寒冷地區公共建筑全生命周期碳排放分析

楊冰蓉, 于 丹, 李嘉劼

(1.北京建筑大學,北京100044;2.中國建筑科學研究院有限公司,北京100013)

1 概述

《2022中國建筑能耗與碳排放研究報告》指出,2020年全國建筑全生命周期碳排放總量為50.8×108t,占全國碳排放的50.9%。隨著建筑面積的增長,建筑碳排放量還會繼續增加。因此,通過先進的建筑節能手段和可再生能源利用,實現零能耗建筑是達成雙碳目標的重要手段之一[1]。

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》對零能耗建筑的定義為:零能耗建筑是近零能耗建筑的高級表現形式,其室內環境參數與近零能耗建筑相同,充分利用建筑本體和周邊的可再生能源資源,使可再生能源年產能大于或等于建筑全年全部用能的建筑。與國際上大量有關零能耗建筑的研究與實踐相比,我國零能耗建筑起步較晚。鄒芳睿等人[2]基于中新天津生態城零能耗建筑示范項目,總結了零能耗建筑的實現途徑和技術策略。周銳[3]結合零能耗建筑基本理論以及建筑實例分析,總結出零能耗建筑三要素:目標、設計與運行,并進行分析,提出建議。

與常規建筑相比,零能耗建筑能耗大大降低,但是具體的能耗數據較少。趙玉清等人[4]研究了節能率65%的辦公建筑和近零能耗建筑在全生命周期內的碳排放量與增量成本間的關系。楊光[5]基于GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》、GB/T 51350—2019等,模擬計算了不同節能水平建筑的建筑能耗,指出完善節能標準能夠對建筑節能設計起到指導作用。

我國零能耗建筑研究處于起步階段,對于零能耗建筑與其他節能水平建筑的能耗以及碳排放量差別研究較少。本文以甘肅某圖書館為例,采用Energyplus軟件模擬節能率65%建筑、節能率72%建筑、零能耗建筑能耗,對比3種節能建筑全生命周期碳排放量。本文主要涉及的標準規范為GB 50189—2015、GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》、GB/T 51350—2019,分別適用于節能率65%建筑、節能率72%建筑、零能耗建筑的節能設計。

2 建筑概況

甘肅省某圖書館(屬寒冷地區甲類公共建筑)總建筑面積771.5 m2,地上2層,首層建筑面積370.3 m2,二層建筑面積401.2 m2,建筑總高度為10.56 m。體形系數為0.38 m-1,建筑窗墻比為0.18。圖書館主要功能房間為閱覽室、休息室。圖書館全年開放,使用時間為8:00—16:00。供暖(冷)面積為421.38 m2,供暖期為11月15日至次年3月15日,供冷期為6月1日至9月15日。采用VRV(變制冷劑流量空調系統)+新風系統滿足供冷、供暖需求,建筑供電由光伏發電、風力發電承擔。不考慮圖書館生活熱水負荷,設備僅指計算機。

3 建筑能耗模擬

3.1 圍護結構性能參數

根據GB 50189—2015、GB 55015—2021、GB/T 51350—2019的相關規定,3種節能建筑圍護結構熱工性能參數限值見表1。由表1可知,節能率65%建筑與節能率72%建筑圍護結構熱工性能參數限值相差不大。與節能率65%建筑、節能率72%建筑相比,零能耗建筑圍護結構熱工性能參數限值更加嚴格。

表1 3種節能建筑圍護結構熱工性能參數限值

外墻基層為200 mm厚蒸壓輕質砂加氣混凝土砌塊,屋面基層采用120 mm厚鋼筋混凝土。在相同外墻基層、屋面基層上設置不同厚度、不同類型保溫層以降低外墻、屋面傳熱系數。3種節能建筑外墻保溫層類型、屋面保溫層類型、外窗類型及熱工性能參數分別見表2～4。由于工藝原因外窗無法同時滿足傳熱系數以及太陽得熱系數要求,零能耗建筑外窗優先滿足傳熱系數條件。

表2 節能率65%建筑外墻保溫層類型、屋面保溫層類型、外窗類型及熱工性能參數

表3 節能率72%建筑外墻保溫層、屋面保溫層、外窗類型及熱工性能參數

表4 零能耗建筑外墻保溫層、屋面保溫層、外窗類型及熱工性能參數

3.2 設備性能參數

① 能源設備

圖書館VRV機組年平均性能系數取3.7。GB 50189—2015、GB 55015—2021、GB/T 51350—2019對3種節能建筑VRV+新風系統的新風熱回收裝置換熱性能的規定見表5。由表5可知,GB 50189—2015對節能率65%建筑VRV+新風系統是否設置新風熱回收裝置未進行規定。3種節能建筑的人員密度、房間人員逐時在室率按GB 55015—2021表C.0.6-5、C.0.6-6中學校教學樓設置,人均新風量取30 m3/(h·人),可計算得到最小總新風量為1 157.25 m3/h,雖然小于40 000 m3/h,但節能率72%建筑VRV+新風系統仍采用新風熱回收裝置且全熱效率為70%。最終,節能率65%建筑VRV+新風系統不設置新風熱回收裝置,節能率72%建筑、零能耗建筑VRV+新風系統設置新風熱回收裝置,全熱效率取70%。

表5 建筑節能設計標準對3種節能建筑VRV+新風系統的新風熱回收裝置換熱性能的規定

② 照明裝置及設備

節能率65%建筑與節能率72%建筑的照明裝置發熱功率密度按GB/T 51350—2019附錄A中表A.1.3-3設定,零能耗建筑的照明裝置發熱功率密度與圖書館建筑設計文件一致。照明裝置發熱功率取電功率的80%。3種節能建筑閱覽室、休息室照明裝置發熱功率密度見表6。照明裝置逐時使用率按GB 55015—2021附錄C中表C.0.6-4中教學樓的相關內容設置。

表6 3種節能建筑閱覽室、休息室照明裝置發熱功率密度

節能率65%建筑、節能率72%建筑、零能耗建筑的設備(圖書館設備特指計算機,僅在閱覽室設置計算機)發熱功率密度均按GB/T 51350—2019附錄A中表A.1.3-3中教學樓的相關內容設定。設備發熱功率取電功率的60%。3種節能建筑閱覽室設備發熱功率密度均取10 W/m2。設備逐時使用率按GB 55015—2021附錄C中表C.0.6-12中教學樓的相關內容設置。

3.3 可再生能源利用

GB 50189—2015、GB 55015—2021對節能率65%建筑、節能率72%建筑的可再生能源利用沒有強制要求。GB/T 51350—2019要求零能耗建筑需要最大可能調動周邊的可再生能源,充分利用太陽能、地熱能、風能、生物質能等可再生能源。零能耗建筑配置光伏發電與風力發電設備。配置80塊光伏板,單塊額定發電功率600 W,總額定發電功率48 kW。配置2臺風力發電機組,單臺額定發電功率10 kW,總額定發電功率20 kW。

3.4 建筑能耗模擬結果

采用Energyplus軟件建立建筑模型,按上述內容設置3種節能建筑圍護結構性能參數、設備性能參數,選擇甘肅地區典型年氣候參數,模擬建筑能耗,建筑能耗包括供冷耗電量、供暖耗電量、照明裝置與設備耗電量。建筑室內設計參數見表7。3種節能建筑的年建筑能耗見表8。由表8可知,節能率65%建筑的建筑能耗最高,節能率72%建筑的建筑能耗居中,零能耗建筑的建筑能耗最低。

表7 建筑室內設計參數

表8 3種節能建筑的年建筑能耗

4 建筑碳排放計算

本文根據GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》對建筑全生命周期碳排放進行計算,計算邊界包含建筑材料生產階段、建筑材料運輸階段、建筑建造階段、建筑運行階段、建筑拆除階段。

4.1 建筑碳排放計算方法

建筑全生命周期單位建筑面積年碳排放量的計算式為:

mQSM=mJC+mYC+mJZ+mYX+mCC

(1)

式中mQSM——建筑全生命周期單位建筑面積年碳排放量,kg/(m2·a)

mJC——建筑材料生產階段單位建筑面積年碳排放量,kg/(m2·a)

mYC——建筑材料運輸階段單位建筑面積年碳排放量,kg/(m2·a)

mJZ——建筑建造階段單位建筑面積年碳排放量,kg/(m2·a)

mYX——建筑運行階段單位建筑面積年碳排放量,kg/(m2·a)

mCC——建筑拆除階段單位建筑面積年碳排放量,kg/(m2·a)

① 建筑材料生產階段

建筑材料生產階段單位建筑面積年碳排放量的計算式為:

(2)

式中n——主要建筑材料種類

mi——主要建筑材料i消耗量,t

FJC,i——主要建筑材料i生產階段碳排放因子,kg/t

A——建筑面積,m2

t——建筑設計使用年限,a,取50 a

圖書館主要建筑材料涉及水泥、鋼筋、混凝土、保溫材料、外窗材料等。主要建筑材料消耗量來源于圖書館建設工程清單,建筑材料生產階段碳排放因子采用GB/T 51366—2019提供的數據。對于零能耗建筑,除式(2)計算的主要建筑材料生產階段碳排放外,還包括光伏組件、風力發電裝置生產階段碳排放。光伏組件生產階段碳排放量來自文獻[6],單位發電量生產階段碳排放因子取2 138 kg/kW。風力發電裝置生產階段碳排放量來自文獻[7],單位發電量生產階段碳排放因子取656 kg/kW。

② 建筑材料運輸階段

建筑材料運輸階段單位建筑面積年碳排放量的計算式為:

(3)

式中di——主要建筑材料i平均運輸距離,km

FYC,i——主要建筑材料i運輸階段碳排放因子,kg/(t·km)

主要建筑材料運輸階段碳排放因子采用GB/T 51366—2019提供的數據。由于缺少相關數據,建筑材料平均運輸距離取自文獻[8]。

③ 建筑建造及拆除階段

筆者缺少圖書館建造及拆除能源消耗清單。根據我國的建造業發展水平,建筑建造及拆除階段單位建筑面積碳排放量之和取30 kg/m2[1]。建筑設計使用年限按50 a計算,圖書館建造和拆除階段單位建筑面積年碳排放量之和為0.6 kg/(m2·a)。

④ 建筑運行階段

根據Energyplus軟件模擬得到的建筑能耗計算建筑運行階段碳排放量,建筑運行階段單位建筑面積年碳排放量的計算式為:

mYX=EFYX

(4)

式中E——單位建筑面積年建筑能耗,kW·h/(m2·a)

FYX——火力發電電力碳排放因子,kg/(kW·h)

火力發電電力碳排放因子取0.577 kg/(kW·h)[9],光伏發電與風力發電的電力碳排放因子取0。由于零能耗建筑采用可再生能源滿足全年建筑能耗,因此零能耗建筑的建筑運行階段碳排放為0。

4.2 建筑全生命周期碳排放量

3種節能建筑全生命周期單位建筑面積年碳排放量見表9。

表9 3種節能建筑全生命周期單位建筑面積年碳排放量

由表9可知,在建筑全生命周期碳排放量中,節能率65%建筑、節能率72%建筑運行階段碳排放量占比最大,零能耗建筑通過利用可再生能源(光伏發電與風力發電)實現了建筑運行階段零碳排放。零能耗建筑全生命周期碳排放量最低,僅為節能率65%建筑、節能率72%建筑的9.89%、10.69%,碳排放主要出現在建筑材料生產階段、建造和拆除階段。

5 結論

① 節能率65%建筑的建筑能耗最高,節能率72%建筑的建筑能耗居中,零能耗建筑的建筑能耗最低。

② 在建筑全生命周期碳排放量中,節能率65%建筑、節能率72%建筑運行階段碳排放量占比最大,零能耗建筑通過利用可再生能源(光伏發電與風力發電)實現了建筑運行階段零碳排放。零能耗建筑全生命周期碳排放量最低,僅為節能率65%建筑、節能率72%建筑的9.89%、10.69%,碳排放主要出現在建筑材料生產階段、建筑建造和拆除階段。