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夏热冬暖地区住宅建筑全生命周期碳排放测算研究

2024-09-26 37 上传者：管理员

摘要：随着我国城市化进程的加快,住宅建筑规模不断扩大,碳排放亦随之不断上涨。为落实“双碳”目标,控制住宅建筑碳排放量至关重要。本研究以厦门某住宅建筑为例,从全生命周期角度出发,分析了碳排放测算方案,得到其碳排放总量为22573.1tCO2,单位面积碳排放为1.46tCO2/m2。最后给出了优化建筑结构设计、推广绿色建材、优化围护结构性能、提供设备能效水平、加强居民绿色低碳意识等减碳措施,为住宅建筑碳排放测算和控制提供参考。

关键词：
住宅建筑
全生命周期
减碳建议
碳排放测算
绿色建材
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随着我国城镇化率的不断提高,城市规模不断扩大。根据《2023年中国统计年鉴》,2022年,我国城镇人口达到9.2亿人,占比为65.22%,而为满足城镇居民的居住需求,住宅建筑的建设量也在不断增大,2020年全国住宅建筑竣工面积占总面积的78%[1]。为助力城乡建设领域碳达峰目标的实现,开展住宅建筑全生命周期碳排放测算研究具有重要的意义。

国内外学者对建筑全生命周期碳排放进行了大量研究,Leifr[2]将全生命周期定义为原料生产、原材料建造、建筑使用、拆除和处理等4个阶段。Deepak[3]将全生命周期定义为建材生产、建造、建筑使用、建筑维护和拆除等5个阶段,主要是将建筑使用和维护分开,维护阶段产生的碳排放量较大,较为重要。刘念雄[4]分析城市住区建筑碳排放量,并将全生命周期分为建材准备、建造施工、建筑使用和拆除。马彩云[5]分析了福建省4个装配式建筑的碳排放量,并与现浇建筑进行对比,最后给出了相关减排建议。

本研究以厦门某保障房居住小区作为研究对象,从全生命周期角度出发,研究碳排放测算方法,得到碳排放量,分析各阶段碳排放的特点,最后给出相关减碳降碳建议,为住宅建筑绿色低碳化运行提出一定的参考。

1、建筑全生命周期碳排放模型

根据相关研究,本文将建筑全生命周期分为五个阶段:建材生产阶段、建造阶段、使用阶段、寿命终止阶段、建筑拆解后建材再利用、回收阶段。

(1)建材生产阶段包含3个过程:原材料提取与加工、二次材料输入的加工(如回收加工)、运输到制造商处、制造。

(2)建造阶段包含2个过程:运输至工地、施工。

(3)使用阶段包含7个过程:使用、维护、修理、更新、翻新、运行能源消耗、运行水消耗,其中使用、维护、修理、更新、翻新可合并成一个模块进行计算。

(4)寿命终止阶段包含4个过程:拆除、运输到废弃物处理、再利用废弃物处理、废弃物处理。

(5)建筑拆除后建材的再利用、回收阶段。

根据住宅建筑的特点,碳排放测算边界为:建材生产阶段、建材运输阶段、建造阶段、运行阶段、拆除阶段。

1.1 建材生产阶段

建材生产阶段碳排放的计算公式如下。

式中,CSC为建材生产阶段产生的碳排放(kgCO2);Mi为第i种建材的消耗量;Fi为建材碳排放因子(kgCO2/单位建材数量)。其中,建材消耗量可以通过查询设计图纸、工程量清单、材料清单的方式获取。

1.2 建材运输阶段

建材运输碳排放量的计算公式如下:

式中:Cys为建材运输碳排放量(kgCO2);Mi为第i类主要建材的消耗量(t),根据项目相关技术资料确定;Dij为第i类建材采用第j种运输方式的平均运输距离(km),根据供应商与施工现场的位置确定;ETj为第j类运输方式下,单位重量运输距离的碳排放因子kg CO2/(t·kg)。

1.3 建造阶段

建造阶段碳排放主要集中于施工过程中消耗的电、汽油、柴油、燃气。消耗量统计的方法有两种:一是施工工序能耗估算法,即根据各分部分项工程和措施项目的工程量、单位工程的机械台班消耗量和单位台班机械的能源用量逐一计算,汇总得到建造阶段能源总用量;二是施工能耗清单统计法,即通过现场电表、汽油和柴油的计量进行统计,汇总得到建造阶段的实测总能耗。根据现场实测数据进行统计汇总,理论上可行,结果准确可靠,但只能在施工结束后计算,且各个工地统计的数据存在差异,统计精度有限。因此本文采用施工工序能耗估算法。具体计算公式如下:

式中,CEJZ为建造阶段产生的碳排放,kgCO2;EJZ,i为计算周期内消耗的第i种能源总量,kg/a,m3/a;EFi为碳排放因子,kgCO2/kg,kgCO2/m3。

式中,EJZ为建筑阶段总能耗;Efx为分部分项工程总能耗,Ecs为措施工程总能耗,为电力排放因子。

式中,Qfx,i为分部分项工程中第i个项目的工程量,ffx,i为分部分项工程中第i个项目的能耗系数,Ti,j为第i个项目单位工程量第j种施工机械台班消耗量(台班),Rj为第i个项目第j种施工机械单位台班的能源用量,当有经验数据时,可根据经验数据取值,Ejj,i为第i个项目中,小型施工机具不列入机械台班消耗量,但其消耗的能源列入材料的部分能源用量,i为分部分项工程中项目序号,j为施工机械序号。

式中,Qcs,i为措施工程中第i个项目的工程量,fcs,i为措施工程中第i个项目的能耗系数,TA-i,j为第i个项目单位工程量第j种施工机械台班消耗量(台班),Rj为第i个项目第j种施工机械单位台班的能源用量,i为措施工程中项目序号,j为施工机械序号。

1.4 建筑运行阶段

建筑运行阶段的碳排放取决于建筑运行过程中能源消耗引起的碳排放与绿地碳汇固碳量。其计算公式如下:

式中,Cm为建筑运行阶段碳排放(kgCO2);i为能源种类;j为用能系统种类;Ei j为第j类系统的第i类能源消耗量(单位/a);ERi,j为第j类系统由可再生能源提供的第i种能源量(单位/a);Cp为绿色碳汇量(kgCO2/a);y为建筑设计寿命(a)。

1.5 建筑拆除阶段

由于缺少建筑拆除阶段相关数据,且国家和福建省无相关计算标准,因此参考《广东省建筑碳排放计算导则(试行)》,建筑拆除公式如下:

式中,X为地上层数,Y为单位面积碳排放量。

2、实际案例测算分析

本文选取厦门某保障房居住小区作为研究对象,从建筑全生命周期的角度出发,计算该项目碳排放量,并总结各阶段碳排放的特点。该建筑位于厦门市,地处夏热冬暖地区。项目为单栋建筑,总面积15392.42m2,地上15392.42m2,地下0m2。建筑层数31层,建筑高度90.2m。

2.1 全生命周期碳排放测算

2.1.1 建材生产阶段碳排放

建筑材料消耗量数据的获取途径:一是工程预算清单、决算清单。二是根据施工图或设计方案,计算出钢筋、混凝土等主要建材和其他建材的用量,具体计算如表1。

表1 建材生产阶段碳排放量计算表

由表1可知,建材生产阶段碳排放总量为5530.27tCO2。其中钢筋混凝土碳排放占比最大,高达36.46%,其次是水泥砂浆,占比为18.43%。两者占比高达54.89%。

2.1.2 建材运输碳排放

项目根据实际的供货地点、运输距离、运输工具统计建材运输碳排放,项目的建筑均为本地建材,主要建材如砌体切块、钢筋、腻子一般从邻市调入,运输距离在100km以内。具体情况如表2。

表2 建材运输阶段碳排放量计算表

由表2可知,建材运输过程的碳排放为124.00tCO2。碳排放主要集中于混凝土运输,占比高达31.42%,其次为煤矸石烧结多孔砖,占比为20.21%,两者占比高达51.63%。

2.1.3 建造阶段碳排放

根据项目的工程量清单按照公式(3)～公式(8)计算建造阶段碳排放,具体测算结果如表3。

由表3可知,建造阶段的碳排放总量为530.63tCO2。碳排放主要集中于电力,占比为57.18%,其次是柴油,占比为41.31%。

2.1.4 建筑运行阶段碳排放

由于项目仍处于建设阶段,尚未投入使用,无法直接计算项目实际运行能耗数据。本文根据相关标准规范,采用PKPM对建筑供暖、空调、照明等能耗进行模拟,得到建筑的能耗数据,具体情况如表4。

表3 建造阶段碳排放测算表

表4 建筑运营阶段碳排放量计算表

由表4可知,项目一年的碳排放量为317.61t CO2,按照建设设计寿命50年计算,项目运营阶段碳排放为15880.47t CO2。在用能系统中,能耗较大的是空调和热水系统。

2.1.5 建筑拆除阶段碳排放

由于项目仍处于建设阶段,还没达到拆除阶段,无法实际测得其碳排放量,因此采用经验公式(10),项目拆掉阶段单位面积碳排放为32.99kgCO2/m2,因此拆除阶段碳排放量为507.80tCO2。

2.2 结果分析与建议

经核算统计,项目全生命周期碳排放总量为22573.17t CO2,单位面积碳排放为1.46t CO2/m2。各阶段的碳排放占比情况如图1所示:

由图1可知,建筑运行阶段碳排放占比最高,高达70%;建筑运输碳排放占比最小,仅占0.53%。因此为降低住宅建筑全生命周期碳排放,主要通过降低建筑运行阶段和建材生产阶段的碳排放。

图1 项目碳排放饼图

建材生产阶段中碳排放主要集中于钢筋混凝土,可通过优化建筑结构设计,如优先采用钢结构、木结构等结构体系来降低钢筋混凝土的用量。同时,推广绿色建材,有效降低建材生产碳排放。

建筑运行过程中的碳排放主要集中于供暖和空调系统。一方面可以通过优化围护结构保温性能,从源头减少碳排放;另一方面提高设备能效水平,选用高性能的机组,采用高效运行策略,有效降低供暖和空调系统碳排放。另外可进一步推广可再生能源,提高建筑运行效率;同时,加强居民绿色低碳意识,从生活习惯入手,促使其主动行为节能。

3、结论

本研究以厦门某保障房居住小区为例,开展全生命周期碳排放测算研究,得到以下结论:

(1)项目建筑碳排放总量为22573.1tCO2,单位面积碳排放为1.46tCO2/m2。

(2)建筑运行阶段碳排放占比最高,高达70%;建筑运输碳排放占比最小,仅占0.53%。因此为降低住宅建筑全生命周期碳排放,主要降低建筑运行阶段和建材生产阶段的碳排放。

(3)可以通过优化建筑结构设计、推广绿色建材、优化围护结构性能、提供设备能效水平、加强居民绿色低碳意识等措施降低住宅建筑碳排放。

参考文献:

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告[M].北京:中国建筑工业出版社,2022:3.

[4]刘念雄,汪静,李嵘.中国城市住区CO_2排放量计算方法[J].清华大学学报(自然科学版),2009,49(09):1433-1436.

[5]马彩云.装配式建筑物化阶段碳足迹评价及减排策略研究[D].福建农林大学,2019.

文章来源:蔡立宏.夏热冬暖地区住宅建筑全生命周期碳排放测算研究[J].福建建设科技,2024,(05):121-124.