高原地區(qū)公共建筑運營階段環(huán)境影響的預測模型

黃揚洋，龔志起，楊 徽，趙太民

(青海大學土木工程學院，青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016)

運營階段是建筑生命周期中一個重要且復雜的環(huán)節(jié)，消耗大量的能源與資源，對環(huán)境有著不可低估的影響[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，建筑運營階段能耗占全國總能耗的23%，相關CO2排放量占全國CO2總排放量的20%，遠大于建造、拆除、回收等階段，是建筑全生命周期環(huán)境影響的主要貢獻者[3]。公共建筑的平均單位面積能耗是其他建筑的2～3倍[4]，隨著我國逐漸進入城鎮(zhèn)化新階段將占據(jù)更大部分[5]。因此，定量評價公共建筑運營階段環(huán)境影響，降低公共建筑運營階段能耗水平，是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然要求，對建筑領域的節(jié)能減排大有裨益。

近年來，研究者大力開展了建筑物運營階段的環(huán)境影響評價工作。Peng[6]基于 Ecotect分析工具對一棟辦公樓全生命周期的碳排放量進行統(tǒng)計分析，研究發(fā)現(xiàn)運營過程中碳排放量占全生命周期的85.4%。Iddon等[7]開發(fā)了自動計算工具，分別計算了某住宅建筑運營階段碳排放量與隱含碳排放量。朱方偉等[8]基于武漢市統(tǒng)計年鑒建立了公共建筑碳排放量和建筑面積的回歸方程。以上對建筑物運營階段的環(huán)境影響評價多集中在運營能耗、碳足跡等方面[9-10]，研究方法也多是基于Ecotect、DeST等能耗模擬軟件進行仿真模擬，部分采用問卷調(diào)查建立回歸模型[11-16]。

本研究基于生命周期評價系統(tǒng)，采用多元線性回歸模型，對公共建筑運營階段環(huán)境影響潛值進行定量評價，旨在開發(fā)一個標準化的框架，用于建筑行業(yè)運營階段環(huán)境影響潛值的評估，進而幫助相關單位做出可持續(xù)性決策及制定節(jié)能減排方案。

1 公共建筑運營階段環(huán)境影響核算方法

1.1 運營階段建筑生命周期評價模型

公共建筑運營階段環(huán)境影響來源于建筑材料或構(gòu)件的替換、更新以及建筑能耗、水耗，如式(1)所示。

EIoper=EIenergy+EIwater+EIrefur

(1)

式中：EIoper表示建筑運營階段的環(huán)境影響；EIenergy表示建筑運營能耗的環(huán)境影響；EIwater表示建筑運營水耗的環(huán)境影響；EIrefur表示建筑材料或構(gòu)件替換、更新的環(huán)境影響。

建筑運營能耗指建筑使用過程中由外部輸入的能源，包括維持建筑環(huán)境的用能(供暖、制冷、通風、空調(diào)、照明等)和各類建筑內(nèi)活動(辦公、家電、電梯、生活熱水等)的用能[17]。能源形式包括電力、燃煤、天然氣等[18]。

1.1.1 基礎清單數(shù)據(jù)分析

構(gòu)建綜合能源基礎清單數(shù)據(jù)評估公式，如式(2)所示。

ifE-j(t)=∑kbk(t)×ik×ifkj

(2)

式中:ifE-j(t)表示綜合能源在t年的基礎清單數(shù)據(jù)；ik表示分項能源k相對于標準煤的折算系數(shù)；bk(t)表示t年時分項能源k消耗量(k代表原煤、天然氣、電力)；ifkj表示單位質(zhì)量分項能源k的基礎清單數(shù)據(jù)，生產(chǎn)單位質(zhì)量能源需要投入的j原材料質(zhì)量/產(chǎn)出的j環(huán)境排放質(zhì)量。

構(gòu)建建筑材料或構(gòu)件替換、更新基礎清單數(shù)據(jù)評估公式，如式(3)所示。

ifE-p=∑iMi×ifip

(3)

式中：ifE-p表示建筑材料或構(gòu)件替換、更新的基礎清單數(shù)據(jù)；Mi表示i種材料或構(gòu)件的量；ifip表示單位質(zhì)量i種材料或構(gòu)件的基礎清單數(shù)據(jù)，生產(chǎn)單位質(zhì)量材料或構(gòu)件需要投入的p原材料質(zhì)量/產(chǎn)出的p環(huán)境排放質(zhì)量。

1.1.2 生命周期影響評價

在上述公式中，ik的取值來源于GB/T 2589—2008《綜合能耗計算通則》[19]，分項能源的基礎清單數(shù)據(jù)ifkj與分項材料或構(gòu)件基礎清單數(shù)據(jù)ifip來源于文獻[20]、文獻[21]以及CLCD數(shù)據(jù)庫。在清單分析的基礎上進行環(huán)境影響分析，將評價對象的能耗、污染物排放與生態(tài)環(huán)境聯(lián)系起來，通過分類、特征化、標準化，設置權(quán)重[22]4個步驟計算1 kgce綜合能源環(huán)境影響潛值，如表1所示。

表1 1 kgce綜合能源環(huán)境影響潛值Tab.1 Comprehensive energy environmental impact potential value of 1 kgce

1.2 多變量線性回歸預測

為了評價不同參數(shù)之間的關系，了解不同參數(shù)對環(huán)境影響潛值的影響，采用了多元回歸分析方法，其模型見式(4)。

(4)

式中：y1，y2…yn表示預測響應(因變量)；α表示常數(shù)(直線截距)；β1，β2…βn表示線性系數(shù)斜率；xk1，xk2…xkn表示解釋(自變量)；ε表示預測誤差。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究以某地區(qū)黨政機關，初、中、高等教育機構(gòu)，醫(yī)療機構(gòu)為調(diào)查對象。

調(diào)查內(nèi)容：建筑面積；2019年全年總耗電量及其構(gòu)成情況；2019年全年總耗煤量及其構(gòu)成情況；2019年全年總耗天然氣量及其構(gòu)成情況；2018—2019年一個供暖期的供暖面積及其供暖總費用；該建筑面積內(nèi)用能人數(shù)以及全年用能時間。

調(diào)查主要原則:選擇具有代表性的公共建筑類型進行實地調(diào)查；真實反映各建筑物的運營能耗構(gòu)成；注重受訪者的專業(yè)素養(yǎng)(通常為單位財務核算人員)以獲得準確的基本信息。

經(jīng)過調(diào)研可得黨政機關樣本總數(shù)222個，教育機構(gòu)樣本總數(shù)73個，醫(yī)療機構(gòu)樣本總數(shù)31個。

3 結(jié)果與分析

3.1 相關性

采用SPSS軟件對調(diào)查數(shù)據(jù)進行皮爾森相關性分析，判斷自變量與建筑環(huán)境影響潛值的相關強度，計算結(jié)果見表2。

表2 皮爾森相關性分析Tab.2 Pearson correlation analysis

通過皮爾森相關性分析，黨政機關建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)的相關系數(shù)值在0.7～0.99，呈高度相關，與全年使用時長相關性較弱(考慮到黨政機關建筑運營階段環(huán)境影響潛值預測精度，先剔除自變量使用時長指標)。教育機構(gòu)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)、全年使用時長均呈高度相關。醫(yī)療機構(gòu)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)呈高度相關(醫(yī)療機構(gòu)由于全年開放，情況較為特殊，因此不考慮使用時長影響)。

在皮爾森相關性分析基礎上，研究3個自變量對不同類型公共建筑環(huán)境潛值的影響，根據(jù)3類公共建筑的環(huán)境影響潛值數(shù)據(jù)繪制散點圖，如圖1～圖3所示。

圖1 黨政機關環(huán)境影響潛值與建筑面積及用能人數(shù)的關系Fig.1 Relationship between environmental impact potential value of party and government organs，building area and the number of energy users

圖2 醫(yī)療機構(gòu)環(huán)境影響潛值與建筑面積及用能人數(shù)的關系Fig.2 Relationship between environmental impact potential value of medical institutions， building area and the number of energy users

3.2 建立多變量線性回歸模型

本文根據(jù)所選自變量建立三元線性回歸方程，如式(6)所示。

y=α+β1x1+β2x2+β3x3+ε

(6)

借助SPSS軟件建立3類建筑環(huán)境影響潛值初始模型：

y1=-2.267+0.023x1+0.035x2

y2=-1.137+0.007x1-0.018x2+0.067x3

y3=9.799+0.023x1+0.174x2

表3中R為擬合優(yōu)度，用來衡量模型對觀測值的擬合程度；R2為決定系數(shù)，表示擬合的模型能解釋因變量變化的百分數(shù)，統(tǒng)計量越接近1，擬合度越好。由表可見回歸分析的3個決定系數(shù)為0.766～0.949，說明回歸結(jié)果的擬合程度良好；由表4可知，回歸P值均明顯小于顯著性水平0.05，說明建筑面積、用能人數(shù)、全年使用時長與建筑運營階段環(huán)境影響潛值存在顯著線性關系。

表3 某市公共建筑環(huán)境影響潛值與自變量的回歸分析Tab.3 Regression analysis of environmental impact potential value of public buildings and independent variables in a city

表4 某市公共建筑環(huán)境影響潛值與自變量的方差分析Tab.4 Variance analysis of environmental impact potential value and independent variables of public buildings in a city

通過對回歸方程和回歸系數(shù)進行檢驗,回歸方程與回歸系數(shù)總體達到顯著水平,可作為某地區(qū)及與其氣象參數(shù)相近地區(qū)評價公共建筑運營階段環(huán)境影響潛值和建筑面積、用能人數(shù)、全年使用時長相關性的經(jīng)驗公式。

3.3 預測模型驗證

隨機選取9個樣本，并根據(jù)建立的回歸方程分別對3類公共建筑進行估算，然后將結(jié)果與實際環(huán)境影響潛值進行對比，用以判斷預測模型是否可行，其結(jié)果如表5所示。由表可知，9個樣本的模型偏差率均在12%以內(nèi)，誤差值在可控范圍內(nèi)。

表5 驗證對比Tab.5 Verification comparison

4 討論與結(jié)論

本文運用生命周期評價系統(tǒng)，結(jié)合多變量線性回歸預測方法，以高原地區(qū)222所黨政機關，73所教育機構(gòu)，31所醫(yī)療機構(gòu)為研究對象，計算其運營1年的環(huán)境影響潛值并分析皮爾森相關性，建立黨政機關、教育機構(gòu)以及醫(yī)療機構(gòu)環(huán)境影響潛值的多元線性回歸方程并進行驗證對比，得到以下結(jié)論：(1)黨政機關建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)的相關系數(shù)值為0.7～0.99；教育機構(gòu)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)、全年使用時長呈高度相關；醫(yī)療機構(gòu)建筑運營階段環(huán)境影響潛值與建筑面積、用能人數(shù)呈高度相關。(2)預測模型的誤差在可控范圍內(nèi)。產(chǎn)生誤差的因素較多，比如數(shù)據(jù)樣本代表性不足、用能行為因人而異、建筑外墻保溫材料類型、建筑使用年限等。

與朱方偉等[8]對公共建筑運營階段碳排放量的研究相比，本研究可用于公共建筑全生命周期早期設計階段預評估環(huán)境影響潛值的測算，促進相關部門做出可持續(xù)性決策，制定節(jié)能減排方案。