云南省某綠色公共建筑全生命周期能耗量化分析

孫鵬

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

2000—2016 年，我國(guó)公共建筑能耗(含采暖能耗)約占建筑總能耗的34%～39%[1-2]。我國(guó)節(jié)能工作已邁入總量控制戰(zhàn)略階段，將國(guó)家建筑能耗總量控制目標(biāo)進(jìn)行區(qū)域分解，根據(jù)各地建筑規(guī)模與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，制定差別化的省級(jí)建筑能耗總量控制目標(biāo)勢(shì)在必行。

云南省的氣候具有年溫差小、干濕季節(jié)分明等特點(diǎn)。民用建筑基本未配備暖通空調(diào)系統(tǒng)，而公共建筑由于人流量大、空間使用頻率高、空間功能多樣等特點(diǎn)，需要設(shè)置暖通空調(diào)系統(tǒng)。但實(shí)際上，全年大部分時(shí)間中，僅開啟外窗即可滿足公共建筑大部分室內(nèi)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量需要，只有在出現(xiàn)較為極端的天氣時(shí)才會(huì)使用暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)，這也使得云南省公共建筑的運(yùn)行階段供暖能耗、空調(diào)能耗普遍較低，而綠色公共建筑在此基礎(chǔ)上還采用了節(jié)能措施。由此可見，計(jì)算其全生命周期能耗可以更準(zhǔn)確地得出云南省綠色公共建筑的能耗限值。

本文以云南省某三星級(jí)綠色公共建筑為研究對(duì)象，進(jìn)行全生命周期的能耗計(jì)算，并根據(jù)實(shí)際采取的節(jié)能策略，最后得出實(shí)際能耗，以期為制定省級(jí)公共建筑能耗總量控制目標(biāo)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究?jī)?nèi)容

本文選取了已通過云南省三星級(jí)綠色建筑運(yùn)行標(biāo)識(shí)的某公共建筑作為案例進(jìn)行研究分析。選取案例原因如下：

(1)過程簡(jiǎn)化

施工期間人員活動(dòng)能耗及機(jī)械臺(tái)班能耗的實(shí)際數(shù)據(jù)較難采集，案例建筑施工工期不足半年，相較于其他工期較長(zhǎng)的公共建筑，此類難以統(tǒng)計(jì)的耗能量大大減少，在建筑全生命周期能耗中所占比例可忽略不計(jì)。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，案例建筑運(yùn)行過程中的室內(nèi)人員均嚴(yán)格遵守節(jié)能制度，故無需考慮這些難以統(tǒng)計(jì)的能耗因素，簡(jiǎn)化了分析過程。

(2)結(jié)果精確

案例建筑在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，采用了適宜云南省氣候特點(diǎn)的太陽能熱水系統(tǒng)來代替耗能極高的電加熱系統(tǒng)作為日常生活熱水來源，降低了生活熱水能耗。結(jié)合云南省公共建筑空調(diào)能耗、供暖能耗較低的特點(diǎn)，使得建筑實(shí)際運(yùn)行能耗大幅降低，能凸顯出節(jié)能措施的實(shí)施效果，有利于得出更為精確的公共建筑能耗控制目標(biāo)。

項(xiàng)目建筑面積為15 607.17 m2，使用壽命按 50 年計(jì)算。單位建筑材料耗能量即能耗因子，根據(jù)周觀根等[3]、趙平等[4]的研究換算確定。

2 不同階段建筑耗能量計(jì)算

2.1 建材生產(chǎn)及運(yùn)輸階段

(1)計(jì)算說明

主要建筑材料消耗量根據(jù)項(xiàng)目結(jié)算資料確定。建材運(yùn)輸階段能耗計(jì)算比較復(fù)雜，考慮到目前運(yùn)輸工具的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)缆返然A(chǔ)設(shè)施建設(shè)等過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)尚不完善，且此類過程分?jǐn)偟浇ú倪\(yùn)輸上的能耗占比較小，可忽略不計(jì)，故僅計(jì)算材料運(yùn)輸過程中的能耗。

(2)計(jì)算公式

建材生產(chǎn)階段耗能量計(jì)算公式如下：

(1)

式中，ESC為建材生產(chǎn)階段能耗，kJ；Mi為第i種主要建材的消耗量；Fi為第i種主要建材的生產(chǎn)能耗因子。

建材運(yùn)輸階段耗能量計(jì)算公式如下：

(2)

式中，EYS為建材運(yùn)輸階段能耗，kJ；Mj為第j種主要建材的運(yùn)輸量；Fj為第j種主要建材的運(yùn)輸能耗因子。

(3)計(jì)算結(jié)果

建材生產(chǎn)階段能耗統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 建材生產(chǎn)階段能耗統(tǒng)計(jì)

綜上計(jì)算可得，建材生產(chǎn)階段總能耗為1.52×1011kJ，單位建筑面積能耗為9.72×106kJ/m2。

建材運(yùn)輸階段能耗統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 建材運(yùn)輸階段能耗統(tǒng)計(jì)

綜上計(jì)算可得，建材運(yùn)輸階段總能耗為2.92×1010kJ，運(yùn)輸階段單位建筑面積能耗為1.87×106kJ/m2。

2.2 建筑建造階段

(1)計(jì)算說明

根據(jù)項(xiàng)目結(jié)算資料確定機(jī)械臺(tái)班數(shù)量并統(tǒng)計(jì)消耗的各類資源，以實(shí)際消耗資源為依據(jù)計(jì)算建筑建造階段能耗。

(2)計(jì)算公式

建筑建造階段單位建筑面積能耗計(jì)算公式如下：

(3)

式中，EJZ為建筑建造階段單位建筑面積能耗，kJ/m2；Ek為建筑建造階段第k種能源使用量；Fk為第k種能源單位能耗因子；A為建筑面積，m2。

(3)計(jì)算結(jié)果

建筑建造階段耗能資源用量統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 建筑建造階段耗能資源用量統(tǒng)計(jì)

其中，電能耗因子取3 599.96 kJ/(kW·h)，柴油、汽油能耗因子取38 511.2 kJ/L，天然氣能耗因子取37 255.4 kJ/m3。計(jì)算可得，電能耗為6.97×108kJ，柴油能耗為1.61×109kJ，汽油能耗為4.19×108kJ，天然氣能耗為4.49×107kJ，合計(jì)能耗為2.77×109kJ，單位建筑面積能耗為1.78×105kJ/m2。

2.3 建筑運(yùn)行階段

(1)計(jì)算說明

建筑運(yùn)行階段能耗使用斯維爾能耗模擬軟件“能耗計(jì)算 BESI 2016”進(jìn)行模擬計(jì)算。

(2)計(jì)算公式

建筑運(yùn)行階段單位建筑面積耗能量計(jì)算公式如下：

(4)

式中，EYX為建筑運(yùn)行階段單位建筑面積能耗，kJ/m2；Em為建筑運(yùn)行階段第m種能源使用量，kW·h；Fm為第m種能源單位能耗因子，kJ/(kW·h)；A為建筑面積，m2。

(3)計(jì)算結(jié)果

建筑運(yùn)行階段模擬能耗統(tǒng)一采用電能單位，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 建筑運(yùn)行階段能耗計(jì)算匯總

綜上計(jì)算，設(shè)建筑運(yùn)行周期為50年，可以得出建筑運(yùn)行周期總能耗為3.22×1010kJ，運(yùn)行周期單位建筑面積年均能耗為4.13×105kJ/(m2·a)。

2.4 建筑拆除階段

(1)計(jì)算說明

由于建筑并未達(dá)到使用年限，拆除階段的能耗計(jì)算屬于前瞻性計(jì)算。根據(jù)相關(guān)學(xué)者估算，通常建筑拆除過程的能耗約為建筑建造施工階段能耗的90%[5]，故本文研究案例建筑拆除階段能耗取建筑建造階段能耗的90%，忽略人工拆除時(shí)施工人員生活消耗的各類資源。

(2)計(jì)算結(jié)果

建筑拆除階段的總能耗為 2.50×109kJ，單位建筑面積能耗為 1.60×105kJ/m2。

2.5 小結(jié)

綜合上述計(jì)算結(jié)果，可得建筑全生命周期各階段能耗匯總?cè)绫?所示。

表5 建筑全生命周期各階段能耗匯總

由表5可知，建材生產(chǎn)階段能耗占比最大，但由于各廠家實(shí)際生產(chǎn)情況不同，建材生產(chǎn)階段的節(jié)能措施及效果難以采集實(shí)際數(shù)據(jù)，故暫不進(jìn)行節(jié)能分析。建材運(yùn)輸及建筑運(yùn)行期間能耗占比較大，分別為13.37%和14.74%；其他階段能耗占比較小，均為1%左右。故主要針對(duì)除建材生產(chǎn)階段以外的其他階段實(shí)施節(jié)能策略。

3 節(jié)能措施及效果分析

3.1 建材運(yùn)輸階段

項(xiàng)目盡可能選用本地建材以減少運(yùn)距，建材實(shí)際運(yùn)輸平均距離為 30 km，運(yùn)輸主要消耗能源為柴油和汽油。經(jīng)調(diào)查分析，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能量約10%，約為 2.92×109kJ，單位建筑面積節(jié)能量為1.87×105kJ/m2。

3.2 建筑建造階段

施工過程中實(shí)施能耗目標(biāo)管理制度，加強(qiáng)人員節(jié)能意識(shí)，以降低建筑建造能耗。經(jīng)調(diào)查分析，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能量約10%，約為 2.77×108kJ，單位建筑面積節(jié)能量為1.78×104kJ/m2。

3.3 建筑運(yùn)行階段

由于難以獲得項(xiàng)目運(yùn)行期間實(shí)際生活熱水使用量，且項(xiàng)目實(shí)際生活熱水絕大部分由太陽能集熱器提供，故采用模擬得出的生活熱水能耗作為太陽能集熱器節(jié)約能耗，則太陽能集熱器節(jié)能量計(jì)算如表6所示。

表6 太陽能集熱器節(jié)能量計(jì)算

綜上數(shù)據(jù)可得，單位建筑面積年均節(jié)能量為4 836.14 kJ/(m2·a)。

3.4 建筑拆除階段

建筑拆除階段節(jié)能措施主要分為建筑物的拆除與建材回收兩大部分。其中，建筑物的拆除部分正常使用機(jī)械臺(tái)班，為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略不計(jì)，主要計(jì)算建材回收部分節(jié)能量，如表7所示。

表7 建材回收節(jié)能量計(jì)算

綜上可得，建材回收階段總節(jié)能量為2.19×1010kJ，單位建筑面積年均節(jié)能量為4 836.14 kJ/(m2·a)。

3.5 小結(jié)

綜上計(jì)算結(jié)果，節(jié)能措施節(jié)能量匯總?cè)绫?所示。采取節(jié)能措施后建筑實(shí)際能耗分析如表9所示。可以得出，采取節(jié)能措施后建筑實(shí)際能耗為1.82×1011kJ，單位建筑面積年均能耗為2.33×105kJ/(m2·a)，折合標(biāo)準(zhǔn)煤量為7.95 kgce/(m2·a)。

表8 節(jié)能措施節(jié)能量匯總

表9 建筑實(shí)際能耗匯總 kJ

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)云南省某三星級(jí)綠色公共建筑全生命周期能耗情況的計(jì)算研究得出，針對(duì)能耗占比較大的建筑生命階段采取節(jié)能措施后，建筑全生命周期單位面積年均能耗可降低到 7.95 kgce/(m2·a)。

(2)在建筑全生命周期能耗中，建材生產(chǎn)階段能耗占比接近70%，相當(dāng)于其他階段能耗總和的兩倍以上，如能在建材生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中實(shí)施有力的節(jié)能措施，則可更加有效地減少建筑全生命周期能耗總量。

(3)太陽能等可再生能源的利用可以顯著降低建筑運(yùn)行階段能耗，且初期增設(shè)成本較低，運(yùn)行維護(hù)方便，適合作為云南省公共建筑生活熱水主要能耗來源。

(4)由于研究建筑自身材料、結(jié)構(gòu)以及拆除環(huán)境各異，且缺乏具有權(quán)威性的數(shù)據(jù)，故建筑拆除階段能耗只能估算。如能將拆除產(chǎn)生的各種建筑垃圾進(jìn)行更多種類、更高比例的回收利用，則可以更加有效地減少拆除階段的能耗。

(5)在下一步研究中，可增加不同星級(jí)綠色公共建筑或相同星級(jí)住宅建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及分析,使分析涵蓋的方面更多，得出的結(jié)論更全面。