葉 吳銀光 吳國駿 張曼怡 陳 宏

中國社會正處于蓬勃發(fā)展階段，但快速發(fā)展也帶來了許多環(huán)境問題，比如我國已經(jīng)成為碳排放量最多的國家之一。于是在“十四五”的背景要求下，我國多次表示要力爭在2030年前達(dá)到CO2排放峰值，2060年前努力實現(xiàn)碳中和。為響應(yīng)國家號召，我國各行各業(yè)都在進(jìn)行低碳發(fā)展的轉(zhuǎn)型。中國建筑業(yè)CO2排放量占全球活動碳排放的40%左右[1]。數(shù)據(jù)顯示僅2016年中國建筑業(yè)消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤就為8.99億噸，占全國能源消耗的20.62%，制造了19億6000萬噸的CO2[2]。建筑的LCCO2是指在建筑產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)，計算因能源和資源消耗而在外部環(huán)境中產(chǎn)生的碳排放總量。其中包括了幾個階段，分別是建筑運行階段、建筑材料生產(chǎn)和運輸階段、施工和拆除階段。

目前我國碳排放量的計算還處于比較基礎(chǔ)階段。當(dāng)前估算建筑物碳排放的主要方法有測量法、材料平衡算法、模型法和排放系數(shù)法[3]。Chiara Piccardo等人[4]基于建筑的全生命周期，計算得出即使假定碳供應(yīng)量非常低，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱改善也可以在整個生命周期內(nèi)節(jié)省大量最終能源和一次能源，并減少CO2排放。從工業(yè)革命到現(xiàn)在，化石能源是生活中不可缺少的主要能源之一，對此的依賴程度穩(wěn)步上升?？焖俚某鞘谢M(jìn)程和碳排放同時增加，自1990年以來，全球碳排放總量增加了約50%，碳排放問題早已被放上臺來，歸為影響全球氣候變暖的主要因素[5]。

從建筑領(lǐng)域出發(fā)，建筑的類型具有多樣性。而校園建筑是城市建筑里的重要類型。近年來低碳校園、綠色校園的話題更是層出不窮。學(xué)校作為青年學(xué)生社會實踐和科研活動最密集的場所，應(yīng)當(dāng)積極擔(dān)負(fù)社會責(zé)任，直面碳減排問題[6]。校園能源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含的建筑類型眾多，其中宿舍相當(dāng)于一個生活用能集合體。在整個生命周期中，能源資源的消耗和廢棄物的處理將帶來巨大的碳排放量[7]。

通過實地調(diào)研數(shù)據(jù)，研究校園宿舍的全生命周期碳排放，既可以反映出學(xué)校的現(xiàn)狀問題，也可以模擬運用現(xiàn)在的新技術(shù)，新材料進(jìn)行優(yōu)化后是否能達(dá)到一個減碳效果。對于校園建筑日后的碳減排優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

1 研究對象的確定

本文選取湖北省宜昌市某中學(xué)作為研究對象。宜昌是湖北省的地級市，古稱夷陵，因“水至此而夷、山至此而陵”得名。地處夏熱冬冷地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。中學(xué)新校區(qū)于2017年投入使用。學(xué)校用地面積216012.76m2，建筑面積120045m2。容積率0.52，建筑密度12.2%，綠地率42%（圖1）。在校學(xué)生規(guī)模約3200人。其中有4棟5層的學(xué)生公寓，按6人間布置，共設(shè)置617間學(xué)生宿舍，宿舍建筑面積22781m2（圖2）。

圖1 項目效果圖

圖2 宿舍范圍

2 碳排放的全生命周期計算與優(yōu)化分析

2.1 宿舍現(xiàn)狀碳排放計算

（1）碳排放計算方法介紹

運行階段碳排放計算方法：建筑運行期間碳排放的計算范圍包括運行期供暖空調(diào)、生活熱水、照明和電梯、可再生能源、建筑碳匯系統(tǒng)的碳排放[8]。

本文依據(jù)《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366—2019）計算碳排放量。主要方法為能耗量乘以碳排放因子（圖3）。

圖3 建筑物運行階段碳排放計算邊界及范圍的劃分

（2）現(xiàn)場調(diào)研

宿舍形式較為簡單，以條狀平面布局，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。命名為E1、E2、E3、E4棟（圖4～5）。用電能源類型有宿舍重要負(fù)荷、開水器、空調(diào)、熱水器、照明插座。由于學(xué)生宿舍類型的特殊性，空調(diào)設(shè)備的使用時間僅在特定時間段開啟，并且電費自理（圖6～10）。

圖4 宿舍區(qū)效果圖

圖5 宿舍平面示意圖

圖6 宿舍總電耗調(diào)查統(tǒng)計

圖7 E1宿舍分項電耗統(tǒng)計

圖8 E2宿舍分項電耗統(tǒng)計

圖9 E3宿舍分項電耗統(tǒng)計

圖10 E4宿舍分項電耗統(tǒng)計

圖11 宿舍水耗調(diào)查統(tǒng)計

（3）運行階段碳排放結(jié)果（表2）

表2 宿舍運行階段碳排放計算

宜昌屬于華中電網(wǎng)，碳排放因子為0.5257kgCO2/kWh（表1）。

表1 2012年中國地區(qū)電網(wǎng)平均CO2排放因子（kgCO2/kWh）

（4）建筑材料生產(chǎn)和運輸過程碳排放結(jié)果

根據(jù)調(diào)研得到的材料用量表可知，E1宿舍樓主體結(jié)構(gòu)主筋鋼筋總用量250.463t，E2宿舍樓主體結(jié)構(gòu)主筋鋼筋總用量254.715t，E3宿舍樓主體結(jié)構(gòu)主筋鋼筋總用量305.438t，E4宿舍樓主體結(jié)構(gòu)主筋鋼筋總用量411.053t?？傆嬩摻钣昧?221.67t。因其他混凝土等材料為整體采購，具體施工用在宿舍樓的數(shù)量未知，采用平均估算法，整體采購25000立方混凝土，宿舍樓用量大約2000立方，一立方混凝土為2.4t，C50混凝土用量4800t。

建材生產(chǎn)碳排放：

1221.67×2.05+4800×0.385=4352.42t CO2

建材運輸碳排放：

1221.67×500×0.000057+4800×40×0.000057=45.76tCO2

由于實際運輸方式不明，默認(rèn)全部選擇重型柴油貨車（載重46t）運輸，碳排放因子0.057[kgco2e/(t·km)]。

混凝土的基本運輸距離為40km，其他建筑材料的基本運輸距離為500km。

（5）施工和拆除階段碳排放結(jié)果

由于實際建造過程所用工程機械現(xiàn)在并不能確定，擬定為履帶式推土機，功率75kW，所需柴油 56. 50kg。若工作24小時，則需要柴油1356kg。柴油的燃燒值是3.3×107J/kg，能量為4.5×1010J，碳排放因子為72.59tCO2/TJ。

建造階段碳排放為：

72.59×0.045TJ×90天=294tCO2。

中國目前建筑中沒有拆除的碳排放數(shù)據(jù)庫，因此本文采用經(jīng)驗推算法，根據(jù)施工階段的10%計算碳排放量[9]。

拆除階段碳排放為：294×0.1=29.4tCO2。

2.2 宿舍優(yōu)化提升后碳排放計算

（1）綠色建筑技術(shù)策劃及策略提出

從計算結(jié)果可得，建筑全生命周期碳排放占比最大的為建筑運行階段。從現(xiàn)場測繪調(diào)研的情況來看，學(xué)生宿舍對于被動式的技術(shù)幾乎沒有運用。采用單元式空調(diào)進(jìn)行供冷供暖，電熱水器提供生活熱水。因此，筆者總結(jié)了以下碳減排策略，為校園建筑提供優(yōu)化指導(dǎo)的思路。

①在前期設(shè)計上可提高包括墻體、屋頂、門窗、地板的保溫性和隔熱性這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能。降低建筑運行階段的冷熱負(fù)荷。

②在前期設(shè)計上盡可能優(yōu)化建筑平面布局，合理利用自然采光和自然通風(fēng)進(jìn)行節(jié)能。

③在后期運維上使用性能較好的節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，減少建筑單位面積的冷熱負(fù)荷。

④使用高效的節(jié)能設(shè)備，如燈具、插座、節(jié)水器具。適當(dāng)加設(shè)太陽能生活熱水系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)。

從《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378—2019）切入，列舉了項目優(yōu)化和減少碳排放相關(guān)的綠色技術(shù)規(guī)定[10]（表3）。

表3 選用綠色技術(shù)條文

表5 學(xué)生宿舍優(yōu)化后運行階段碳排放計算

表8 坐便器用水效率等級指標(biāo)[13]

表9 小便器沖洗閥用水效率等級指標(biāo)

（2）優(yōu)化后全生命周期碳排放計算

①運行階段：將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工程構(gòu)造進(jìn)行調(diào)整。外墻的K值從0.95調(diào)整至0.768，屋頂構(gòu)造的K值從0.44調(diào)整至0.36（圖12）。并且增設(shè)了太陽能熱水系統(tǒng)（表4～5）。

表4 學(xué)生宿舍優(yōu)化后能耗計算

圖12 宿舍模擬建模示意圖

a 節(jié)水龍頭（表6）。

表6 水嘴用水能效等級指標(biāo)[11]

b 節(jié)水坐便器（表7～9）。

表7 大便器沖洗閥用水效率等級指標(biāo)[12]

c 節(jié)水淋浴器（表10）。

表10 淋浴器用水效率等級指標(biāo)[14]

d 每人每天節(jié)水公式為[15]（表11）。

表11 各指標(biāo)含義及取值

通過以上公式算得：Qd =2L，學(xué)生宿舍入住大約3000人；

使用節(jié)水器具后年節(jié)水量為2×3000×365=2190t；

年減碳量為：2190×0.000168=0.37tCO2。

e 優(yōu)化增加200m2落葉喬木，200m2草本花卉（表12）。

表12 不同生活型植物單位葉面積日固碳量[16] g/ (m2·d）

年碳匯值為：3 6 5×（9.7 5×2 0 0+12.16×200）=1599430g=1.6tCO2。

②建材生產(chǎn)及運輸階段

筆者根據(jù)綠色技術(shù)條文，選擇更加環(huán)保的建造材料，選用碳排放因子較小的轉(zhuǎn)爐碳鋼1.99tCO2/m2。

生產(chǎn)碳排放為：1221.67×1.99+4800×

0.385=4279.12tCO2。

運輸產(chǎn)生的碳排放由于材料總重量和運輸方式?jīng)]有改變，故維持45.76tCO2不變。

③建造及拆除階段

此階段由于建造方式和拆除回收比例不變，故碳排放量維持不變。

（3）對比驗證碳減排策略

通過以上對比計算（圖1 3），我們可以得到學(xué)生宿舍優(yōu)化前全生命周期碳排放量為1 8 5 6 3.6 2 1t C O2，優(yōu)化后為13 9 9 3.8 2 1t C O2（表13），減碳量為4569.8tCO2。其中對減碳量影響最大的是運行階段的電耗減碳，占比96.2%，對應(yīng)綠色建筑技術(shù)條文的7.2.4和7.2.9。提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和使用可再生能源。其次對減碳量影響較明顯的為生產(chǎn)階段的建材改變，減碳占比1.65%，對應(yīng)7.2.15和7.2.17。使用合理的建筑結(jié)構(gòu)材料與構(gòu)件，使用可循環(huán)材料。對于碳匯減排，模擬增加的綠化面積越多減排量越顯著，對應(yīng)8.2.3充分利用場地空間設(shè)置綠化用地。

圖13 學(xué)生宿舍優(yōu)化前后碳排放量對比柱狀圖

表13 學(xué)生宿舍優(yōu)化前后全生命周期減碳比

結(jié)語

本文選取宜昌市某中學(xué)宿舍樓為目標(biāo)對象，通過調(diào)研和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源，運用PK PM軟件進(jìn)行優(yōu)化后能耗模擬，并基于《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51366—2019）計算出項目現(xiàn)狀全生命周期年碳排放量為18563.621tCO2，再從《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378—2019）里選出運用在優(yōu)化上的綠色技術(shù)條文，得到減碳量為4569.8tCO2。得到結(jié)論如下：

①學(xué)生宿舍運行階段的碳排放量最大占比74.7%，建造拆除階段最小占比1.6%。

②使用綠建技術(shù)如將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能在原有基礎(chǔ)上提升20%，并且利用太陽能熱水，可以減少24.6%的碳排放總量。

③電耗減碳占比最大達(dá)96.2%，碳匯減排隨著綠化面積的增加而增加。

資料來源：

文中所有圖表均為作者自繪。