基于灰色关联分析的公共建筑工程碳排放评价

周珊珊,马海彬,门国明

(1. 安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2. 安徽建工集团总承包公司,安徽 淮南 232000)

0 引言

工业革命以来,人类依赖于大量开采煤炭、石油、天然气等化石燃料带来的经济腾飞。随着对温室气体和温室效应的深入认知,过量碳排放导致的愈发频繁的极端天气、北极海冰减少、海平面上升及其他生态环境恶化引发全世界的关注和讨论,各国政府出台一系列低碳政策以应对气候变化带来的严重后果。2016年,全世界178个缔约方共同签署了《巴黎气候变化协定》;2021年各缔约方完成了《巴黎协定》实施细则并制定了相应的减排措施。目前,我国碳排放总量仍高居世界榜首,其中建筑全寿命周期能耗总量占全国能源消费总量的比重高达46.5%[1]。2022年建筑业产值已突破30万亿元,同比增长6.5%。作为人口基数庞大的发展中国家,我国在未来相当长的一段历史时期中仍会保持一定数量的新增工程建设量,因此控制建筑业的碳排放对实现减排目标具有重要意义。

目前,针对建筑业碳排放领域的研究主要集中于碳排放的测算、影响因素、情景预测及路径研究等方面。其中碳排放测算的方法有实测法、投入产出法和生命周期评价法等多种方法。随着学科发展和国家减排工作的深入与规范化,大部分研究活动摒弃了过去地评价过程对建筑使用阶段的讨论较多、对建筑生命周期中其他部分的计算和探讨较为匮乏的缺点,采用了生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)的方法来研究建筑能耗和碳排放之间的关系[2]。由于影响建筑工程全生命周期碳排放量的因素众多,因此评价标准不应仅局限在碳排放总量上,更应体现在各因素影响总量的敏感程度上。灰色关联分析(Grey Correlation Analysis,GCA)是一种较为便捷地评价这类因素的敏感性的动态统计分析方法,它可以实现在数据有限的情况下,较为精确地寻找各变化因素与参考因素之间的关联程度。基于此,本文将采用生命周期评价法测算建筑碳排放量,采用灰色关联分析法筛选出影响建筑碳排放的主要因素,并以合肥市某拟建公共建筑工程为实证案例进行建模计算,以求为类似工程综合设计与施工提供借鉴和依据。

1 研究方法

1.1 生命周期评价

生命周期评价是对产品或服务系统整个生命周期中与产品或服务系统直接有关的环境影响、物质和能源的投入产出进行汇集和测定的一种方法[3]。其核心要义是将对评价对象的评价工作贯穿到整个生命周期中。对于碳排放环节众多、界面不甚清晰的建筑工程而言,生命周期评价体现了良好的可量化性、可评估性与可对比性。我国先后出台了《建筑碳排放计算标准 》 GB/T 51366-2019、《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021等系列标准规范,其采用生命周期方法(LCA) 计算建筑建材生产 、建筑物建造施工、运行及最终拆除的全生命期碳排放量。根据上述标准规范,划分生命周期碳排放计算边界如图1所示,统一碳排放计算模型见表1。

表1 生命周期各阶段碳排放计算模型

1.2 灰色关联分析

灰色关联分析(Grey Correlation Analysis,GCA)是一种较为便捷地评价各类因素敏感性的动态统计分析方法。其通过计算灰色关联度来反映两个因素之间的关联程度,利用灰色关联度顺序来描述各因素之间关系的强弱次序。与回归分析、相关分析等因素分析方法要求数据量大、数据分布特征明显的现象相较而言,灰色关联分析的优势体现于可以准确度量小样本数据中序列的逼近关系,也可以定性定量的确定变异度较大的样本数据中各因素之间的对应关系[4],较好地弥补了回归相关分析对多因素非典型分布分析难度较大的不足。灰色关联分析已在社会科学和自然科学的各个领域得到广泛应用,尤其是在区域经济优势分析、产业结构调整、农业、生物统计、工程等领域取得了较好的应用效果。鉴于影响建筑工程全生命周期碳排放量的因素众多,样本容量具有不确定性、多变性,采用灰色关联分析对全生命周期碳排放变量进行内在的规律探寻是合理且可行的。

灰色关联分析有以下六个具体步骤:①设定参考序列矩阵;②对各评价序列矩阵进行无量纲化处理;③求各绝对差序列、两级最大差和两级最小差;④计算灰色关联度;⑤计算综合评价系数;⑥比较和排序。计算公式详见文献[5]。

2 建筑业碳排放实证模型构建

拟建工程位于合肥市高新区创新产业园内,该地块整体地形平坦(项目地形如图2所示),地理环境优美,周边高新技术产业、学校密集,科技、学习和生活氛围浓厚。该建筑主要功能是为初次创业的青年人才提供办公、交流和居住场所。本工程采用钢筋混凝土框架结构,总建筑面积为7515.86m2,设计使用年限为50年。拟建公共建筑工程渲染后的效果图如图3所示。依已有设计方案组织该工程项目进场、施工、运行与拆除所产生的碳排放量按表1生命周期各阶段碳排放计算模型计算,其碳排放量占比饼图如图4所示。

图2 项目地形图

图3 拟建建筑工程效果图

图4 碳排放量占比饼图

由图4可知,建筑的运行阶段是碳排放量最多的阶段,这是因为相较于生命周期其他阶段,建筑的运行阶段是持续时间最长的,且该工程已有能源结构中绝大部分仍是采用化石能源,可再生能源比例只有8%左右,故通过燃烧方式产生的直接碳排放(如热水、燃煤锅炉供热等)和电力供应造成的间接碳排放相加后得到的建筑运行阶段的碳排放量在碳排放总量中的占比最大;其次是建材生产阶段,这是因为建筑工程本身就是各种建筑材料的物化实体,在生成建筑物的每个施工阶段都需要消耗大量的材料,而在生产这些建筑材料的过程中会产生大量碳排放。

除此之外,不同材料在生产过程中的能耗情况不同,碳排放系数存在差异,故建筑采用不同材料产生的碳排放差距较大,如:在保证水泥早期强度等特性的前提下,改变水泥熟料的成分可有效降低生产中的碳排放;相比传统波特兰基复合水泥,不含硅酸三钙和铝酸三钙的贝利特-硫铝酸钙水泥(BCSAF)的碳排放系数可降低约30%。材料的低碳性是建筑材料选择时的关注重点,在经济合理、技术可行的范围内实现低碳材料、节能材料的最大程度应用是减排的重要路径,材料的本地化也是实现低碳运输的控制路径。因此,在建筑工程全生命周期碳排放影响因素的分析中要重视建筑运行、建材生产这两个阶段。

3 碳排放灰色参数及关联性分析

3.1 参数选取

国内诸多相关领域的学者都对建筑生命周期碳排放的影响因素作出过研究与分析。其中闫大伟[6]利用层次分析法对各影响因素的重要性程度进行比较,结果显示项目规划设计阶段中场址的选择与建筑节能设计对碳排放有较大的影响;王秀代[7]强调了合理设计主体结构形式与建筑围护结构、选择合适的绿化方式的重要性,并指出工程项目施工管理水平及交付使用后的运营管理水平直接影响机械设备利用率从而间接影响碳排放;王捷等[8]通过因素分析提出合理设计装配率,发展装配式建筑有利于实现降低污染、节约能源的建设目标;徐金俊等[4]利用敏感性分析研究了再生混凝土材料配合比设计对建筑碳排放量的影响;张孝存[9]通过统计分析明确了生命周期各阶段碳排放影响因素并建立了系统的碳排放量化与评价方法,得出材料损耗率、施工垃圾平均清运量对碳排放产生正向影响,可再生能源使用率、废弃物回收利用程度对碳排放有抑制作用。通过文献研究梳理并考虑国家碳中和六大减排路径与该工程项目实际情况,本文选取表2所列的8个影响因素进行研究,分析其与该公建工程全生命周期碳排放量的灰色关联度。

表2 碳排放影响因素选取

其中,通过工艺改进并加强工人培训,现浇钢筋损耗率可由原规划设计中的3%减少为2%;再生资源的回收利用可以有效减少初次生产过程中的碳排放,再生粗骨料率取为0%、20%、40%,建筑物拆除产生的废弃物的再利用和回收率取为40%、50%;采用绿色电力进行能源替代,其使用率取为0%、10%、20%;绿地率取为30%、35%;按设计要求,装配率可取为40%、50%;工程项目施工管理水平及运营管理水平可分别量化为高水平(90分)、中水平(70分)。根据不同参数数值之间的组合,利用PKPM绿建节能系列软件总共对864种工况进行了全生命周期碳排放量的计算,部分基础数据见表3及表4。

表3 部分绿化碳汇减排量

表4 部分工况碳排放量及影响因素数据

3.2 因素识别

将碳排放量作为参考序列,其余8个影响因素作为比较序列,代入关联度计算公式可得各因素的关联系数如图5所示。

图5 生命周期碳排放关联度系数雷达图

由图5可知,现浇钢筋损耗率、再生粗骨料率、建筑物拆除产生的废弃物回收利用程度、绿色电力使用率、绿地率、装配率、工程项目施工管理水平、运营管理水平8个变化参数均与该公共建筑生命周期碳排放量之间存在关联。根据关联度大小,影响碳排放量由大到小的因素为:工程项目运营管理水平、施工管理水平、建筑物拆除产生的废弃物回收利用程度、绿色电力使用率、现浇钢筋损耗率、装配率、绿地率、再生粗骨料率。

3.3 因素分析

基于工程项目实况,并结合中国碳峰值碳中和目标对影响该公共建筑碳排放的4个主要因素进行分析,其目前存在问题、目标需求及建议如图6所示。

图6 碳排放主要影响因素分析

(1) 工程项目运营阶段持续时间长,对碳排放量的影响大,故提高该阶段的管理水平,应用节能与新能源技术,或通过被动房技术对照明、采暖、制冷系统进行革新,合理规划各系统机组数量,减少空转,降低机组折损率,延长机组使用寿命能够有效降低碳排放量。此外,提高管理水平以节约水资源、保持小区绿化也是行之有效的措施。

(2) 建筑建造阶段由于施工过程复杂、影响因素众多,若项目团队管理水平不高,会造成人材机等众多资源的浪费,从而增加碳排放量,不利于建筑减排。故提高施工过程的管理水平,合理组织流水施工,充分发挥人为管理与控制能动性;采用新材料、改进生产工艺、加强交底培训等可以有效降低施工过程中的材料损耗,进而减少建筑碳排放。

(3) 再生资源的回收利用可以有效减少初次生产过程中的碳排放,而现阶段,对于废弃物回收再利用处理方式较单一,综合利用率不高。可通过混凝土制品再生、金属材料回收、生物质废料利用等提高回收利用率,实现减排目标。

(4) 优化能源消费结构,加大清洁和可再生能源使用占比是实现碳减排的另一有效措施。

4 结论

(1) 本文基于PKPM系列软件,以合肥某拟建公共建筑工程为实证案例进行建模,采用生命周期评价法测算建筑碳排放量,结果表明:建筑的运行阶段是碳排放量最多的阶段,其次是建材生产阶段。

(2) 采用灰色关联理论对8个关键参数的敏感度进行评估,发现工程项目运营管理水平、施工管理水平、建筑物拆除产生的废弃物回收利用程度与绿色电力使用率是影响该公共建筑碳排放的主要因素,其次是现浇钢筋损耗率、装配率,最后是绿地率、再生粗骨料率。

(3) 基于工程项目实况并结合我国“双碳”目标,分析影响该公共建筑碳排放的4个主要因素,得出提高管理水平以节约资源、多途径提高建筑废弃物的回收利用率、加大清洁和可再生能源使用占比、保持绿化等合理的减排增汇路径。