基于用能行为的建筑碳排放计算研究

2023-12-04李文清徐蔼彦朱轶韵余婷婷

西安理工大学学报 2023年3期

李文清, 徐蔼彦, 朱轶韵, 余婷婷

(西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安710048)

近年来,气候变化问题是全球最瞩目的热点问题之一。2020年全球平均温度比1850—1900年的基线高1.2 ℃[1]。据研究,温室气体排放加剧是全球温室效应的主要原因,温室气体主要包括CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs、SF6,控制二氧化碳排放是控制全球气候变暖的关键措施。

根据《中国建筑能耗研究报告2020》,2018年全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿t,占全国能源碳排放总量的51.2%,其中建筑运行阶段碳排放21.1亿t,占建筑全过程碳排放总量的42.8%[2]。因此,建筑减排潜力巨大,而且由于建筑使用时间较长,减少运行阶段碳排放,对我国实现节能减排的目标具有重要意义。

我国高校众多,2020年全国高校共计2 738所,高校建筑用途包含办公、教学、居住、体育活动等,是一个城市建筑的缩影[3]。近年来建筑能耗与碳排放是专家学者们所关注研究的热点,并取得了许多重要的成果。张晨悦以山东建筑大学为例,从建筑、交通、生活三个方面对碳排放进行了调研和计算,总结了高校建筑碳排放特点及规律[4]。程骞等通过对常州某高校一年的能耗与碳排放进行统计计算,得出电力碳排放占全部碳排放总量的93.19%,其中空调和照明占电力碳排放的85%左右[5]。同时还有研究发现建筑碳排放不仅与建造技术和节能设备的运用有关,很大一部分还取决于建筑使用者的节能行为习惯。但Chen Shuo通过筛选Scopus数据库内的相关研究,发现在用户行为对建筑能耗影响研究中,以大学建筑作为案例研究的仅17%[6]。其中,谈雪等通过定量分析得出校园能耗中与学生行为有关的功能性能耗占总能耗的比值达到60%以上[7]。赵倩等通过模拟居住建筑能耗,发现不同的开窗行为和空调行为对建筑能耗有不同程度的影响[8]。陈淑琴等对比分析了不同空调使用模式对空调能耗的影响,研究发现适度型(6～10月开启空调,温度设定24 ℃)和节约型(7、9月开启空调,温度设定26 ℃)使用方式比奢侈型(5～7、9、10月开启空调,温度设定22 ℃)使用方式分别节约空调能耗41%和73%[9]。Roschildt D.H.的研究表明用户的行为决定了建筑物的能源消耗程度,节约型比浪费型的用户在制冷能耗方面减少84%,照明能耗减少35%,总能源消耗降低30%[10]。Deng Yujing研究发现电脑的数量和使用频率对建筑能耗有较大的影响,同时空调设备的使用行为是影响学生公寓用电量的最大因素[11]。陈淑琴等分析了照明、空调、电脑、饮水机和打印机的使用特征,研究表明高校办公建筑内使用者的用能行为存在着很大浪费[12]。以上研究均为用能行为对能耗的影响研究。国内对于建筑内用户的用能行为的研究较晚,关于用能行为对建筑碳排放量分析较少,因此,通过分析学生用能行为与不同行为模式对建筑碳排放的影响,可以系统且有针对性的提出校园减碳策略。

本文选取西安理工大学金花校区(位于陕西省西安市,属于寒冷地区)一栋典型办公建筑作为研究对象,首先,计算该建筑正常运行时的碳排放;其次,对建筑碳排放的重要影响因素之一学生用能行为进行调研统计分析;再次,对比分析三种不同行为模式(建筑标准运行、调研的用能行为、优化后的用能行为)下,该建筑碳排放的差异;最后,提出适宜的高校办公建筑节能减排措施。

1 建筑运行阶段碳排放计算

1.1 碳排放计算方法

碳排放计算方法众多[13],如生命周期法、实测法、统计指标法、碳排放因子法等,其中碳排放因子法因可提供较为全面的建筑碳排放评估而得到广泛应用,其基本思路是根据碳排放清单,针对各种排放源确定其活动水平数据和碳排放因子,二者乘积即为碳排放量。

高校办公建筑运行阶段碳排放计算应包括暖通空调、照明、插座用能(电脑等外接用能设备)及电梯等其他系统在建筑运行期间的碳排放总量。建筑运行阶段碳排放量可按照式(1)计算。

(1)

式中:CM为建筑运行阶段单位建筑面积碳排放量(kg/m2);Ei,j为第j类系统的第i类能源年消耗量(kWh/a);Fi为第i类能源的碳排放因子,本研究采用的碳排放因子取自《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019);y为建筑设计寿命(a);A为建筑面积(m2)。

1.2 碳排放模拟计算

本文使用斯维尔建筑碳排放CEEB2022软件对西安理工大学金花校区一栋典型办公建筑运行阶段的碳排放量进行计算。首先确定建筑参数以及各项运行参数,以确定软件模拟的准确性。然后对建筑暖通空调系统、照明系统、其他用能设备产生的碳排放量进行模拟。

1.2.1建筑参数设置

建筑参数包括:建筑的地理位置、当地的气象参数、建筑的结构参数、运行参数。其中运行参数主要包括人员在室情况、人员密度、照明和插座设备的设置及运行情况、空调系统设置情况、热水供应情况、空调系统分区和冷热源情况、电梯等[14]。

本文选取的典型办公建筑位于陕西省西安市碑林区,气象参数采用西安典型气象年数据,建造于1985年,为“L”型建筑,建筑面积13 352 m2。东侧建筑(九层)和南侧建筑(六层)的房间功能以办公室为主,北侧建筑为五层,均为阶梯教室。该建筑的西北轴测图如图1所示,其结构参数见表1。

图1 建筑西北轴测图Fig.1 Northwest axonometric drawing of buildings

表1 建筑结构参数

建筑运行参数通过调研统计获取。通过调研发现,人员在室时间为8:00～12:00,人员在室概率节假日低于工作日。建筑运行过程中,会议室电器设备包括投屏设备和电脑等。平均各办公室电器设备包括8台笔记本、1台打印机、1个烧水器。部分办公室夏季使用小风扇,个别办公室冬季使用电暖气。教室电器设备主要包括电脑以及多媒体设备。办公设备以及照明设备均为入室即开启状态。以此确定各房间电器设备功率参数。各房间照明功率密度按照各房间实际使用灯具进行确定。其他参数参考《西安市公共建筑节能设计标准》进行确定。具体建筑各功能房间运行参数如表2所示。

表2 建筑各功能房间运行参数Tab.2 Operating parameters of functional rooms in buildings

建筑内空调系统采用调研中办公室多用的分体挂壁式空气调节器,该空调制冷量3 500 W,制冷输入功率1 064 W,制热量3 850 W,制热输入功率1 167 W,制冷能效比3.29,制热能效比3.30,未考虑热回收。空调全年可以使用,冬夏分别进行供热供冷。11月15日至3月15日进行集中供暖。冬季供热方式为空调制热与暖气供应结合。暖气供热为燃气锅炉+换热机组组合供热,锅炉采用超低氮冷凝热水锅炉,系统供热效率90%以上。该建筑无集中供应热水设备。

1.2.2建筑碳排放计算

通过斯维尔建筑碳排放CEEB2022软件模拟计算得出建筑运行过程各个系统的能源消耗量以及碳排放量,具体数值见表3。该建筑以上述参数运行50年总碳排放量为34 423.8 t,单位面积碳排放量为2 578.2 kg/m2,单位面积年碳排放量为51.6 kg/(m2·a)。

建筑运行阶段碳排放包括暖通空调、照明、插座以及其他系统所产生的碳排放总和。由于该建筑燃气消耗全部用于冬季供暖,将该部分碳排放计入暖通空调系统内。建筑运行阶段总碳排放中暖通空调(包括电力制冷与制热、燃烧燃气锅炉制热)产生的碳排放占比56.0%;照明系统占比22.6%;插座设备(主要为使用电脑、打印机等办公设备)占比19.9%;其他类占比1.5%,如图2所示。

同时可以看出,办公建筑使用燃气所产生的碳排放量仅占建筑总碳排放量的6.6%,占比较少,而暖通空调、照明、插座设备电力碳排放各占总量约1/3。这表明,通过改变学生的用能习惯,进而实现节能减排这一目标的潜力较大。

表3 建筑运行阶段碳排放量Tab.3 Carbon emissions during building operation

图2 建筑运行阶段碳排放量占比Fig.2 Proportion of carbon emissions in building operation stagein building operation stage

2 建筑使用者用能行为分析

建筑碳排放与建筑能源消耗量有关,而能源的消耗取决于用能设备的使用情况。建筑中人的用能行为包括人员对空调、照明、插座(用电设备,如电脑、打印机、烧水器等)的使用等可人为控制的行为[15],为分析学生的用能行为对办公建筑碳排放的影响,本研究于2022年3月至5月在校内,通过发放电子问卷、与学生面对面交流、进入办公室实地考察等方法进行调研。调研内容包括学生的基本信息,办公场所空调全年使用情况,日常照明、电脑等耗能设备的使用时间、频率、使用习惯等,并获取有效问卷112份。

2.1 办公建筑人员在室时间分析

图3统计了该办公建筑内学生工作日与节假日各时间段在室情况。从图中可以看出,节假日学生在室活动情况与工作日期间趋势相同,但学生在室率相较于工作日下降了约25%。工作日7:00开始学生在室率逐渐增加,9:00～12:00学生在室率维持在85%～95%;12:00～14:00学生离开办公室,约20%的学生在此期间会返回办公室;14:00～15:00学生返回办公室,在室率维持在85%～95%;17:00～19:00学生离开办公室;而在19:00之后有部分同学会返回办公室继续办公学习,直到24:00学生全部离开办公室。

图3 人员逐时在室率Fig.3 Probability of users in the room at each time

2.2 典型用能设备使用情况分析

2.2.1空调使用情况分析

图4是该办公建筑内学生全年各月空调使用情况。从图中可以看出,随着5月份气温开始升高,天气逐渐炎热,空调使用概率逐渐上升,7、8月达到峰值,在室的学生开空调概率可达80%。随着季节进入秋天,气温逐渐下降,使用空调制冷有所下降。从10月开始,空调使用开始有小幅度增加,学生在室使用概率较低。11月15日至次年3月15日集中供暖,但冬季空调使用率有所上升,经调研发现主要原因是老旧建筑暖气设备老化,传热能力较差,同时冬季寒冷,未常开窗通风,室内易出现空气不流通等现象,部分学生会选择开启空调辅助供热和调节空气流通。

图4 空调逐月使用率Fig.4 Monthly utilization rate of air conditioning

图5进一步反映了冬夏两季工作日和节假日内各时间段空调使用情况。从图中可以看出,冬季空调使用率低于夏季。通过调查发现,这是由于夏季较为炎热,主要采用空调制冷为室内提供舒适的环境,而冬季采暖以集中供暖为主,空调制热辅助供暖。同时从图中可看出节假日空调使用率低于工作日,且每日空调使用主要在9:00～12:00,14:00～17:00,与学生在室工作学习时间相符合。

图5 各时间段空调使用情况Fig.5 Air conditioning usage at each time period

2.2.2照明使用情况分析

图6反映了工作日与节假日各时间段照明设备使用情况。可看出照明主要集中在8:00～22:00,其使用率均在60%以上,且夜间仍有部分办公室处于照明状态。10:00～16:00照明设备使用概率有所下降,原因是有部分学生因为室外光照较好,室内采光可达到正常使用需求所以关闭照明设备。但大部分学生则更习惯于早上进入办公室即开灯,直到晚上离开办公室才关灯,并无根据采光情况或中途离开办公室而随手关灯的习惯。

图6 各时间段照明设备使用情况Fig.6 Use of lighting equipment at each time period

2.2.3电脑设备使用情况分析

电脑是学生日常工作学习中必不可少的设备。图7反映了工作日与节假日各时间段电脑使用情况。从图中可以看出,工作日学生到达办公室开始使用电脑的时间在8:00左右,9:00～12:00内有85%～95%的电脑处于开启状态;12:00～14:00大部分学生离开办公室,其中约30%的学生在此期间仍在使用电脑或使其处于待机状态;14:00学生开始返回办公室使用电脑,14:00～18:00电脑开启状态维持在85%～95%;18:00～19:00学生离开办公室并关闭电脑;20:00～24:00有部分同学会返回办公室继续使用电脑办公学习,但相较于白天,夜间电脑使用率约减小了一半。节假日与工作日电脑使用情况大致相同,但电脑使用率相较于工作日下降了约20%。电脑整体使用情况与学生在室情况基本相同。

图7 各时间段电脑使用情况Fig.7 Computer usage at each time period

2.3 用能行为的特征分析

建筑内影响碳排放的因素中,与人的行为有关的主要可分为两个方面[16]:一是为满足使用者热舒适需求,使用暖气和空调这类供热和制冷设备,称为“环境因素”;二是为满足用户生活工作需求,使用照明设备、电脑、打印机、电梯、排气扇等设备,称为“工作因素”。

通过调研问卷发现,环境因素的改变一方面与建筑物和外界环境的交互有关。当夏季外界气温升高、冬季外界气温降低时,使用者感觉温度不利于高效的工作学习而常常采取开空调。日常通过使用照明设备弥补自然采光的不足。另一方面,也存在由于节能意识较弱而导致不使用时不关闭照明、不关闭空调等设备的行为。此类因素对建筑的碳排放影响会随着使用者对舒适度的需求和节能意识的改变而改变。节能减排策略也主要从此方面入手。

而工作因素与建筑物的功能和用户的使用目的有关。此类因素不会因为建筑使用者的行为而发生改变,只与建筑自身的被使用时间有关,减排空间较小。但可考虑更改无人使用时设备的开启情况,以达到节能减排目的。

3 不同行为模式下建筑碳排放对比分析

为进一步分析用户用能行为对建筑碳排放的影响,现对建筑内办公室参数进行调整,对比三种不同的行为模式下建筑运行阶段碳排放差异。模式一根据《公共建筑节能设计标准》(JGJ/T 67-2019)的规定,按无设计文件确定参数时确定房间运行参数,表现为工作日7:00～18:00空调温度26 ℃,供暖温度20 ℃,照明功率密度为11 W/m2,节假日各设备均不运行;模式二采用调研分析结果来确定相关参数,房间运行参数见表2;模式三对使用者用能行为模式进行优化,学生行为按照办公时间(8:00～12:00,14:00～24:00)的实际情况确定参数,但在午休时间(12:00～14:00)照明使用率降至20%,设备使用率降至10%,休息时间(0:00～8:00)关闭照明、空调、电脑等设备。人员在室率与设备、照明使用率具体数值如表4、表5所示。

表4 办公室内人员在室率Tab.4 Probability of staff in office

表5 办公室内设备、照明使用率Tab.5 Probability of use of office equipment and lighting

该建筑用能以电力为主,辅以少量燃气。日常用能涉及暖通空调(包括电力制冷、制热,燃烧燃气锅炉制热),照明,插座设备(包括电脑、打印机等设备),电梯等其他方面用能。根据三种行为模式计算得到的碳排放结果如图8,图9所示。

由图8可知,模式二单位面积碳排放量最高,模式一次之,模式三最低。由图9可知,模式一与模式二计算得出各项碳排放具有一定差异,但总碳排放量较为接近。由于模式一根据公共建筑节能设计标准设置办公楼的相关房间参数,设置系统工作时间为7:00～18:00,且认定节假日相关用能系统不运行,这与学校办公楼的实际使用情况有所出入,故实际碳排放高于设计标准;但设计标准对于部分参数设计值较高,例如照明设备在工作时间内运行概率高达95%,而实际运行概率多在70%～80%之间,这将会增加单位时间内能源消耗计算量,以此权衡建筑的碳排放量。模式二是按照实际计算,且与规范设计相符,数据可靠。

图8 不同模式下建筑单位面积碳排放量Fig.8 Carbon emissions per building area by different modes

图9 不同模式下建筑内各子项单位面积碳排放量Fig.9 Carbon emissions per unit area of each sub-item in building by different modes

模式三是对模式二进行了优化改进,对学生的不规范用能进行优化,具体表现为在0:00～8:00关闭照明、空调、电脑等设备,同时在12:00～14:00午休时间降低了照明以及空调的使用率。根据计算结果,优化后建筑碳排放总量减少23%,其中暖通空调碳排放比优化前降低了32%,照明碳排放量降低了12%,插座设备类用能的碳排放降低了14%。同时优化后结果相比与公共建筑节能设计标准的碳排放也有所减少,这说明,建筑使用者的行为将直接影响建筑碳排放量,约束使用者的不良用能行为,减排效果明显。因此为了减少校园建筑碳排放,应该加强校内各种宣传教育活动,提高学生的低碳意识,以达到节能减排的目的。