辦公建筑物化階段CO2排放研究

羅智星，楊 柳，劉加平

(西安建筑科技大學 建筑學院，西安 710055)

辦公建筑物化階段CO2排放研究

羅智星，楊 柳，劉加平

(西安建筑科技大學 建筑學院，西安 710055)

建筑物化階段的CO2排放時間集中、絕對量大，是建筑節(jié)能減排的研究重點。構(gòu)建了辦公建筑物化階段CO2排放的計算模型，包括建材、設(shè)備生產(chǎn)與運輸?shù)腃O2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(shù)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(yù)測模型，通過統(tǒng)計學的分析對比，發(fā)現(xiàn)以鋼筋、混凝土和墻體材料為自變量的預(yù)測公式可以很好地預(yù)測建筑物化階段的碳排放。

辦公建筑;CO2排放;生命周期評價;物化階段

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(jié)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(guān)注的重大問題。從世界范圍來看，建筑業(yè)約消耗了30%～40%的能源，產(chǎn)生了40%～50%的溫室氣體[1]。因此，研究建筑產(chǎn)業(yè)如何降低溫室氣體的排放不僅是建筑界熱門的環(huán)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(chǎn)、構(gòu)配件加工制造以及現(xiàn)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(shè)備等)生產(chǎn)制造、運輸中產(chǎn)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(chǎn)生的直接碳排放。據(jù)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(shè)量大，且物化階段的CO2排放主要集中在1～2 a的建設(shè)期內(nèi)，排放的絕對量相當可觀[10]。從宏觀角度看，中國建筑業(yè)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(yè)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(huán)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 辦公建筑物化階段CO2排放計算模型

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(chǎn)品系統(tǒng)性能[13]。功能單位的基本作用是為有關(guān)的輸入和輸出提供參照基準，以保證LCA結(jié)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(tǒng)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(guī)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(guī)模等因素不同所帶來的影響，使得評價結(jié)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(chǎn)、建材的運輸、建筑設(shè)備的生產(chǎn)所產(chǎn)生的隱含碳排放;2)建材、設(shè)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(chǎn)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

TLCCO2M=TLCCO2ma+TLCCO2tr+

其中:TLCCO2M為辦公建筑物化階段CO2排放量，kg；TLCCO2ma為辦公建筑建材、設(shè)備生產(chǎn)的CO2排放量，kg；TLCCO2tr為辦公建筑建材、設(shè)備運輸?shù)腃O2排放量，kg；TLCCO2co為辦公建筑施工過程的CO2排放量，kg。

其中:Qi為某種建筑材料(包括土建、電氣、給排水、裝修材料與暖通空調(diào)設(shè)備等)生產(chǎn)的CO2排放量，kg/“單位”；Ni為某種建筑材料的數(shù)量，“單位”(kg或m2或m3)。

其中:Ti為某種運輸方式單位距離重量的CO2排放量，kg/(t·km-1)；Mi為某種建筑材料的總重量，t；Li為某種建筑材料的運輸距離，km。

其中:Qpj,i為建筑物第j個施工過程中處理第i種建筑材料的CO2排放量，kg/“單位”；Mj,i為建筑物第j個施工過程中處理第i種建筑材料的數(shù)量，“單位”(kg或m2或m3)。

建筑物化階段功能單位的計算模型為

其中A為建筑物的總建筑面積，m2。

對于某一指定的辦公建筑，其LCCO2M計算結(jié)果越小說明此辦公建筑單位面積CO2排放量越小，由此對環(huán)境的影響也就越少。

2 辦公建筑物化階段CO2排放的解析

為了較為準確、詳細、全面的了解中國辦公建筑物化階段CO2排放特點，研究收集整理了大量的辦公建筑工程量數(shù)據(jù)。經(jīng)過篩選，作為研究用的樣本量為78棟辦公建筑(全部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))，其中多層建筑(24 m以下)19棟，高層建筑(24～100 m)44棟，超高層建筑(100 m以上)15棟。

2.1 建筑材料的CO2排放清單

研究詳細統(tǒng)計了各樣本物化階段各部分的CO2排放量，其中土建工程的建筑材料CO2排放數(shù)據(jù)庫利用了筆者的相關(guān)研究成果[6，15](如表1)，安裝工程與裝修工程所涉及的材料CO2排放數(shù)據(jù)取自臺灣地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫[16]。

表1 部分土建工程材料CO2排放數(shù)據(jù)

2.2 各分項工程CO2排放量解析

建筑的建造過程主要包括了土建工程、安裝工程與裝修工程，其中安裝工程又包括了給排水工程、電氣工程、暖通工程等。

不同建筑高度的各分項工程的單位面積CO2排放量與其所占的百分比如表2所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著建筑的高度增加各分項工程的CO2排放量都在增加，總體來說超高層辦公建筑的CO2排放量約為多層建筑的1.5倍、高層建筑的1.3倍。這是因為土建工程占到了整個建筑形成階段的主要部分，平均達到了約75%，而隨著建筑高度的增加土建部分的CO2排放量也大大增加；同時，由于建筑高度的增加，建筑安裝工程與建筑施工工程的數(shù)量和難度也在增加，這些部分的CO2排放量增加更為明顯。同時可以發(fā)現(xiàn)，建筑裝修工程的CO2排放量與所占的百分比變化不大，這說明裝修工程的CO2排放量與建筑高度變化并無太大關(guān)系。

表2 各分項工程的單位面積CO2排放量與其所占的百分比

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(jié)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(shù)據(jù)如表3所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)主要的結(jié)構(gòu)材料，越高的建筑其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑中最為主要的建材，換算成CO2排放量后，可以發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(zhì)材料。

表3 建筑材料使用量與CO2排放量分析

2.3.2 主要建筑材料CO2排放量比例分析 結(jié)合2.3.1與2.2節(jié)的統(tǒng)計結(jié)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。

圖1 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

2.4 建筑層數(shù)與建筑材料CO2排放量相關(guān)性分析

為了確定土建部分的CO2排放量與哪些土建建材相關(guān)性更大，研究使用了統(tǒng)計分析軟件SPSS進行了相關(guān)性的研究。如表4所示，從分析的結(jié)果來看，兩種建筑材料CO2排放量、4種建筑材料CO2排放量都與建筑層數(shù)的顯著性水平α都為0，說明有顯著的相關(guān)性；但是鋼、混凝土二者CO2排放量與建筑層數(shù)的相關(guān)性更為顯著，其Pearson相關(guān)系數(shù)達到了0.909。

表4 建筑層數(shù)與建筑材料CO2排放量相關(guān)性分析

續(xù)表4

**：在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3 辦公建筑物化階段CO2排放量的預(yù)測

通過以上分析與解析，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了主要建筑材料的CO2排放量與建筑的層數(shù)有較強的相關(guān)性，那么有一個問題：主要建筑材料的使用量、建筑層數(shù)是否與建筑物化階段的CO2排放量有關(guān)；是否能用它們間的相關(guān)性預(yù)測建筑物化階段的CO2排放量。

3.1 建筑層數(shù)與辦公建筑物化階段CO2排放量的預(yù)測

從表2和表3都可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)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?；诖?，研究將78個建筑樣本的統(tǒng)計資料逐一精算，檢驗建筑層數(shù)與物化階段單位面積的CO2排放量的相關(guān)性。由于樣本的物化階段單位面積的CO2排放量符合正態(tài)分布，因此僅需要檢驗其線性相關(guān)性，如表5所示。從相關(guān)性分析的結(jié)果可以確定二者有較強的相關(guān)性，其Pearson相關(guān)系數(shù)達到了0.883。

在確定了建筑層數(shù)與辦公建筑物化階段CO2排放量顯著相關(guān)后，將精算結(jié)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(shù)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(jié)果看以發(fā)現(xiàn)回歸方程的確定性系數(shù)R2值達到了0.78，說明用建筑層數(shù)來預(yù)測辦公建筑物化階段CO2排放量是有較大信度的。

表5 建筑層數(shù)與辦公建筑物化階段單位面積的CO2排放量線性相關(guān)性

**：在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

考慮到個案的CO2排放量略有差別，假如將相同層數(shù)的建筑CO2排放量取平均值，便可以將差異程度縮小而更具代表性。因此，將平均計算后的結(jié)果繪成散點圖，并作回歸分析，如圖3所示。通過回歸分析的結(jié)果看以發(fā)現(xiàn)回歸方程的確定性系數(shù)R2值達到了0.90，顯示了此回歸方程的預(yù)測性達到了相當高的信度。

圖2 辦公建筑物化階段CO2排放量散點分布與回歸分析圖(78樣本)

圖3 辦公建筑物化階段CO2排放量散點分布與回歸分析圖(均值)

經(jīng)過以上分析，最終得到了建筑層數(shù)與辦公建筑物化階段CO2排放量預(yù)測方程為

其中H為建筑的層數(shù)。

3.2 建筑材料使用量與辦公建筑物化階段CO2排放量的預(yù)測

這里所指的建筑材料是土建工程中最主要的4類建材，即鋼材、混凝土、砂漿和墻材。前面的分析表明土建工程部分的CO2排放量占到了辦公建筑物物化階段的75%以上，而此4類建材又占到了土建工程的90%以上。因此，這4類建材是辦公建筑物化階段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(lián)系。假如可以通過這4類建材的使用量來預(yù)測物化階段的CO2排放量那將大大簡化評價的復(fù)雜程度。

表6 4類建材與物化階段總CO2排放量的相關(guān)性

**:在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

首先利用線性相關(guān)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(guān)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(guān)；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(guān)性很弱。而從Pearson相關(guān)系數(shù)來看混凝土與總CO2排放量相關(guān)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(guān)性之后，就可以以這3類建材的使用量作為自變量，來預(yù)測物化階段總CO2排放量。統(tǒng)計軟件分別試驗了3組預(yù)測變量，如表7所示，可以發(fā)現(xiàn)這3類建筑同時為自變量的情況下，其調(diào)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(yù)測方程為

其中：x1為鋼材的使用量，kg；x2為混凝土的使用量，m3；x3為墻材的使用量，m3。

該回歸方程的方差分析顯著概率值為4.24×10-36遠小于0.01，顯示了此回歸方程有相當程度的預(yù)測能力；同時x1、x2、x3的P值分別為3.63×10-13、4.29×10-25、3.21×10-23都遠小于0.05，說明它們對LCCO2f有顯著的影響。

表7 3組預(yù)測變量的確定性系數(shù)與誤差分析表

a為預(yù)測變量:(常量),砼；b為預(yù)測變量:(常量),砼,墻材；c為預(yù)測變量:(常量),砼,墻材,鋼材。

3.3 兩種預(yù)測方法的準確性分析

將實際統(tǒng)計的78個樣本的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)和式(7)，其計算結(jié)果與實際統(tǒng)計結(jié)果的比較如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)利用式(4)～(7)的預(yù)測結(jié)果比利用式(4)～(5)的預(yù)測結(jié)果更為接近于實際統(tǒng)計結(jié)果，利用建筑層數(shù)預(yù)測的結(jié)果與實際結(jié)果的標準差為23.36 kg/m2，而利用建筑材料使用量的預(yù)測結(jié)果比實際結(jié)果的標準差為16.09 kg/m2。

導致以上分析的結(jié)果是因為利用建筑層數(shù)預(yù)測的CO2排放量顯示的是統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平均值；而利用建筑材料使用量預(yù)測的CO2排放量顯示的是統(tǒng)計數(shù)據(jù)的各樣本值。

圖4 預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果的對比分析圖

4 結(jié) 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(jié)論：

1)隨著建筑層數(shù)(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(guān)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(tǒng)計學的方法，得到了建筑層數(shù)與辦公建筑物化階段CO2排放量的預(yù)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(yù)測公式。

致謝：感謝“陜西省重點科技創(chuàng)新團隊：低能耗建筑設(shè)計(2012KCT-11)創(chuàng)新團隊對本文的支持!

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(編輯 王秀玲)

CarbonDioxideEmissionsofOfficeBuildingsatEmbodiedStage

LuoZhixing,YangLiu,LiuJiaping

(Architecture School，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，P．R．China)

The building embodied stage is the LCA research focus due to large and intensive CO2emissions. In order to establish the CO2emissions calculating model during the embodied stage, CO2emissions load in the process of building materials, equipments manufacturing, transporting and construction should be included. CO2emissions 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 CO2emissions during building embodied stage could be precisely predicted on basis of the independent variablesincluding concrete and wall materials respectively.

office building; carbon dioxide emissions; LCA; embodied stage

10.11835/j.issn.1674-4764.2014.05.006

2014-03-10

國家自然科學創(chuàng)新研究群體基金(50921005);國家杰出青年科學基金(51325803)

羅智星(1984-)，男，博士生，主要從事綠色建筑設(shè)計與建筑節(jié)能研究，(E-mail)allexa@qq.com。

TU023

A

1674-4764(2014)05-0037-07