居住建筑不同墙体碳排放量研究

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建筑碳足迹评价的重要目的是建筑的节能减排，而目前在减排措施成效的定量分析与评价研究较少，使得大多数所谓的“节能减排措施”都不能与预期的效果达到一致甚至相悖。为了更好地将节能减排做到预期与实际一致，需要将建筑全生命周期的碳排量进行详细核算，以期节能措施可以达到预期效果。在建筑的全生命周期过程中，建筑运行阶段的能耗占最大比例，目前住宅建筑仅物化阶段与运行阶段能耗与碳排放就占到其生命周期的90%[1]以上。因此，研究建筑物化阶段与运行阶段的能耗与碳排放对于降低建筑全生命周期的环境影响以及节能减排具有重要意义。

1研究方法

本文提出以建筑构造为“基本单元”的建筑物化与使用阶段碳足迹的计算方法，通过计算常见不同保温形式以及厚度的墙体的物化阶段与运行阶段的碳排放量，并对各保温方案的碳排放量进行对比，以找出物化阶段与运行阶段综合碳排放量相对较少的折中方案。1.1系统边界。碳足迹核算的核心环节之一是明确产品的系统边界，建筑物的系统边界确定为：建筑材料和设备的生产和运输、土地利用、建筑施工与安装、建筑运营、建筑维护修缮和改造、建筑拆除与处置过程中的温室气体排放[2]。本文建筑物化阶段包含建材的生产（A1原材料的开采加工与运输、A2建材/设备的生产），施工与安装（A3构配件现场加工、A4施工与安装），A5土地利用等子阶段；但是对于不同核算目的适用的系统边界的规定也不同，本文的核算目的是针对墙体构造的碳排放核算，因此需要核算的分别为建筑物化阶段中的建材设备生产（A1-2）和施工与安装（A3-4）四个子阶段,使用阶段需核算使用过程（面向建材/设备）（B0）和建筑更新（B4）两个子阶段。1.2功能单位。功能单位是对功能属性的量化描述，应与研究的目的和范围一致。其在产品系统间环境影响大小的比较方面起着重要的作用，它是产品生命周期评价的基础。因此，本研究“以每年每平方米墙体面积的等效二氧化碳排放量”即Kg-co2e/(m2.a)为功能单位。1.3计算模型。各子阶段的碳排放量均为材料，能源和机械台班清单与对应碳排放因子的乘积，如下式：（1）针对建筑全生命周期各子阶段的碳排放计算公式如下：式中，QCs表示各子阶段产生的温室气体排放当量，CRi为第i种原材料的开采加工与运输/建材、设备生产/现场加工所消耗能源/使用过程消费能源产生的碳足迹因子，kg-CO2e/单位；Ri为第i种原材料/建材/设备/能源的使用量。建筑拆除过程中使用到工程机械以及水来降尘，因此会产生碳排放。又由于在建筑设计阶段很难预测建筑拆除的情况，因此根据文献的相关研究，对该阶段的碳排放可以进行估算，为施工与安装阶段的90%。1.4模拟软件DesignBuilder简介。DesignBuilder针对建筑能耗动态模拟程序EnergyPlus开发的综合用户图形界面模拟软件，可进行自然换气的温度模拟，及适当的冷暖空调大小的计算，可以按一年、一月、一日、一小时，及更小的时间间隔进行所有模拟数据的显示。根据燃料的种类和使用目的计算能源消费量，通过屋内温度、气象数据、墙壁、屋顶、通风口、排气口等结构要素，模拟热传导、冷暖气负荷、CO2产生量，考虑气象数据计算冷暖气设备的大小，通过标签的切换即可瞬间显示。1.4.1模型建立。本文选取西安地区一典型居住建筑方案模拟，建筑功能布局坐北朝南，整体呈矩形，更有利于建筑的整体的保温节能。在不影响建筑性能模拟结果的前提下，在软件中将建筑模型尽量简化，以方便模拟。标准层建立模型如下图所示。1.5典型墙体构造方案的可能性。目前应用比较广泛的是外保温形式，而且成都地区的自保温体系也在逐渐形成，这种体系可以与梁柱无缝连接，可以真正做到与建筑同寿命[2]。常见的外保温和自保温基础结构构造相同，附给常见的不同规格的外保温与自保温墙体构造不同种类及厚度的保温材料，分别为40mm、50mm、60mm厚的EPS（聚乙烯泡沫板），XPS（挤塑聚苯板）和岩棉板。《严寒与寒冷地区居住建筑节能标准》规定，≥9层的居住建筑外墙外保温的传热系数K≤0.7W/(m2•K)，因此选择传热系数在0.5~0.7W/(m2•K)之间的墙体构造。根据《陕西省建筑、装饰工程消耗量定额》可以统计得到两种建筑构造每平方米的材料与机械台班用量[3]，再按照阿拉伯数字进行编号。

2结果

2.1物化阶段。由图2可以发现：粉煤灰加气混凝土砌块自保温墙体构造在原材料开采阶段碳排放量最大，且远远大于黏土空心砖外墙外保温墙体构造，这是因为粉煤灰加气混凝土块的生产原料是石灰和水泥，这两种材料都属于高排放量的材料；而在建材/设备生产阶段，240㎜硅酸盐砌块，60厚岩棉板外保温墙体的碳排放量远大于相同厚度墙体及保温的粘土空心砖，主要是因为硅酸盐砌块是由工业废料为原料加工生产而成；从物化阶段各子阶段综合来看，240㎜加气混凝土砌块，60厚的岩棉板外保温墙体最大，且远远大于粉煤灰加气混凝土砌块自保温墙体构造，前者大概是后者碳排放量的1.8倍。2.2使用阶段。本研究中，建筑使用阶段主要考虑了运行耗能和建筑维护更新过程中的碳排放。2.2.1建筑设备运行阶段。B0设备运行能耗主要是建筑投入使用以后日常照明、空调、电梯、通风、炊事、家用电器等各种设备的能源消耗。建筑运营使用阶段是可以通过耗能分析软件进行模拟分析的，本文采用DesignerBuilder对研究建筑进行模拟分析，主要从空调和采暖的消耗两方面统计计算设备运行阶段的碳排放量。通过模拟结果得到单位建筑面积的制冷采暖能耗，将其分别折合成对应的使用电量以及天然气量，通过计算得到其碳排放量。2.2.2维护更新阶段。B4在建筑使用过程中，由于日程生活使用过程中造成某些建筑材料的破坏以及部分建材达到预计的使用寿命后，需要进行更换，因此需要对其进行简单的估算。2.2.3使用阶段总碳排放量对比。在整个建筑使用阶段，B0使用过程（面向建材/设备）子阶段的碳排放量最大，而B4建筑更新阶段仅占到总碳排放量的20%左右。在18种不同的墙体构造组合中，B0子阶段碳排量最低的是240，60EPS黏土多孔砖墙外保温，而在B4子阶段粉煤灰加气混凝土砌块不需要更新建材，因此在该阶段不产生碳排放。整体来看，使用阶段的总碳排放量最低的是粉煤灰加气混凝土砌块。2.3建筑生命终止阶段。针对构造/设备的碳排放量核算，在建筑生命终止阶段，仅需核算C2（再循环/再利用）子阶段，由于这部分碳排放量已在物化阶段核算过，因此在该阶段不再进行重复核算。结论由图4全生命周期碳排放量最低的建筑墙体构造为粉煤灰自保温墙体构造，外保温墙体构造中全生命周期碳排放量最低的是365mm厚粘土空心砖砌块+60mm厚的EPS保温材料。在满足居住建筑节能标准及对环境影响相对较小的前提下，应该根据实际情况选取所需保温形式墙体构造。

本文选取了4种典型的墙体构造，并采用其不同的规格附以不同种类不同厚度的保温材料加以研究，得出以下结论（在所有墙体构造满足居住节能标准要求限值的前提下）：（1）物化阶段，240㎜厚粘土空心砖砌块+60㎜厚的岩棉板外保温墙体的碳排放量（653.47kgco2/m2）最大，且远远大于粉煤灰加气混凝土砌块自保温墙体构造，前者大概是后者碳排放量的1.8倍。（2）使用阶段，240，50厚岩棉板硅酸盐砌块外保温墙体构造碳排放量（1267.82kgco2/m2）最大，最低的是粉煤灰加气混凝土砌块自保温墙体构造（1047.71kgco2/m2）。（3）从建筑全生命周期来看，粉煤灰自保温墙体的碳排放量最小，且用到的材料量也相对较少，其对环境造成的危害也相对最小。因此，仅从环境和成本角度出发，应该选择其作为墙体材料以为环境改善作出相应贡献。（4）外保温墙体构造中，365㎜厚粘土空心砖砌块+60mm厚的EPS的外保温墙体的碳排放量（1484.24kgco2/m2）与粉煤灰自保温墙体（1401.2kgco2/m2）相差不多，相较于其他外保温墙体构造，且其保温性能相对较好，及能相对节能。因此，从节能减排方面考虑，其是18种墙体构造中相对较好的选择。

参考文献：

[1]住宅建筑的全寿命周期能耗研究熊欢，刘建军西南石油大学.

[2]罗智星.建筑生命周期二氧化碳排放计算方法与减排策略研究[D].陕西：西安建筑科技大学，2016.

[3]各种砌块的规格《陕西省建筑、装饰工程消耗量定额》陕西科学技术出版社2004.

作者:毛 潘 罗智星 单位:西安建筑科技大学建筑学院