賀宇豪, 張明珍, 任衛(wèi)中, 李志昊, 吳正旺

(1. 華僑大學(xué) 建筑學(xué)院, 福建 廈門 361021;2. 廈門東南鄉(xiāng)建咨詢有限公司, 福建 廈門 361000;3. 中國建筑設(shè)計研究院有限公司, 北京 100037)

建筑物幾乎消耗了全球40%的能源[1],其中,建筑物化階段的碳排放具有時間集中、排放量大的特點[2-3].生土材料的加工能耗和碳排放量分別為黏土磚和混凝土的3%和9%[4].如何運用生土技術(shù)促進鄉(xiāng)村建筑物化階段減碳,是一個值得研究的問題[5].

國外生土建筑研究起步較早,哥倫比亞和會主房研究計劃、法國CRATerre研究中心[6]等組織促進了生土工業(yè)化[7].南非博茨瓦納大學(xué)的Alfred[8]、意大利卡迪利亞大學(xué)的Achenza[9]等實現(xiàn)了生土材料改性.國內(nèi)對生土建筑的研究起步較晚,建筑大師任震英、昆明理工大學(xué)的柏文峰等致力于新型生土技術(shù)研究[10].中國美術(shù)學(xué)院、北京建筑大學(xué)等高校長期專注于生土建筑的推廣[11].當(dāng)前國內(nèi)外的生土建筑研究大多集中于材料性能測試和地域文化的梳理,對鄉(xiāng)村建筑物化階段的減碳策略研究較少.

浙江省鄉(xiāng)村建筑面積約為317 635.3萬m2[12],擁有巨大的節(jié)能減排潛力[13].針對當(dāng)前浙江省鄉(xiāng)村建筑物化階段碳排放長時間處于較高水平的問題,本文依照時間維度,將浙江省鄉(xiāng)村建筑物化階段減碳策略分為建筑材料生產(chǎn)階段、建筑材料運輸階段和建筑建造階段減碳策略,其中,在建筑材料生產(chǎn)階段,使用改良夯土墻、改良三合土、竹片泥墻、輕質(zhì)填充土和生土抹面等替代混凝土磚、混凝土、水泥、工業(yè)涂料、工業(yè)保溫材料及工業(yè)隔聲材料;在建筑材料運輸階段,使用坡地、廢料、地下取土法和竹加工廠廢料獲取纖維法減少卡車運輸;在建筑建造階段,用節(jié)省下的造價轉(zhuǎn)化碳匯,抵消環(huán)境成本.

1 建筑材料生產(chǎn)階段減碳策略

經(jīng)多年實踐,歸納了運用天然材料建造現(xiàn)代建筑的改良生土技術(shù).該技術(shù)由改良夯土墻、改良三合土、竹片泥墻、輕質(zhì)填充土和生土抹面5項技術(shù)組成,具有就地取材、技術(shù)簡單、便于推廣的優(yōu)點,主要用于替代鄉(xiāng)村建筑中的混凝土磚、混凝土、水泥、工業(yè)涂料、工業(yè)保溫材料及工業(yè)隔聲材料,最大程度減少工業(yè)材料在建筑材料生產(chǎn)階段對生態(tài)環(huán)境的影響[14].改良生土技術(shù)及其應(yīng)用,如表1所示.

表1 改良生土技術(shù)及其應(yīng)用

1.1 使用改良夯土墻代替黏土磚及混凝土墻

1.1.1 改變材料成分降低材料生產(chǎn)階段碳排放 現(xiàn)代鄉(xiāng)村建筑的墻體大多由磚或混凝土制成,在材料生產(chǎn)階段會產(chǎn)生大量碳排放,以鄉(xiāng)村民房為例,大約需要的混凝土磚、粘土焙燒、水泥等材料在生產(chǎn)階段會排放CO2約0.2 t·m-2.改良后的夯土墻由黏土、石灰、骨料(卵石和沙子)組成,課題組以3組不同建筑的墻體作為實驗對象,3種材料的質(zhì)量比分別為4.5∶4.5∶1.0(1號),7∶2∶1(2號),4∶5∶1(3號),經(jīng)過15 a的觀察,改良后的夯土墻效果對比,如圖1所示.

(a) 1號墻體 (b) 2號墻體 (c) 3號墻體

由圖1可知:2號墻雖然材質(zhì)更天然,但墻體中部距地3 m處出現(xiàn)了長2 m,深5 mm的裂縫;1號墻與3號墻裂縫較少,但石灰作為工業(yè)材料不利于減碳建設(shè).因此,該地區(qū)使用4.5∶4.5∶1.0的材料質(zhì)量比為佳.經(jīng)過此番改良材料的單位碳排放大約降低了123.27 kgCO2e·m-2,降低至原來的20%.

1.1.2 改良夯土墻替代混凝土磚實踐(以泥土學(xué)校天然居為例) 泥土學(xué)校的天然居結(jié)構(gòu)為夯土墻承重,室內(nèi)使用天然材料木材作為樓板,將橫梁插入夯土墻使其固定,在建造過程少有工業(yè)材料的使用,建成后室內(nèi)平均溫度比村內(nèi)磚砌建筑高約5 ℃.改良生土技術(shù)在天然居中的應(yīng)用,如圖2所示.由此可知,使用夯土墻代替混凝土磚的效果良好.

(a) 天然居室外 (b) 天然居室內(nèi) (c) 天然居天井

1.1.3 碳排放減量測算(以泥土學(xué)校糧倉為例) 糧倉的建筑面積為100 m2,高3.8 m,采用改良夯土墻作為承重墻和內(nèi)部隔墻,墻體體積約為117.12 m3,生土材料約用49 t;石灰約用10 t,骨料的卵石約用49 t.若使用工業(yè)材料在浙江省鄉(xiāng)村建設(shè)1棟100 m2的現(xiàn)代建筑,參考同村的磚砌民房(用于倉庫),大約使用混凝土磚60 t,因此,根據(jù)GB/T 51366-2019《建筑碳排放計算標準》[15],建筑材料生產(chǎn)階段的碳排放量公式為

(1)

式(1)中:Csc為建筑材料生產(chǎn)階段碳排放,kgCO2e;Mi為第i種主要建材的消耗量;Fi為第i種主要建材的碳排放因子,kgCO2e·單位建材數(shù)量-1.

改良夯土墻減碳效果統(tǒng)計表,如表2所示.由表2可知:在浙江省鄉(xiāng)村自建民房時,將建筑師可以控制的部分使用改良夯土墻代替磚墻,可以在建筑材料生產(chǎn)階段將碳排放減少至原來的40%,減少單位碳排放124.08 kgCO2e·m-2.若在浙江省鄉(xiāng)村中大力推廣該技術(shù),有利于生態(tài)環(huán)境的保護.

表2 改良夯土墻減碳效果統(tǒng)計表

1.2 使用改良三合土代替混凝土路面

1.2.1 改變材料成分降低材料生產(chǎn)階段碳排放 路面的建造需要消耗大量混凝土,改良三合土可以在一定程度上代替混凝土路面.改良的三合土按照黏土∶細沙∶粗砂∶石灰為1∶2∶4∶3的質(zhì)量比制成,減少了混凝土造成的碳排放.

1.2.2 改良三合土替代混凝土的應(yīng)用(以泥土學(xué)校庭院路面為例) 泥土學(xué)校的庭院大量使用改良三合土路面,能夠同時起到滲水路面和天然防洪堤的作用.15 a來,門口河水歷史最高水位未能越過路面,雨止積水能快速自動排干,在梅雨季節(jié)仍能保持相對干燥,當(dāng)環(huán)境氣溫發(fā)生劇烈變化時,路面溫度也能保持相對恒定.同時,三合土路面的力學(xué)性能和耐久性也經(jīng)受住了時間的考驗.在泥土學(xué)校建設(shè)過程中,路面常年經(jīng)受滿載中型汽油貨車進出,在建設(shè)工作完成后,部分路面也作為內(nèi)部停車場使用.

改良生土技術(shù)與庭院結(jié)合的展示圖,如圖3所示.15 a來,泥土學(xué)校的改良三合土路面沒有產(chǎn)生明顯裂痕,也無需維修.因此,使用改良三合土替代混凝土效果良好.

(a) 泥土學(xué)校前院三合土路面 (b) 泥土學(xué)?；▔贤练礁?(c) 泥土學(xué)校后院三合土路面

1.2.3 碳排放減少量測算(以泥土學(xué)校庭院路面為例) 改良三合土減碳效果統(tǒng)計表,如表3所示.由表3可知:在浙江省鄉(xiāng)村庭院建造中使用改良三合土代替混凝土,可以減排至原來的12%,減少單位碳排放178.86 kgCO2e·m-2.

表3 改良三合土減碳效果統(tǒng)計表

1.3 使用竹片泥墻代替工業(yè)隔聲材料

1.3.1 改變材料成分降低材料生產(chǎn)階段碳排放 隔音材料的生產(chǎn)會排出大量的CO2.將竹片與生土結(jié)合,把有機物與黏土搭配,制作生態(tài)環(huán)保的竹片泥墻,可減少CO2的排放.竹片泥墻板根據(jù)實際需要,用榫卯或金屬件連接拼合,滿足房屋建設(shè)中的內(nèi)部隔斷、裝飾墻面等需求.制作時首先將竹纖維過篩子,將2～3 cm纖維篩出與生土、石灰混合,再用細釘將加工好的竹片與木制龍骨固定,形成竹片井.空隙處使用攪拌好的輕質(zhì)填充土填充.竹片泥墻展示圖,如圖4所示.

(a) 文村樓竹片泥墻分層 (b) 文村樓竹片泥墻竹片層 (c) 文村樓竹片泥墻泥土層

1.3.2 竹片泥墻代替隔聲材料的應(yīng)用(以泥土學(xué)校文村樓為例) 泥土學(xué)校文村樓二層的室內(nèi)空間可在來訪賓客較多時作為教室使用,非工作日也經(jīng)常作為辦公空間供管理人員使用.文村樓二層使用竹片泥墻提升隔聲性能,經(jīng)過現(xiàn)場測量,厚度為15 cm的墻體的隔聲效果滿足GB 50118-2010《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》[16]中對一般教室間的隔聲量要求[17].應(yīng)用竹片泥墻的教室,如圖5所示.

(a) 文村樓教室 (b) 竹片泥墻施工過程 (c) 文村樓辦公室

1.3.3 碳排放減少量測算(以泥土學(xué)校文村樓為例) 在鄉(xiāng)村公共建筑中,對隔聲有要求的建筑隔墻通常購買隔聲板.以聚氯乙烯隔聲板為例,使用竹片泥墻代替工業(yè)隔聲材料能夠減少單位碳排放503.70 kgCO2e·m-2.竹片泥墻減碳效果統(tǒng)計表,如表4所示.

表4 竹片泥墻減碳效果統(tǒng)計表

1.4 使用輕質(zhì)填充土代替工業(yè)保溫材料

1.4.1 改變材料成分降低材料生產(chǎn)階段碳排放 鄉(xiāng)村建筑使用的保溫材料大多是工業(yè)纖維類材料.將竹纖維剁碎后與生土混合,制成的纖維磚和填充材料具有保溫功能.輕質(zhì)填充土的配方為植物纖維與黃泥湯的質(zhì)量比為3∶1,成型后的密度約為400 kg·m-3.運用輕質(zhì)填充土的屋頂,如圖6所示.

(a) 德意樓屋頂分層 (b) 德意樓屋頂輕質(zhì)填充土 (c) 文村樓屋頂輕質(zhì)填充土

1.4.2 輕質(zhì)填充土代替工業(yè)保溫材料的應(yīng)用(以泥土學(xué)校德意樓為例) 德意樓是使用生土材料建造的現(xiàn)代民居,其屋頂使用厚度為7 cm的輕質(zhì)填充土以增加保溫效果.德意樓示意圖,如圖7所示.

(a) 德意樓夯土墻 (b) 德意樓外立面 (c) 德意樓屋頂

選擇2021年1月19日-2月20日(冬季)對德意樓和普通民居室內(nèi)進行連續(xù)的溫度測量,2個房間的大小均為15 m2,平均每天測量3次,共得到3組258個數(shù)據(jù),如圖8所示.圖8中:θ為溫度.由圖8可知:在1個月內(nèi),普通民居室內(nèi)的平均溫度約為5 ℃,而生土建筑室內(nèi)的平均溫度約為14 ℃,若通過空調(diào)制暖達到人體舒適溫度平均每天可節(jié)約24 kW·h的電[18].按照 GB/T 51366-2019《建筑碳排放計算標準》,每節(jié)省1 kW·h的電可以減少碳排放0.785 kgCO2e,則應(yīng)用改良生土技術(shù)的鄉(xiāng)村建筑在用電方面每年可節(jié)省單位碳排放452.16 kgCO2e·m-2.

圖8 德意樓與普通民居1月19日-2月20日室內(nèi)溫度實測

1.4.3 碳排放減少量測算(以泥土學(xué)校德意樓為例) 德意樓的屋頂面積為204 m2,即在浙江省鄉(xiāng)村采用輕質(zhì)填充土作為保溫材料,在材料生產(chǎn)方面可以減少單位碳排放7.53 kgCO2e·m-2.輕質(zhì)填充土減碳效果統(tǒng)計表,如表5所示.

表5 輕質(zhì)填充土減碳效果統(tǒng)計表

1.5 使用生土抹面代替工業(yè)涂料及水泥砂漿

1.5.1 改變材料成分降低材料生產(chǎn)階段碳排放 現(xiàn)代鄉(xiāng)村的墻體常使用涂料或水泥砂漿抹面,這些材料不僅在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量碳排放,個別品牌還會產(chǎn)生有毒物質(zhì),不利于人體健康.改良后的生土用于內(nèi)墻抹面,墻面細膩且容易做造型,能夠在一定程度上替代工業(yè)產(chǎn)品.泥土質(zhì)感比涂料質(zhì)感更加天然,還可以根據(jù)需要選取多種土壤將抹面調(diào)制為不同色彩,我國南方紅、黃、青、紫、白等各色土壤均有分布,用這些生土進行內(nèi)墻抹面,地域特色比較濃郁.改良生土抹面展示圖,如圖9所示.

(a) 浙江安吉余村“兩山”展覽館生土抹面 (b) 得意樓室內(nèi)生土抹面 (c) 不同顏色生土抹面展示塊

1.5.2 碳排放減少量測算 生土抹面減碳效果統(tǒng)計表,如表6所示.計算可知,在建筑中使用生土抹面代替涂料(以聚苯乙烯為例)可以將碳排放降低至10%,減少單位碳排放約4 951.40 kgCO2e·t-1.

表6 生土抹面減碳效果統(tǒng)計表

2 建筑材料運輸階段減碳策略

在資源分布不集中的鄉(xiāng)村中使用工業(yè)建材需要長途運輸,但鄉(xiāng)村自身也是生態(tài)資源豐富的地區(qū).通過長期實踐,踐行以不破壞生態(tài)環(huán)境為前提、就地獲取建筑材料的方法.

2.1 于坡地、廢料、地下室中取土

1) 坡地取土.浙江地區(qū)丘陵坡地較多,首先尋找附近的高坡或丘陵斜坡處,要求該坡地長度超過50 m,使用挖掘工具從低處去除地表熟土,從距地表深度0.3～0.5 m處開始取土,隨后將移出的地表土回填,恢復(fù)原有風(fēng)貌(圖10(a)).

2) 工程廢料取土.在鄉(xiāng)村道路或建筑工程結(jié)束后,會滯留大量廢棄土堆,經(jīng)實踐,工程廢棄土壤經(jīng)過處理能夠用于夯土墻,具體方法為去除滯留土堆0.1 m厚表層土,隨后取土(圖10(b)).

(a) 坡底取土 (b) 工程廢料取土

3) 地下室取土.鄉(xiāng)村生活中為了方便儲存貨物往往需要挖掘地窖或地下室.經(jīng)實踐,地下室開挖中的土壤能夠用于夯土墻材料,方法為挖去地表0.4 m表層土,隨后,使用大型挖掘工具進行取土,同時制造地下室空間.

取來的土通常被用于墻體、地面,材料運輸階段的碳排放公式為

(2)

式(2)中:Cys為建材運輸過程碳排放,kgCO2e;Mi為第i種主要建材的消耗量,t;Di為第i種建材平均運輸距離,km;Ti為第i種建材的運輸方式下,單位質(zhì)量運輸距離的碳排放因子,kgCO2e·(t·km)-1.

取土運輸減碳效果統(tǒng)計表,如表7所示.由圖7可知:取土策略能夠一定程度地降低墻體、地面帶來的材料運輸碳排放,分別減少單位碳排放0.81,7.22 kgCO2e·m-2,隨著工程量和耗材的增加,減碳能力會相應(yīng)地提升.然而,針對距建材城較近、工程量較小的鄉(xiāng)村而言,該策略則優(yōu)勢不足.因此,在實際應(yīng)用中應(yīng)具體問題具體分析.

表7 取土運輸減碳效果統(tǒng)計表

2.2 于加工廠廢料中獲取纖維

浙江省竹資源豐富,竹產(chǎn)業(yè)發(fā)達.在竹制品加工生產(chǎn)線上會出現(xiàn)大量竹纖維廢料,收集、處理附近村內(nèi)竹加工廠的相關(guān)廢料,使其成為隔聲、保溫材料,可減少工業(yè)建材的長途運輸.竹纖維運輸減碳效果統(tǒng)計表,如表8所示.

由表8可知:使用就近獲取的竹纖維廢料制作輕質(zhì)填充土,每立方米的隔聲、保溫材料能夠在材料運輸中分別減少單位碳排放0.010,0.002 kgCO2e·m-2.數(shù)據(jù)表明,該策略減碳效果不明顯,這是因為相關(guān)工業(yè)材料本身較輕,所以單位質(zhì)量的運輸碳排放不高.同時,鄉(xiāng)村竹加工廠的廢料有限,當(dāng)工期有限時,仍需外部購買竹纖維以保證材料的供應(yīng).

表8 竹纖維運輸減碳效果統(tǒng)計表

3 建筑建造階段減碳策略

泥土學(xué)校占地面積約為2 000 m2,總建筑面積為760 m2.泥土學(xué)校俯視圖,如圖11所示.學(xué)校內(nèi)擁有休閑、展覽、辦公教學(xué)、居住等多種現(xiàn)代功能的鄉(xiāng)村建筑,總造價(含裝修)只有33.5萬元[19],既能起到示范的作用,又具有實用意義.如果使用磚混結(jié)構(gòu)建造同樣規(guī)格的學(xué)校,至少需要花費240萬元[20].

圖11 泥土學(xué)校俯視圖

泥土學(xué)校建筑明細表,如表9所示.根據(jù)國際一般碳匯價格水平,中國的碳排放權(quán)交易市場2021-07-16的全國碳交易價格為52.78元·t-1,泥土學(xué)校節(jié)省的206.5萬元人民幣能夠轉(zhuǎn)換為39 124.67 t碳匯.由此可知,在鄉(xiāng)村應(yīng)用生土技術(shù)建造2層以下建筑時,平均每平方米建筑節(jié)約的價格大約可轉(zhuǎn)化51.48 t碳匯.

4 結(jié)論

提出改良的生土技術(shù)并應(yīng)用于浙江省鄉(xiāng)村建筑中,該技術(shù)能在鄉(xiāng)村區(qū)域建筑建造中實現(xiàn)建筑減碳.

1) 由于材料源于自然且循環(huán)方便,因此,改良生土技術(shù)有利于生態(tài)環(huán)境保護.

2) 在浙江省鄉(xiāng)村建筑的材料生產(chǎn)階段中,改良后的生土技術(shù)具有優(yōu)良的減碳效果,墻體方面可減少單位碳排放124.08 kgCO2e·m-2,庭院硬化方面可減少單位碳排放178.86 kgCO2e·m-2,隔聲材料方面能夠減少單位碳排放503.70 kgCO2e·m-2.

3) 在材料運輸階段,改良生土技術(shù)的減碳量隨工程量的增加而增加,但在小型工程中應(yīng)酌情考慮.

4) 在建筑建造階段,應(yīng)用改良生土技術(shù)雖然耗時較長,但在總造價方面存在一定優(yōu)勢,平均每平方米建筑節(jié)省的價格可轉(zhuǎn)化51.48 t碳匯.

5) 采用改良生土技術(shù)建造的建筑具備良好的熱工性能,雖然生土保溫材料的生產(chǎn)運輸減碳效果不顯著,但按照GB/T51366-2019《建筑碳排放計算標準》,每節(jié)省1 kW·h的電可以減少碳排放0.785 kgCO2e,則應(yīng)用改良生土技術(shù)的鄉(xiāng)村建筑在用電方面每年可節(jié)省單位碳排放452.16 kgCO2e·m-2.

6) 改良后的生土技術(shù)的碳排放主要集中在材料生產(chǎn)階段中石灰生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放,隨著研究的進一步深入,應(yīng)探索更加低碳環(huán)保的生土材料代替石灰,以期應(yīng)用于鄉(xiāng)村建筑中.