《Sustainable Horizons》：Implementation of a design and regulatory framework for Building Energy Simulation (BES) and Life Cycle Assessment (LCA) co-simulation as a pathway to net zero
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COP28会议以所有195个国家承诺摆脱化石燃料而落幕，标志着被称为化石燃料时代“终结之始”的共识，共同目标为2050年实现净零排放。与英国目标一致，这包括2050年实现温室气体净零排放以及2030年碳排放减少68%。然而，在实现这些目标的指导方面仍存在显著空
COP28会议以所有195个国家承诺摆脱化石燃料而落幕，标志着被称为化石燃料时代“终结之始”的共识，共同目标为2050年实现净零排放。与英国目标一致，这包括2050年实现温室气体净零排放以及2030年碳排放减少68%。然而，在实现这些目标的指导方面仍存在显著空白，批评指出当前框架过于狭隘地聚焦于运营排放，促使业界呼吁强制进行全生命周期碳评估。为应对这一挑战，本研究提出一个将能源与生命周期评估（LCA）协同仿真整合到现有建筑合规流程中的框架。鉴于手动实施将因成本、时间和专业知识要求而构成不可逾越的障碍，研究聚焦于自动化和数字化作为关键使能因素。具体而言，研究探索基于建筑信息模型（BIM）的能源与LCA协同仿真如何在不给设计师或监管机构增加额外负担的情况下，提供通往净零评估的实用路径。该框架被称为建筑能耗模拟（BES）与LCA协同仿真框架，通过一个代表早期设计阶段的案例研究建筑进行开发与验证。验证围绕四个要素展开：展示设计阶段适用性、展示法规合规功能、验证效率与可扩展性，以及考察自动化如何降低采用障碍。研究测试了真实但极端的运行场景，以捕捉动态协同仿真对设计过程的全部潜在影响，并与当前Part L合规标准下的完全指定模型进行了对比。研究得出结论：数字化、自动化和协同仿真是建筑环境脱碳的关键使能技术。该框架提供了可行且可扩展的解决方案，为监管机构提供评估施工和运营碳影响的工具，同时为设计师配备自动化流程，将碳评估嵌入从早期设计阶段的决策过程，最终支持通往全生命周期碳减排和更可持续未来的路径。
**论文解读：面向净零排放的建筑能耗模拟与生命周期评估协同仿真框架**
**一、研究背景与问题**
全球气候变化背景下，COP28会议促使195个国家承诺到2050年实现净零排放。英国设定了2030年碳排放减少68%和2050年温室气体净零排放的双重目标。然而，当前净零政策存在显著缺陷：仅关注建筑运营阶段的碳排放，忽视了隐含碳（embodied carbon）——即材料提取、运输和制造过程中产生的排放。建筑和施工部门占全球温室气体排放的40%–50%，对实现国家净零目标具有决定性影响。尽管全生命周期评估（Whole Life Cycle Assessment, WLCA）被广泛认可为量化建筑全生命周期排放的有效方法，但现行法规（如英国Approved Document Part L）仅评估运营CO?排放，无法满足对全生命周期碳评估的行业需求。此外，建筑能耗模拟（Building Energy Simulation, BES）和生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）长期作为独立方法使用，缺乏动态协同集成，且手动实施协同仿真将面临成本、时间和专业技能等不可逾越的障碍。因此，亟需开发一种自动化、数字化的框架，将BES与LCA协同仿真整合到现有建筑设计和合规流程中，为净零排放提供可扩展的实践路径。
**二、研究内容与结论**
针对上述问题，研究人员开发并验证了一个名为“建筑能耗模拟（BES）与生命周期评估（LCA）协同仿真框架”（Framework for Building Energy Simulation and LCA Co-simulation）的综合性设计与监管框架。该框架通过将LCA集成到英国现行的设计合规流程中，并利用建筑信息模型（Building Information Modelling, BIM）、自动化合规审查（Automated Compliance Checking, ACC）和协同仿真技术，实现了对建筑全生命周期（施工阶段和运营阶段）温室气体排放的动态评估。研究通过两个案例研究（一个代表早期设计阶段的大学建筑，以及一个符合详细设计阶段的示例建筑）验证了框架的适用性、功能性和效率。研究结论表明：数字化、自动化和协同仿真是建筑环境脱碳的关键使能技术；该框架能够为监管机构提供评估施工和运营碳影响的工具，为设计师提供从早期设计阶段嵌入碳评估的自动化流程，从而支持全生命周期碳减排路径。研究还提出了两项法规升级（Regulatory Uplifts）：将排放率单位从kgCO?/m2调整为kgCO?eq/m2以涵盖所有温室气体，并新增施工碳成本指标（TCC vs BCC），从而扩展现行法规的评估范围。
**三、关键技术方法概述**
研究人员采用的核心技术方法包括：（1）基于“开放”BIM的协同仿真架构，通过开发自动化工具实现IFC模型到gbXML格式的转换，并利用EnergyPlus（E+）进行动态建筑能耗模拟；（2）集成Brightway2（BW2）作为LCA计算引擎，结合ecoinvent 3.8生命周期清单（Life Cycle Inventory, LCI）数据库，计算施工和运营阶段的温室气体排放；（3）通过规则即软件工程（Rule-based Automation and Software Engineering, RASE）方法将法规条款（如Part L Clause 2.3）数字化为机器可读格式，并嵌入合规检查生态系统；（4）案例研究验证，包括设计工作流（三个运行场景模拟）和合规工作流（生成拟议的BRUKL报告）。样本数据来源于英国卡迪夫大学工程学院一栋3728 m2的大学建筑（早期设计阶段）和iSBEM提供的示例建筑（详细设计阶段）。
**四、研究结果**
**1. 设计阶段验证（Section 5.3）**：通过大学建筑案例，研究人员对三种场景（2023年正常运营、2020年疫情减少运营、进一步降低供暖负荷）进行了年度协同仿真。结果表明，材料影响在各场景间保持一致，而电力和天然气影响在减少运营场景下显著降低，‘Reduced’场景总环境影响减少56%，‘Reduced 0ht’场景减少61%。时间分辨的LCA结果（每月GWP动态曲线）揭示了传统静态LCA无法提供的粒度，例如5月运营变化对GWP影响显著而12月几乎无影响，使设计师能精准识别干预时机。
**2. 法规合规验证（Section 5.4）**：针对示例建筑（含零售、餐厅和办公区域，总面积2900 m2），研究人员利用拟议的BRUKL报告生成了扩展Clause 2.3要求的全部指标（BPER、TPER、BGGER、TGGER、BCC、TCC）。结果显示：BPER vs TPER检查与现行标准一致（113.04 vs 67.24），验证了计算方法的正确性；BGGER vs TGGER检查（23.67 vs 16.72 kgCO?eq/m2·年）延续了现行BER vs TER的失败结果，符合逻辑；而BCC vs TCC检查（3657.37 vs 3692.11 kgCO?eq/m2）通过，揭示了仅评估单一生命周期阶段会呈现片面结论——若仅考虑运营指标建筑全面失败，仅考虑施工指标则通过，凸显全生命周期评估的必要性。
**3. 效率与可扩展性验证（Section 5.5）**：量化评估表明，将单个法规条款数字化耗时26分钟；自动合规检查相比手动检查将时间减少89%，显著提升了监管审查效率。
**4. 自动化与数字化消除采用障碍（Section 5.6）**：通过自动化和数字化，设计师无需额外建模时间即可完成BES和LCA协同仿真（仅需常规BES富化）；设计师只需管理一个BIM模型和单一生态系统界面，避免了数据重复输入；合规检查自动化消除了审查时间成本；唯一的残余成本障碍为LCI数据库订阅费，但研究人员建议未来由政府主导建立英国建筑行业专用开源数据库。
**五、讨论与结论**
讨论部分总结了框架的适用性：设计工作流验证了从早期设计阶段到合规提交的可行性，法规工作流确认了详细设计后的合规检查功能。效率验证表明自动合规检查时间减少89%，法规数字化单条款耗时26分钟。时间障碍和技能障碍已被消除，成本障碍仅剩LCI数据库订阅费，预期通过行业专用开放数据库解决。研究结论重申：将BES和LCA协同仿真整合到当前建筑合规方法论中，通过两项法规升级（BGGER vs TGGER和BCC vs TCC）可实现全生命周期温室气体评估，为净零排放提供可行路径。数字化框架（Digitised, Design and Regulatory Framework for BES and LCA Co-simulation）已通过两个非住宅建筑案例验证，覆盖从早期设计到合规提交的全过程。研究的关键贡献包括：数字化现行Part L 2023关键条款、开发并数字化扩展Clause 2.3及其计算方法、开发新型评估工具生成新指标测试、开发BES和LCA协同仿真服务、以及建立综合性的数字化设计与监管框架。这些成果为建筑行业迈向净零排放提供了技术支撑和政策参考，具有重要的实践意义和国际推广价值。
