在四節(jié)一環(huán)保框架體系下大宗建材能耗指標(biāo)研究

杜勇，肖忠明，張金山，唐千喻，潘美晨，王秀蘭

（1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024；2.清華大學(xué)，北京 100084）

0 引言

民用建筑的建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)所用土地、能耗、原材料、水及環(huán)保要求對(duì)我國(guó)長(zhǎng)期踐行的生態(tài)環(huán)保行動(dòng)有重大影響。研究民用建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排，對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。建筑材料作為民用建筑的主體，其用量和對(duì)應(yīng)能耗直接影響民用建筑的建造能耗；同時(shí)，建筑材料貫穿了民用建筑的整個(gè)壽命周期，影響著民用建筑各階段的能耗。對(duì)建筑材料全壽命周期的能耗進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)比較困難：一是，建筑材料壽命和建筑壽命兩者相互糾纏在一起；二是，目前建筑材料和民用建筑統(tǒng)計(jì)口徑分屬于不同行業(yè)，難以相互協(xié)調(diào)。因此，民用建筑建材能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，不僅有利于掌握大宗建材的使用量，而且對(duì)于了解建筑工程能耗也至關(guān)重要。

本文在現(xiàn)階段研究基礎(chǔ)上，通過(guò)探討建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架建立時(shí)應(yīng)考慮的因素，對(duì)建筑材料能耗過(guò)程的界定進(jìn)行了研究分析，概括了建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架應(yīng)包含的階段，并以民用建筑4類大宗建材為基礎(chǔ)，建立了建材生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架。

1 民用建筑用材能耗標(biāo)準(zhǔn)體系的研究分析

1.1 建筑工程全生命周期的研究現(xiàn)狀

全生命周期分析（Life Cycle Analysis，LCA）是一種用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中（從原材料的獲取，產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用、直至使用后的處置過(guò)程）對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響的技術(shù)和方法[1]。

國(guó)內(nèi)對(duì)建筑工程全生命周期能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架的研究有很多，基本結(jié)合我國(guó)建筑的實(shí)際特點(diǎn)，建筑工程全生命周期能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架包含了建材生產(chǎn)、建筑施工、建筑工程運(yùn)行與維護(hù)、建筑拆除和固體廢物處置6個(gè)階段[2-5]。其全生命周期能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架如式（1）所示：

式中：El——建筑全生命周期能耗；

Ep——建材生產(chǎn)能耗；

Ec——建筑施工能耗；

Eu——建筑工程運(yùn)行能耗；

Em——建筑工程維護(hù)能耗；

Ed——建筑工程拆除能耗；

Et——固體廢物處置能耗。

1.2 建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究現(xiàn)狀與分析

基于全生命周期，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架進(jìn)行了研究。馬麗萍等[6]通過(guò)建筑全生命能耗計(jì)算模型的分析，認(rèn)為建筑材料對(duì)建筑物生命周期能耗的影響因素表現(xiàn)為多個(gè)方面，如建筑材料內(nèi)含能、建筑材料的使用壽命、建筑材料的回收利用性能、建筑材料在建筑運(yùn)行過(guò)程中的光學(xué)和熱學(xué)性能指標(biāo)（如傳熱、采光、遮陽(yáng)等）等；并指出從降低建筑生命周期能耗的角度出發(fā)，綠色建筑選用的建筑材料應(yīng)在資源開采，原材料制造，產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、維護(hù)以至廢棄最終處置的全生命周期中減少對(duì)自然資源和能源的消耗，降低對(duì)環(huán)境的不利影響，并實(shí)現(xiàn)可回收、可重復(fù)使用和可再生利用。張濤、龔志起等[7-8]認(rèn)為，建筑材料物化階段的環(huán)境排放主要來(lái)源于原料獲取階段、生產(chǎn)工藝過(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的直接環(huán)境排放和因使用能源而造成的能源生產(chǎn)的間接環(huán)境排放。王立平和龔光彩[9]提出了建筑全生命周期的界定：建材準(zhǔn)備階段是指從原材料開采、運(yùn)輸、加工直至最終形成建材產(chǎn)品的整個(gè)過(guò)程。

由上述文獻(xiàn)可知，對(duì)于建筑材料的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架共同包括原材料開采、建筑材料生產(chǎn)、建筑材料應(yīng)用、建筑材料處置和建筑材料的回收利用等幾部分。同時(shí)，在各階段中與建筑材料相關(guān)的指標(biāo)包括：建材使用量、建材施工損耗率、建材單位產(chǎn)品內(nèi)含能、建材的社會(huì)回收利用率、建材可回收部分回用于建筑業(yè)的比例、建材的使用壽命、建材的運(yùn)輸距離、可回收建材的再生制造能耗等[6]。根據(jù)上述全生命周期的定義，建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及建筑工程全生命中的建材生產(chǎn)、建材使用、建材更換以及建筑拆除和固體廢物處置（建材使用后的處置）5個(gè)階段。

2 建筑材料能耗過(guò)程的界定

在整個(gè)民用建筑全生命周期中，基于當(dāng)前數(shù)據(jù)可獲取性，建立建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架時(shí)，應(yīng)考慮如下因素。

2.1 建筑設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展

BIM技術(shù)是一種全新的技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)可計(jì)算出建造時(shí)所需材料的大小及數(shù)量，從而提高材料的利用率，避免材料的浪費(fèi)，減少材料的損耗率[10-14]，能更好地為綠色建筑設(shè)計(jì)提供高效的技術(shù)平臺(tái)。并且，隨著我國(guó)預(yù)拌混凝土、預(yù)拌砂漿的發(fā)展和普及，以及工程建設(shè)管理水平的提高，建造時(shí)的材料損耗已大大減小，因此建筑材料的損耗可以忽略。

2.2 建筑材料的再循環(huán)利用

GB/T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了建筑材料的再循環(huán)利用，依據(jù)住宅建筑中可再利用和可再循環(huán)利用材料的用量比例進(jìn)行評(píng)分，因此，建筑材料的再循環(huán)利用勢(shì)必會(huì)成為建筑材料壽命周期的一部分。陳雄等[15]利用全生命周期理論對(duì)建筑系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的物質(zhì)體系和功能體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與分析，指出保持建筑材料可持續(xù)利用和提高建筑資源綜合利用率是可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)的必然選擇。

2.3 運(yùn)輸能耗的增加

由于裝配式建筑能夠大幅提高建筑施工效率，因此頗受青睞，并呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展之勢(shì)[16]。但裝配式建筑將會(huì)導(dǎo)致終端建筑材料以制品、構(gòu)件的形式出現(xiàn)，這一終端建筑材料生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，降低了建筑施工能耗，同預(yù)拌砂漿、混凝土產(chǎn)業(yè)一樣，這種生產(chǎn)供應(yīng)方式相應(yīng)地增加了建筑材料使用能耗和建筑材料運(yùn)輸能耗。現(xiàn)有預(yù)拌混凝土生產(chǎn)線不同階段的綜合能耗分別為14.49 MJ/m3[17]（從生產(chǎn)原材料進(jìn)廠到產(chǎn)品出廠）和85.26 MJ/m3[18][從原材料進(jìn)站（不包括原材料運(yùn)輸能耗）到預(yù)拌混凝土的施工地點(diǎn)（不含泵送）]。從2個(gè)不同邊界條件的預(yù)拌混凝土生產(chǎn)能耗來(lái)看，在兩地預(yù)拌混凝土生產(chǎn)能耗相同的條件下，預(yù)拌混凝土的運(yùn)輸能耗（從混凝土攪拌站到工地）是生產(chǎn)能耗的4.88倍，成為了預(yù)拌混凝土生產(chǎn)環(huán)節(jié)中主要的能源消耗點(diǎn)。

同時(shí)，我國(guó)加大了“大氣治理”在內(nèi)的環(huán)境治理和國(guó)土資源治理工作，全國(guó)各地相繼出臺(tái)限制開采政策，這些變化在一定時(shí)期增大了建筑材料的運(yùn)輸能耗和生產(chǎn)輔助能耗，因此應(yīng)充分考慮運(yùn)輸能耗。諶偲翔和黃曉明[19]的研究認(rèn)為，因限制開采而導(dǎo)致原材料運(yùn)輸距離增大，對(duì)應(yīng)的氣體排放量占比也隨之發(fā)生改變：當(dāng)運(yùn)距小于20 km時(shí)，砂石運(yùn)輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的氣體排放量在總排放量中占比較小（低于10%）；當(dāng)運(yùn)距增大至35km時(shí)，占比增大至20%；當(dāng)進(jìn)一步考慮跨省運(yùn)輸時(shí)，砂石運(yùn)輸產(chǎn)生的氣體排放占比將高達(dá)57%[20]。根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)，我國(guó)公路的平均運(yùn)輸距離從2007年的69 km以下躍升至2008年的171 km，2011年至2016年維持在180多km。

因此，在建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架中，還要充分考慮大宗建筑材料的運(yùn)輸環(huán)節(jié)。

2.4 原料的生產(chǎn)、運(yùn)輸能耗占比與建材種類的關(guān)系

查閱建筑材料能耗限額標(biāo)準(zhǔn)，其統(tǒng)計(jì)邊界條件均不包含建筑材料原材料生產(chǎn)和運(yùn)輸階段，僅以此為邊界進(jìn)行的計(jì)算將會(huì)縮減建筑材料生產(chǎn)階段的周期和能源消耗。大多有關(guān)建筑全生命周期能耗的文獻(xiàn)僅提及建筑材料的原材料生產(chǎn)和運(yùn)輸，少量文獻(xiàn)[8，10]給出了涉及建筑材料原材料生產(chǎn)階段的能耗數(shù)據(jù)。

水泥綜合能耗與現(xiàn)有生產(chǎn)線綜合能耗標(biāo)準(zhǔn)限額見表1，建筑材料綜合能耗與現(xiàn)有生產(chǎn)線綜合能耗標(biāo)準(zhǔn)限額見表2。

表1 水泥綜合能耗與現(xiàn)有生產(chǎn)線綜合能耗標(biāo)準(zhǔn)限額

表2 建筑材料綜合能耗與現(xiàn)有生產(chǎn)線綜合能耗標(biāo)準(zhǔn)限額

從表1、表2的能耗對(duì)比分析來(lái)看，文獻(xiàn)[10]給出的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。雖然不同的建筑材料在原材料開采難度、開采量、原材料加工及運(yùn)輸上存在差異，但有些建筑材料的生產(chǎn)能耗遠(yuǎn)小于建筑材料從原材料生產(chǎn)直至完成的綜合能耗，如平板玻璃生產(chǎn)能耗僅占整個(gè)過(guò)程能耗的23.9%；鋁型材的生產(chǎn)能耗僅占整個(gè)過(guò)程能耗的32.6%；混凝土由于含有水泥、砂石的能耗，其整個(gè)過(guò)程的綜合能耗為混凝土生產(chǎn)能耗的196倍。因此，建筑材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段能耗在建筑材料生產(chǎn)能耗中占據(jù)相當(dāng)高的比重，要充分考慮。

但根據(jù)水泥熟料生產(chǎn)主要原材料——石灰石的開采和運(yùn)輸能耗調(diào)研結(jié)果，在原材料運(yùn)輸距離相對(duì)較近的情況下，其開采、運(yùn)輸能耗很低，以海螺集團(tuán)平均值計(jì)，僅為0.044MJ/kg，遠(yuǎn)低于鐵粉、石膏、混合材的運(yùn)輸能耗。在GB29444—2012《煤炭井工開采企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗限額》中，對(duì)于新建煤礦的準(zhǔn)入值為0.205MJ/kg，先進(jìn)值為0.097MJ/kg。而煤炭的開采難度、成本遠(yuǎn)高于鐵礦石、石灰石、高嶺土、砂石，因此可忽略原材料的開采能耗，只考慮原材料的加工和建材成品的運(yùn)輸能耗。

2.5 上游能源消耗及其與建筑全生命周期的協(xié)調(diào)

建筑材料能耗統(tǒng)計(jì)邊界限定在建筑材料生產(chǎn)的直接（包括主機(jī)、輔助系統(tǒng)）能源消耗，并未延伸至所消耗能源的上游。一方面，在整個(gè)建筑全生命周期中，各階段都會(huì)消耗能源，同樣涉及上游能源消耗的問(wèn)題。如引入上游能源消耗這一因素，將導(dǎo)致建筑全生命周期能耗的無(wú)限擴(kuò)大。另一方面，建筑全生命周期的直接能源消耗已在側(cè)面反映了上游能源消耗的問(wèn)題。

根據(jù)對(duì)建筑全生命周期和建筑材料全生命周期的研究分析，除了建筑運(yùn)行階段外，兩者在其他階段相互重合或穿插，如建筑的施工階段和運(yùn)行階段與建筑材料的使用階段，建筑的拆除和固廢處理階段與建筑材料的處理和回收利用階段。建筑材料生命周期雖是建筑全生命周期的重要組成部分，但也僅僅是一部分。為了便于建筑全生命周期能耗的統(tǒng)計(jì)、實(shí)現(xiàn)，應(yīng)界定建筑材料的能耗過(guò)程包括如下階段：原材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段、建筑材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段、建筑材料的回收利用階段，而將建筑材料的應(yīng)用、處理等階段歸入建筑全生命周期中的施工階段、維護(hù)運(yùn)行階段、建筑拆除和固廢處理階段。

3 建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架的建立

以民用建筑中陶瓷、玻璃、鋼材、水泥4類大宗建材為基礎(chǔ)，并根據(jù)建筑材料能耗過(guò)程的界定研究分析，重點(diǎn)考察建材的生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程的能耗，并建立了建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架，如圖1、圖2所示。不同種類建材的生產(chǎn)能耗由不同能源品種的消耗強(qiáng)度及產(chǎn)量構(gòu)成，從而搭建了民用建材的總生產(chǎn)能耗組成關(guān)系。通過(guò)不同能源品種的每公里消耗及運(yùn)輸里程，與不同建材種類構(gòu)成了民用建筑建材運(yùn)輸?shù)哪芎年P(guān)系。

圖1 民用建筑大宗建材生產(chǎn)能耗指標(biāo)框架

圖2 民用建筑大宗建材運(yùn)輸能耗指標(biāo)框架

4 結(jié)論

（1）在現(xiàn)階段研究基礎(chǔ)上，通過(guò)探討建筑材料能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架建立時(shí)應(yīng)考慮的因素，以及為了便于建筑全生命周期能耗的統(tǒng)計(jì)、實(shí)現(xiàn)，將建筑材料的能耗過(guò)程界定為如下階段：原材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段、建筑材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段、建筑材料的回收利用階段，而將建筑材料的應(yīng)用、處置等階段歸入建筑全生命周期中的施工階段、維護(hù)運(yùn)行階段、建筑拆除和固廢處理階段。同時(shí)以民用建筑4類大宗建材為基礎(chǔ)，建立了建材生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)框架。

（2）通過(guò)建立大宗建材能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，不僅有利于掌握大宗建材的使用量，同時(shí)能夠更好界定建筑工程能耗情況，可為研究民用建筑領(lǐng)域的“四節(jié)一環(huán)保”大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)及其節(jié)能減排實(shí)施奠定基礎(chǔ)。