居住建筑不同墻體碳排放量研究

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建筑碳足跡評價的重要目的是建筑的節(jié)能減排，而目前在減排措施成效的定量分析與評價研究較少，使得大多數(shù)所謂的“節(jié)能減排措施”都不能與預(yù)期的效果達(dá)到一致甚至相悖。為了更好地將節(jié)能減排做到預(yù)期與實際一致，需要將建筑全生命周期的碳排量進(jìn)行詳細(xì)核算，以期節(jié)能措施可以達(dá)到預(yù)期效果。在建筑的全生命周期過程中，建筑運行階段的能耗占最大比例，目前住宅建筑僅物化階段與運行階段能耗與碳排放就占到其生命周期的90%[1]以上。因此，研究建筑物化階段與運行階段的能耗與碳排放對于降低建筑全生命周期的環(huán)境影響以及節(jié)能減排具有重要意義。

1研究方法

本文提出以建筑構(gòu)造為“基本單元”的建筑物化與使用階段碳足跡的計算方法，通過計算常見不同保溫形式以及厚度的墻體的物化階段與運行階段的碳排放量，并對各保溫方案的碳排放量進(jìn)行對比，以找出物化階段與運行階段綜合碳排放量相對較少的折中方案。1.1系統(tǒng)邊界。碳足跡核算的核心環(huán)節(jié)之一是明確產(chǎn)品的系統(tǒng)邊界，建筑物的系統(tǒng)邊界確定為：建筑材料和設(shè)備的生產(chǎn)和運輸、土地利用、建筑施工與安裝、建筑運營、建筑維護(hù)修繕和改造、建筑拆除與處置過程中的溫室氣體排放[2]。本文建筑物化階段包含建材的生產(chǎn)（A1原材料的開采加工與運輸、A2建材/設(shè)備的生產(chǎn)），施工與安裝（A3構(gòu)配件現(xiàn)場加工、A4施工與安裝），A5土地利用等子階段；但是對于不同核算目的適用的系統(tǒng)邊界的規(guī)定也不同，本文的核算目的是針對墻體構(gòu)造的碳排放核算，因此需要核算的分別為建筑物化階段中的建材設(shè)備生產(chǎn)（A1-2）和施工與安裝（A3-4）四個子階段,使用階段需核算使用過程（面向建材/設(shè)備）（B0）和建筑更新（B4）兩個子階段。1.2功能單位。功能單位是對功能屬性的量化描述，應(yīng)與研究的目的和范圍一致。其在產(chǎn)品系統(tǒng)間環(huán)境影響大小的比較方面起著重要的作用，它是產(chǎn)品生命周期評價的基礎(chǔ)。因此，本研究“以每年每平方米墻體面積的等效二氧化碳排放量”即Kg-co2e/(m2.a)為功能單位。1.3計算模型。各子階段的碳排放量均為材料，能源和機械臺班清單與對應(yīng)碳排放因子的乘積，如下式：（1）針對建筑全生命周期各子階段的碳排放計算公式如下：式中，QCs表示各子階段產(chǎn)生的溫室氣體排放當(dāng)量，CRi為第i種原材料的開采加工與運輸/建材、設(shè)備生產(chǎn)/現(xiàn)場加工所消耗能源/使用過程消費能源產(chǎn)生的碳足跡因子，kg-CO2e/單位；Ri為第i種原材料/建材/設(shè)備/能源的使用量。建筑拆除過程中使用到工程機械以及水來降塵，因此會產(chǎn)生碳排放。又由于在建筑設(shè)計階段很難預(yù)測建筑拆除的情況，因此根據(jù)文獻(xiàn)的相關(guān)研究，對該階段的碳排放可以進(jìn)行估算，為施工與安裝階段的90%。1.4模擬軟件DesignBuilder簡介。DesignBuilder針對建筑能耗動態(tài)模擬程序EnergyPlus開發(fā)的綜合用戶圖形界面模擬軟件，可進(jìn)行自然換氣的溫度模擬，及適當(dāng)?shù)睦渑照{(diào)大小的計算，可以按一年、一月、一日、一小時，及更小的時間間隔進(jìn)行所有模擬數(shù)據(jù)的顯示。根據(jù)燃料的種類和使用目的計算能源消費量，通過屋內(nèi)溫度、氣象數(shù)據(jù)、墻壁、屋頂、通風(fēng)口、排氣口等結(jié)構(gòu)要素，模擬熱傳導(dǎo)、冷暖氣負(fù)荷、CO2產(chǎn)生量，考慮氣象數(shù)據(jù)計算冷暖氣設(shè)備的大小，通過標(biāo)簽的切換即可瞬間顯示。1.4.1模型建立。本文選取西安地區(qū)一典型居住建筑方案模擬，建筑功能布局坐北朝南，整體呈矩形，更有利于建筑的整體的保溫節(jié)能。在不影響建筑性能模擬結(jié)果的前提下，在軟件中將建筑模型盡量簡化，以方便模擬。標(biāo)準(zhǔn)層建立模型如下圖所示。1.5典型墻體構(gòu)造方案的可能性。目前應(yīng)用比較廣泛的是外保溫形式，而且成都地區(qū)的自保溫體系也在逐漸形成，這種體系可以與梁柱無縫連接，可以真正做到與建筑同壽命[2]。常見的外保溫和自保溫基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)造相同，附給常見的不同規(guī)格的外保溫與自保溫墻體構(gòu)造不同種類及厚度的保溫材料，分別為40mm、50mm、60mm厚的EPS（聚乙烯泡沫板），XPS（擠塑聚苯板）和巖棉板。《嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，≥9層的居住建筑外墻外保溫的傳熱系數(shù)K≤0.7W/(m2•K)，因此選擇傳熱系數(shù)在0.5~0.7W/(m2•K)之間的墻體構(gòu)造。根據(jù)《陜西省建筑、裝飾工程消耗量定額》可以統(tǒng)計得到兩種建筑構(gòu)造每平方米的材料與機械臺班用量[3]，再按照阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行編號。

2結(jié)果

2.1物化階段。由圖2可以發(fā)現(xiàn)：粉煤灰加氣混凝土砌塊自保溫墻體構(gòu)造在原材料開采階段碳排放量最大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏土空心磚外墻外保溫墻體構(gòu)造，這是因為粉煤灰加氣混凝土塊的生產(chǎn)原料是石灰和水泥，這兩種材料都屬于高排放量的材料；而在建材/設(shè)備生產(chǎn)階段，240㎜硅酸鹽砌塊，60厚巖棉板外保溫墻體的碳排放量遠(yuǎn)大于相同厚度墻體及保溫的粘土空心磚，主要是因為硅酸鹽砌塊是由工業(yè)廢料為原料加工生產(chǎn)而成；從物化階段各子階段綜合來看，240㎜加氣混凝土砌塊，60厚的巖棉板外保溫墻體最大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉煤灰加氣混凝土砌塊自保溫墻體構(gòu)造，前者大概是后者碳排放量的1.8倍。2.2使用階段。本研究中，建筑使用階段主要考慮了運行耗能和建筑維護(hù)更新過程中的碳排放。2.2.1建筑設(shè)備運行階段。B0設(shè)備運行能耗主要是建筑投入使用以后日常照明、空調(diào)、電梯、通風(fēng)、炊事、家用電器等各種設(shè)備的能源消耗。建筑運營使用階段是可以通過耗能分析軟件進(jìn)行模擬分析的，本文采用DesignerBuilder對研究建筑進(jìn)行模擬分析，主要從空調(diào)和采暖的消耗兩方面統(tǒng)計計算設(shè)備運行階段的碳排放量。通過模擬結(jié)果得到單位建筑面積的制冷采暖能耗，將其分別折合成對應(yīng)的使用電量以及天然氣量，通過計算得到其碳排放量。2.2.2維護(hù)更新階段。B4在建筑使用過程中，由于日程生活使用過程中造成某些建筑材料的破壞以及部分建材達(dá)到預(yù)計的使用壽命后，需要進(jìn)行更換，因此需要對其進(jìn)行簡單的估算。2.2.3使用階段總碳排放量對比。在整個建筑使用階段，B0使用過程（面向建材/設(shè)備）子階段的碳排放量最大，而B4建筑更新階段僅占到總碳排放量的20%左右。在18種不同的墻體構(gòu)造組合中，B0子階段碳排量最低的是240，60EPS黏土多孔磚墻外保溫，而在B4子階段粉煤灰加氣混凝土砌塊不需要更新建材，因此在該階段不產(chǎn)生碳排放。整體來看，使用階段的總碳排放量最低的是粉煤灰加氣混凝土砌塊。2.3建筑生命終止階段。針對構(gòu)造/設(shè)備的碳排放量核算，在建筑生命終止階段，僅需核算C2（再循環(huán)/再利用）子階段，由于這部分碳排放量已在物化階段核算過，因此在該階段不再進(jìn)行重復(fù)核算。結(jié)論由圖4全生命周期碳排放量最低的建筑墻體構(gòu)造為粉煤灰自保溫墻體構(gòu)造，外保溫墻體構(gòu)造中全生命周期碳排放量最低的是365mm厚粘土空心磚砌塊+60mm厚的EPS保溫材料。在滿足居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)及對環(huán)境影響相對較小的前提下，應(yīng)該根據(jù)實際情況選取所需保溫形式墻體構(gòu)造。

本文選取了4種典型的墻體構(gòu)造，并采用其不同的規(guī)格附以不同種類不同厚度的保溫材料加以研究，得出以下結(jié)論（在所有墻體構(gòu)造滿足居住節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求限值的前提下）：（1）物化階段，240㎜厚粘土空心磚砌塊+60㎜厚的巖棉板外保溫墻體的碳排放量（653.47kgco2/m2）最大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉煤灰加氣混凝土砌塊自保溫墻體構(gòu)造，前者大概是后者碳排放量的1.8倍。（2）使用階段，240，50厚巖棉板硅酸鹽砌塊外保溫墻體構(gòu)造碳排放量（1267.82kgco2/m2）最大，最低的是粉煤灰加氣混凝土砌塊自保溫墻體構(gòu)造（1047.71kgco2/m2）。（3）從建筑全生命周期來看，粉煤灰自保溫墻體的碳排放量最小，且用到的材料量也相對較少，其對環(huán)境造成的危害也相對最小。因此，僅從環(huán)境和成本角度出發(fā)，應(yīng)該選擇其作為墻體材料以為環(huán)境改善作出相應(yīng)貢獻(xiàn)。（4）外保溫墻體構(gòu)造中，365㎜厚粘土空心磚砌塊+60mm厚的EPS的外保溫墻體的碳排放量（1484.24kgco2/m2）與粉煤灰自保溫墻體（1401.2kgco2/m2）相差不多，相較于其他外保溫墻體構(gòu)造，且其保溫性能相對較好，及能相對節(jié)能。因此，從節(jié)能減排方面考慮，其是18種墻體構(gòu)造中相對較好的選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]住宅建筑的全壽命周期能耗研究熊歡，劉建軍西南石油大學(xué).

[2]羅智星.建筑生命周期二氧化碳排放計算方法與減排策略研究[D].陜西：西安建筑科技大學(xué)，2016.

[3]各種砌塊的規(guī)格《陜西省建筑、裝飾工程消耗量定額》陜西科學(xué)技術(shù)出版社2004.

作者:毛 潘 羅智星 單位:西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院