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基于全生命周期低碳理论的工业建筑可持续设计研究

2024-08-22 109 上传者：管理员

摘要：面对碳中和的世纪目标，建筑系统的低碳设计受到普遍关注。文章以全生命周期的低碳设计理论为基本框架，耦合生态能值方法，对工业建筑目标进行了定量技术和定性分析。研究探讨建筑设计中低碳理念的运用，总结建筑主要材料的碳排放量及空间布局策略，碳汇量按照50年计算，则在整个使用期可吸收5657514.6 kgCO2，以促进低碳建筑发展。

关键词：
低碳设计
全生命周期理论
可持续发展
工业建筑
能源
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近十年来，我国既有建筑面积从420亿m2增长到了约690亿m2。如此巨大面积的建筑会消耗更多的能源与资源，排放更多的温室气体。因此，建筑节能减排对我国碳减排目标的实现具有重要意义[1]。面对我国对碳中和目标的庄严承诺，建筑系统及其相关产业的碳排放量占据了整个社会层面碳排放量的一半，所以进行低碳设计是必要的。目前，建筑相关的各个行业均在进行低碳化改造。随着工业模式的拓展，工业建筑作为一种主要的建筑类型，同样需要进行生态和低碳设计与改造。

目前，国内外对于工业建筑低碳设计和改造的研究特点各不相同。研究者们不仅关注建筑本身，更注重从时间维度综合考虑不同阶段的材料生产、运输、建筑施工、建筑运营及拆除等环节，合理安排不同设计元素之间的衔接，将各阶段对环境的影响降到最低。

全生命周期理论最早由美国心理学家卡曼（A.K.Karman）在20世纪60年代提出。全生命周期评估（life cycle assessment,LCA）广泛用于衡量和评估特定产品在其整个生命周期中的环境影响[2]。通过定义特定产品全生命周期的分析范围，可以充分了解潜在的能源消耗、碳排放量和对环境的影响，而全生命周期评估被认为是很有前景的评估与设计指导工具[3]。全生命周期评估已经主要应用于建筑材料、建筑产品和整个建筑三个层面的建筑性能评价[4]。

1、低碳工业建筑的发展

1.1低碳工业建筑的概念及发展历程

低碳工业建筑是指在建筑的全生命周期内，采用缩减化石能源使用和降低二氧化碳排放的材料和设备，来构建工业建筑。其中，低碳材料包括高密度纤维板、三聚氰胺板、胶合板和刨花板等；而低碳工业建筑设计则包括了绿色建筑、节能建筑、建筑施工中及施工后的碳排放等各个方面，同时需要符合国家规定的相应指标。

表1 CASBEE评估项目分析

低碳工业建筑理论提出了两个综合性指标：第一个是工业生产活动中释放出来的二氧化碳；第二个则是住房和城乡建设部发布的国家标准《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）。其中，碳汇的定义为“在划定的建筑物项目范围内，绿化、植被从空气中吸收并存储的二氧化碳量”[5]。

1.2低碳建筑的发展分析方法

随着全球变暖，日本CASBEE增加了全生命周期二氧化碳排放量的计算，包括三个部分。(1)建设中二氧化碳的排放量；(2)建筑物的冷热负荷、自然资源利用种类、适用设备的利用率计算；(3)修缮、更新和解体过程中二氧化碳的排放量。全生命周期二氧化碳排放量为三部分的总和（见表1）。

2、研究方法

建筑建造阶段的碳排放应包括工程施工过程中产生的碳排放和各项目实施过程产生的碳排放；计算时间从项目开工起至项目竣工验收止，拆除阶段计算时间从拆除起至拆除肢解并从楼层运出止。

(1）建材生产阶段碳排放应按下式计算：

Csc——建材生产阶段碳排放（kgCO2e);

Mi——第i种主要建材的消耗量；

Fi——第i种主要建材的碳排放因子（kgCO2e/单位建材数量）。

(2）建材运输阶段碳排放应按下式计算；

Cys——建材运输过程碳排放（kgCO2e);

Mi——第i种主要建材的消耗量（t);

Di——第i种建材平均运输距离（km);

Ti——第i种建筑的运输方式下，单位重量运输距离的碳排放因子[kgCO2e/(t·km)]。

(3）建筑建造阶段的碳排放量计算公式：

CJZ——建筑建造阶段单位建筑面积的碳排放量（kgCO2/m2);

Ejz,i——建筑建造阶段第i种能源总用量（kWh或kg);

EFi——第i类能源的碳排放因子（kgCO2/kWh或kgCO2/kg);

A——建筑面积（m2）。

(4）建筑碳排放应当计算运行阶段的碳排放量；其范围应该包括暖通空调、生活热水、照明及电梯、可再生能源、建筑在运行期间的碳排放量；一般按照50年计算。

Cm——建筑运行阶段单位建筑面积碳排放量（kgCO2/m2);

Ei——建筑第i类能源年消耗量（单位/a);

Ei,j——j类系统的第i类能源消耗量（单位/a);

ERi,j——j类系统消化由可再生能源系统提供的第i类能源量（单位/a);

i——建筑消耗终端能源类型，包括电力、燃气、石油、市政热力等；

j——建筑用能系统类型，包括供暖空调、照明、生活热水系统等；

Cp——建筑绿地碳汇系统年减碳量（kgCO2/a);

y——建筑设计寿命（a);

A——建筑面积（m2）。

(5）建筑拆除阶段的单位建筑面积的碳排放量计算：

Ccc——建筑拆除阶段单位建筑面积的碳排放量（kgCO2/m2);

Ecc,i——建筑拆除阶段第i种能源总用量（kWh或kg);

EFi——第i类能源的碳排放因子（kgCO2/kWh），按中华人民共和国住房和城乡规划建设部和国家市场监督管理总局发布的《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）取值；

A——建筑面积（m2）。

3、案例实践分析

基地占地30 118.94 m2，位于四川省宜宾市长宁县。该县历史悠久，生态环境优良，森林覆盖率高达53.8%，森林面积达80.7万亩（538 km2），空气中负离子含量非常高，每cm3可达到4.7万个。交通便利，资源丰富。总平面布局尊重自然、因地制宜。基地包括两栋厂房、一栋办公楼、一座门卫室和一个露天堆场（见图1）。在厂房和其他建筑之间设置了足够的退距，厂区内的主要道路与消防车道结合设置为环形。厂房均为二级耐火建筑，办公楼也为二级耐火建筑。消防设计严格按照《建筑设计防火规范（2018年版）》（GB 50016—2014）进行。沿着厂区四周设置货运通道兼消防道路，消防道路宽度不少于4 m，转弯半径按照不少于12 m的标准设置。

3.1设计策略

3.1.1整体性及生态性

(1）此项目运用了低碳理论进行可持续设计，在此设计中采用碳汇、就地取材、水资源回收利用、低碳材料、近距离运输等方式进行低碳设计。

(2）废钢筋及边角料由专业厂家回收处置。

(3）沉淀池沉渣及除尘器收集的粉尘作为原料使用，回收后用于生产。

(4）离心过程产生的水泥浆回收后用于生产。

(5）在建筑运行过程中采用日产日清的模式，对化粪池污泥进行定期清理，脱水后到指定地点焚烧处理。

3.1.2设备空间及辅助空间

(1）此项目中设计了灵活可变的空间，方便生产制造和存储，并能够随时调整使用空间。建筑采用钢结构和碳钢板修建，通风良好，室内空间宽敞。

(2）辅助空间布局合理，服务于设备空间和管理需要。该项目包括办公楼、暂存区、锅炉房、卫生间、沉淀池、雨水收集系统和沉砂池等辅助空间（见图1）。

3.2建筑材料碳排放量

依据项目主要材料用量（见表2）计算建筑材料碳排放量。

(1）建筑材料碳排放量：

根据经验，材料运输阶段的碳排放计算选用中型汽油车（载重8 t），碳排放因子（T1）为0.115 kgCO2e/(t·km)。材料的运输距离（D1）根据实际情况取49.7 km。材料的总重量（m1）为87 189.313 903 102 t。

(2）建材运输阶段碳排放应按下式计算：

(3）建造阶段碳排放Cjz核算：由于该建筑已竣工多年，施工资料缺失，根据经验公式法估算：Y=X+1.99,X为地上层数，Y为单位面积的碳排放量，单位为kgCO2。该方法通过经验公式估算建筑的单位面积建造碳排放量，得到生产车间单位面积CO2排放量=2+1.99=3.99 kgCO2，再结合建筑面积计算出整个建造过程的碳排放总量估算值，建筑建造阶段的碳排放总量估值为3.99×9 493.34=37 878.426 6 kgCO2。

(4）运行阶段碳排放Cm核算：根据能耗监测系统数据，该项目运行阶段的能源消耗全部为电力消耗，2022年全年能耗总量为368.03万kWh，电力碳排放因子为0.374 8 kgCO2/kwh，因此若只计算此年运行碳排放数据，则该项目2022年运行产生的碳排放为：3 680 300×0.374 8=1 379.376 44 tCO2。

图1基地功能分析图

（图片来源：作者自绘）

表2项目主要材料用量清单

由于该项目尚处于运营中，若要进行整个使用期碳排放核算，则可按照建筑设计年限50年作为建筑寿命，以2022年运行碳排放为基准值估算整个使用期运行碳排放，即为：3 680 300×0.374 8×50=68 968.822 tCO2。

(5）拆除阶段碳排放CCC核算：由于该项目尚处于运营中，目前未到拆除阶段，因此可以参考建造阶段碳排放的估算方法，采用经验公式，粗略估算拆除阶段的碳排放。

采用经验公式Y=X+1.99，得到单位面积CO2排放量=2+1.99=3.99 kgCO2，则拆除阶段碳排放估算值为3.99×9 493.34=37 878.426 6 kgCO2。

3.3分析与策略

3.3.1分析结果

在工业建筑中，碳排放包括雾化阶段、使用阶段和拆除阶段。此基地的绿地面积为3 072.13 m2，绿地率为10.20%；一亩成熟的树林吸收二氧化碳量为24.455 t，此基地平均种植了279.28～506.95棵树，取中间值为418.92，每棵树每天可以“抹去”0.74 kgCO2，基地一天的绿化和植被碳汇吸收并储存的量为310.000 8 kg，一年可吸收二氧化碳达到113 150.292 kg。按照50年计算，则整个使用期的碳汇量为5 657 514.6 kgCO2。

在项目中采用透水地面水系统，生活污水、锅炉废水、初期雨水、洗车废水、设备及地面冲洗废水均不外排，收集的废水倒回混凝土中。在建筑材料方面，采用可循环材料、可再利用材料、本地化建材、低碳建材及可降低碳排放且可循环利用的可持续发展材料。在施工和装修过程中，采用节水、节材和装修材料轻量化等措施，以达到工业建筑材料被碳汇吸收的低碳排放和节能减排，实现人与自然和谐共处。

3.3.2设计层面的优化策略

基于适合工业建筑的低碳技术，可以采用融合被动式技术和非机械电器设备干预的手段来实现建筑能耗降低的节能技术。在建筑规划设计阶段，可以通过合理布置建筑朝向、设置遮阳、采用围护结构保温隔热技术及有利于自然通风的建筑开口设计等方式来降低建筑的能耗，包括采暖、空调和通风等方面[6]。

3.3.3方法层面的优化策略

在低碳排放和可持续发展的生态背景下，太阳能显得尤为重要。主动式太阳能技术是一种利用外部技术手段对太阳能进行收集、存储和利用的建筑能源利用形式，包括太阳能热水、太阳能空调、太阳能通风和光伏发电等[7]。例如，在建筑的屋顶上设置太阳能光伏板或者架空屋面，夏季可以作为通风间层将多余的热量带走，冬季则作为保温间层为屋顶提供保温效果[8]。

主动式太阳能采用的收集器附着在建筑及其结构之上，是一套单独需要功能的装置，例如太阳能热水器和太阳能光伏板[9]。

4、结论与展望

4.1结论

本论文主要关注工业建筑的碳排放问题，通过计算主要建材的碳排放量，发现空心砖的碳排放最低。在建设过程中采用了低碳材料并且运用可持续发展的水重复循环利用系统，从而降低了二氧化碳的排放量，并且通过绿化和植被吸收空气中的二氧化碳，实现了基地低碳设计。

此项目采用了可循环利用的材料、可回收的材料、建筑材料轻量化及运输短途化等策略，达到了低碳排放和可持续发展的目标。因此，本论文探究了运用低碳建筑设计理念的意义，并总结了合理的建筑设计策略。

4.2展望

全生命周期工业建筑低碳分析还可以从暖通、电器、气候等方面进行研究。但对建筑施工和拆除阶段的具体情况缺乏了解，只能采用经验估算法。因此，需要进一步研究预测此项目的施工和拆除阶段的工程量，并细化和改进工业建筑施工和拆除阶段的碳排放计算。在此项目中可以从主动式建筑改善，比如可以使用光伏进行发电、风力或者水力发电，进一步减少碳排放。随着技术的不断革新，未来还有很大的空间去探索更多的低碳建筑设计策略。

参考文献:

[1]马康维.寒冷地区办公建筑全生命周期碳排放测算及减碳策略研究[D].西安:西安建筑科技大学,2019.

[2]朱贝丽.光伏建筑一体化(BIPV)低碳设计研究:以苏州为例[D].苏州:苏州科技大学,2022.

[5]周娟.低碳工业园区评价指标体系研究:以湖北省为例[D].武汉:华中科技大学,2013.

[6]张小鸥,崔丹蕊.融合被动式技术的绿色低碳工业建筑分析与实践[J].建筑科技,2022,6(06):12-15.

[7]杨茜.主动式太阳能技术与办公建筑设计一体化研究[D].重庆:重庆大学,2010.

[8]张凯,李岳岩.基于建筑全生命周期使用阶段的工业建筑低碳改造研究以西安建筑大学热力中心为例[J].室内设计与装修,2021(03):116-117.

[9]丁英杰,胡博雅.主动式太阳能技术与建筑立面设计的结合[J].中国建筑金属结构,2021(05):72-73.

文章来源:黄莉,张军学,刘伟.基于全生命周期低碳理论的工业建筑可持续设计研究[J].城市建筑,2024,21(16):132-135.