辦公建筑物化階段CO2排放研究
2014-04-29 00:00:00羅智星楊柳劉加平
土木建筑與環境工程 2014年5期
摘要：
建筑物化階段的CO2排放時間集中、絕對量大，是建筑節能減排的研究重點。構建了辦公建筑物化階段CO2排放的計算模型，包括建材、設備生產與運輸的CO2排放，以及施工過程的CO2排放。利用該計算模型，分析計算了78棟辦公建筑物化階段的CO2排放量。平均來看，物化階段的碳排放量為326.75 kg/m2；隨著建筑高度的增加單位面積碳排放明顯增加，超高層建筑的單位面積碳排放量是多層建筑的1.5倍；土建工程的碳排放量占到物化階段的75%左右，而鋼筋、混凝土、砂漿、墻體材料的碳排放量占到了土建工程的80%以上。分別以建筑層數和建材用量為自變量做了辦公建筑物化階段CO2排放量的預測模型，通過統計學的分析對比，發現以鋼筋、混凝土和墻體材料為自變量的預測公式可以很好地預測建筑物化階段的碳排放。
關鍵詞：
辦公建筑；CO2排放；生命周期評價；物化階段
中圖分類號：
TU023
文獻標志碼：A
文章編號：1674-4764（2014）05-0037-07
Carbon Dioxide Emissions of Office Buildings at Embodied Stage
Luo Zhixing， Yang Liu， Liu Jiaping
（Architecture School，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，P.R.China）
Abstract：
The building embodied stage is the LCA research focus due to large and intensive CO2 emissions. In order to establish the CO2 emissions calculating model during the embodied stage， CO2 emissions load in the process of building materials， equipments manufacturing， transporting and construction should be included. CO2 emissions during building embodied stage of 78 office buildings were analyzed by this model. On average， the amount of carbon emission during embodied stage is 326.75 kg/m2. The carbon emission in per unit area increase with the growth of building height and that of super high-rise buildings is 1.5 times as much as multi-story buildings. Carbon emission of civil work accounted for about 75% of the total amount during embodied stage， and the carbon emissions of rebar， concrete， mortar and wall materials accounted for over 80% of the carbon emission of civil work. According to the statistic of prediction model dependent on building story and amount of building materials，the CO2 emissions during building embodied stage could be precisely predicted on basis of the independent variablesincluding concrete and wall materials respectively.
Key words：
office building； carbon dioxide emissions； LCA； embodied stage
人類活動對氣候所造成的影響已被公認為是對地球的一種巨大威脅。在此背景下，節約能源、減少以CO2為代表的溫室氣體排放已成為全球尤其是中國關注的重大問題。從世界范圍來看，建筑業約消耗了30%～40%的能源，產生了40%～50%的溫室氣體[1]。因此，研究建筑產業如何降低溫室氣體的排放不僅是建筑界熱門的環保課題，更是一種必須承擔的國際責任。
建筑的生命周期包括了物化階段、使用階段和拆除階段[2]。其中建筑物化階段是指建筑在投入使用之前，形成工程實體所需要的建筑材料生產、構配件加工制造以及現場施工安裝過程[2]。建筑物化階段的CO2排放包含了：1）建筑材料（包括建筑管道、設備等）生產制造、運輸中產生的碳排放，即隱含碳排放；2）建筑施工過程的因使用能源而產生的直接碳排放。據研究，建筑物化階段的CO2排放占建筑生命周期CO2排放量的5%～20%（按建筑壽命50 a計算）[3-9]。雖然比例不大，但由于我國建筑建設量大，且物化階段的CO2排放主要集中在1～2 a的建設期內，排放的絕對量相當可觀[10]。從宏觀角度看，中國建筑業所使用的資源占全國資源利用量的40%～50%，所消耗的能源約占全社會總能耗的30%[11]。建筑業的隱含碳排放占所有部門隱含碳排放的26.47%[12]。辦公建筑是較為普遍的公共建筑，對于能源和環境的影響較大，是能源和資源的消耗大戶，因此定量的研究辦公建筑的物化階段CO2排放有著較強的代表性。
1.1 辦公建筑物化階段CO2排放的功能單位
功能單位（Functional Unit）是指用來作為基準單位的量化的產品系統性能[13]。功能單位的基本作用是為有關的輸入和輸出提供參照基準，以保證LCA結果的可比性。功能單位的定義遵循2個基本原則：1）功能單位必須可測量。2）一個系統可能同時具有若干種功能，研究中選擇那一種取決于研究的目的和范圍[14]。
建筑物規模不一、物化階段材料和機械的使用量相差很大將直接導致碳排放差別很大因此，僅給出建筑物總的碳排放缺乏可比性，需要建立一個橫向可比較的評價指標。用單位建筑面積的碳排放作為評價辦公建筑物化階段CO2排放指標可以有效消除由于建筑物規模等因素不同所帶來的影響，使得評價結果之間具有一致性和可比性。因此，辦公建筑物化階段CO2排放的功能單位為單位建筑面積的CO2排放量（kg/m2），即LCCO2M。
1.2 計算模型
在辦公建筑物化階段，主要碳排放源有2個：1）建材的生產、建材的運輸、建筑設備的生產所產生的隱含碳排放；2）建材、設備運輸過程和建造施工、裝修施工中使用的化石燃料與電力所產生的直接碳排放。因此，建筑物化階段的CO2排放量的計算模型為
2.3 土建工程的建材使用量與CO2排放量解析
從以上分析結果可以看出，土建工程的CO2排放量約占整個建筑形成階段CO2排放量的76.32%，因此這一部分需要重點研究。
2.3.1 建筑材料使用量與CO2排放量分析 土建工程的建筑材料使用量與CO2排放量的分析數據如表3所示。從表中可以發現如下趨勢，建筑越高，其鋼與混凝土的用量就越大，超高層辦公建筑的單位面積用鋼量比多層建筑高出近40%，而混凝土的用量更是高出了60%。這是因為鋼筋作為鋼混結構主要的結構材料，越高的建筑其結構強度的要求就越大，因此會大量增加鋼材的用量；而混凝土則為建筑結構的抗壓材料，隨著建筑高度的增加建筑梁柱的截面積也大幅增加，因而混凝土的增量更大。由于鋼筋與混凝土都是鋼混結構建筑中最為主要的建材，換算成CO2排放量后，可以發現高層建筑二者的CO2排放量是多層建筑的1.2倍，而超高層建筑更是多層建筑的1.5倍。
從平均值的分析來看鋼、砼、砂漿和墻材四類建筑材料的CO2排放量約占整個土建工程CO2排放量的近90%。但是如果比較不同建筑高度與此四者CO2排放量總和的話，可以發現其差別減小了：高層建筑四者的CO2排放量是多層的1.1倍，而超高層建筑是多層的1.25倍。這主要是因為隨著建筑高度的增加砂漿與墻材的用量在減少，這一趨勢與鋼、混凝土的變化趨勢相反。砂漿與墻材的用量減少的原因在于，高層、超高層辦公建筑為了立面造型和減輕自重的要求，窗墻面積比更大，更多地使用玻璃幕墻等輕質材料。
2.3.2 主要建筑材料CO2排放量比例分析 結合2.3.1與2.2節的統計結果后，可以得到整個建筑形成階段各分項工程與主要建筑材料CO2排放量的比例圖（如圖1）。這張分析圖可以清晰的看出主要建筑材料在整個建筑形成階段CO2排放量的最大部分。
3 辦公建筑物化階段CO2排放量的預測
通過以上分析與解析，已經發現了主要建筑材料的CO2排放量與建筑的層數有較強的相關性，那么有一個問題：主要建筑材料的使用量、建筑層數是否與建筑物化階段的CO2排放量有關；是否能用它們間的相關性預測建筑物化階段的CO2排放量。
3.1 建筑層數與辦公建筑物化階段CO2排放量的預測
從表2和表3都可以發現這樣的規律：隨著建筑高度的增加，辦公建筑物化階段各分項工程單位面積的CO2排放量都有所不同。基于此，研究將78個建筑樣本的統計資料逐一精算，檢驗建筑層數與物化階段單位面積的CO2排放量的相關性。由于樣本的物化階段單位面積的CO2排放量符合正態分布，因此僅需要檢驗其線性相關性，如表5所示。從相關性分析的結果可以確定二者有較強的相關性，其Pearson相關系數達到了0.883。
在確定了建筑層數與辦公建筑物化階段CO2排放量顯著相關后，將精算結果繪制成散點圖，并做一次線性回歸分析，如圖2所示。從圖中可以看出物化階段單位面積的CO2排放量隨著建筑層數的增加而上升；而相同高度的建筑也會因個案間的差異有不同的分布情況，但其差異并不大，樣本的多元性和代表性由此可見。通過回歸分析的結果看以發現回歸方程的確定性系數R2值達到了0.78，說明用建筑層數來預測辦公建筑物化階段CO2排放量是有較大信度的。
物化階段CO2排放量最大的排放源，可能與全部的CO2排放量有著緊密的聯系。假如可以通過這4類建材的使用量來預測物化階段的CO2排放量那將大大簡化評價的復雜程度。
首先利用線性相關性的雙變量分析來確定這4類建材與物化階段總CO2排放量的相關性，如表6所示。從表中可以看出鋼材、混凝土、墻材與總CO2排放量的顯著性α皆為0，說明這3類建材與總CO2排放量顯著相關；而砂漿與總CO2排放量的顯著性α為0.394，說明它們彼此相關性很弱。而從Pearson相關系數來看混凝土與總CO2排放量相關性最強，其次為鋼材，再次為墻材。
確定了鋼材、混凝土、墻材與總CO2排放量有顯著的相關性之后，就可以以這3類建材的使用量作為自變量，來預測物化階段總CO2排放量。統計軟件分別試驗了3組預測變量，如表7所示，可以發現這3類建筑同時為自變量的情況下，其調整R2最大，說明該回歸模型可解釋的變異占總變異的比例最大。其預測方程為
LCCO2f=1.58x1+378.97x2+64.57x3+94.19
3.3 兩種預測方法的準確性分析
將實際統計的78個樣本的相關數據代入式（6）和式（7），其計算結果與實際統計結果的比較如圖4所示。從圖中可以發現利用式（4）～（7）的預測結果比利用式（4）～（5）的預測結果更為接近于實際統計結果，利用建筑層數預測的結果與實際結果的標準差為23.36 kg/m2，而利用建筑材料使用量的預測結果比實際結果的標準差為16.09 kg/m2。
導致以上分析的結果是因為利用建筑層數預測的CO2排放量顯示的是統計數據的平均值；而利用建筑材料使用量預測的CO2排放量顯示的是統計數據的各樣本值。
4 結 論
辦公建筑物化階段的CO2排放是辦公建筑生命周期CO2排放的重要組成部分，可以占到生命周期CO2排放的5%～20%。因此通過解析辦公建筑物化階段的CO2可以得到以下結論：
1）隨著建筑層數（或高度）的增加，辦公建筑物化階段的CO2排放明顯增加，超高層辦公建筑物化階段的CO2排放量約為多層建筑的1.5倍、高層建筑的1.3倍。
2）在物化階段中，土建工程所排放的CO2比例最大，約為75%；隨著建筑高度的增加土建部分的CO2排放量也大大增加；安裝工程與施工工程的CO2排放量隨著建筑高度的增加而增加的趨勢更明顯；但是裝修工程的CO2排放量與建筑高度變化的相關性較小。
3）鋼、砼、砂漿和墻材4類建筑材料的CO2排放量約占整個土建工程CO2排放量的近90%，也是物化階段最主要的排放建筑材料。
4）通過統計學的方法，得到了建筑層數與辦公建筑物化階段CO2排放量的預測公式；也得到了鋼材、混凝土、墻材等3種建材與辦公建筑物化階段CO2排放量的預測公式。
致謝：感謝“陜西省重點科技創新團隊：低能耗建筑設計（2012KCT-11）創新團隊對本文的支持！參考文獻：
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