牛凱征,薛東昊,李潔芯
(中國(guó)建筑材料工業(yè)規(guī)劃研究院,北京 100035)
我國(guó)是人口大國(guó),也是建筑業(yè)大國(guó),據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)實(shí)有建筑面積超過(guò)680億m2。近年來(lái),隨著人民生活水平的提高,人均建筑面積和建筑用能強(qiáng)度都快速增長(zhǎng),使得我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域近年來(lái)碳排放總量和強(qiáng)度持續(xù)上升。隨著中共中央國(guó)務(wù)院《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》和國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等系列“雙碳”政策文件的出臺(tái),城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳減排的任務(wù)和路徑逐步明晰。作為全生命周期內(nèi)具有節(jié)能、減排、安全、便利和可循環(huán)特征的一類(lèi)建筑材料,大力發(fā)展綠色建材不僅有利于節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn),而且是健全綠色建材市場(chǎng)體系,增加綠色建材產(chǎn)品供給,提升綠色建材產(chǎn)品質(zhì)量,促進(jìn)建材工業(yè)和建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效途徑,也是我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要抓手。
但是由于產(chǎn)品品種多樣、排放邊界不清、測(cè)算方法差異等問(wèn)題的存在,在綠色建材應(yīng)用減碳效果的量化測(cè)算方面,仍存在較多的盲點(diǎn)。制約全生命周期綠色建材減碳效果分析測(cè)算以及相關(guān)政策的制定。亟需建立一套較為科學(xué)有效的測(cè)算方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色建材應(yīng)用端減碳能力的量化分析測(cè)算。
碳排放首先要界定碳排放測(cè)算邊界,按照產(chǎn)生的邊界建筑業(yè)碳排放可劃分為三類(lèi),直接碳排放、隱含碳排放和間接碳排放,具體含義及產(chǎn)生途徑見(jiàn)表1。
表1 建筑業(yè)碳排放分類(lèi)、含義及產(chǎn)生途徑
前兩項(xiàng)之和為建筑運(yùn)行碳排放,全部三項(xiàng)之和稱(chēng)為建筑全壽命周期碳排放。本研究中建筑領(lǐng)域范圍針對(duì)建筑運(yùn)行階段碳減排效益,主要由建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)涉及的建筑門(mén)窗、墻體材料和保溫材料的品質(zhì)性能提升提供。
從提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能的角度,保溫系統(tǒng)材料、砌體材料、建筑門(mén)窗是決定最終建筑節(jié)能效果的關(guān)鍵因素。本研究在綠色建材產(chǎn)品認(rèn)證目錄中選取了與上述建筑節(jié)能關(guān)聯(lián)度較大的砌體材料、建筑門(mén)窗、保溫系統(tǒng)材料,分別對(duì)其產(chǎn)品應(yīng)用端的減碳潛力進(jìn)行分析。
本部分中綠色圍護(hù)材料應(yīng)用的碳排放計(jì)算主要考慮應(yīng)用綠色建材替代相應(yīng)傳統(tǒng)材料在建筑運(yùn)維過(guò)程中每年可減少的碳排放量。
綠色圍護(hù)材料應(yīng)用的減碳量(ΔQ應(yīng))用下式進(jìn)行估算:
ΔQ應(yīng)=Q標(biāo)-Q綠=(Q標(biāo)冷+Q標(biāo)熱)-(Q綠冷+Q綠熱)
(1)
式中,ΔQ應(yīng)為應(yīng)用綠色圍護(hù)材料后可提供的減碳量,kgCO2;Q標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的碳排放量,kgCO2;Q綠為應(yīng)用綠色圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料后的碳排放量,kgCO2;Q標(biāo)冷為標(biāo)準(zhǔn)狀況下制冷時(shí)的碳排放,kgCO2;Q標(biāo)熱為標(biāo)準(zhǔn)狀況下采暖時(shí)的碳排放,kgCO2;Q綠冷為應(yīng)用綠色圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料后制冷時(shí)的碳排放,kgCO2;Q綠熱為應(yīng)用綠色圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料后采暖時(shí)的碳排放,kgCO2。
其中,夏季采用空調(diào)制冷時(shí)的碳排放量用式(2)進(jìn)行估算:
Q冷=K綜×CDD26/COPC×24×C電
(2)
式中,Q冷為夏季制冷碳排放量,kgCO2;K綜為圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù),W/(m2·K);CDD26為空調(diào)度日數(shù),℃·d;COPC為供冷系統(tǒng)綜合性能系數(shù);C電為電力碳排放因子,kgCO2/kWh。
其中,冬季北方地區(qū)采用鍋爐集中采暖時(shí)的碳排放量用式(3)進(jìn)行估算:
Q熱=K綜×HDD18/η鍋爐×C燃料
(3)
式中,Q熱為冬季采暖時(shí)的碳排放,kgCO2;K綜為圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù),W/(m2·K);HDD18為采暖度日數(shù),℃·d;η鍋爐為供暖系統(tǒng)綜合效率;C燃料為燃料碳排放因子,kgCO2/kg。
其中,冬季南方地區(qū)采用熱泵熱風(fēng)機(jī)采暖時(shí)的碳排放量用式(3)進(jìn)行估算:
Q熱=K綜×HDD18/COPH×C電
(4)
式中,Q熱為冬季采暖時(shí)的碳排放,kgCO2;K綜為圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù),W/(m2·K);HDD18為采暖度日數(shù),℃·d;COPH為供暖系統(tǒng)綜合性能系數(shù);C電為電力碳排放因子,kgCO2/kWh。
為區(qū)分我國(guó)不同地區(qū)氣候條件對(duì)建筑影響的差異性,考慮到不同氣候?qū)ㄖo(hù)結(jié)構(gòu)、節(jié)能措施和制冷采暖方式等方面的要求均存在較大差異,本文綠色圍護(hù)材料應(yīng)用的減碳估算參考《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50178—93),即把我國(guó)實(shí)有建筑分為嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和五個(gè)建筑氣候區(qū),并分別從每個(gè)氣候區(qū)中選取氣候較具代表性,且建筑規(guī)模較大的沈陽(yáng)、石家莊、南京、廣州和昆明這五座具有代表性的城市作為每個(gè)氣候區(qū)的典型城市,采用上述城市典型建筑節(jié)能做法和制冷采暖方式進(jìn)行典型估算。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能作為建筑節(jié)能的重要措施,其材料品質(zhì)屬性的優(yōu)劣影響實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的效果,進(jìn)而在支撐建筑運(yùn)維節(jié)能碳減排的過(guò)程中可以發(fā)揮關(guān)鍵性作用。在已經(jīng)發(fā)布并實(shí)施的“綠色建材系列標(biāo)準(zhǔn)”中,砌體材料、建筑門(mén)窗及配件和保溫系統(tǒng)材料中都在品質(zhì)屬性中對(duì)產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)或傳熱系數(shù)都作出了比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的規(guī)定。相關(guān)品質(zhì)屬性要求詳見(jiàn)表2。
表2 綠色建材相關(guān)品質(zhì)屬性與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)照表
根據(jù)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021),各典型城市建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表3。
表3 各典型城市建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求
此外,本部分估算對(duì)建筑及其運(yùn)行過(guò)程做以下假設(shè)。
1)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)窗墻比為3∶7。
2)建筑層數(shù)不低于3層。
3)參考《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)附錄C,供冷系統(tǒng)綜合性能系數(shù)(COPC)和南方供暖系統(tǒng)綜合性能系數(shù)(COPH)分別取3.6和2.6。
4)參考《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)附錄C,冬季北方地區(qū)供暖系統(tǒng)綜合效率取0.81。
5)煤炭單位產(chǎn)品熱值和CO2排放因子參考《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51366—2019);電力消費(fèi)CO2排放因子參考《2020—2021年度全國(guó)電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告》。
6)建筑綜合應(yīng)用減碳效益按使用EPS為保溫材料和現(xiàn)澆混凝土墻體計(jì)算。
7)砌體材料(保溫型)熱惰性D≥2.5。
基于以上假設(shè),不同氣候區(qū)單位建筑面積綠色圍護(hù)材料應(yīng)用減碳效益估算詳見(jiàn)表4。
表4 不同氣候區(qū)單位建筑面積綠色圍護(hù)材料應(yīng)用后碳排放估算表
進(jìn)而計(jì)算不同氣候區(qū)單位建筑面積綠色圍護(hù)材料應(yīng)用后減碳量,見(jiàn)表5。
表5 不同氣候區(qū)單位建筑面積綠色圍護(hù)材料應(yīng)用后減碳量估算表
根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn),基準(zhǔn)碳排放按照嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷地區(qū)順序依次降低且降幅明顯,而夏熱冬暖和溫和地區(qū)基準(zhǔn)碳排放相對(duì)最低且二者相差不大。應(yīng)用綠色圍護(hù)材料后帶來(lái)了相應(yīng)的碳減排,而減碳量趨勢(shì)與以上基準(zhǔn)碳排放差異趨勢(shì)相似,減碳量與基準(zhǔn)碳排放的比值即綠色建材提供的減碳效率,嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)應(yīng)用綠色圍護(hù)材料所提供的減碳效率相近,均高于22%;夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)應(yīng)用綠色圍護(hù)材料所提供的減碳效率略低于前兩者;而溫和地區(qū)綠色建材提供的減碳效率低于前四地區(qū),且差距較大。由于建筑氣候區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)中一級(jí)區(qū)劃主要是根據(jù)1月和7月的平均氣溫作為劃分標(biāo)準(zhǔn),故以上可以總結(jié)為氣候越冷,綠色建材提供的減碳量越多,且減碳效率越高,減碳效果越明顯,在地理上可認(rèn)為由南到北減碳效率逐漸升高。因此,在北方應(yīng)用綠色建材將提供更多的減碳量,帶來(lái)更高的減碳效率。
圖1 五區(qū)基準(zhǔn)碳排放與減碳量及其占比
根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn),單獨(dú)更換門(mén)窗或保溫系統(tǒng)材料、砌體材料時(shí),更換門(mén)窗帶來(lái)的減碳量總是超過(guò)更換保溫系統(tǒng)材料、砌體材料提供的減碳量,且差距較為明顯,原因在于在綠色建材標(biāo)準(zhǔn)中,綠色建筑門(mén)窗的傳熱系數(shù)下降比例要求更大,這將直接影響最終的減碳效果。
圖2 五區(qū)綠色建筑門(mén)窗與綠色保溫系統(tǒng)材料、砌體材料減碳量對(duì)比
在減碳效益估算表的制作計(jì)算過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)嚴(yán)寒、寒冷和夏熱冬冷地區(qū)的冬季采暖碳排放要多于夏季制冷產(chǎn)生。
根據(jù)表6,可以發(fā)現(xiàn)在綠色建材的應(yīng)用前后,嚴(yán)寒寒冷和夏熱冬冷地區(qū)冬季的碳排放都遠(yuǎn)大于其夏季碳排放,這是由于在碳排放測(cè)算方法中該三地區(qū)的采暖度日數(shù)均遠(yuǎn)大于空調(diào)度日數(shù)。因此,關(guān)于冬季采暖過(guò)程中的碳排放控制應(yīng)該受到更多的關(guān)注。同時(shí),嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)冬季采暖使用的是以煤炭為燃料的鍋爐采暖裝置,相比較于電的使用,化石燃料燃燒轉(zhuǎn)化為熱的過(guò)程中碳排放因子更大,這一點(diǎn)也印證了相比于化石燃料,用電是更為環(huán)保的方式。
表6 五區(qū)基準(zhǔn)與應(yīng)用綠色建材后夏冬兩季碳排放對(duì)比
根據(jù)減碳效益估算中選取的采暖度日數(shù)和空調(diào)度日數(shù)的定義,在實(shí)際應(yīng)用中將需要更長(zhǎng)的制冷和制熱時(shí)間,這樣一來(lái),應(yīng)用綠色建材將會(huì)提供更多的減碳量,綠色建材將會(huì)成為建筑環(huán)保減碳的重要一環(huán)。
本研究所采用的五個(gè)典型城市是在每個(gè)建筑氣候區(qū)中選取的地理位置相差較大且知名度較高的五個(gè)省會(huì)城市,無(wú)法證明每個(gè)典型城市相對(duì)于相應(yīng)的建筑氣候區(qū)平均氣候條件的代表性程度。且本研究中做出的假設(shè)以及相關(guān)參數(shù)的選取是為了此次研究的進(jìn)行而選擇的通用性情況,不具備特殊性,也無(wú)法證實(shí)與實(shí)際情況的貼合度。此外,本研究所選取的測(cè)算方法僅為綠色建材減碳效果估算方法中的一種,測(cè)算模型的選取對(duì)實(shí)際情況的準(zhǔn)確性存在偏差,因此,本研究?jī)H為綠色建材在應(yīng)用領(lǐng)域提供碳減排的潛力分析,更為準(zhǔn)確的減碳數(shù)據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
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