西宁市居住建筑外立面保温改造碳排放和能耗评价

崔松旭，高云甫，杨 徽，龚志起,2*

(1.青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016； 2.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海 西宁 810016)

根据《中国建筑能耗研究报告》可知，2017年中国建筑能源消耗量为9.47亿吨标准煤，约占全国能源消耗总量的21.10%；建筑碳排放量为19.6亿吨，占全国能源碳排放量的19.5%[1]。提高既有建筑保温性能是减少建筑业能耗、走向低碳经济、实现可持续发展的重要途径。目前，对既有建筑节能改造的研究多集中于市场运行机制、施工技术、综合效益评价三大方面。高旭阔等[2]研究了节能改造的融资筹资方式；陈为公等[3]分析了不同主体内源驱动因素；李永生等[4]研究了既有居住建筑节能改造的瓷砖外墙处理方式；王志伟等[5]以层次分析法为核心，耦合其他方法对节能改造项目进行综合性效益评价。此类研究评价多趋向于单体或小规模建筑的直接节能效率及经济性，缺乏对城市尺度上系统性、定量化的建筑立面改造碳排放和能源消耗的评估。因而，本研究借助ArcGIS软件表征西宁市居住建筑，运用生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)方法评价了两种保温材料单位建筑面积物化阶段的碳排放和能源消耗，并将评价结果加载到建筑存量信息库，推算西宁市居住建筑外立面保温改造的碳排放和能源消耗，为西宁市相关部门提供可视化分析结果。

1 研究方法

1.1 西宁市居住建筑表征信息

1.1.1 定性表征建筑特征 本文构建的西宁市建筑存量信息库主要包含以下属性信息：建筑编码(ID)、建筑类型、层数、建成时间、建筑面积等。其中，建筑类型按建筑使用功能划分为居住建筑、工业建筑、公共建筑，本研究仅考虑居住建筑。按照我国建筑节能设计标准的更新时点和建筑实际建成时点，可以将信息库内建筑划分为五类，由于本研究不考虑2018年以后采用最新节能标准的新建建筑，因而可将信息库内建筑按建成时间分为四类，表征结果见表1。

表1 西宁市居住建筑定性表征结果Tab.1 Qualitative characterization of residential buildings in Xining

1.1.2 定量表征建筑信息 在ArcMap中绘制建筑足迹时，软件将自动生成建筑足迹的长度，建筑物楼层数可通过历史影像资料观察获取，故而建筑外立面净改造面积S可按下式估算：

S=S*(1-b)=Lac(1-b)

(1)

式中：S*为建筑外立面面积 (m2)；b为建筑窗墙比，依据文献[6]居住建筑取0.30；L为建筑足迹的长度(m)；a为建筑层高，依据文献[6]居住建筑取2.9 m；c为建筑楼层数。

1.2 外立面保温改造的生命周期影响评价

本研究采用基于过程的生命周期评估框架，评估不同时期建造的建筑在使用不同保温材料进行外立面保温改造带来的碳排放和能源消耗。外立面保温改造系统边界包括原材料开采、能源生产及保温板等建筑产品生产、运输、现场安装过程(图1)。功能单位选择1 m2固定于基层墙体外表面上的保温系统。研究区域为西宁市四大主城区下辖6个乡镇及25个街道办事处。

图1 外立面保温改造系统边界Fig.1 System boundary of facade reconstruction

1.2.1 清单分析 本研究拟用DU来表示每完成1 m2建筑外立面保温改造所需的保温材料量，由保温材料的种类、建筑建造的年代和外立面保温系统决定。

DU=(R1-R0)λαAρ

(2)

式中：R1表示改造后达到2018年最新设计要求的外立面平均传热热阻(m2·K/W)；R0表示改造前建筑外立面平均传热热阻(m2·K/W)；λ表示保温材料的导热系数(W/(m·K))；α表示导热系数的修正系数；A表示单位改造面积，取1 m2；ρ表示保温材料密度(kg/m3)。

(1)保温材料的种类。本研究采用模塑聚苯板(EPS)和硬泡聚氨酯板(PUR)两种有机保温材料,计算参数见表2。

表2 保温材料计算参数Tab.2 Calculation parameters of thermal insulation materials

(2)外立面保温系统的确定。外立面保温系统由于保温材料、构造形式等原因种类众多，本研究采用黏贴保温板薄抹灰外立面保温系统(由胶黏剂把保温材料固定在基层墙体之上，再外加抹面砂浆、玻璃纤维网格布、涂料组成防护层)。

(3)建筑建造的年代。假设国家和地方性节能设计标准施行的年份里建成的建筑外围护结构平均传热系数、平均传热热阻等热工参数完全符合当时的节能设计要求。由文献[6]可知，西宁市隶属严寒C区，采暖度日数为4 478(18 ℃/d)，根据表1内不同时期的节能设计标准可以确定西宁市不同年代居住建筑外立面平均传热系数，没有设计标准的居住建筑外立面平均传热系数按2.00 W/(m2·K)估算，结果见表3。

表3 不同年代居住建筑外立面热工参数Tab.3 Thermal parameters of exterior wall of residential buildings in different years

为了计算城市规模碳排放和能源消耗并进行方案比较，假设建筑存量信息库中居住建筑改造后全部达到现行设计标准的热工参数要求。依据以上参数求得不同类别建筑在使用不同保温材料进行改造时所需的DU值，计算结果见表4。

表4 不同建筑类别使用不同保温材料改造时所需的DU值Tab.4 DU values required for reconstruction of different building types with different thermal insulation materials kg/m2

黏贴保温板薄抹灰外立面保温系统的主要差异在于保温材料不同，其他组分可视为完全等同。1 m2黏贴保温板薄抹灰外立面保温系统中其他组分消耗量见表5。

表5 黏贴保温板薄抹灰外立面保温系统中其他组分用量估算结果Tab.5 Estimation of the amount of other components in the external insulation system of thin plastering with adhesive insulation board kg/m2

根据外立面保温改造系统边界，清单数据主要包括能源生产[7-8]、运输[9]、水泥生产[10]、骨料生产[11]、EPS板生产[12]、PUR板生产[13]、玻璃纤维网格布生产[10]、涂料生产[12]、施工[14]。能源消耗涵盖原材料开采过程、产品加工、运输、现场施工。外立面保温改造施工主要考虑制备砂浆、电动吊篮使用带来的电耗。部分文献数据没有考虑运输带来的能源消耗和因能源使用带来的间接碳排放，本文在计算整理时假设运输距离为100 km，原材料使用火车运输，成品建材使用柴油车运输，使用玻璃清单数据代替玻璃纤维网格布，最终获得1 m2不同年代居住建筑采用不同保温材料的清单数据。

1.2.2 影响评价 依据ISO 14042系列标准原则，参考EDIP分类方法，结合本文研究目的确定物化能(EE)、全球变暖潜能值(GWP)为衡量外立面保温改造能耗和碳排放的中点指标。EE直接采用清单分析结果表示其环境影响，GWP采用当量因子法衡量其环境影响，影响尺度考虑100年。特征化因子参考杨建新等[15]的研究，计算出1 m2特征化结果后，按照建筑年代以及保温材料种类的不同将特征化结果加载入西宁市建筑存量信息库，进一步计算主城区居住建筑外立面保温改造的环境影响，即EE与GWP值。

2 结果与分析

2.1 西宁市建筑存量表征结果

截至2017年，建筑存量信息库共录入28 458栋建筑，居住建筑共19 517栋，公共建筑4 626栋，工业建筑4 315栋，具体分类表征结果见表6。结合表1可知，未实行节能标准的a类居住建筑占总居住建筑的21%； 50%的居住建筑属于b类和c类，拥有较差的保温性能；仅有29%的居住建筑属于d类，拥有较高的节能设计标准。总体来看，西宁市现有71%的居住建筑都是没有实行节能标准或者保温性能较低的建筑。外立面保温改造面积直接关系城市尺度上环境影响潜值的确定，随着时间推移，新建建筑体量越来越大，外立面保温改造面积也会越来越大。

表6 西宁市建筑分类表征结果Tab.6 Characterization of buildings classification of Xining

2.2 外立面保温改造的环境影响

依据保温材料种类、建筑年代不同，1 m2外立面保温改造各中点指标的环境影响如图2所示。c类建筑采用EPS板进行外立面保温改造时，1 m2能耗达1 080 MJ，产生 25.8 kg CO2eq.；PUR板作为保温材料对b类建筑进行外立面改造时，1 m2能耗达772 MJ，产生23.5 kg CO2eq.。当建筑年代一定时，PUR板外立面保温系统的GWP指标比EPS板外立面保温系统少19.39%～30.92%，PUR板外立面保温系统EE指标比EPS板外立面保温系统少20.07%～41.85%。当选用的保温材料一致时，随着时间推移，外立面保温改造产生的碳排放和能耗越来越小，这符合从1968年开始国内居住建筑设计标准逐渐完善的事实。综上，保温材料选择PUR板比EPS板更具有优势。

图2 1 m2外立面保温改造的环境影响Fig.2 Environmental impact potential of 1m2 facade reconstruction

图3为西宁市主城区居住建筑外立面保温改造碳排放和能耗评价结果。其他条件一定，只比较保温材料时，城市范围内变化趋势与单位面积内一致，使用EPS板要比使用PUR板多消耗50%的能源，d类建筑除外。使用PUR板碳排放比EPS板少30%左右。仅比较建筑年代发现，居住建筑随时间推移两类中点指标都在增大，这是因为随着时间推移，居住建筑改造面积一直呈递增趋势。

图3 城市范围外立面保温改造的环境影响Fig.3 Environmental impact of facade reconstruction in urban scale

西宁市居住建筑采用PUR板进行外立面保温改造的环境影响以GWP指标为例，分级地图见图4。

3 讨论与结论

本研究结合ArcGIS软件和LCA方法评估了西宁市居住建筑使用不同保温材料进行外立面保温改造带来的碳排放和能耗，研究表明：(1)西宁市现存21%的居住建筑未实行节能设计，50%的居住建筑属于低能效建筑。(2)仅考虑保温材料时，a类建筑使用PUR板外立面保温系统GWP指标比EPS板外立面保温系统少30.92%，d类建筑使用PUR板外立面保温系统GWP指标比EPS板外立面保温系统少19.39%；a类建筑使用PUR板外立面保温系统EE指标比EPS板外立面保温系统少41.85%，d类建筑使用PUR板外立面保温系统EE指标比EPS板外立面保温系统少20.07%。(3)从能源和碳排放视角来看，使用PUR板进行外立面保温改造要好于EPS板，这与马丽萍等[16]的研究成果相符。

本文从碳排放和能耗方面对西宁市居住建筑外立面保温改造的环境影响进行了研究，下一步可从人体健康损害、酸化等指标来深入研究不同类别建筑改造的环境影响。