基于碳排放分析的超低能耗建筑墙体构造形式决策研究.pdf

-44一第3 3 卷2023年第4 期总第3 0 1 期程经济基于碳排放分析的超低能耗建筑墙体构造形式决策研究李福邓琴琴刘宗江尹竹祥李云峰摘要：超低能耗建筑围护结构通常具备较高的热性能要求，目前已有较多关于不同构造墙体的传热系数研究案例，但针对相同墙体传热系数下对不同墙体构造全寿命期碳排放水平及经济性的研究成果较少。本文针对严寒和寒冷地区常见的7 种外墙外保温及夹心保温构造做法，计算其全寿命期下碳排放总量，给出了全寿命期中碳排放最低、经济性最优的墙体构造形式，为超低能耗建筑围护结构设计建造决策提供数据参考，为双碳背景下超低能耗建筑的技术推广提供支撑。关键词：超低能耗建筑；碳排放；全寿命期；传热系数；墙体构造一、引言改革开放以来，国民经济得到前所未有的发展，人民对美好生活的向往更加迫切。在新的历史时期，更高热工性能要求的建筑建造模式也应运而生。随着国家“3 0、6 0”政策的出台，各行业都开始研究碳达峰和碳中和技术，农村地区超低能耗建筑设计标准（T/CECS739一2 0 2 0）、近零能耗建筑技术标准（GB/T51350)的出台，规范了超低能耗建筑技术参数。本文结合北方地区气候特点，应用排放因子法分析测算研究了7 种不同墙体构造体系的全寿命期碳排放量总量，通过静态投资测算单位费用碳排放强度，为后期超低能耗建筑在城市及广大农村地区大面积推广打下基础，为我国建筑领域实现碳达峰和碳中和目标积累经验。二、超低能耗建筑墙体构造形式及其技术经济性(一）墙体构造形式传统的墙体保温系统构造主要有四种：一是墙体自保温，二是墙体内保温，三是墙体夹心保温，四是墙体外保温。1 作者简介李福：中国建筑科学研究有限公司，研究方向：工程管理、绿色生态区域研究等；邓琴琴：中国建筑科学研究有限公司，研究方向：建筑节能；刘宗江：中国建筑科学研究院有限公司，研究方向：新能源应用；尹竹祥：国能包神铁路集团有限责任公司，研究方向：工程管理；李云峰：河北新农建节能科技有限公司，研究方向：新型节能墙体。基金项目：中华人民共和国住房和城乡建设部2 0 2 2 年科学计划既有农房综合改造技术集成研究、中国建筑科学研究院有限公司科研基金项目居住建筑和公共建筑低碳、碳中和设计方法与关键技术研究。45-IT.基于碳排放分析的超低能耗建筑墙体构造形式决策研究近零能耗建筑技术标准GB/T51350规定了此类建筑设计、建造、运行的技术要点。GB/T51350标准中对于无热桥设计及气密性等方面提出了更高要求。鉴于墙体内保温系统的热桥部分无法妥善处理，墙体自保温体系除了热桥处理困难外，自保温材料普遍导热系数比其他保温材料大，同等保温效果下，墙体体厚度大影响得房率等问题，所以选取外墙外保温和夹心保温进行下一步碳排放及技术经济性分析。（二）技术经济性研究现状国际上关于外墙保温体系经济性的研究较多，国内关于外墙外保温技术经济的研究主要有刘鑫 2 等人，他通过对外墙外保温全生命周期实际成本与模拟测算进行研究，为评价外墙外保温体系的效能、建立适合北方地区外墙外保温技术发展的成本和价值体系提供了参考。关于近零能耗建筑的技术经济性相关研究，张时聪等 3 收集整理了具有代表性的6 4 个已建成超低/近零能耗建筑示范项目，进行了技术统计和分析。另外高彩凤 4 等人对近零能耗公共建筑技术经济性进行了分析研究。研究中外墙构造仅有外保温一种构造体系，技术经济性分析主要计算近零能耗建筑的初投资阶段增量成本和运营维护阶段增量成本，增量效益表现为建筑的全寿命周期内由于节能技术的运用带来的经济效益。本研究在构建满足超低能耗建筑能耗指标的性能化设计前提下，统一模型墙体的传热系数，统筹考虑建筑全生命周期墙体建设及更新维护，比较不同的墙体保温构造，通过工程量测算、碳排放量测算、经济性测算分析，得出碳排放水平最低和经济性最优的构造形式。三、考虑碳排放的超低能耗建筑墙体构造形式决策优化根据中国建筑能耗研究报告（2 0 2 0），2 0 1 8 年全国建筑全过程能耗总量为2 1.4 7 亿tce，占全国能源消费总量比重为4 6.5%。建材生产阶段能耗1 1 亿tce，占全国能源消费总量的比重为2 3.8%。建筑施工阶段能耗0.4 7 亿tce，占全国能源消费总量的比重为1%。建筑运行阶段能耗1 0 亿tce，占全国能源消费总量的比重为2 1.7%。5 国内外对墙体的传热系数进行了大量的优化分析研究，已经得出了很多有规律性的研究结果，6 但不同的构造形式，在单一阶段不具有节能减碳的可比性，需要通过基于全寿命期碳排放的核算方法，通过相应的数据库和模型进行碳排放的估算比较。根据建筑碳排放计算标准（GB/T51366一2 0 1 9），对建筑碳排放的定义是：建筑物在与其相关的建材生产及运输、建造与拆除、运行阶段产生的温室气体排放总和，以二氧化碳当量表示。计算的边界是与建筑物建材生产及运输、建造及拆除、运行等活动相关的温室气体排放的计算范围。7-8 1(一）碳排放测算对建筑物碳排放的测算主要采用三种方法：实测法、物料衡算法和排放因子法。9 其中排放因子法是指在正常技术经济和管理条件下，根据生产单位产品所排放的气体数量的统计平均值来计算总排放量的一种方法。为了便于研究不同墙体构造在全寿命期的碳排放影响，选用2 0 0 6 年IPCC国家温室气体清单指南提出的排放因子计算方程，1 0 它具有数据需求量少、大尺度计算时可以避免由于统计口径问题而遗漏能源消费量等优点。计管方程温室气体（GHG)排放=活动数据（AD)排放因子（EF）(1)其中，AD是导致温室气体排放的生产或消费活动的活动量；EF是与活动水平数据对应的系数，表征单位生产或消费活动量的温室气体排放系数。-46-(4）Study on Decision-making of Ultra-low Energy Consumption BuildingWall Structure Considering Carbon Emissions Analysis（二）考虑碳排放的决策优化根据建筑碳排放计算标准（GB/T51366一2 0 1 9）及2 0 0 6 年IPCC国家温室气体清单指南中提出的排放因子计算方程，从全生命周期角度出发，墙体的碳排放与构成工程实体的构造形式、建筑材料、更新改造次数三个因素关系密切。为了便于进行决策比较，选取构成工程实体的直接费用中材料费（材料用量材料价格），作为测算费用和测算碳排放量的基础因素。构造碳排放量=材料碳排放因子i材料消耗量；(2)一全寿命周期碳排放量=构造碳排放量i更新改造次数；i=1女量更新改造次数；(3)碳排放经济性（单位费用碳排放量）=（全寿命周期碳排量/全寿命期费用）1 0 0%选择全寿命周期内，材料碳排放因子数小、材料消耗量小、耐久性好、更新次数少、费用少、经济性优的构造，是进行墙体构造碳排放决策和优化的理想形式。(三）案例应用为了便于比较不同构造的构造碳排放量，在充分参照有关文献研究及实地调研的基础上，统一基础测算模型，项目地点为北京，总建筑面积为2 5 5 平米，地上2 层，室内外地坪高差6 0 0 毫米，冻土深度8 5 0毫米，体形系数0.5 1。墙体构造面积统计如表1,平面布置及南北立面如图1-4。根据前文中国建筑能耗研究报告（2 0 2 0），在建筑全过程能耗比例分析中，建材生产阶段占比5 1.2%，施工阶段占比为2.2%，运行阶段占比为4 6.6%。农宅类项目相对城镇住宅体量小，体形系数大，外围护结构面积占比大，建造和拆除中设备用能较小，因此除墙体外，建筑其他构造及机电系统，穿管走线、装修等均相同，且不做进一步碳排放对比分析。本文对不同构造墙体，结合本地建材价格水平，测算全寿命期碳排放量，测算不同构造体系成本，最终得出碳排放量水平和经济性最优的构造形式，引导超低能耗项目的科学合理建造，助力建筑领域的节能减碳事业。表1墙体构造面积统计名称朝向面积(m)南向54.6东向64.78外墙北向75.53西向62.74内隔墙290室内地坪到冻土深度外墙74.5本文以北京地区为例，以超低能耗农宅技术规程T/CECS739一2 0 2 0 1 2)标准为参照，确定不同围护结构做法，对应围护结构传热系数及标准限值如下表2。47基于碳排放分析的超低能耗建筑墙体构造形式决策研究图1北侧立面图C1509C1209C1509下卫生间卧室厨房餐厅北M0921上卫生间M1021卧室客厅卧室C2218C2218图3首层平面图图2南侧立面图C1509C1509佛堂客厅聚台卫生间客厅上空卧室C3517C2217图4二层平面图表2不同墙体构造做法及限值表T/CECS739-2020规程要求及措施内容构造做法及K值 W/mK寒冷地区标准K值 W/miK240mm粘土实心砖+1 6 0 EPS,K值0.2 9240粘土实心砖+1 4 0 mmXPS+120mm粘土实心砖，K值0.2 7外保温0.30190mm混凝土空心砌块+1 4 0 mmXPS+90mm混凝土空心砌块，K值0.2 770mm钢筋混凝土+1 4 0 mmXPS+70mm钢筋混凝土，K值0.2 830mm聚苯颗粒2 4 0 mm粘土空心砖+3 0 mm聚苯颗粒，K值0.8 2夹心保温30mm聚苯颗粒+1 9 0 mm混凝土空心砌块+3 0 mm聚苯颗粒，K值0.8 11.2-1.5570mm钢筋混凝土+3 0 mmxps板+7 0 mm钢筋混凝土，K值0.8 6注：地坪及以下至冻土深度部分与外墙做法相同。根据调研走访施工企业农宅建设情况，内外墙体主要做法工程量分布如表3：-48材E要Study on Decision-making of Ultra-low Energy Consumption BuildingWall Structure Considering Carbon Emissions Analysis表3工程量统计表结构形式B类构造C类构造D类构造240粘土实心砖+190mm混凝土空心砌块70mm钢筋混凝土+外墙240mm粘土实心砖+140mmXPS+120mm140mmXPS+90mm混凝140XPS+70mm钢筋160mmEPS粘土实心砖土空心砌块混凝土30mm聚苯颗粒30mm聚苯颗粒70mm钢筋混凝土+内墙240mm粘土实心砖+240mm粘土空心砖+A类构造30mmxps+70mm钢筋30mm聚苯颗粒30mm聚苯颗粒混凝土砌体(m)155.2195.4136.54钢筋量(kg)3614.13638.33632.63193.8C30混凝土量(m）12.3116.3116.2161.41外墙保温(m)123.43363636内墙保温(m)52.252.252.28.7注：1、钢筋量是指楼板、顶板、框架梁、柱钢筋；砌体结构中墙体拉结筋、构造柱、圈梁、过梁等构造钢筋；混凝土结构中墙体连接筋、洞口加强筋。2、建筑使用寿命按5 0 年计算；农宅建筑缺乏统一管理和维护，外保温平均寿命小于JGJ144中2 5 年的规定，本例使用年限按照2 0 年，全寿命期更新2 次；夹心保温全寿命期不考虑更新；内墙聚苯颗粒更新2 次。3、根据GB/T51366要求，内外表面石膏抹灰面、砂浆用量小于1%不做统计。通过北京市住房与城乡建设委员会网址查询、广联达软件数据库查询以及公开询价等方式对料价格进行确认。价格信息如下表4：表4主材价格表编号材料类型规格价格计量单位数据来源1粘土空心砖（2 4 0 1 1 5 9 0）416元千块(2)2粘土实心砖（2 4 0 x11553）480元/千块询价3C30混凝土515m3(1)4钢筋HPB300106071元/(1)5EPS(大于2 0 kg/m)370元/m3(2)6XPS(大于3 0 kg/m)570元/(2)7胶粉聚苯颗粒(3 0 0 kg/m1.5元/kg(2)8混凝土空心砌块（2 4 0 1 1 5 x90）850元/千块(2)注：1、来自北京市建设工程造价管理总站，发布关于增加发布2 0 2 2 年1 月主要建筑材料市场价格（第一期)的说明。2、来自广联达造价软件广材网提供北京地区价格信息49-基于碳排放分析的超低能耗建筑墙体构造形式决策研究查阅相关标准规范及计算，汇总主要建筑材料碳排放因子如下表5，将各类材料碳排放因子数与表5中材料工程量合并计算，得到不同构造碳排放量如下表6，不同构造经济性对比如表7。表5建筑材料碳排放因子建筑材料碳排放因子单位数据来源粘土空心砖215kgCO2e/m3(2)粘土实心砖250kgCO2e/m3(1)C30混凝土295kgCO2e/m3(1)钢筋2050kgCOze/t(1)EPS5020kgCOze/t(1)XPS6120kgCOze/t(2)聚苯颗粒保温浆料2173kgCO2e/t计算值混凝土空心砌块（小孔）180kgCO2e/m3(2)注：1、数据来源（1）建筑碳排放计算标准GB/T51366-2019113；（2）建筑碳排放核算标准DB3502/Z5053-201914；2、民用建筑热工设计规范GB50176-2016l15)附录B中规定，XPS板导热系数0.0 3 0-0.0 3 2 W/（mK)1，干密度3 5（kg/m）；EPS板导热系数0.0 3 3-0.0 3 9 W/（mf K)，干密度2 0（kg/m）；胶粉聚苯颗粒导热系数0.0 7 0 W/（mi K)，干密度3 0 0（kg/m），按照质量与导热系数列方程组求得聚苯颗粒与砂浆含量，测算碳排放因子。表6碳排放量对比表各部分材料构造碳排放量类型(kgCO,e)砌体(m)钢筋量(t)C30混凝土量(m)外墙保温(t)内墙保温(t)A类构造155.23.6139.913.3015.8596261.9B类构造195.43.6443.911.2615.6696047C类构造136.53.6343.811.2615.6678572.1D类构造03.1989.011.260.3034237表7碳排放经济性对比表构造类型全寿命期成本（元）单位成本碳排放（kgCO2e/元）A类构造123458.920.78B类构造138719.900.69C类构造121251.840.65D类构造76494.710.45-50-Studyon Decision-1-making of Ultra-low Energy Consumption Buildingg Wall Structure Considering Carbon Emissions Analysis四、结语本研究以超低能耗项目墙体构造作为研究对象，对外保温构造和夹心保温构造作了进一步细化分析。在上述各类构造的传热系数均满足T/CECS739-2020标准要求的前提下，通过对其工程量、碳排放量及经济性的测算，得出如下结论：一是上述A、B、C、D 四种构造的碳排放总量排序中,D类构造的全寿命期碳排放水平最低（3 4 2 3 7 kg-CO,e）；A 类最高（9 6 2 6 1.9 kgCOze）。采用D类构造碳排放水平相当于A类构造碳排水平的3 5.6%，减排效果非常显著。在四种构造全寿命期单位成本碳排放排列中，A类构造最高（0.7 8 kgCOze/元）,D类构造最低（0.4 5 kgCO,e/元），D类构造相当于A类构造价格水平的5 7.7%，碳减排效益显著。二是在B、C、D 三种夹心保温构造中,D类构造全寿命期碳排放水平最低，B类最高（9 6 0 4 7 kgCO,e)。采用D类构造碳排放水平相当于B类构造碳排放水平的3 5.6%，相当于C类构造碳排放水平的4 3.6%，减排效果非常显著。在三种构造全寿命期单位成本碳排放排列中，B类构造最高（0.6 9 kgCO,e/元），D类构造最低（0.4 5 kgCOze/元）D类构造相当于B类构造价格水平的6 5.2%，碳减排效益显著。三是D类构造在满足结构安全的前提下，外墙采用7 0 mm钢筋混凝土+1 4 0 XPS+70mm钢筋混凝土，内隔墙采用7 0 mm钢筋混凝土+3 0 mmXPS+70mm钢筋混凝土构造，相对于传统墙体构造，可有效保护保温层免受侵蚀，提高了耐久性，减少了全寿命期中更新维护频率，碳排放水平最低，增量成本最少，碳减排效益最显著，适宜于超低能耗项目技术试点示范项目中推广。在双碳背景下，本研究开创性的将超低能耗项目的墙体构造作为研究对象，将外保温和夹心保温进一步细化分析，结合静态投资理论，进行碳排放及经济性研究，得出的三点结论，可进一步简化类似项目决策阶段和实施阶段的复杂程度，缩短项目整体工期，节约成本，提升减碳水平。本研究填补了超低能耗建筑项目，在建筑碳排放领域，特别是建筑构造决策阶段的研究空白，为进一步细化低能耗项目碳排放统计，提供了工作思路。本研究的不足之处是，尚未考虑折现率、辅助材料等对整体碳排放和经济性的影响，在今后的研究中将进一步展开探索。参考文献1战超,东北地区建筑外墙保温技术及节能材料应用研究 D.吉林大学,2 0 1 8.2金鑫，基于全生命周期理论的外墙外保温成本体系研究 D.大连理工大学,2 0 1 5.3张时聪，吕燕捷，徐伟，栋超低能耗建筑最佳案例控制指标和技术路径研究 J.建筑科学，2 0 2 0,3 6(0 6)：7-1 3.4高彩风，陈梦源，彭莉，潘玉亮，近零能耗公共建筑技术经济性分析 J.建筑科，2 0 2 1,3 7(1 0)：1 7 0-1 7 9.5中国建筑节能协会.中国建筑能耗研究报告（2 0 2 0)EB/OLjhttps:/wwW.cabee.0rg/site/content/24021.html.6高庆龙，杨柳，刘加平，等.居住建筑外墙传热系数优化研究 C.建筑环境与建筑节能研究进展一2 0 0 7 年全国建筑环境与建筑节能学术会议论文集，2 0 0 7.7-8建筑碳排放计算标准GB/T51366-2019S.2.9张德英，张丽霞.碳源排碳量估算办法研究进展.内蒙古林业科技，2 0 0 5(1):2 0-2 3.10政府间气候变化专门委员会(IPCC),2006年IPCC国家温室气体清单指南 M.东京：全球战略研究所，2 0 0 6:1-1 0.11刘竹，耿涌，薛冰，等城市能源消费碳排放核算方法 J.资源科学，2 0 1 1,3 3(7):1 3 2 5-1 3 3 0.12超低能耗农宅技术规程T/CECS739-2020S.8.13建筑碳排放计算标准GB/T51366-2019S.34-36.14建筑碳排放核算标准DB3502/Z5053-2019S.30-33.15民用建筑热工设计规范GB50176-2016S.77-83.51基于碳排放分析的超低能耗建筑墙体构造形式决策研究Abstract:The envelop of ultra low energy consumption buildings usually have high thermal insulation performance.There havebeen many studies on the heat transfer coefficient of different exterior wall structures,but few studies focus on the carbon emis-sion level and economy of different wall structures in the whole life under the same heat transfer coefficient.This paper analyzesseven common methods of wall external insulation and sandwich insulation structures commonly used in severe cold and cold re-gions,calculates the total carbon emissions in combination with the life-cycle theory,and obtains the wall structure with the low-est carbon emissions and the best economy in the life-cycle,which provides data reference for wall structure decision-making ofultra-low energy building projects,and provides support for the large-scale promotion of ultra-low energy buildings under ChinasDouble-Carbon Policy.Key word:Ultra-low Energy Building;Carbon Emissions;Life Cycle;Heat Transfer Coefficient;Wall StructureKey word:Ultra-low Energy Building;Carbon Emissions;Life Cycle;Heat Transfer Coefficient;Wall Structure