王立平+龔光彩

摘 要：建筑生命周期內(nèi)，尤其是建材準(zhǔn)備階段的能耗和碳排放統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，缺乏精度高且可操作性強(qiáng)的模型.將非等間距灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于合肥地區(qū)住宅建筑建材準(zhǔn)備階段能耗和碳排放的分析預(yù)測(cè)，獲得住宅建筑建材準(zhǔn)備階段能耗和碳排放的預(yù)測(cè)公式，經(jīng)后驗(yàn)差檢驗(yàn)顯示預(yù)測(cè)結(jié)果具有足夠的精度水平.在此基礎(chǔ)上，提出以標(biāo)準(zhǔn)煤作為參考指標(biāo)的單位碳排放條件下能源利用能力的評(píng)價(jià)指標(biāo).通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，建材準(zhǔn)備階段單位碳排放條件下的能源利用能力具有較大的提升空間.

關(guān)鍵詞：能源消耗；建材準(zhǔn)備階段；住宅建筑；非等間距灰色模型；碳排放

中圖分類(lèi)號(hào)：TU111，TK123文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）05-0151-06

Abstract：The statistics of energy consumption and carbon emission of building during the whole life have the characteristics of poverty and great fluctuation in China， especially during the preparing stage of building materials. Further， analysis models to predict the energy consumption and carbon emission with high-accuracy and operability have not yet been developed. In the present study， the unequal interval grey model was introduced for the analysis and prediction of the energy consumption and carbon emission of the residential building materials at preparation stage in Hefei City. The test results with sufficient accuracy were obtained according to the posterior-variance-test. An evaluation index selecting the standard coal as the reference was proposed on the basis of the proposed model to express the energy utilization ability under unit carbon emission. The prediction results show that the energy utilization ability of building materials at preparation stage is still much lower， which can be improved considerably by comparing with the reference index. The proposed method can be employed to evaluate the energy utilization carbon emission in other building form as well as the unfinished deserted building and vacant house.

Key words：energy consumption； building materials preparation stage； residential building； unequal interval grey model； carbon emission

住宅建筑是建筑業(yè)的主要組成部分，通過(guò)歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是開(kāi)工面積、施工面積還是竣工面積均占當(dāng)年房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)比例的70%以上，個(gè)別年份甚至達(dá)到80%.我國(guó)的建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的30%，而如果考慮建材生產(chǎn)過(guò)程中的能耗，這一比例將增加到46.7%[1].隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高，住宅建筑能源消耗也逐漸呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，污染物排放也相應(yīng)的增長(zhǎng).

目前，針對(duì)建筑產(chǎn)品和建設(shè)活動(dòng)的能源利用和環(huán)境影響分析主要集中在應(yīng)用LCA理論從宏觀(guān)和微觀(guān)兩個(gè)角度對(duì)建筑生命周期內(nèi)的環(huán)境影響進(jìn)行研究，宏觀(guān)方面通過(guò)對(duì)建筑系統(tǒng)的生命周期能耗進(jìn)行研究，得出建筑生命周期能源利用和環(huán)境影響總量，并考察能源消耗和環(huán)境影響在各階段間的關(guān)系；微觀(guān)層面通過(guò)對(duì)典型建筑的分析，獲得單位建筑面積建筑在其生命周期的能源利用和環(huán)境影響及在建筑生命周期各階段的分布狀況[2-4].

根據(jù)生命周期理論，建筑生命周期劃分為建材準(zhǔn)備階段、運(yùn)輸和施工階段、運(yùn)行（維護(hù)）階段、拆除階段和廢棄物處理階段[5].建材準(zhǔn)備階段是指從原材料開(kāi)采、運(yùn)輸、加工直至最終形成建材產(chǎn)品的整個(gè)過(guò)程.文獻(xiàn)[3]中指出住宅建筑建造能耗與50 a運(yùn)行及供暖能耗之比為1∶2∶4，其中運(yùn)輸能耗僅占3%～5%.文獻(xiàn)[4]中得出馬鞍山市某12層住宅30 a生命期中運(yùn)行階段與建造階段碳排放的所占比例分別為72.26%和20.77%.以上皆為從總量的角度分析，若考慮到時(shí)間因素，則建材準(zhǔn)備階段的能耗和碳排放的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他階段.但建材準(zhǔn)備階段由于種類(lèi)多、數(shù)量大、涉及范圍廣等因素，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，數(shù)據(jù)差異較大，缺乏具有高精度和可操作性的模型.

灰色系統(tǒng)理論是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息、不確定性問(wèn)題的新方法.其主要研究?jī)?nèi)容是在少數(shù)據(jù)和不確定性背景下的數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象分析、數(shù)學(xué)模型建立、發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)、事物決策、系統(tǒng)控制與狀態(tài)評(píng)估等.馬卓越[6]建立了公共建筑能耗的正負(fù)殘差非等間隔殘差預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行了短期能耗預(yù)測(cè)，其結(jié)果符合能耗增長(zhǎng)的趨勢(shì)；曾荻[7]應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法確定了民用建筑運(yùn)行能耗與各影響因素間的關(guān)聯(lián)度，證明民用建筑運(yùn)行能耗與指標(biāo)體系中的各宏觀(guān)影響因素間均具有比較高的關(guān)聯(lián)度；郭俊杰[8]利用灰色系統(tǒng)理論建立了空氣源熱泵熱水裝置的家庭熱水消耗和能耗模型，預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)對(duì)比表明，模型預(yù)測(cè)精度良好；Y Bai[9]等將灰色預(yù)測(cè)模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合，大幅度提高了對(duì)建筑能耗的預(yù)測(cè)精度.

本文應(yīng)用非等間距灰色GM（1，1）模型對(duì)合肥地區(qū)不同區(qū)域內(nèi)近年建設(shè)的住宅建筑在建材準(zhǔn)備階段的能源消耗和碳排放進(jìn)行分析，提出建立基于建筑面積和層數(shù)的預(yù)測(cè)模型，并從單位碳排放的角度對(duì)建材準(zhǔn)備階段的能源利用能力進(jìn)行評(píng)估.結(jié)果表明灰色模型在建材準(zhǔn)備階段能耗和碳排放預(yù)測(cè)中能達(dá)到較高的精度，具有一定的科學(xué)性和參考價(jià)值.

1 灰色系統(tǒng)理論簡(jiǎn)介

任何建設(shè)項(xiàng)目所需要的人工、材料、機(jī)械等的消耗量都可以根據(jù)國(guó)家頒布的定額標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算.建筑工程定額是指在正常的施工條件下，完成一定計(jì)量單位的合格產(chǎn)品所必須消耗的勞動(dòng)力、材料、機(jī)械臺(tái)、班的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn).這種量的規(guī)定，反映出建筑工程中的某項(xiàng)合格產(chǎn)品與各種消耗之間特定的數(shù)量關(guān)系.因此，以建筑工程定額作為建筑建設(shè)階段的建材、能源、人力消耗的統(tǒng)計(jì)依據(jù)，方法科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、具有普適性.通過(guò)工程定額確定工程項(xiàng)目在建材準(zhǔn)備階段所消耗的主要建材種類(lèi)和數(shù)量，進(jìn)而獲得該建筑在建材準(zhǔn)備階段的物化能耗和碳排放數(shù)據(jù)，即為該系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)系列.該數(shù)據(jù)序列會(huì)受到多種因素的影響，如設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)思想、甲方經(jīng)營(yíng)理念、營(yíng)銷(xiāo)模式等多種因素影響，具有明顯的灰色系統(tǒng)的顯著特征.應(yīng)用灰色預(yù)測(cè)理論淡化或消除沖擊擾動(dòng)對(duì)該數(shù)據(jù)序列的影響，獲得住宅建筑建材階段能耗和碳排放的真實(shí)行為序列.

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

建材準(zhǔn)備階段的能源消耗和污染排放主要來(lái)自于原材料的開(kāi)采、運(yùn)輸和加工過(guò)程中的能源消耗和污染排放.由于涉及建材種類(lèi)眾多、數(shù)量不一，環(huán)境影響種類(lèi)眾多、影響過(guò)程復(fù)雜、權(quán)重確定等方面因素，本文暫以能耗和CO2排放作為評(píng)價(jià)依據(jù).

2.1 能耗和碳排放的統(tǒng)計(jì)

在建筑產(chǎn)品施工過(guò)程中，使用的建材種類(lèi)繁多，數(shù)量不一.因此，統(tǒng)計(jì)所有建材的數(shù)據(jù)是不切實(shí)際的.以往研究中也僅關(guān)注主要建筑材料.但是，對(duì)于單位能耗量較高或可能產(chǎn)生重大環(huán)境影響的小部分建材，忽略不統(tǒng)計(jì)會(huì)導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤.經(jīng)過(guò)對(duì)多分樣本的材料消耗統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析，最終確定進(jìn)入建材準(zhǔn)備階段能耗和碳排放分析范圍的建筑材料，并對(duì)其單位含能和碳排放進(jìn)行逐項(xiàng)統(tǒng)計(jì).所謂含能是指單位產(chǎn)品從自然界原始材料的掘取經(jīng)過(guò)運(yùn)輸、加工、組裝直至成品出廠(chǎng)前的所有相關(guān)過(guò)程的能耗總和.要得到建筑材料和燃料、動(dòng)力的含能和CO2排放量數(shù)據(jù)，需要大量的調(diào)研工作.本文的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于文獻(xiàn)[11-15]，如表2所示.

2.2 能碳比（QCR）

隨著建筑等級(jí)和規(guī)模的提高，能量消耗必然逐漸增加，隨之而來(lái)的各種環(huán)境問(wèn)題也在逐漸增加.在有效利用各種形式能量的同時(shí)，如何降低對(duì)環(huán)境的影響是我們所需要關(guān)注的.基于此，若以碳排放作為環(huán)境影響的一個(gè)參考指標(biāo)，則可以利用能碳比（energy-carbon ratio，QCR）來(lái)對(duì)建筑或建設(shè)活動(dòng)中能源消耗（Q）與碳排放（C）之間關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià).所謂能碳比（QCR）是指在建設(shè)活動(dòng)或建筑生命周期內(nèi)消耗總能量（Q）與碳排放量（C）之比，即

其單位為MJ/kgCO2.意為單位碳排放的情況下利用能量的能力.該數(shù)值越大，說(shuō)明在能源利用過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)面環(huán)境影響（以碳排放計(jì)）越小或單位碳排放條件下的能量利用能力越高.

2.3 參考指標(biāo)

單純的能碳比（QCR）數(shù)值無(wú)法評(píng)價(jià)其實(shí)際意義.為便于分析比較，可選擇一有代表性的指標(biāo)作為參考標(biāo)準(zhǔn)（以下標(biāo)0表示），其他過(guò)程的QCR與該指標(biāo)相比獲得無(wú)量綱的參數(shù)即相對(duì)能碳比（relatively energy-carbon ratio，RQCR）.

建筑材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工過(guò)程涉及到冶金、化工、交通、機(jī)械等社會(huì)各個(gè)行業(yè)，建設(shè)活動(dòng)的能源消耗和環(huán)境影響能夠從總體上反映社會(huì)各行業(yè)的總體狀況.因此，參考指標(biāo)的選取需要具有普遍意義.煤炭在中國(guó)一次能源生產(chǎn)中的比例接近 77%，在一次能源消費(fèi)中的比例為70%左右，發(fā)電消耗原煤占國(guó)內(nèi)煤炭消費(fèi)總量的 50%左右[16]，同時(shí)煤炭作為一種礦產(chǎn)資源在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色.以標(biāo)準(zhǔn)煤作為參考指標(biāo)既具有普遍意義，又便于擴(kuò)展及在工程中進(jìn)行應(yīng)用.根據(jù)文獻(xiàn)[17]標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放為2.54 t CO2/tce，計(jì)算得到QCR的參考指標(biāo)為11.54 MJ/kgCO2.RQCR大于1則顯示該過(guò)程單位碳排放條件下能源利用能力相對(duì)較高，反之則代表該過(guò)程能源利用能力仍有一定的提升空間.

3 實(shí)例分析

以合肥地區(qū)不同區(qū)域的15棟住宅建筑為例，建筑面積從5 000～18 900 m2不等，總建筑面積約21萬(wàn)m2，項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間在2009-2014年.對(duì)樣本建筑進(jìn)行觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)新建住宅建筑多為高層建筑，超高層建筑和多層建筑所占比例相對(duì)較低.因此，在選擇計(jì)算建筑時(shí)以高層建筑為主.通過(guò)對(duì)前述灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型分析，x0k1的數(shù)值對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果有一定影響.因此，在多層建筑中選擇相對(duì)有代表性并且數(shù)據(jù)齊全的一棟4層住宅.

通過(guò)對(duì)樣本建筑預(yù)（決）算中所消耗的前述建材進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各個(gè)建筑土建部分主要建材的能源消耗和碳排放情況見(jiàn)表3.表3中x為建筑層數(shù)，部分建筑層數(shù)相同，結(jié)果取其平均值.

建材準(zhǔn)備階段的能耗與建筑功能、建筑規(guī)模、建筑結(jié)構(gòu)等因素有直接關(guān)系，建筑面積越大則建材使用種類(lèi)和數(shù)量越多；建筑層數(shù)則決定了建材的規(guī)格和數(shù)量.應(yīng)用前述非等間距GM（1，1）模型并借鑒文獻(xiàn)[20]中的預(yù)測(cè)公式構(gòu)成模式，以合肥地區(qū)上述建筑能耗和碳排放數(shù)據(jù)重新進(jìn)行分析，根據(jù)式（1）～（6），可以計(jì)算得到單位面積能耗和碳排放的預(yù)測(cè)公式分別為：

應(yīng)用式（7）～（10），對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，其結(jié)果見(jiàn)表4.從評(píng)估結(jié)果可以看出，兩個(gè)預(yù)測(cè)值的均方差比值均處于第一等級(jí)，而小概率誤差均為第二等級(jí)，都滿(mǎn)足精度要求.預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2.

由圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，住宅建筑建材準(zhǔn)備階段單位面積無(wú)論是能耗還是碳排放都隨著建筑的層數(shù)增加而逐漸增加，但增速逐漸降低，建筑層數(shù)達(dá)到30以上時(shí)，曲線(xiàn)逐漸趨于平緩.根據(jù)式（10）～（11）和預(yù)測(cè)結(jié)果式（12），式（13），得到合肥地區(qū)住宅建筑建材準(zhǔn)備階段能耗和碳排放的關(guān)系為：

根據(jù)圖3和圖4，合肥地區(qū)住宅建筑建材準(zhǔn)備階段的能碳比（QCR）的大小在9～12之間，即每利用9～11 MJ能量需要向環(huán)境排放1 kgCO2，相對(duì)能碳比（RQCR）的預(yù)測(cè)值約為0.82～0.84，也即建材準(zhǔn)備階段的能碳比僅為標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒能碳比的82%～84%，單位碳排放條件下的能源利用能力偏低，究其原因是混凝土、金屬型材等主要建筑材料的能碳比較低所導(dǎo)致.

4 總 結(jié)

應(yīng)用非等間距灰色GM（1，1）模型對(duì)合肥地區(qū)不同區(qū)域14棟2009-2014年間建設(shè)的住宅建筑建材準(zhǔn)備階段的能耗和碳排放進(jìn)行分析，得到該地區(qū)以4層為起點(diǎn)的住宅建筑建材準(zhǔn)備階段能耗和碳排放的預(yù)測(cè)方法，通過(guò)后驗(yàn)差檢驗(yàn)顯示其具備足夠的精度水平.樣本建筑單位碳排放條件下能源利用能力偏低，具有較大的提升空間.該方法可應(yīng)用于爛尾樓和空置房的研究，同時(shí)對(duì)于其它類(lèi)型建筑的能源利用和環(huán)境影響的研究有一定參考價(jià)值.

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