綠色建材應(yīng)用碳減排潛力測(cè)算研究

牛凱征，薛東昊，李潔芯

(中國(guó)建筑材料工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100035)

0 前 言

我國(guó)是人口大國(guó)，也是建筑業(yè)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)實(shí)有建筑面積超過(guò)680億m2。近年來(lái)，隨著人民生活水平的提高，人均建筑面積和建筑用能強(qiáng)度都快速增長(zhǎng)，使得我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域近年來(lái)碳排放總量和強(qiáng)度持續(xù)上升。隨著中共中央國(guó)務(wù)院《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》和國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等系列“雙碳”政策文件的出臺(tái)，城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳減排的任務(wù)和路徑逐步明晰。作為全生命周期內(nèi)具有節(jié)能、減排、安全、便利和可循環(huán)特征的一類(lèi)建筑材料，大力發(fā)展綠色建材不僅有利于節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)，而且是健全綠色建材市場(chǎng)體系，增加綠色建材產(chǎn)品供給，提升綠色建材產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)建材工業(yè)和建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效途徑，也是我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要抓手。

但是由于產(chǎn)品品種多樣、排放邊界不清、測(cè)算方法差異等問(wèn)題的存在，在綠色建材應(yīng)用減碳效果的量化測(cè)算方面，仍存在較多的盲點(diǎn)。制約全生命周期綠色建材減碳效果分析測(cè)算以及相關(guān)政策的制定。亟需建立一套較為科學(xué)有效的測(cè)算方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色建材應(yīng)用端減碳能力的量化分析測(cè)算。

1 研究邊界

碳排放首先要界定碳排放測(cè)算邊界，按照產(chǎn)生的邊界建筑業(yè)碳排放可劃分為三類(lèi)，直接碳排放、隱含碳排放和間接碳排放，具體含義及產(chǎn)生途徑見(jiàn)表1。

表1 建筑業(yè)碳排放分類(lèi)、含義及產(chǎn)生途徑

前兩項(xiàng)之和為建筑運(yùn)行碳排放，全部三項(xiàng)之和稱(chēng)為建筑全壽命周期碳排放。本研究中建筑領(lǐng)域范圍針對(duì)建筑運(yùn)行階段碳減排效益，主要由建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)涉及的建筑門(mén)窗、墻體材料和保溫材料的品質(zhì)性能提升提供。

2 分析方法及估算結(jié)果

從提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能的角度，保溫系統(tǒng)材料、砌體材料、建筑門(mén)窗是決定最終建筑節(jié)能效果的關(guān)鍵因素。本研究在綠色建材產(chǎn)品認(rèn)證目錄中選取了與上述建筑節(jié)能關(guān)聯(lián)度較大的砌體材料、建筑門(mén)窗、保溫系統(tǒng)材料，分別對(duì)其產(chǎn)品應(yīng)用端的減碳潛力進(jìn)行分析。

2.1 測(cè)算方法

本部分中綠色圍護(hù)材料應(yīng)用的碳排放計(jì)算主要考慮應(yīng)用綠色建材替代相應(yīng)傳統(tǒng)材料在建筑運(yùn)維過(guò)程中每年可減少的碳排放量。

綠色圍護(hù)材料應(yīng)用的減碳量(ΔQ應(yīng))用下式進(jìn)行估算：

ΔQ應(yīng)=Q標(biāo)-Q綠=(Q標(biāo)冷+Q標(biāo)熱)-(Q綠冷+Q綠熱)

(1)

式中，ΔQ應(yīng)為應(yīng)用綠色圍護(hù)材料后可提供的減碳量，kgCO2；Q標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的碳排放量，kgCO2；Q綠為應(yīng)用綠色圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料后的碳排放量，kgCO2；Q標(biāo)冷為標(biāo)準(zhǔn)狀況下制冷時(shí)的碳排放，kgCO2；Q標(biāo)熱為標(biāo)準(zhǔn)狀況下采暖時(shí)的碳排放，kgCO2；Q綠冷為應(yīng)用綠色圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料后制冷時(shí)的碳排放，kgCO2；Q綠熱為應(yīng)用綠色圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料后采暖時(shí)的碳排放，kgCO2。

其中，夏季采用空調(diào)制冷時(shí)的碳排放量用式(2)進(jìn)行估算：

Q冷=K綜×CDD26/COPC×24×C電

(2)

式中，Q冷為夏季制冷碳排放量，kgCO2；K綜為圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；CDD26為空調(diào)度日數(shù)，℃·d；COPC為供冷系統(tǒng)綜合性能系數(shù)；C電為電力碳排放因子，kgCO2/kWh。

其中，冬季北方地區(qū)采用鍋爐集中采暖時(shí)的碳排放量用式(3)進(jìn)行估算：

Q熱=K綜×HDD18/η鍋爐×C燃料

(3)

式中，Q熱為冬季采暖時(shí)的碳排放，kgCO2；K綜為圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；HDD18為采暖度日數(shù)，℃·d；η鍋爐為供暖系統(tǒng)綜合效率；C燃料為燃料碳排放因子，kgCO2/kg。

其中，冬季南方地區(qū)采用熱泵熱風(fēng)機(jī)采暖時(shí)的碳排放量用式(3)進(jìn)行估算：

Q熱=K綜×HDD18/COPH×C電

(4)

式中，Q熱為冬季采暖時(shí)的碳排放，kgCO2；K綜為圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；HDD18為采暖度日數(shù),℃·d;COPH為供暖系統(tǒng)綜合性能系數(shù);C電為電力碳排放因子,kgCO2/kWh。

2.2 估 算

為區(qū)分我國(guó)不同地區(qū)氣候條件對(duì)建筑影響的差異性，考慮到不同氣候?qū)ㄖo(hù)結(jié)構(gòu)、節(jié)能措施和制冷采暖方式等方面的要求均存在較大差異，本文綠色圍護(hù)材料應(yīng)用的減碳估算參考《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50178—93)，即把我國(guó)實(shí)有建筑分為嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和五個(gè)建筑氣候區(qū)，并分別從每個(gè)氣候區(qū)中選取氣候較具代表性，且建筑規(guī)模較大的沈陽(yáng)、石家莊、南京、廣州和昆明這五座具有代表性的城市作為每個(gè)氣候區(qū)的典型城市，采用上述城市典型建筑節(jié)能做法和制冷采暖方式進(jìn)行典型估算。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能作為建筑節(jié)能的重要措施，其材料品質(zhì)屬性的優(yōu)劣影響實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的效果，進(jìn)而在支撐建筑運(yùn)維節(jié)能碳減排的過(guò)程中可以發(fā)揮關(guān)鍵性作用。在已經(jīng)發(fā)布并實(shí)施的“綠色建材系列標(biāo)準(zhǔn)”中，砌體材料、建筑門(mén)窗及配件和保溫系統(tǒng)材料中都在品質(zhì)屬性中對(duì)產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)或傳熱系數(shù)都作出了比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的規(guī)定。相關(guān)品質(zhì)屬性要求詳見(jiàn)表2。

表2 綠色建材相關(guān)品質(zhì)屬性與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)照表

根據(jù)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)，各典型城市建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表3。

表3 各典型城市建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

此外，本部分估算對(duì)建筑及其運(yùn)行過(guò)程做以下假設(shè)。

1)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)窗墻比為3∶7。

2)建筑層數(shù)不低于3層。

3)參考《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)附錄C，供冷系統(tǒng)綜合性能系數(shù)(COPC)和南方供暖系統(tǒng)綜合性能系數(shù)(COPH)分別取3.6和2.6。

4)參考《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)附錄C，冬季北方地區(qū)供暖系統(tǒng)綜合效率取0.81。

5)煤炭單位產(chǎn)品熱值和CO2排放因子參考《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51366—2019)；電力消費(fèi)CO2排放因子參考《2020—2021年度全國(guó)電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告》。

6)建筑綜合應(yīng)用減碳效益按使用EPS為保溫材料和現(xiàn)澆混凝土墻體計(jì)算。

7)砌體材料(保溫型)熱惰性D≥2.5。

基于以上假設(shè)，不同氣候區(qū)單位建筑面積綠色圍護(hù)材料應(yīng)用減碳效益估算詳見(jiàn)表4。

表4 不同氣候區(qū)單位建筑面積綠色圍護(hù)材料應(yīng)用后碳排放估算表

進(jìn)而計(jì)算不同氣候區(qū)單位建筑面積綠色圍護(hù)材料應(yīng)用后減碳量，見(jiàn)表5。

表5 不同氣候區(qū)單位建筑面積綠色圍護(hù)材料應(yīng)用后減碳量估算表

3 結(jié) 論

3.1 五區(qū)碳排狀況和減碳效益差異明顯

根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，基準(zhǔn)碳排放按照嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷地區(qū)順序依次降低且降幅明顯，而夏熱冬暖和溫和地區(qū)基準(zhǔn)碳排放相對(duì)最低且二者相差不大。應(yīng)用綠色圍護(hù)材料后帶來(lái)了相應(yīng)的碳減排，而減碳量趨勢(shì)與以上基準(zhǔn)碳排放差異趨勢(shì)相似，減碳量與基準(zhǔn)碳排放的比值即綠色建材提供的減碳效率，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)應(yīng)用綠色圍護(hù)材料所提供的減碳效率相近，均高于22%；夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)應(yīng)用綠色圍護(hù)材料所提供的減碳效率略低于前兩者；而溫和地區(qū)綠色建材提供的減碳效率低于前四地區(qū)，且差距較大。由于建筑氣候區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)中一級(jí)區(qū)劃主要是根據(jù)1月和7月的平均氣溫作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，故以上可以總結(jié)為氣候越冷，綠色建材提供的減碳量越多，且減碳效率越高，減碳效果越明顯，在地理上可認(rèn)為由南到北減碳效率逐漸升高。因此，在北方應(yīng)用綠色建材將提供更多的減碳量，帶來(lái)更高的減碳效率。

圖1 五區(qū)基準(zhǔn)碳排放與減碳量及其占比

3.2 綠色建筑門(mén)窗的應(yīng)用能提供更多減碳量

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)更換門(mén)窗或保溫系統(tǒng)材料、砌體材料時(shí)，更換門(mén)窗帶來(lái)的減碳量總是超過(guò)更換保溫系統(tǒng)材料、砌體材料提供的減碳量，且差距較為明顯，原因在于在綠色建材標(biāo)準(zhǔn)中，綠色建筑門(mén)窗的傳熱系數(shù)下降比例要求更大，這將直接影響最終的減碳效果。

圖2 五區(qū)綠色建筑門(mén)窗與綠色保溫系統(tǒng)材料、砌體材料減碳量對(duì)比

3.3 冬季碳減排更為重要

在減碳效益估算表的制作計(jì)算過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)寒、寒冷和夏熱冬冷地區(qū)的冬季采暖碳排放要多于夏季制冷產(chǎn)生。

根據(jù)表6，可以發(fā)現(xiàn)在綠色建材的應(yīng)用前后，嚴(yán)寒寒冷和夏熱冬冷地區(qū)冬季的碳排放都遠(yuǎn)大于其夏季碳排放，這是由于在碳排放測(cè)算方法中該三地區(qū)的采暖度日數(shù)均遠(yuǎn)大于空調(diào)度日數(shù)。因此，關(guān)于冬季采暖過(guò)程中的碳排放控制應(yīng)該受到更多的關(guān)注。同時(shí)，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)冬季采暖使用的是以煤炭為燃料的鍋爐采暖裝置，相比較于電的使用，化石燃料燃燒轉(zhuǎn)化為熱的過(guò)程中碳排放因子更大，這一點(diǎn)也印證了相比于化石燃料，用電是更為環(huán)保的方式。

表6 五區(qū)基準(zhǔn)與應(yīng)用綠色建材后夏冬兩季碳排放對(duì)比

3.4 基于減碳效益估算對(duì)實(shí)際情況的擴(kuò)展

根據(jù)減碳效益估算中選取的采暖度日數(shù)和空調(diào)度日數(shù)的定義，在實(shí)際應(yīng)用中將需要更長(zhǎng)的制冷和制熱時(shí)間，這樣一來(lái)，應(yīng)用綠色建材將會(huì)提供更多的減碳量，綠色建材將會(huì)成為建筑環(huán)保減碳的重要一環(huán)。

4 說(shuō) 明

本研究所采用的五個(gè)典型城市是在每個(gè)建筑氣候區(qū)中選取的地理位置相差較大且知名度較高的五個(gè)省會(huì)城市，無(wú)法證明每個(gè)典型城市相對(duì)于相應(yīng)的建筑氣候區(qū)平均氣候條件的代表性程度。且本研究中做出的假設(shè)以及相關(guān)參數(shù)的選取是為了此次研究的進(jìn)行而選擇的通用性情況，不具備特殊性，也無(wú)法證實(shí)與實(shí)際情況的貼合度。此外，本研究所選取的測(cè)算方法僅為綠色建材減碳效果估算方法中的一種，測(cè)算模型的選取對(duì)實(shí)際情況的準(zhǔn)確性存在偏差，因此，本研究?jī)H為綠色建材在應(yīng)用領(lǐng)域提供碳減排的潛力分析，更為準(zhǔn)確的減碳數(shù)據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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