寒冷地区公共建筑全生命周期碳排放分析

杨冰蓉, 于 丹, 李嘉劼

(1.北京建筑大学,北京100044;2.中国建筑科学研究院有限公司,北京100013)

1 概述

《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》指出,2020年全国建筑全生命周期碳排放总量为50.8×108t,占全国碳排放的50.9%。随着建筑面积的增长,建筑碳排放量还会继续增加。因此,通过先进的建筑节能手段和可再生能源利用,实现零能耗建筑是达成双碳目标的重要手段之一[1]。

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》对零能耗建筑的定义为:零能耗建筑是近零能耗建筑的高级表现形式,其室内环境参数与近零能耗建筑相同,充分利用建筑本体和周边的可再生能源资源,使可再生能源年产能大于或等于建筑全年全部用能的建筑。与国际上大量有关零能耗建筑的研究与实践相比,我国零能耗建筑起步较晚。邹芳睿等人[2]基于中新天津生态城零能耗建筑示范项目,总结了零能耗建筑的实现途径和技术策略。周锐[3]结合零能耗建筑基本理论以及建筑实例分析,总结出零能耗建筑三要素:目标、设计与运行,并进行分析,提出建议。

与常规建筑相比,零能耗建筑能耗大大降低,但是具体的能耗数据较少。赵玉清等人[4]研究了节能率65%的办公建筑和近零能耗建筑在全生命周期内的碳排放量与增量成本间的关系。杨光[5]基于GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》、GB/T 51350—2019等,模拟计算了不同节能水平建筑的建筑能耗,指出完善节能标准能够对建筑节能设计起到指导作用。

我国零能耗建筑研究处于起步阶段,对于零能耗建筑与其他节能水平建筑的能耗以及碳排放量差别研究较少。本文以甘肃某图书馆为例,采用Energyplus软件模拟节能率65%建筑、节能率72%建筑、零能耗建筑能耗,对比3种节能建筑全生命周期碳排放量。本文主要涉及的标准规范为GB 50189—2015、GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》、GB/T 51350—2019,分别适用于节能率65%建筑、节能率72%建筑、零能耗建筑的节能设计。

2 建筑概况

甘肃省某图书馆(属寒冷地区甲类公共建筑)总建筑面积771.5 m2,地上2层,首层建筑面积370.3 m2,二层建筑面积401.2 m2,建筑总高度为10.56 m。体形系数为0.38 m-1,建筑窗墙比为0.18。图书馆主要功能房间为阅览室、休息室。图书馆全年开放,使用时间为8:00—16:00。供暖(冷)面积为421.38 m2,供暖期为11月15日至次年3月15日,供冷期为6月1日至9月15日。采用VRV(变制冷剂流量空调系统)+新风系统满足供冷、供暖需求,建筑供电由光伏发电、风力发电承担。不考虑图书馆生活热水负荷,设备仅指计算机。

3 建筑能耗模拟

3.1 围护结构性能参数

根据GB 50189—2015、GB 55015—2021、GB/T 51350—2019的相关规定,3种节能建筑围护结构热工性能参数限值见表1。由表1可知,节能率65%建筑与节能率72%建筑围护结构热工性能参数限值相差不大。与节能率65%建筑、节能率72%建筑相比,零能耗建筑围护结构热工性能参数限值更加严格。

表1 3种节能建筑围护结构热工性能参数限值

外墙基层为200 mm厚蒸压轻质砂加气混凝土砌块,屋面基层采用120 mm厚钢筋混凝土。在相同外墙基层、屋面基层上设置不同厚度、不同类型保温层以降低外墙、屋面传热系数。3种节能建筑外墙保温层类型、屋面保温层类型、外窗类型及热工性能参数分别见表2～4。由于工艺原因外窗无法同时满足传热系数以及太阳得热系数要求,零能耗建筑外窗优先满足传热系数条件。

表2 节能率65%建筑外墙保温层类型、屋面保温层类型、外窗类型及热工性能参数

表3 节能率72%建筑外墙保温层、屋面保温层、外窗类型及热工性能参数

表4 零能耗建筑外墙保温层、屋面保温层、外窗类型及热工性能参数

3.2 设备性能参数

① 能源设备

图书馆VRV机组年平均性能系数取3.7。GB 50189—2015、GB 55015—2021、GB/T 51350—2019对3种节能建筑VRV+新风系统的新风热回收装置换热性能的规定见表5。由表5可知,GB 50189—2015对节能率65%建筑VRV+新风系统是否设置新风热回收装置未进行规定。3种节能建筑的人员密度、房间人员逐时在室率按GB 55015—2021表C.0.6-5、C.0.6-6中学校教学楼设置,人均新风量取30 m3/(h·人),可计算得到最小总新风量为1 157.25 m3/h,虽然小于40 000 m3/h,但节能率72%建筑VRV+新风系统仍采用新风热回收装置且全热效率为70%。最终,节能率65%建筑VRV+新风系统不设置新风热回收装置,节能率72%建筑、零能耗建筑VRV+新风系统设置新风热回收装置,全热效率取70%。

表5 建筑节能设计标准对3种节能建筑VRV+新风系统的新风热回收装置换热性能的规定

② 照明装置及设备

节能率65%建筑与节能率72%建筑的照明装置发热功率密度按GB/T 51350—2019附录A中表A.1.3-3设定,零能耗建筑的照明装置发热功率密度与图书馆建筑设计文件一致。照明装置发热功率取电功率的80%。3种节能建筑阅览室、休息室照明装置发热功率密度见表6。照明装置逐时使用率按GB 55015—2021附录C中表C.0.6-4中教学楼的相关内容设置。

表6 3种节能建筑阅览室、休息室照明装置发热功率密度

节能率65%建筑、节能率72%建筑、零能耗建筑的设备(图书馆设备特指计算机,仅在阅览室设置计算机)发热功率密度均按GB/T 51350—2019附录A中表A.1.3-3中教学楼的相关内容设定。设备发热功率取电功率的60%。3种节能建筑阅览室设备发热功率密度均取10 W/m2。设备逐时使用率按GB 55015—2021附录C中表C.0.6-12中教学楼的相关内容设置。

3.3 可再生能源利用

GB 50189—2015、GB 55015—2021对节能率65%建筑、节能率72%建筑的可再生能源利用没有强制要求。GB/T 51350—2019要求零能耗建筑需要最大可能调动周边的可再生能源,充分利用太阳能、地热能、风能、生物质能等可再生能源。零能耗建筑配置光伏发电与风力发电设备。配置80块光伏板,单块额定发电功率600 W,总额定发电功率48 kW。配置2台风力发电机组,单台额定发电功率10 kW,总额定发电功率20 kW。

3.4 建筑能耗模拟结果

采用Energyplus软件建立建筑模型,按上述内容设置3种节能建筑围护结构性能参数、设备性能参数,选择甘肃地区典型年气候参数,模拟建筑能耗,建筑能耗包括供冷耗电量、供暖耗电量、照明装置与设备耗电量。建筑室内设计参数见表7。3种节能建筑的年建筑能耗见表8。由表8可知,节能率65%建筑的建筑能耗最高,节能率72%建筑的建筑能耗居中,零能耗建筑的建筑能耗最低。

表7 建筑室内设计参数

表8 3种节能建筑的年建筑能耗

4 建筑碳排放计算

本文根据GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》对建筑全生命周期碳排放进行计算,计算边界包含建筑材料生产阶段、建筑材料运输阶段、建筑建造阶段、建筑运行阶段、建筑拆除阶段。

4.1 建筑碳排放计算方法

建筑全生命周期单位建筑面积年碳排放量的计算式为:

mQSM=mJC+mYC+mJZ+mYX+mCC

(1)

式中mQSM——建筑全生命周期单位建筑面积年碳排放量,kg/(m2·a)

mJC——建筑材料生产阶段单位建筑面积年碳排放量,kg/(m2·a)

mYC——建筑材料运输阶段单位建筑面积年碳排放量,kg/(m2·a)

mJZ——建筑建造阶段单位建筑面积年碳排放量,kg/(m2·a)

mYX——建筑运行阶段单位建筑面积年碳排放量,kg/(m2·a)

mCC——建筑拆除阶段单位建筑面积年碳排放量,kg/(m2·a)

① 建筑材料生产阶段

建筑材料生产阶段单位建筑面积年碳排放量的计算式为:

(2)

式中n——主要建筑材料种类

mi——主要建筑材料i消耗量,t

FJC,i——主要建筑材料i生产阶段碳排放因子,kg/t

A——建筑面积,m2

t——建筑设计使用年限,a,取50 a

图书馆主要建筑材料涉及水泥、钢筋、混凝土、保温材料、外窗材料等。主要建筑材料消耗量来源于图书馆建设工程清单,建筑材料生产阶段碳排放因子采用GB/T 51366—2019提供的数据。对于零能耗建筑,除式(2)计算的主要建筑材料生产阶段碳排放外,还包括光伏组件、风力发电装置生产阶段碳排放。光伏组件生产阶段碳排放量来自文献[6],单位发电量生产阶段碳排放因子取2 138 kg/kW。风力发电装置生产阶段碳排放量来自文献[7],单位发电量生产阶段碳排放因子取656 kg/kW。

② 建筑材料运输阶段

建筑材料运输阶段单位建筑面积年碳排放量的计算式为:

(3)

式中di——主要建筑材料i平均运输距离,km

FYC,i——主要建筑材料i运输阶段碳排放因子,kg/(t·km)

主要建筑材料运输阶段碳排放因子采用GB/T 51366—2019提供的数据。由于缺少相关数据,建筑材料平均运输距离取自文献[8]。

③ 建筑建造及拆除阶段

笔者缺少图书馆建造及拆除能源消耗清单。根据我国的建造业发展水平,建筑建造及拆除阶段单位建筑面积碳排放量之和取30 kg/m2[1]。建筑设计使用年限按50 a计算,图书馆建造和拆除阶段单位建筑面积年碳排放量之和为0.6 kg/(m2·a)。

④ 建筑运行阶段

根据Energyplus软件模拟得到的建筑能耗计算建筑运行阶段碳排放量,建筑运行阶段单位建筑面积年碳排放量的计算式为:

mYX=EFYX

(4)

式中E——单位建筑面积年建筑能耗,kW·h/(m2·a)

FYX——火力发电电力碳排放因子,kg/(kW·h)

火力发电电力碳排放因子取0.577 kg/(kW·h)[9],光伏发电与风力发电的电力碳排放因子取0。由于零能耗建筑采用可再生能源满足全年建筑能耗,因此零能耗建筑的建筑运行阶段碳排放为0。

4.2 建筑全生命周期碳排放量

3种节能建筑全生命周期单位建筑面积年碳排放量见表9。

表9 3种节能建筑全生命周期单位建筑面积年碳排放量

由表9可知,在建筑全生命周期碳排放量中,节能率65%建筑、节能率72%建筑运行阶段碳排放量占比最大,零能耗建筑通过利用可再生能源(光伏发电与风力发电)实现了建筑运行阶段零碳排放。零能耗建筑全生命周期碳排放量最低,仅为节能率65%建筑、节能率72%建筑的9.89%、10.69%,碳排放主要出现在建筑材料生产阶段、建造和拆除阶段。

5 结论

① 节能率65%建筑的建筑能耗最高,节能率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,节能率65%建筑、节能率72%建筑运行阶段碳排放量占比最大,零能耗建筑通过利用可再生能源(光伏发电与风力发电)实现了建筑运行阶段零碳排放。零能耗建筑全生命周期碳排放量最低,仅为节能率65%建筑、节能率72%建筑的9.89%、10.69%,碳排放主要出现在建筑材料生产阶段、建筑建造和拆除阶段。