周紅， 沈希文， 沈強， 舒婷

(廈門大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361005)

隨著我國城市化進程不斷加快，建筑能源消耗大幅增長，由此引發(fā)的環(huán)境問題日益突出.與德國、日本等發(fā)達國家相比，我國的建筑節(jié)能水平相去甚遠，能源浪費極其嚴重[1]，因此，需要對建筑進行可持續(xù)性評估.目前，已有研究將生態(tài)經(jīng)濟學(xué)方法引入建筑可持續(xù)性評估[2]中，主要有能值分析和碳足跡方法.兩種方法對建筑可持續(xù)性研究的出發(fā)角度完全不同.碳足跡方法從全生命周期的角度揭示不同對象的碳排放過程，是評價碳排放影響的測度方法，也是國內(nèi)外普遍認可的評估方法.碳足跡考慮建筑原材料的生產(chǎn)加工、產(chǎn)品的運輸使用及廢棄物處理再利用全過程各個階段的溫室氣體排放，能夠統(tǒng)計建筑全生命周期溫室氣體排放總量并采取措施進行控制，達到節(jié)能減排的目的.能值分析方法涵蓋了自然、經(jīng)濟和社會系統(tǒng)，通過梳理能源結(jié)構(gòu)，將異質(zhì)性的能源和物質(zhì)同質(zhì)化，從而對建筑的能耗和可持續(xù)性進行評價，有助于更準確地理解環(huán)境、經(jīng)濟和社會系統(tǒng)，進而做到能源的精細化管理.

因此，本文對能值分析與碳足跡兩種評價方法進行梳理，并對同一建筑進行可持續(xù)性評價，分析兩者在該建筑可持續(xù)性評價中的異同之處，借此認識兩者在建筑可持續(xù)性評價中的適用性，以分清兩種方法對建筑可持續(xù)性評價的作用與價值.

1 研究方法

1.1 能值分析

能值分析方法(emergy analysis)起源于生態(tài)能量學(xué)，由美國生態(tài)學(xué)家Odum等[3]提出.能值分析方法假設(shè)任何形式的能量均直接或間接源于太陽能，因此，通過能值轉(zhuǎn)換率(UEV)把生態(tài)系統(tǒng)中不同種類、不同形式的能量轉(zhuǎn)換為同一標準的能量，常轉(zhuǎn)化為太陽能，單位為太陽能焦耳(solar emjoules，即sej)[4]，從而衡量各種資源、產(chǎn)品或勞務(wù)直接和間接應(yīng)用的能量，實現(xiàn)物質(zhì)流、貨幣流、能量流的統(tǒng)一度量；另外，可以利用能值指標定量評價系統(tǒng)的生態(tài)經(jīng)濟效益及可持續(xù)性.能值分析方法的基本步驟包括獲取收集資料、能量系統(tǒng)圖、能量分析表、能值綜合指標計算、系統(tǒng)發(fā)展綜合評價.

能值分析逐步延伸到了土木建筑領(lǐng)域.Meillaud等[5]使用能值模型測算建筑的生態(tài)能源消耗，進而對知識、信息等進行量化評估；Hossaini等[6]應(yīng)用能值分析模型對加拿大建筑工業(yè)傳統(tǒng)建筑材料進行可持續(xù)發(fā)展評估，進而為保護生態(tài)環(huán)境提供保證；張學(xué)軍等[7]采用能值方法評估高層建筑生態(tài)可持續(xù)性，對建筑材料和建筑構(gòu)件兩方面的選擇進行評估對比，發(fā)現(xiàn)不可再生資源比例過大會對建筑可持續(xù)性產(chǎn)生較大的負面影響.

1.2 碳足跡分析

碳足跡的概念起源于“生態(tài)足跡”[8]，是指在人類生產(chǎn)和消費活動中所排放的與氣候變化相關(guān)的氣體總量，可以用二氧化碳當量(CO2e)表示.相較于其他碳排放研究，碳足跡從生命周期的角度出發(fā)，分析產(chǎn)品生命周期中與活動直接和間接相關(guān)的碳排放過程.建筑產(chǎn)品的碳足跡分析是評價其整個生命周期溫室氣體排放的重要又有效的途徑之一，其基本步驟包括確定系統(tǒng)邊界、收集數(shù)據(jù)、計算碳足跡、結(jié)果檢驗.碳足跡的計算公式為

上式中：E為產(chǎn)品的碳足跡；Qi為i物質(zhì)或活動的數(shù)量或強度數(shù)據(jù)；Ci為碳足跡因子.

在計算建筑碳足跡方面，李飛等[9]針對住宅建筑生命周期，計算兩種不同建筑結(jié)構(gòu)的生命周期階段碳排放，為發(fā)展低碳建筑提供依據(jù)；曾杰等[10]梳理了國內(nèi)建筑材料的碳足跡研究進展，總結(jié)不同建筑材料碳足跡的特點，提出建材企業(yè)的碳減排工作、能源利用效率研究的重要性；李水生等[11]為研究施工各環(huán)節(jié)的碳足跡構(gòu)成情況，建立了建筑材料運輸和現(xiàn)場機械施工兩個環(huán)節(jié)的碳足跡計算模型，為施工企業(yè)開展建筑節(jié)能減排提供數(shù)據(jù)支持.

2 案例分析

2.1 案例概況

案例采用國際太陽能十項全能競賽(SD)廈門大學(xué)參賽作品零能耗住宅“Sunny Inside”，如圖1所示.“Sunny Inside”的設(shè)計初衷是建造具有可持續(xù)性的太陽能住宅，使用多晶硅光伏板發(fā)電，從而滿足室內(nèi)的所有用電需求，同時，通過被動式熱環(huán)境調(diào)節(jié)策略降低建筑的使用能耗.原始工程數(shù)據(jù)來源于設(shè)計文件，環(huán)境數(shù)據(jù)以比賽地山西省大同市為準，該建筑的建設(shè)期按照比賽實際建設(shè)期(14 d)計算，由于測算數(shù)據(jù)的運營期僅為17 d，不利于核算環(huán)境影響，因此，設(shè)定該建筑物的使用年限為20 a.本項目采用太陽能作為能源，在評價方法的示例上比普通住宅有優(yōu)勢，尤其對于能值分析方法，可再生資源、不可再生資源的使用上更加直觀.普通住宅建筑或其他建筑工程均可按照節(jié)2.2，2.3的步驟，列表計算.由于比賽建筑建造在公園湖邊，沒有發(fā)生土地資源的占用，故不計算土地這部分不可再生資源的消耗，若對于一個開發(fā)項目，則需要考慮.

圖1 廈門大學(xué)太陽能建筑“Sunny Inside”

2.2 能值分析

根據(jù)能值理論，對該系統(tǒng)全生命周期進行能值分析，主要有以下3個步驟.

步驟1依據(jù)SD太陽能建筑全生命期的能量流入和流出、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟各組分的相互關(guān)系，確定能量系統(tǒng)邊界，梳理系統(tǒng)主要能量來源及內(nèi)部主要能量流動，包括物質(zhì)流、貨幣流和其他生態(tài)流.接著，依據(jù)Odum能量系統(tǒng)語言規(guī)則，繪制能值系統(tǒng)圖，如圖2所示.

圖2 能值系統(tǒng)圖

“Sunny Inside”在建造期間需要投入勞動力、建筑材料等，而在運營期間所有運行能量完全由太陽能設(shè)備供給，包括照明、采暖通風(fēng)等.由于SD太陽能建筑要求廢棄物也能夠進行回收利用，并以一定比例繼續(xù)用于建筑工程中，因此，建筑垃圾和生活垃圾經(jīng)過處理后能夠部分回收利用，其余排放到自然環(huán)境中，不會造成污染.測算得出太陽能發(fā)電量滿足建筑的使用，因此不需要外界投入電量，運營期耗電量的能值計為0.

步驟2從本地可再生資源(R)、本地不可再生資源(N)和不可再生資源輸入(F)3方面展開能值項目梳理.根據(jù)項目資料獲得計算的原始數(shù)據(jù)，單位一般為J，g，元，人等.太陽能值由原始數(shù)據(jù)和能值轉(zhuǎn)換率相乘得出，能值轉(zhuǎn)換率單位為sej·J-1，sej·g-1，sej·元-1或sej·人-1等.按照能值系統(tǒng)圖，分析環(huán)境投入、人類反饋等各項投入量，得出項目的能值消耗量，基于此辨識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得到SD太陽能建筑的能值分析表，如表1所示.表1中：能值轉(zhuǎn)換率統(tǒng)一以每單位15.83×1024sej[12]為能值基線；“*”“**”分別表示該能值轉(zhuǎn)換率的單位能值基線為9.26×1024[13]，9.44×1024sej[14]，文中分別乘以1.71(15.83/9.26)與1.68(15.83/9.44)，從而得到15.83×1024sej·單位-1基線下的能值轉(zhuǎn)換率.

表1 能值分析表

續(xù)表Continue table

步驟3根據(jù)能量流特點，引入能值分析指標，構(gòu)建SD太陽能建筑的能值分析指標體系(表2)，據(jù)此評價太陽能建筑的可持續(xù)性發(fā)展情況.

表2 能值評價指標

由表1，2可知:SD建筑最主要的能源消耗為太陽能，共使用太陽能2.59×1018sej，占總能值投入的60.13%，滿足競賽對太陽能的使用要求，即建筑運營期的所有能量使用都由太陽能來提供；而在所有的輸入資源中，建設(shè)期的輸入能值最大，為1.09×1018sej，占總能值投入的25.31%.這是因為這一階段需要使用大量的建筑材料、水電、勞動力進行建造，而運營期能夠依賴太陽能進行能源供給，降低了對輸入資源的依賴，僅占總能值投入的14.02%；運營后期，建筑的拆卸工作產(chǎn)生了一定的能值消耗，但由于對大部分材料進行了回收再利用，因此，固體廢棄物少，建筑能耗小，僅占總能值投入的0.45%.

根據(jù)能值指標[18]對“Sunny Inside”進行可持續(xù)性評價可得出：能值產(chǎn)出率(EYR)為2.52，大于1，表明SD建筑項目生產(chǎn)效率和能源利用率較高，依賴自然環(huán)境產(chǎn)生效益；環(huán)境負荷率(ELR)為0.66，小于1，表明SD建筑對環(huán)境壓力小，經(jīng)濟系統(tǒng)的作用相對自然系統(tǒng)而言較小，使用大量的可再生資源，從而降低建筑對環(huán)境的影響程度，降低排放；可持續(xù)發(fā)展性能ESI為3.80，1

2.3 碳足跡分析

依據(jù)全生命周期理論，碳足跡方法計算過程主要分為3個階段[22]：建設(shè)期、運營期、運營后期.建設(shè)期碳足跡主要考慮SD建筑建設(shè)過程中建筑材料和安裝設(shè)備生產(chǎn)、運輸、施工安裝過程及施工安裝廢棄物處理的溫室氣體排放；運營期碳足跡主要來自SD建筑運營期內(nèi)各種能源和物質(zhì)消耗所產(chǎn)生的溫室氣體排放；運營后期碳足跡主要考慮建筑拆除過程和廢棄物處理過程產(chǎn)生的溫室氣體.碳足跡分析對象包含CO2，CH4，NOX等溫室氣體，均以CO2等價物表示.“Sunny Inside”的碳足跡來源主要有2個方面：全生命周期中使用的物質(zhì)和能源消耗，以及廢棄物排放，均乘以相應(yīng)的碳排因子[23]計.

1) 物質(zhì)和能源消耗.建設(shè)期物質(zhì)和能源消耗包括建筑材料(如鋼材、木材等)、安裝設(shè)備及使用能源(水、電等)，根據(jù)消耗量清單確定；運營期的能源消耗包括照明負荷、制冷與空調(diào)負荷，主要為水和電，而該太陽能建筑使用太陽能發(fā)電，因此，運營用電不產(chǎn)生碳足跡；運營后期碳足跡主要由建筑拆除過程中的消耗能源產(chǎn)生，如拆卸時使用的機械能量.

2) 廢棄物排放.建設(shè)期和運營后期產(chǎn)生建筑垃圾、施工污水、廢氣等，運營期產(chǎn)生的主要是生活垃圾和生活污水.其中，建筑廢棄物和生活垃圾的碳足跡由處理過程產(chǎn)生的碳排放量確定，機械能量根據(jù)設(shè)備使用的柴油計量[23].

碳足跡計算結(jié)果，如圖3和表3所示.圖3中：ηc為碳足跡占比.由圖3可知：“Sunny Inside”的建設(shè)中，建設(shè)期和運營期產(chǎn)生的碳足跡分別占總碳排放的48.33%和48.63%；運營后期的碳足跡比例僅為3.04%.在建設(shè)期，SD建筑投入大量建筑材料、燃料等非可再生能源，同時產(chǎn)生建筑廢棄物，相應(yīng)的碳排放也多，碳足跡占比高；在運營期，由于需要投入資源對建筑進行維護，因此，也有較大的碳足跡；而在運營后期，產(chǎn)生碳足跡的主要是固體廢棄物及機械能量.

圖3 建筑全生命周期碳足跡占比

表3 碳足跡分析表

2.4 比較分析

2.4.1 一致性/相關(guān)性 能值分析和碳足跡方法都可以描述一個建筑的能耗，并且從不同方面描述建筑對環(huán)境的影響.將能值分析的各項不可再生資源占總能值投入的比例與碳足跡占比進行對比，結(jié)果如表4所示.表4中：ηn為不可再生能值占比.由表4可知:輸入最多的不可再生能值為設(shè)備與安裝及運營維修，分別占總能值的21.08%和9.77%，碳足跡也呈現(xiàn)同樣的結(jié)果，設(shè)備與安裝及運營維修的碳足跡占比分別為40.36%和44.07%，其余物質(zhì)、商品和服務(wù)的排放量相對較小.對比數(shù)據(jù)可知，全生命周期的不可再生能值消耗與碳足跡的產(chǎn)生趨勢相一致，不可再生能值投入越多，碳排放也越多.

表4 建筑全生命周期不可再生能值和碳足跡占比

2.4.2 差異性 盡管能值分析方法的不可再生資源與碳足跡方法的結(jié)果相似，兩種評價方法卻存在一定的差異性：二者從不同角度對建筑可持續(xù)性進行評價.能值分析方法涵蓋了自然資源、社會和經(jīng)濟，將建筑全生命周期各類能源和物質(zhì)按來源不同，細分為不同類別(本地可再生資源R、本地不可再生資源N、不可再生資源輸入F)，采用能值指標對建筑的可持續(xù)性進行評價.不同的能源輸入結(jié)構(gòu)表明建筑不同的資源利用情況，也會產(chǎn)生不同的廢棄物，如增加本地可再生資源R的投入會減輕環(huán)境負擔，從而提高建筑的可持續(xù)性.“Sunny Inside”的3類資源分別占總投入的60.13%，0.17%和39.70%，可再生資源(主要是太陽能)在總投入中占很大比例，因此相比經(jīng)濟投入，該建筑更依賴自然資源，從而使建筑的可持續(xù)性高，ESI=3.80.碳足跡通過研究建筑全生命周期的碳排放進行評價，排放的溫室氣體越多，建筑對環(huán)境的影響越大，造成的溫室效應(yīng)越嚴重.建筑全生命周期中，生產(chǎn)運輸建筑材料與進行運營維修產(chǎn)生的溫室氣體共占88.13%，說明應(yīng)從降低建筑材料和運營維修的碳排放方面來降低建筑物產(chǎn)生的環(huán)境影響.

此外，能值分析方法在計算建筑廢棄物的能值時，將廢棄物的能量算作不可再生資源投入，無法明確計算建筑廢棄物對環(huán)境產(chǎn)生的負面影響，碳足跡則旨在計算建筑排放的廢氣對環(huán)境的影響，計算各類建筑材料和能源在生產(chǎn)、運輸、使用過程中產(chǎn)生的溫室氣體，從而得出建筑代謝產(chǎn)生的溫室效應(yīng).因此，能值分析側(cè)重分析所有輸入能量的結(jié)構(gòu)，計算建筑的能耗，但是對建筑廢棄物造成的環(huán)境影響無法得出精確結(jié)論；碳足跡則側(cè)重對建筑的廢氣排放進行具體計算，直接得出建筑對環(huán)境產(chǎn)生的溫室效應(yīng).

3 結(jié)論

對比兩種評價建筑可持續(xù)性的生態(tài)經(jīng)濟學(xué)方法：能值分析和碳足跡，并以“Sunny Inside”太陽能建筑為例，對比兩種方法在建筑可持續(xù)性上定量評價結(jié)果的一致性和差異性.結(jié)果表明，建筑碳足跡的產(chǎn)生和不可再生能值的投入相一致；能值分析與碳足跡方法分別從不同角度對建筑的可持續(xù)性進行評價.能值方法使用能值轉(zhuǎn)換率將不同能量采用統(tǒng)一能值單位進行度量，從資源消耗的角度對建筑的能耗進行分析，進而做到能源的精細化管理，同時能值指標能夠?qū)ㄖ目沙掷m(xù)性進行評價，有助于更準確地理解建筑的能源效率、能源結(jié)構(gòu)及環(huán)境壓力.碳足跡僅從排放的角度，即建筑物排放CO2等溫室氣體的角度評估建筑對環(huán)境產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，并不包括材料及設(shè)備本身的“包被能”，且沒有考慮自然環(huán)境及人力資本投入等.

兩種方法評價建筑可持續(xù)性各有側(cè)重.分析建筑消耗的資源結(jié)構(gòu)時，采用能值方法從資源投入的輸入端進行；分析建筑對環(huán)境產(chǎn)生的溫室效應(yīng)時，則使用碳足跡從建筑產(chǎn)物的代謝端進行.