。可回收利用的建筑废弃物的碳足迹需考虑回收处置过程中产生的碳足迹和通过回收利用建筑废弃物产生的碳抵消，对于没有利用价值的建筑废弃物，大部分是直接填埋的，仅对该部分建筑废弃物的运输过程运输工具耗能产生的碳排放进行考虑。
碳足迹因子分析
能源碳足迹因子计算
能源是一切材料生产和机械设备的动力来源，建筑全生命周期各阶段都会消耗能源。能源碳足迹因子是指消耗单位质量能源伴随的二氧化碳的生成量，是衡量建筑物碳足迹的重要基础数据。通过查阅国内外相关资料，发现由于数据来源、实验条件、测定方法、计算方法、地域、时间等的不同，致使不同机构、不同的学者对同种能源碳足迹因子的测算结果存在差异。优先采用国内数据、权威性数据、区域性数据和新数据对碳足迹因子进行计算。
（1）化石能源碳足迹因子
化石能源碳足迹因子是指消耗单位质量能源伴随的二氧化碳的生成量。化石能源的利用是造成环境变化与污染的关键因素，其碳排放主要来源于化石能源燃烧过程中产生的碳排放。化石能源的碳排放包括开采、生产、运输和燃烧过程产生的碳排放。由于化石能源在开采、加工和运输过程中产生的碳排放与矿产特点和能源结构有关，其在国家、地区层面上的统计难度相对较大，关于此部分的碳足迹相关研究也较少，因此，对化石能源燃料过程产生的碳排放进行计算。《IPCC 国家温室气体清单编制指南》中对化石能源燃烧产生的碳足迹的计算方法有三种：
方法 1.能源的碳排放可以根据化石燃料的数量和平均碳足迹因子计算，该方法中二氧化排放因子可以基于燃料的总量和燃料中平均碳含量进行估算。
方法2.用特定国家排放因子代替方法1 中的平均排放因子，由于特定国家的碳足迹因子受特定燃料、燃烧技术和运行操作的影响，活动数据进行了进一步划分，使用不同批次的燃料碳含量详细数据或者燃烧技术的详细信息会减少计算的不确定性。
方法 3.使用详细排放模型或测量，但该方法比其他两种方法的成本高。
通过三种方法的对比，方法2对化石能源碳足迹的计算更精准，并且更符合我国能源的实际情况，因此采用方法2
对化石燃料的燃烧产生的碳足迹进行计算。IPCC 中提出的关于二氧化碳足迹因子的计算方法，见公式3.1：
碳足迹因子=单位热值含碳量×碳氧化率×44/12 （3.1）
其中，单位热值含碳量是指单位热值燃料所含碳元素的质量。碳氧化率是指转化为二氧化碳的碳占燃料中碳的百分率，如煤在燃烧时，并不是所有的碳都会变成二氧化碳，有一部分会留在灰渣中。由于不同化石能源的常用计量单位不同，如煤炭常用重量计，天然气、煤气等常用体积计，因此需要将这些单位统一换算成热值单位，这里引入了能源的平均低位发热量，平均低位发热量是指单位质量的燃料在完全燃烧时，扣除烟气中水蒸气的汽化潜热所发出的热量。则碳足迹因子的计算公式如下 3.2 所示：
碳足迹因子=单位热值含碳量×碳氧化率×平均低位发热量×44/12 （3.2）
在对化石能源的碳足迹因子进行计算时，为贴合我国的实际情况，化石燃料类型的划分按照《省级温室气体清单指南》中建筑部门的分类进行划分，单位热值含碳量、碳氧化率从《省级温室气体清单指南》中获取，各类能源平均低位发热量参考我国《综合能耗计算通则》中给出的各类能源平均低位发热量。
（2）电力碳足迹因子
不同地区的电力碳排放有明显差距。由于自然环境、资源禀赋和发展水平不同，导致不同国家或地区的发电能源结构、发电装机结构、电厂运行环境差别很大。电力碳足迹因子与能量转换的类型有密切联系，主要的发电形式有火力发电、水力发电、风力发电、核能发电、太阳能发电等。其中，由煤炭作为主要燃料的火力发电方式地位在很长时期内难以动摇，是目前最普及的发电方式之一，其因为使用了化石能源，必然会产生大量温室气体的排放，火力发电方式的占比越高，单位电能产生的碳足迹越大。因此在对电力碳足迹因子进行计算时要考虑不同的发电方式。
由于地区和能源结构的不同，本文采取最新的2015年中国区域电网基准线排放因子。得到全国平均电力碳足迹因子为 0.96 kg CO2/kwh，如下表 3-2。
建筑材料碳足迹因子计算
建筑材料碳足迹因子是单位质量或体积的建筑材料的碳排放。为提高数据准确性，在对建筑材料碳足迹因子计算过程中统一碳足迹的测算范围。对建筑材料碳足迹的研究范围包括开采生产过程中消耗能源产生的碳排放、由于发生化学反应所产生的碳排放和可回收利用材料在回收利用时生产过程消耗能源产生的碳排放以及由此产生的碳抵消。由于建筑材料种类繁多，国内外加工工艺和生产过程等能耗的统计数据差异较大，因此在建筑材料碳足迹因子计算中优先采用我国相关基础数据，基于本文的能源碳足迹因子，对石灰、钢材、水泥、混凝土和其他主要建筑材料的碳足迹因子进行计算。
（1）木材
木材主要从林业部门获取，其生产加工过程较为简单。树木在砍伐后运输至加工厂，进一步切割处理成为建筑用的木材。木材的碳足迹主要来自砍伐工具、运输过程消耗汽油以及加工切割过程消耗电产生的碳足迹。根据木材生产过程消耗能源的情况，如表 3-3 所示，结合本文的能源碳足迹因子，计算得到木材碳足迹因子为143 kg CO2/ m³。
（2）石灰
石灰作为建筑材料中广泛使用的材料之一，主要应用于砂浆、三合土、石灰土等的制备，此外，石灰还是硅酸盐水泥、硅酸盐砌块、灰砂砖等硅酸盐产品的主要材料。 熟石灰的主要成分是氢氧化钙，通过生石灰加水熟化制得。熟石灰的生产过程包括石灰石生产和石灰熟化。石灰石在煅烧过程中会释放二氧化碳，因此石灰的碳排放包括石灰石开采生产过程中消耗能源产生的碳排放和石灰石煅烧过程产生的碳排放两部分。根据石灰生产过程投入产出清单，具体如下表 3-4 所示，结合本文的能源碳足迹因子，计算得出石灰的碳足迹因子是 1.98 kg CO2/kg。
（3）钢材
钢材是钢结构建筑和钢筋混凝土建筑的主要材料。钢材的碳足迹与生产工艺息息相关。钢材主要的冶炼方法有氧气转炉法、平炉法和电炉法。平炉法因耗用时间长、耗费成本高，已经逐渐被淘汰。电炉法多用来生产优质碳素钢结构、工具钢和合金钢，但生产成本相对较高。根据钢铁回收协会，用电炉冶炼的钢铁回收比例是90 %，而氧气转炉法的钢铁回收比例为 30 %，从某种程度上说，由于回收比例不同，电炉法生产每吨钢铁产生的碳排放要比氧气转炉低。现阶段我国使用的冶炼方法主要是转炉法，其质量好，成本低。制备钢材的工艺流程如下图 3-2。
钢材的碳足迹与回收率密切相关。钢材的回收利用包括两部分：1.钢材在生产过程中对产生的废钢进行回收再利用，2.对建筑废弃物的回收利用。对钢材的碳足迹研究范围包括钢材的开采生产过程中产生的碳排放以及回收再生产过程中产生的碳排放。在建筑废弃物的回收利用中，钢筋混凝土中的钢筋回收利用相对困难，取回收系数为0.5，型钢、钢模回收率高，其回收系数可以取值为 0.9，钢材在回收再生产过程中的碳足迹为 0.8 kg CO2/kg，则钢材在考虑建筑废弃物回收的情况下,其产生的碳足迹按下式进行计算：
整理各学者对钢材的能源消耗分析，将未考虑建筑废弃物回收利用的钢材加以回收利用，通过公式 3.3 计算，得到考虑回收利用后的钢材碳足迹因子，如下表 3-5，最后取其平均值 1.61（2.32）kg CO2/kg 作为本研究的钢材碳足迹因子。
（3）水泥
水泥是建筑全生命周期过程中用量大、应用范围广的高能耗建筑材料之一。2008 年全国水泥的总产量高达13.8亿吨，其相当于是当年世界总产量的 1/2。水泥生产的高资源消耗、高能源消耗和高污染物排放给我国的可持续发展带来了巨大的压力。本文对水泥碳足迹的研究包括水泥的开采过程和生产过程两个部分。生产水泥消耗的原材料主要有石灰石、粘土、铁粉和工业废弃物（如矿渣和粉煤灰）等，消耗的能源主要包括煤耗和电耗。通过参考水泥的全生命周期清单分析，并结合本文的能源碳足迹因子，对生产1 kg 水泥产生的碳足迹进行计算，如表3-6，得到水泥的碳足迹因子为 1.25 kg CO2/kg。
（4）混凝土
混凝土是以水泥为胶凝材料、砂和石为骨料，加水拌制而成的水泥混凝土，它是各项建设工程中用量最大的建筑材料，全世界的混凝土使用量每年达到数十亿吨。混凝土碳足迹的研究参考姚武主编的《绿色混凝土》一书中对全天然混凝土、再生骨料混凝土和废弃混凝土做水泥原料的混凝土的能耗分析，结合本文的能源碳足迹因子，计算出混凝土的碳足迹因子如下表 3-7。
（5）其他建筑材料
其他建筑材料的碳足迹主要是通过搜集相关文献，分析和整理建筑材料的能源使用情况，同时对可回收利用的建筑材料考虑回收率，根据本文的能源碳足迹因子计算出下表各个建筑材料的碳足迹因子，并取平均值，见下表3-8。
建筑全生命周期碳足迹测算公式
由于建筑物的规模大小不一，建筑在建筑材料的开采和生产阶段耗能、施工阶段耗用的材料与机械使用量、运行阶段耗能和拆除阶段耗能相差很大，会导致不同建筑规模的碳足迹差别很大，当对建筑全生命周期的碳足迹或对全生命周期某个阶段的碳足迹进行研究时，以建筑碳排放总量作为建筑全生命周期的评价指标，无法比较不同建筑的碳排放水平。建筑使用年限对评价结果的影响也非常大，以年碳足迹作为评价指标同样缺乏可比性。在建筑全生命周期碳排放的研究中，用单位建筑面积年排放量作为评价指标可以有效消除由建筑物使用年限、建筑规模的不同所带来的影响，使计算结果具有可比性和一致性。因此，本文把单位建筑面积年碳足迹确定为建筑全生命周期碳足迹的功能单位。
通过前文对建筑全生命周期碳源的分析和前文确定的碳排放因子，建筑全生命周期各阶段的碳足迹可归结为消耗能源和建筑材料产生的碳排放，本文基于排放因子法，将能源和建筑材料的消耗量乘以相应的碳足迹因子，分别对建材的开采和生产阶段、施工阶段、运行和维护阶段以及拆除处置阶段这四个阶段碳足迹进行计算，再将 4 个阶段的计算结果汇总得到建筑全生命周期总碳足迹 E，如下所示：
建筑材料的开采和生产阶段碳足迹测算公式
建筑材料的消耗量可基于广联达软件，通过建模得到相应的工程量，还可根据工程定额进行估算。不同的运输方式在单位运输距离消耗的能量不同。我国建筑材料的运输方式主要有铁路运输、公路运输和水路运输。中国统计年鉴给出了国家铁路运输主要技术经济指标，按照 2015 年的中国统计年鉴中 2014 年的统计数据对铁路运输的单位能耗进行分析，内燃机车每万吨公里耗油量 27.2kg，电力机车每万吨公里耗电量103.3kwh，其中，每周转量为1 万吨公里时，内燃货运机车和电力货运机车的工作量分别占总工作量的40.45%和 59.55%，其单位能耗量按各机型的工作量比例进行分配，则内燃机车和电力机车的单位能耗量见下表 3-9。公路运输和水路运输可通过查阅 2008 年中国交通年鉴得到不同运输方式的单位能耗，如下表 3-9。
由于各类建筑材料的计量单位不一，为方便计算，通过查阅相关资料，对主要建筑材料的体积重量转化系数进行统计，如下表 3-10。
不同建筑材料的运输距离可根据实际运输距离计算，也可参考相关文献对其进行估算。 建筑材料的开采和生产过程产生的碳足迹可根据建筑材料的碳足迹因子和建材的消耗量进行计算，同时由于在建筑材料碳足迹因子的研究中已经考虑了可回收材料消耗能源产生的碳足迹，该部分的碳足迹不需在建筑拆除处置阶段进行重复考虑。建筑材料运输至施工场地的运输过程中，运输工具消耗的能源可以根据不同运输方式运输单位重量单位距离的能耗、运输距离、运输的建筑材料的重量和能源碳足迹因子计算出该部分的碳足迹。该阶段的碳足迹总量为建材开采和生产的碳足迹与建材运输碳足迹的和，测算公式如下所示：
建筑施工阶段碳足迹测算公式
施工阶段的碳足迹可通过实测法或者估算法计算。实测法是通过施工日记、施工现场缴费单等对施工现场能源消耗的实际数量进行统计，再根据能源碳足迹因子计算得出碳足迹。估算法可以通过单位建筑面积产生的能耗或者工程定额进行估算，也可通过广联达算量软件进行建模，获取施工机械的工程量。
施工机械的台班数通过施工图纸依据工程定额进行估算，也可通过广联达、鲁班等软件建立模型，从人材机汇总表中获取，单位台班施工机械的能源消耗量可以从《全国统一施工机械台班费用定额》中得到，部分施工机械的能源消耗量如下表3-11 所示。
通过前文对碳排放源的分析，该阶段的碳足迹计算可以分为两部分：
E21.施工区施工机械在生产过程中消耗能源产生的碳排放，该部分可通过获取施工机械的台班，对该阶段施工机械产生的碳足迹进行计算，计算公式如下3.6。
E22.施工区施工照明、生活区和办公区消耗能源和水产生的碳排放，该部分的能源消耗量主要根据施工现场的统计和施工日志获得，计算公式如下 3.7。
E21 和E22 相加则为施工阶段碳足迹E2。
建筑运行维护阶段碳足迹测算公式
该阶段设备运行的能耗可根据以下四种方法获得：
1.建筑设备的耗能可以根据设备的功率进行计算统计，再根据各设备的运行时间和碳足迹因子估算出设备耗能产生的碳足迹。
2.设备系统的能耗可以根据计算机软件对建筑运行阶段的能耗数据进行估算。
3.建筑设备的耗能可以参考建筑能耗相关统计数据如《民用建筑能耗统计报表制度》、《中国统计年鉴》等进行估算。
4.建筑设备系统的年能耗可以参考用户缴费信息、监测仪表等实际消耗量、物业公司等的统计数据对其实际消耗量进行统计。
更换材料的次数根据建筑材料的使用年限确定。
由于排水的水质不同，污水处理的难易程度不同，并且，不同水厂的污水处理工艺也不同，其碳足迹因子参考相关文献中的数据。自来水、污水处理和绿色水处理的数量可根据用户用水实际缴费信息或者统计数据如《中国统计年鉴》、住建部发布的《民用建筑能耗统计报表制度》获得。
单位面积单位时间绿色植物产生的碳抵消参照相关文献中的数据，如下表 3-12。
参考建筑能耗相关统计数据对建筑运行阶段设备运行的碳足迹 E31 进行估算，计算公式如下所示：
目前关于建筑维护的研究相对较少，在计算过程中由于涉及的周期较长，数据收集相对困难，因此，建筑维护时只考虑更换的建筑材料在开采生产和运输过程产生的碳足迹，其碳足迹E32的计算公式可参考公式 3.5。建筑维护时更换材料的碳足迹 E32计算公式如下所示：
其中，N：建筑材料的更换年限。
计算建筑生活用水的碳足迹时，要对自来水、污水处理和绿色水处理的能耗量进行考虑。则建筑运行维护阶段的生活用水碳足迹计算公式如下所示：
绿色植物通过光合作用吸收二氧化碳，从而减少大气中的二氧化碳，减少的二氧化碳成为碳抵消。不同的绿化方式产生的碳抵消不同，绿色植物产生的碳抵消还与时间和面积有关。该阶段绿色植物产生的碳抵消的计算公式如下所示：
建筑拆除处置阶段碳足迹的测算公式
拆除过程拆除机械施工过程的消耗量可根据实际消耗量或者相关文献的统计数据进行计算。由于建筑废弃物的回收利用在建筑材料的开采和生产阶段已经进行考虑，为避免重复计算，该阶段不对其另行计算。该阶段只对建筑拆除机械耗能和运输建筑废物运输机械耗能产生的碳足迹进行计算，计算公式如下所示：
其中，md：建筑废弃物的质量