改良生土技術下的浙江省鄉村建筑物化階段減碳策略

賀宇豪, 張明珍, 任衛中, 李志昊, 吳正旺

(1. 華僑大學 建筑學院, 福建 廈門 361021;2. 廈門東南鄉建咨詢有限公司, 福建 廈門 361000;3. 中國建筑設計研究院有限公司, 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].如何運用生土技術促進鄉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化[7].南非博茨瓦納大學的Alfred[8]、意大利卡迪利亞大學的Achenza[9]等實現了生土材料改性.國內對生土建筑的研究起步較晚,建筑大師任震英、昆明理工大學的柏文峰等致力于新型生土技術研究[10].中國美術學院、北京建筑大學等高校長期專注于生土建筑的推廣[11].當前國內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,對鄉村建筑物化階段的減碳策略研究較少.

浙江省鄉村建筑面積約為317 635.3萬m2[12],擁有巨大的節能減排潛力[13].針對當前浙江省鄉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,將浙江省鄉村建筑物化階段減碳策略分為建筑材料生產階段、建筑材料運輸階段和建筑建造階段減碳策略,其中,在建筑材料生產階段,使用改良夯土墻、改良三合土、竹片泥墻、輕質填充土和生土抹面等替代混凝土磚、混凝土、水泥、工業涂料、工業保溫材料及工業隔聲材料;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,用節省下的造價轉化碳匯,抵消環境成本.

1 建筑材料生產階段減碳策略

經多年實踐,歸納了運用天然材料建造現代建筑的改良生土技術.該技術由改良夯土墻、改良三合土、竹片泥墻、輕質填充土和生土抹面5項技術組成,具有就地取材、技術簡單、便于推廣的優點,主要用于替代鄉村建筑中的混凝土磚、混凝土、水泥、工業涂料、工業保溫材料及工業隔聲材料,最大程度減少工業材料在建筑材料生產階段對生態環境的影響[14].改良生土技術及其應用,如表1所示.

表1 改良生土技術及其應用

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階段碳排放 現代鄉村建筑的墻體大多由磚或混凝土制成,在材料生產階段會產生大量碳排放,以鄉村民房為例,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種材料的質量比分別為4.5∶4.5∶1.0(1號),7∶2∶1(2號),4∶5∶1(3號),經過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號墻雖然材質更天然,但墻體中部距地3 m處出現了長2 m,深5 mm的裂縫;1號墻與3號墻裂縫較少,但石灰作為工業材料不利于減碳建設.因此,該地區使用4.5∶4.5∶1.0的材料質量比為佳.經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(以泥土學校天然居為例) 泥土學校的天然居結構為夯土墻承重,室內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材料的使用,建成后室內平均溫度比村內磚砌建筑高約5 ℃.改良生土技術在天然居中的應用,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 (c) 天然居天井

1.1.3 碳排放減量測算(以泥土學校糧倉為例) 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.若使用工業材料在浙江省鄉村建設1棟100 m2的現代建筑,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GB/T 51366-2019《建筑碳排放計算標準》[15],建筑材料生產階段的碳排放量公式為

(1)

式(1)中:Csc為建筑材料生產階段碳排放,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·單位建材數量-1.

改良夯土墻減碳效果統計表,如表2所示.由表2可知:在浙江省鄉村自建民房時,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.若在浙江省鄉村中大力推廣該技術,有利于生態環境的保護.

表2 改良夯土墻減碳效果統計表

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用(以泥土學校庭院路面為例) 泥土學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,在梅雨季節仍能保持相對干燥,當環境氣溫發生劇烈變化時,路面溫度也能保持相對恒定.同時,三合土路面的力學性能和耐久性也經受住了時間的考驗.在泥土學校建設過程中,路面常年經受滿載中型汽油貨車進出,在建設工作完成后,部分路面也作為內部停車場使用.

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

(a) 泥土學校前院三合土路面 (b) 泥土學校花壇三合土方格 (c) 泥土學校后院三合土路面

1.2.3 碳排放減少量測算(以泥土學校庭院路面為例) 改良三合土減碳效果統計表,如表3所示.由表3可知:在浙江省鄉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計表

1.3 使用竹片泥墻代替工業隔聲材料

1.3.1 改變材料成分降低材料生產階段碳排放 隔音材料的生產會排出大量的CO2.將竹片與生土結合,把有機物與黏土搭配,制作生態環保的竹片泥墻,可減少CO2的排放.竹片泥墻板根據實際需要,用榫卯或金屬件連接拼合,滿足房屋建設中的內部隔斷、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用(以泥土學校文村樓為例) 泥土學校文村樓二層的室內空間可在來訪賓客較多時作為教室使用,非工作日也經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,經過現場測量,厚度為15 cm的墻體的隔聲效果滿足GB 50118-2010《民用建筑隔聲設計規范》[16]中對一般教室間的隔聲量要求[17].應用竹片泥墻的教室,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(以泥土學校文村樓為例) 在鄉村公共建筑中,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計表,如表4所示.

表4 竹片泥墻減碳效果統計表

1.4 使用輕質填充土代替工業保溫材料

1.4.1 改變材料成分降低材料生產階段碳排放 鄉村建筑使用的保溫材料大多是工業纖維類材料.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.輕質填充土的配方為植物纖維與黃泥湯的質量比為3∶1,成型后的密度約為400 kg·m-3.運用輕質填充土的屋頂,如圖6所示.

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

1.4.2 輕質填充土代替工業保溫材料的應用(以泥土學校德意樓為例) 德意樓是使用生土材料建造的現代民居,其屋頂使用厚度為7 cm的輕質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進行連續的溫度測量,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個數據,如圖8所示.圖8中:θ為溫度.由圖8可知:在1個月內,普通民居室內的平均溫度約為5 ℃,而生土建筑室內的平均溫度約為14 ℃,若通過空調制暖達到人體舒適溫度平均每天可節約24 kW·h的電[18].按照 GB/T 51366-2019《建筑碳排放計算標準》,每節省1 kW·h的電可以減少碳排放0.785 kgCO2e,則應用改良生土技術的鄉村建筑在用電方面每年可節省單位碳排放452.16 kgCO2e·m-2.

圖8 德意樓與普通民居1月19日-2月20日室內溫度實測

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

表5 輕質填充土減碳效果統計表

1.5 使用生土抹面代替工業涂料及水泥砂漿

1.5.1 改變材料成分降低材料生產階段碳排放 現代鄉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過程中會產生大量碳排放,個別品牌還會產生有毒物質,不利于人體健康.改良后的生土用于內墻抹面,墻面細膩且容易做造型,能夠在一定程度上替代工業產品.泥土質感比涂料質感更加天然,還可以根據需要選取多種土壤將抹面調制為不同色彩,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村中使用工業建材需要長途運輸,但鄉村自身也是生態資源豐富的地區.通過長期實踐,踐行以不破壞生態環境為前提、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,恢復原有風貌(圖10(a)).

2) 工程廢料取土.在鄉村道路或建筑工程結束后,會滯留大量廢棄土堆,經實踐,工程廢棄土壤經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,單位質量運輸距離的碳排放因子,kgCO2e·(t·km)-1.

取土運輸減碳效果統計表,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,減碳能力會相應地提升.然而,針對距建材城較近、工程量較小的鄉村而言,該策略則優勢不足.因此,在實際應用中應具體問題具體分析.

表7 取土運輸減碳效果統計表

2.2 于加工廠廢料中獲取纖維

浙江省竹資源豐富,竹產業發達.在竹制品加工生產線上會出現大量竹纖維廢料,收集、處理附近村內竹加工廠的相關廢料,使其成為隔聲、保溫材料,可減少工業建材的長途運輸.竹纖維運輸減碳效果統計表,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.數據表明,該策略減碳效果不明顯,這是因為相關工業材料本身較輕,所以單位質量的運輸碳排放不高.同時,鄉村竹加工廠的廢料有限,當工期有限時,仍需外部購買竹纖維以保證材料的供應.

表8 竹纖維運輸減碳效果統計表

3 建筑建造階段減碳策略

泥土學校占地面積約為2 000 m2,總建筑面積為760 m2.泥土學校俯視圖,如圖11所示.學校內擁有休閑、展覽、辦公教學、居住等多種現代功能的鄉村建筑,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.如果使用磚混結構建造同樣規格的學校,至少需要花費240萬元[20].

圖11 泥土學校俯視圖

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

4 結論

提出改良的生土技術并應用于浙江省鄉村建筑中,該技術能在鄉村區域建筑建造中實現建筑減碳.

1) 由于材料源于自然且循環方便,因此,改良生土技術有利于生態環境保護.

2) 在浙江省鄉村建筑的材料生產階段中,改良后的生土技術具有優良的減碳效果,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,改良生土技術的減碳量隨工程量的增加而增加,但在小型工程中應酌情考慮.

4) 在建筑建造階段,應用改良生土技術雖然耗時較長,但在總造價方面存在一定優勢,平均每平方米建筑節省的價格可轉化51.48 t碳匯.

5) 采用改良生土技術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》,每節省1 kW·h的電可以減少碳排放0.785 kgCO2e,則應用改良生土技術的鄉村建筑在用電方面每年可節省單位碳排放452.16 kgCO2e·m-2.

6) 改良后的生土技術的碳排放主要集中在材料生產階段中石灰生產產生的碳排放,隨著研究的進一步深入,應探索更加低碳環保的生土材料代替石灰,以期應用于鄉村建筑中.