基于全壽命周期能耗理論的綠色建筑實例研究

萬珺,譚洪衛(wèi)

（同濟大學(xué)，上海 200092）

基于全壽命周期能耗理論的綠色建筑實例研究

萬珺*,譚洪衛(wèi)

（同濟大學(xué)，上海 200092）

本文運用全壽命周期理論,結(jié)合實際綠色建筑的自身特點,通過建立計算模型,對該綠色建筑的能耗進行了計算與分析。找出了該建筑全壽命周期各階段能耗之間的內(nèi)在關(guān)系,并通過與對應(yīng)的基準(zhǔn)建筑比較得出實際減排量，為綠色建筑的研究提供相關(guān)依據(jù),對綠色建筑的可持續(xù)性發(fā)展具有一定的借鑒意義。

壽命周期理論 綠色建筑 能耗 建筑節(jié)能

0 引言

從20世紀(jì)70年代末至今，環(huán)境污染、能源危機、土地退化、生態(tài)失衡等問題不斷加劇，建筑與環(huán)境的關(guān)系越來越受到世界各國的重視。近10多年來，綠色建筑的設(shè)計和建造已經(jīng)成為國際建筑界普遍關(guān)心的課題[1]。綠色建筑是指為人類提供一個健康、舒適的工作、居住、活動的空間，同時實現(xiàn)最高效率地利用能源、最低限度地影響環(huán)境的建筑物。它是實現(xiàn)“以人為本”、“人—建筑—自然”三者和諧統(tǒng)一的重要途徑。本文以壽命周期理論為基礎(chǔ)，結(jié)合實際建筑案例的自身特點，使用建筑物壽命周期能耗計算模型對該建筑的壽命周期能耗進行計算分析，得到有利于推進綠色建筑發(fā)展的相關(guān)結(jié)論和措施。

1 壽命周期評價技術(shù)框架

壽命周期評價(life cycle assessment, LCA)的對象是產(chǎn)品、處理過程（工藝）或活動。評價的范圍覆蓋了整個壽命周期，包括原材料的提取與加工、制造、運輸和分發(fā)、使用、再使用、維持、循環(huán)回收,直到最終的廢棄。評價的內(nèi)容是產(chǎn)品、處理過程（工藝）或活動的環(huán)境負(fù)荷的過程[2]。

LCA是目前國際上公認(rèn)的量化評價產(chǎn)品系統(tǒng)環(huán)境負(fù)荷的方法，其技術(shù)框架包括目標(biāo)與范圍的確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋四個階段[3]。

目標(biāo)定義和范圍是壽命周期評價的第一步，也是整個壽命周期評價中最重要的一步。該階段中要根據(jù)項目的研究理由、使用意圖，確定評價目的的定義并界定相關(guān)的研究范圍。

清單分析是壽命周期過程物質(zhì)和能量流的抽象和一般化階段，是對產(chǎn)品、工藝活動在其整個壽命周期的資源、能源和環(huán)境排放（包括廢氣、廢水、固體廢物等）進行的數(shù)據(jù)量化分析。清單分析的核心是以產(chǎn)品功能單位表示的產(chǎn)品系統(tǒng)的輸入和輸出。本文采用基于過程的清單分析。

影響評價通常表示碳排放評價，其本質(zhì)是為了說明對全球氣候所造成的影響，因此碳排放分析不僅僅局限于CO2。許多其他氣體對氣候變化也有一定影響（通常遠(yuǎn)大于CO2對氣候變化的影響），并且影響程度不同。因此，應(yīng)當(dāng)將所有造成全球氣候變暖的氣體都納入到影響評價的分析清單中來。

結(jié)果解釋是指評估系統(tǒng)在產(chǎn)品、處理過程（工藝）或活動的整個壽命周期內(nèi)削減能源、原材料使用以及環(huán)境釋放的需求與機會。

2 研究方法

2.1 研究階段

在本文中把建筑物的整個壽命周期邊界劃定為6個階段，包括建材的生產(chǎn)到建筑廢料回收處理，如圖1所示。每個階段都會產(chǎn)生相應(yīng)的能耗。

圖1 建筑物壽命周期的六個階段

2.2 建筑物壽命周期能耗計算模型

建筑物整個壽命周期能耗的計算公式如下：

式中Qlifecyecle—建筑整個壽命周期的能耗，kWh；

Qmanuf—建材生產(chǎn)過程中的能耗，kWh；

Qtrans—建材運輸過程中的能耗，kWh；

Qerect—建筑施工過程中的能耗，kWh；

Qoccup—建筑使用階段的能耗，kWh；

Qdemol—建筑拆除階段的能耗，kWh；

Qremov—建筑廢料回收處理階段的能耗，kWh。

以下計算公式主要參考和引用國外關(guān)于建筑物壽命周期能耗計算的相關(guān)研究成果[4]。

2.2.1 建材生產(chǎn)階段能耗

建材生產(chǎn)階段能耗計算依據(jù)如下公式：

式中n—建筑材料的種類；

i—特定的某種建筑材料；

mi—建筑材料i的使用總量，ton；

wi—建筑材料在使用過程中的廢棄率；

Mi—建筑材料的生產(chǎn)能耗，kWh/ton。

2.2.2 建材運輸階段能耗

建材運輸階段能耗計算依據(jù)如下公式：

式中n—建筑材料的種類；

i—特定的某種建筑材料；

mi—建筑材料i的使用總量，ton；

wi—建筑材料在使用過程中的廢棄率；

di—建材由產(chǎn)地運往建造地的距離，km；

Tc—運輸過程需要的能耗，kWh/ton km。

2.2.3 建筑施工階段能耗

建筑施工階段能耗計算依據(jù)如下公式。

式中m—施工階段中的過程數(shù)；

j—施工過程的序數(shù)；

pj—j過程的使用的建筑材料總和，ton、m3或者m2；

Pj—j過程所需要的能量，kWh/ton、kWh/m3或kWh/m2。

2.2.4 建筑使用階段能耗

建筑使用階段能耗計算依據(jù)如下公式。

式中Qoccup,year—建筑每年的使用能耗，kWh/year。

在此計算中假設(shè)建筑的壽命周期時間為 50年。

2.2.5 建筑拆除階段能耗

建筑拆除階段能耗計算依據(jù)如下公式：

式中m—拆除階段中的過程數(shù)；

j—拆除過程的序數(shù)；

pj—j過程使用的建筑材料的總和，ton、m3或者m2；

Pj—j過程能耗，kWh/ton、kWh/m3或kWh/m2。

2.2.6 建筑廢料回收處理階段能耗

建筑廢料回收處理階段能耗計算依據(jù)如下公式：

式中n—材料數(shù)量；

i—特定的材料；

mi—建筑材料i的總量，ton；

wi—材料i的廢棄率；

d—建筑所在地與廢品處理場的距離，km；

Tc—運輸過程需要的能耗，kWh/ton km。

3 實際案例計算分析

本文的研究對象為某黨校新建集教學(xué)與宿舍樓于一體的綜合建筑模型。該建筑位于上海市，總建筑面積 36873m2，分為教學(xué)樓，宿舍樓。教學(xué)樓地上4層，地下1層，空調(diào)面積12907.6 m2；宿舍樓地上11層，地下1層，空調(diào)面積15075.97 m2，設(shè)計使用壽命為 50年。本文將按照在上節(jié)中敘述的6個階段來分析該建筑的壽命周期能耗與環(huán)境排放。研究中不考慮系統(tǒng)設(shè)備的生產(chǎn)，運輸及拆除過程，僅在建筑使用階段考慮其總能耗。

3.1 建筑相關(guān)參數(shù)

本文基于全壽命周期能耗理論對實際案例進行分析研究，在研究過程中需要建筑本身的相關(guān)參數(shù)。建筑圍護結(jié)構(gòu)的所有相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 建筑圍護結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

3.2 壽命周期能耗計算結(jié)果

依照第3節(jié)中的計算方法，根據(jù)該建筑建材耗量等條件計算出該建筑全壽命周期的能耗結(jié)果。

3.2.1 建造階段

建造階段的計算中需要知道各建材單位重量的能耗，建造過程中的廢棄率。建造中各過程所需的單位能耗。根據(jù)國外相關(guān)研究得到該建筑研究過程中所需的基本數(shù)據(jù)[5]，如表2所示。表中的建筑材料由實際調(diào)研得到，運輸距離是從建材產(chǎn)地到建造地的最近距離。

運輸能耗可以根據(jù)運輸距離等計算單位能耗和排放量；施工階段的材料消耗量可以根據(jù)施工模板、腳手架等的使用量及其折舊率進行估算。本文主要分析施工階段的能耗。因為施工階段的能耗相對于生產(chǎn)能耗而言數(shù)值偏小，而拆除階段的能耗更小。對于這兩部分能耗，如果用在生產(chǎn)階段相對應(yīng)構(gòu)造體系生產(chǎn)能耗的百分比表示，都只占到生產(chǎn)能耗的5%以下[6]。

3.2.2 建筑使用階段

對該建筑應(yīng)用 eQUEST能耗模擬軟件進行全年動態(tài)能耗模擬得到該建筑在使用階段一年的總能耗。如表3所示。

3.2.3 建筑廢棄階段

在建筑廢棄階段，建筑拆除階段在現(xiàn)有研究成果中并沒有得到計算的依據(jù)。所以主要考慮廢棄物運往處理站的回收處理能耗。而建筑拆除階段能耗根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究，約為廢料處理的 4倍左右[7]。該種建筑中通過各種方式的運輸能耗如表4所示[4]。本文中僅涉及陸路運輸，建筑實際位置與廢物處理廠間的距離設(shè)為20km。

表2 相關(guān)計算數(shù)據(jù)

表3 建筑使用全年總能耗

表4 運輸能耗

3.2.4 計算結(jié)果分析

由以上內(nèi)容已經(jīng)得到計算全壽命周期能耗所需的各種數(shù)據(jù)，通過第3節(jié)中的公式最終得到了各階段的總能耗及最終全壽命周期能耗值（見表5）。由表5可以得到如圖2所示的能耗餅圖。

由圖2可以看出，在建筑物整個壽命周期中，使用階段能耗所占比例最大，為66%。建材生產(chǎn)能耗次之，占整個壽命周期能耗的21%。建材生產(chǎn)階段能耗大于其他四個階段的能耗綜和。由此判斷建筑物節(jié)能的關(guān)鍵就是看其使用階段能耗和建材生產(chǎn)（施工）階段能耗是否過高，只有把這2個最重要的階段處理好，建筑物整個壽命周期能耗才會得到降低，才能在根本上實現(xiàn)建筑物的節(jié)能。

4 對比分析

為了說明綠色建筑與普通建筑在全壽命周期中能耗結(jié)構(gòu)的不同，本文就該建筑基本數(shù)據(jù)建立了與其相對應(yīng)的基準(zhǔn)建筑。該基準(zhǔn)建筑依據(jù)GB50189-2005《公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》[8]所規(guī)定的基準(zhǔn)建筑相關(guān)參數(shù)設(shè)定，即不采用實際建筑中的各項節(jié)能技術(shù)，并且外墻圍護結(jié)構(gòu)無保溫材料。而是建造無綠色屋頂、立面遮陽及帶余熱回收的地源熱泵冷熱源的相同建筑。該建筑中采用普通照明及水冷冷水機組為冷熱源。分析基準(zhǔn)建筑的全壽命周期能耗也根據(jù)分析框架逐項進行。

表5 全壽命周期各階段及總能耗

4.1 基準(zhǔn)建筑全壽命周期能耗計算結(jié)果

由于該基準(zhǔn)建筑在建筑材料及系統(tǒng)設(shè)備方面均與實際建筑不同，所以全壽命周期六個階段中的能耗均會改變，結(jié)果如表6所示。

從圖 3可以看出建筑使用階段能耗明顯增大，為79%，相對建材生產(chǎn)階段能耗減小為16%。

4.2 對比分析

通過分別對基準(zhǔn)建筑和實際綠色建筑進行全壽命周期分析，兩者各階段能耗結(jié)果對比如圖 4所示。

由圖4可以看出，基準(zhǔn)建筑除使用階段外的其他階段能耗都低于綠色建筑，這五個階段能耗總計約低19%。但其使用能耗卻遠(yuǎn)高于綠色建筑的能耗，約高出57%。同時根據(jù)換算公式可得出該樓實際的減排量如表7所示。

表6 全壽命周期各階段及總能耗

圖4 全壽命周期各階段能耗比

表7 全壽命周期建筑減排量

5 結(jié)論

本文運用壽命周期理論對實際建成的某綠色建筑進行能耗計算,并通過比較該建筑及與其對應(yīng)的不采用綠色節(jié)能技術(shù)的基準(zhǔn)建筑得出以下結(jié)論：

（1） 建筑使用階段和建材生產(chǎn)階段的能耗多少，直接決定了在壽命周期中該建筑總能耗的水平；

（2） 綠色建筑采用XPS保溫材料，帶余熱回收的地源熱泵冷熱源等先進技術(shù)。因此，綠色建筑與基準(zhǔn)建筑比較, 綠色建筑在初投資上相對較高；而從壽命周期的各階段能耗分析結(jié)果可以看出，綠色建筑有明顯優(yōu)勢；

（3） 從壽命周期理論分析，采用綠色節(jié)能技術(shù)的實際建筑比與其對應(yīng)的基準(zhǔn)建筑節(jié)約總能耗達(dá)到 23.8%之多，其實際有害氣體減排量更是相當(dāng)可觀。

（4） 通過對一典型綠色建筑實際案例的研究分析，得出了具有代表性的相關(guān)結(jié)論。同時，希望通過該具體案例的研究，能夠?qū)ㄖ?jié)能及綠色建筑評價領(lǐng)域的相關(guān)研究有一定參考作用。對于不同的綠色建筑要按照各自的實際情況進行分析評價，但本文中的研究方法可以推而廣之。

總之，基于壽命周期理論分析建筑能耗，說明降低建材生產(chǎn)和建筑使用兩個階段的能耗可以有效地減少壽命周期建筑物的總能耗，同時采用適當(dāng)?shù)男兄行У墓?jié)能技術(shù)建造綠色建筑，將對建筑行業(yè)的節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)。

[1]周繼鋒,趙平,馬春榮等. 我國綠色建材的研究與評價[J]. 中國建材科技, 2003, 12（3）:18.

[2]谷立靜,林波榮,朱穎心等. 中國建筑壽命周期環(huán)境影響評價的終點破壞模型[J]. 科學(xué)通報, 2008,53（15）:1858.

[3]束慶,張旭. 壽命周期評價和壽命周期成本分析的整合方法研究[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報, 2003, 14（4）:81-86.

[4]Adalberth K. Energy use during the life cycle of buildings: a method [J]. Building and Environment,1997（32）: 317～320.

[5]Larsson B. Materialforbrukning Pa Byggarbet-splatsen. Building Economics And Construction Management [M]. Chalmers University of Technology,Gothenbtug, Sweden, 1983.

[6]Andersen S, Dinesen J, Hjort Knudsen H and Willendrup, A Livscyklus-baseret bygning–sprojektering[R]. Report no 224, Danish Building Research Institute. Horsholm, Denmark, 1993.

[7]唐易達(dá),劉加平等.基于壽命周期評價（LCA）居住建筑外墻構(gòu)造體系優(yōu)化分析[J].建筑科學(xué), 2010,26（12）:97-101.

[8]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189 —2005 [S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

Green building case study based on life cycle energy theory

Wan Jun*，Tan Hongwei
(Mechanical Engineering College, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In this paper, the energy consumption of green building building was calculated and analyzed based on the life cycle theory and combined with the characteristics of this building and through the establishment of model,. The intrinsic relationship between the energy consumption of different stages of the whole construction lifecycle was found. Through the comparison with the baseline model the actual reductions of emission was gotten. The study provided the research basis of green building. Meanwhile it will be helpful for the sustainable development of green building.

life cycle theory；green building；energy consumption；building energy efficiency

*萬珺（1986-），女，同濟大學(xué)暖通空調(diào)專業(yè)在讀碩士研究生。聯(lián)系地址：上海市四平路1239號同濟大學(xué)綠色建筑與新能源研究中心，郵編：200092。聯(lián)系電話：13918587701，電子郵箱：junwan222@163.com 。