黃揚洋，龔志起，楊 徽，趙太民

(青海大學土木工程學院，青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016)

運營階段是建筑生命周期中一個重要且復雜的環(huán)節(jié)，消耗大量的能源與資源，對環(huán)境有著不可低估的影響[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，建筑運營階段能耗占全國總能耗的23%，相關(guān)CO2排放量占全國CO2總排放量的20%，遠大于建造、拆除、回收等階段，是建筑全生命周期環(huán)境影響的主要貢獻者[3]。公共建筑的平均單位面積能耗是其他建筑的2～3倍[4]，隨著我國逐漸進入城鎮(zhèn)化新階段將占據(jù)更大部分[5]。因此，定量評價公共建筑運營階段環(huán)境影響，降低公共建筑運營階段能耗水平，是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然要求，對建筑領域的節(jié)能減排大有裨益。

近年來，研究者大力開展了建筑物運營階段的環(huán)境影響評價工作。Peng[6]基于 Ecotect分析工具對一棟辦公樓全生命周期的碳排放量進行統(tǒng)計分析，研究發(fā)現(xiàn)運營過程中碳排放量占全生命周期的85.4%。Iddon等[7]開發(fā)了自動計算工具，分別計算了某住宅建筑運營階段碳排放量與隱含碳排放量。朱方偉等[8]基于武漢市統(tǒng)計年鑒建立了公共建筑碳排放量和建筑面積的回歸方程。以上對建筑物運營階段的環(huán)境影響評價多集中在運營能耗、碳足跡等方面[9-10]，研究方法也多是基于Ecotect、DeST等能耗模擬軟件進行仿真模擬，部分采用問卷調(diào)查建立回歸模型[11-16]。

本研究基于生命周期評價系統(tǒng)，采用多元線性回歸模型，對公共建筑運營階段環(huán)境影響潛值進行定量評價，旨在開發(fā)一個標準化的框架，用于建筑行業(yè)運營階段環(huán)境影響潛值的評估，進而幫助相關(guān)單位做出可持續(xù)性決策及制定節(jié)能減排方案。

1 公共建筑運營階段環(huán)境影響核算方法

1.1 運營階段建筑生命周期評價模型

公共建筑運營階段環(huán)境影響來源于建筑材料或構(gòu)件的替換、更新以及建筑能耗、水耗，如式(1)所示。

EIoper=EIenergy+EIwater+EIrefur

(1)

式中：EIoper表示建筑運營階段的環(huán)境影響；EIenergy表示建筑運營能耗的環(huán)境影響；EIwater表示建筑運營水耗的環(huán)境影響；EIrefur表示建筑材料或構(gòu)件替換、更新的環(huán)境影響。

建筑運營能耗指建筑使用過程中由外部輸入的能源，包括維持建筑環(huán)境的用能(供暖、制冷、通風、空調(diào)、照明等)和各類建筑內(nèi)活動(辦公、家電、電梯、生活熱水等)的用能[17]。能源形式包括電力、燃煤、天然氣等[18]。

1.1.1 基礎清單數(shù)據(jù)分析

構(gòu)建綜合能源基礎清單數(shù)據(jù)評估公式，如式(2)所示。

ifE-j(t)=∑kbk(t)×ik×ifkj

(2)

式中:ifE-j(t)表示綜合能源在t年的基礎清單數(shù)據(jù)；ik表示分項能源k相對于標準煤的折算系數(shù)；bk(t)表示t年時分項能源k消耗量(k代表原煤、天然氣、電力)；ifkj表示單位質(zhì)量分項能源k的基礎清單數(shù)據(jù)，生產(chǎn)單位質(zhì)量能源需要投入的j原材料質(zhì)量/產(chǎn)出的j環(huán)境排放質(zhì)量。

構(gòu)建建筑材料或構(gòu)件替換、更新基礎清單數(shù)據(jù)評估公式，如式(3)所示。

ifE-p=∑iMi×ifip

(3)

式中：ifE-p表示建筑材料或構(gòu)件替換、更新的基礎清單數(shù)據(jù)；Mi表示i種材料或構(gòu)件的量；ifip表示單位質(zhì)量i種材料或構(gòu)件的基礎清單數(shù)據(jù)，生產(chǎn)單位質(zhì)量材料或構(gòu)件需要投入的p原材料質(zhì)量/產(chǎn)出的p環(huán)境排放質(zhì)量。

1.1.2 生命周期影響評價

在上述公式中，ik的取值來源于GB/T 2589—2008《綜合能耗計算通則》[19]，分項能源的基礎清單數(shù)據(jù)ifkj與分項材料或構(gòu)件基礎清單數(shù)據(jù)ifip來源于文獻[20]、文獻[21]以及CLCD數(shù)據(jù)庫。在清單分析的基礎上進行環(huán)境影響分析，將評價對象的能耗、污染物排放與生態(tài)環(huán)境聯(lián)系起來，通過分類、特征化、標準化，設置權(quán)重[22]4個步驟計算1 kgce綜合能源環(huán)境影響潛值，如表1所示。

表1 1 kgce綜合能源環(huán)境影響潛值Tab.1 Comprehensive energy environmental impact potential value of 1 kgce

1.2 多變量線性回歸預測

為了評價不同參數(shù)之間的關(guān)系，了解不同參數(shù)對環(huán)境影響潛值的影響，采用了多元回歸分析方法，其模型見式(4)。

(4)

式中：y1，y2…yn表示預測響應(因變量)；α表示常數(shù)(直線截距)；β1，β2…βn表示線性系數(shù)斜率；xk1，xk2…xkn表示解釋(自變量)；ε表示預測誤差。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究以某地區(qū)黨政機關(guān)，初、中、高等教育機構(gòu)，醫(yī)療機構(gòu)為調(diào)查對象。

調(diào)查內(nèi)容：建筑面積；2019年全年總耗電量及其構(gòu)成情況；2019年全年總耗煤量及其構(gòu)成情況；2019年全年總耗天然氣量及其構(gòu)成情況；2018—2019年一個供暖期的供暖面積及其供暖總費用；該建筑面積內(nèi)用能人數(shù)以及全年用能時間。

調(diào)查主要原則:選擇具有代表性的公共建筑類型進行實地調(diào)查；真實反映各建筑物的運營能耗構(gòu)成；注重受訪者的專業(yè)素養(yǎng)(通常為單位財務核算人員)以獲得準確的基本信息。

經(jīng)過調(diào)研可得黨政機關(guān)樣本總數(shù)222個，教育機構(gòu)樣本總數(shù)73個，醫(yī)療機構(gòu)樣本總數(shù)31個。

3 結(jié)果與分析

3.1 相關(guān)性

采用SPSS軟件對調(diào)查數(shù)據(jù)進行皮爾森相關(guān)性分析，判斷自變量與建筑環(huán)境影響潛值的相關(guān)強度，計算結(jié)果見表2。

表2 皮爾森相關(guān)性分析Tab.2 Pearson correlation analysis

通過皮爾森相關(guān)性分析，黨政機關(guān)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)的相關(guān)系數(shù)值在0.7～0.99，呈高度相關(guān)，與全年使用時長相關(guān)性較弱(考慮到黨政機關(guān)建筑運營階段環(huán)境影響潛值預測精度，先剔除自變量使用時長指標)。教育機構(gòu)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)、全年使用時長均呈高度相關(guān)。醫(yī)療機構(gòu)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)呈高度相關(guān)(醫(yī)療機構(gòu)由于全年開放，情況較為特殊，因此不考慮使用時長影響)。

在皮爾森相關(guān)性分析基礎上，研究3個自變量對不同類型公共建筑環(huán)境潛值的影響，根據(jù)3類公共建筑的環(huán)境影響潛值數(shù)據(jù)繪制散點圖，如圖1～圖3所示。

圖1 黨政機關(guān)環(huán)境影響潛值與建筑面積及用能人數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between environmental impact potential value of party and government organs，building area and the number of energy users

圖2 醫(yī)療機構(gòu)環(huán)境影響潛值與建筑面積及用能人數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between environmental impact potential value of medical institutions， building area and the number of energy users

3.2 建立多變量線性回歸模型

本文根據(jù)所選自變量建立三元線性回歸方程，如式(6)所示。

y=α+β1x1+β2x2+β3x3+ε

(6)

借助SPSS軟件建立3類建筑環(huán)境影響潛值初始模型：

y1=-2.267+0.023x1+0.035x2

y2=-1.137+0.007x1-0.018x2+0.067x3

y3=9.799+0.023x1+0.174x2

表3中R為擬合優(yōu)度，用來衡量模型對觀測值的擬合程度；R2為決定系數(shù)，表示擬合的模型能解釋因變量變化的百分數(shù)，統(tǒng)計量越接近1，擬合度越好。由表可見回歸分析的3個決定系數(shù)為0.766～0.949，說明回歸結(jié)果的擬合程度良好；由表4可知，回歸P值均明顯小于顯著性水平0.05，說明建筑面積、用能人數(shù)、全年使用時長與建筑運營階段環(huán)境影響潛值存在顯著線性關(guān)系。

表3 某市公共建筑環(huán)境影響潛值與自變量的回歸分析Tab.3 Regression analysis of environmental impact potential value of public buildings and independent variables in a city

表4 某市公共建筑環(huán)境影響潛值與自變量的方差分析Tab.4 Variance analysis of environmental impact potential value and independent variables of public buildings in a city

通過對回歸方程和回歸系數(shù)進行檢驗,回歸方程與回歸系數(shù)總體達到顯著水平,可作為某地區(qū)及與其氣象參數(shù)相近地區(qū)評價公共建筑運營階段環(huán)境影響潛值和建筑面積、用能人數(shù)、全年使用時長相關(guān)性的經(jīng)驗公式。

3.3 預測模型驗證

隨機選取9個樣本，并根據(jù)建立的回歸方程分別對3類公共建筑進行估算，然后將結(jié)果與實際環(huán)境影響潛值進行對比，用以判斷預測模型是否可行，其結(jié)果如表5所示。由表可知，9個樣本的模型偏差率均在12%以內(nèi)，誤差值在可控范圍內(nèi)。

表5 驗證對比Tab.5 Verification comparison

4 討論與結(jié)論

本文運用生命周期評價系統(tǒng)，結(jié)合多變量線性回歸預測方法，以高原地區(qū)222所黨政機關(guān)，73所教育機構(gòu)，31所醫(yī)療機構(gòu)為研究對象，計算其運營1年的環(huán)境影響潛值并分析皮爾森相關(guān)性，建立黨政機關(guān)、教育機構(gòu)以及醫(yī)療機構(gòu)環(huán)境影響潛值的多元線性回歸方程并進行驗證對比，得到以下結(jié)論：(1)黨政機關(guān)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)的相關(guān)系數(shù)值為0.7～0.99；教育機構(gòu)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)、全年使用時長呈高度相關(guān)；醫(yī)療機構(gòu)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)呈高度相關(guān)。(2)預測模型的誤差在可控范圍內(nèi)。產(chǎn)生誤差的因素較多，比如數(shù)據(jù)樣本代表性不足、用能行為因人而異、建筑外墻保溫材料類型、建筑使用年限等。

與朱方偉等[8]對公共建筑運營階段碳排放量的研究相比，本研究可用于公共建筑全生命周期早期設計階段預評估環(huán)境影響潛值的測算，促進相關(guān)部門做出可持續(xù)性決策，制定節(jié)能減排方案。