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建筑技術丨基于類型比較的嚴寒地區(qū)被動式木結構建筑碳排放分析

在環(huán)境和資源問題日益嚴重的當下，隨著世界第一座被動式建筑于1991年在德國達姆施塔特市建成，被動式建筑迅速被認為是未來建筑的一個重要的發(fā)展方向而在全球范圍內(nèi)成為研究、示范與實踐的熱點。據(jù)不完全統(tǒng)計，在多數(shù)地區(qū)建設量不大的木結構建筑卻在中小型被動式建筑的發(fā)布案例中超過50%，其原因一方面是膠合木等現(xiàn)代木構技術的發(fā)展，促使現(xiàn)代木結構建筑實踐呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，奠定了其作為主要建筑類型的未來發(fā)展前景；另一方面更是因木結構建筑具有作為被動式建筑的天然優(yōu)勢—建筑圍護結構具有更好的保溫及氣密性性能，且沒有冷（熱）橋等，由此可推斷，被動式木結構建筑更具有可觀的發(fā)展?jié)摿椭匾难芯績r值。

國外對于被動式建筑的研究起步較早，德國的Feist博士于1996年在達姆施塔特創(chuàng)建了被動房研究所（PHI），該研究所編制出版了PHPP（被動房設計手冊，Passive House Planning Package）；隨后Tommerup等人在英國、丹麥、奧地利等地進行了改造和模擬研究，其中大量被動建筑設計手段和建筑技術的研發(fā)均依托木結構建筑完成。目前，歐美多國紛紛制定被動式建筑規(guī)范和目標，進一步推廣和普及被動式建筑。我國對被動式建筑的探索主要是引進和吸收德國等領先國家的做法，在法規(guī)、評價標準等方面取得了一定的成就，對被動式木結構建筑的示范案例雖較多，但相關理論研究還很匱乏。

除節(jié)能指標外，碳排放指標是建筑對環(huán)境影響的又一關鍵因素。木材生長中的固碳能力突出，促成很多木建筑實現(xiàn)了負碳建筑，但若不考慮材料本身產(chǎn)生的固碳差異，被動式木結構建筑在碳排放方面會有何表現(xiàn)的問題，本研究以嚴寒地區(qū)被動式木結構建筑為研究對象，在同樣達到嚴寒地區(qū)節(jié)能標準的前提下，對典型被動式木結構建筑與其他類型建筑進行碳排放的計算與同比分析，旨在從全生命周期的視角揭示被動式木結構建筑的碳排放規(guī)律，為建筑設計實踐提供更科學的依據(jù)。基于當前嚴寒建筑中混凝土結構建筑的應用率最高，因此本文主要選取該類型建筑與木結構建筑進行全生命周期的碳排放數(shù)據(jù)比較。研究程序分為3個階段（圖1）。

圖1??研究的程序與方法對應框圖

1??典型被動式木結構及類比混凝土結構建筑模型的建立

“被動式建筑”（德語Passivhaus）是采用被動式設計與技術的節(jié)能建筑，被動式設計與技術主要體現(xiàn)在：圍護結構的保溫，圍護結構的氣密性，無熱橋的構造，門窗的保溫與氣密性，新風熱回收技術等方面。作為被動式建筑，木結構與混凝土結構的核心差異在于圍護體系，因此在本試驗模型建構中，平面、形態(tài)、新風熱回收等其他方面保持一致，均選用熱工性能良好的PVC包聚苯乙烯型材三玻兩空外窗，設定整窗的傳熱系數(shù)為0.7?W/（㎡·K），且統(tǒng)一考慮以電能作為補充能源供給。通過統(tǒng)計當前被動式木結構建筑案例，以面積300~400?㎡、2~3層規(guī)模的輕型木結構居住建筑最為常見，表明其被動技術應用相對最為成熟。由此，典型模型按此原則，同時針對嚴寒地區(qū)在進行構造設計時遵從《黑龍江省超低能耗建筑設計標準》（以下簡稱《標準》）中一次性能源需求小于120?kWh/（㎡·a）的規(guī)定，以及圍護結構的熱工參數(shù)要求，通過EnergyPlus軟件平臺建構，3層建筑面積共344.65?㎡，其形體關系如圖2所示。

圖2??建筑能耗模型（計算機截圖）

1.1??典型被動式木結構建筑模型的關鍵技術做法及指標驗證

基于《標準》對圍護結構的要求，結合被動式木結構建筑優(yōu)秀案例做法，重點設計外墻、屋頂、地面等關鍵部位的構造。

1.1.1??外墻

根據(jù)輕型木結構墻體的構造特點加大龍骨層厚度，選用巖棉保溫材料填充龍骨層空腔形成保溫層，其構造及參數(shù)見表1，經(jīng)計算，墻體傳熱系數(shù)K值為0.096W/（㎡·K），達到《標準》0.10?W/（㎡·K）的規(guī)定值。

表1??被動式木結構建筑模型外圍護墻體構造及參數(shù)

1.1.2??屋頂

屋頂主要設計了聚氨酯外保溫層和龍骨空腔巖棉保溫層相結合的保溫構造，其構造及參數(shù)見表2，經(jīng)計算，屋頂傳熱系數(shù)K值為0.097?W/（㎡·K），達到《標準》0.10?W/（㎡·K）的規(guī)定值。

表2??被動式木結構建筑模型屋面構造及參數(shù)

1.1.3??地面

結合基礎設置混凝土底板，為達到節(jié)能標準，在底板其上再設置聚氨酯保溫層。其構造及參數(shù)見表3，經(jīng)計算，地面熱阻值R為9.78?㎡·K/W，達到《標準》7.7?㎡·K/W的規(guī)定值。

表3??被動式木結構建筑模型地面構造及參數(shù)

模型建構完成后，通過EnergyPlus軟件模擬計算其單位面積一次能源需求為97.5?kWh/（㎡·a），滿足《標準》中小于120?kWh/（㎡·a）的規(guī)定。

1.2??類比被動式混凝土建筑模型的關鍵技術做法及指標驗證

按相同的原則和程序確定被動式混凝土建筑對比模型的圍護結構構造做法和各節(jié)點熱工參數(shù)。模型建構完成后，通過模擬計算其單位面積一次能源需求為97.7?kWh/（㎡·a），滿足120?kWh/（㎡·a）的要求，且與木結構建筑模型數(shù)據(jù)基本相同。

2??碳排放計算

本研究主要依據(jù)全生命周期碳排放理論并結合GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》進行計算。

建筑全生命周期碳排放計算是將建筑各階段產(chǎn)生的碳排放量分別進行計算并相加，得出建設全生命周期總碳排放量：

Ptot=Pmaun+Perect+Poccup+Pdemo （1）

式中：Ptot為建筑全生命周期碳排放總量（kgCO2）；Pmaun為建筑材料生產(chǎn)階段碳排放總量（kgCO2）；Perect為建筑在建造施工階段碳排放總量（kgCO2）；Poccup為建筑在使用維護階段碳排放總量（kgCO2）；Pdemo為建筑在拆除階段碳排放總量（kgCO2）。

根據(jù)階段的不同，建筑全生命周期通常被劃分為建材準備階段、施工階段、使用和維護階段及拆除階段。

2.1??準備階段和施工階段

建材準備階段和施工階段為建筑的物化階段，本研究將二者合并成一個階段考慮。

（1）建材準備階段的碳排放量可用以下公式計算：

Pmaun t=∑ni=1Pi×mi×（1–ai）（2）

式中：i為建材的種類數(shù)；Pi為生產(chǎn)單位建材的碳排放量（kgCO2/Unit）；mi為建材的使用量（t/m3）；ai為建材的回收系數(shù)。

經(jīng)計算得出典型被動式木結構建筑在建材準備階段的碳排放量為50?564.0343?kgCO2。其中，材料生產(chǎn)階段的碳排放量未減去木材本身的含碳量，即未考慮木材生長中的固碳量。被動式混凝土建筑在該階段的碳排放量為78?101.9523kgCO2。

（2）建造施工階段的建筑碳排放量一般是對建材運輸和建筑施工2個階段的碳排放量進行求和。

建材運輸階段的碳排放量的計算公式如下：

Perect.reans=∑ni=1Di×mi×Tc （3）

式中：Di為建筑材料i從供貨地到施工場地距離的均值（km）；Perect.reans為運輸單位建筑材料的碳排放量[kgCO2/（t·km）]。

建造施工階段的碳排放量計算可以根據(jù)經(jīng)驗公式確定：

Perect.pro=（X+1.99）×S （4）

式中：X為建筑物地上建筑層數(shù)；S為建筑面積。

根據(jù)上述方法進行計算，求得被動式木結構建筑在施工階段的碳排放量為3?752.4910?kgCO2，被動式混凝土建筑在該階段的碳排放量為4?611.0717kgCO2。對建材準備階段與建筑施工階段的碳排放求和，碳排放分別為54?316.5253?kgCO2和82?713.02392kgCO2。

2.2??使用階段和維護階段

建筑使用階段的碳排放包含兩部分，一部分為空調采暖設備制冷和供暖過程中的耗材耗能；另一部分為建筑使用時的耗能量如煤氣等用來滿足日常生活的照明、生活熱水、供電等的使用。其計算公式如下：

Poccup=（∑ni=1qi×ei）×y （5）

式中：qi為建筑物第i種能源的年耗量；ei為第i種能源的碳排放因子；y 為建筑的使用年限。

本研究為軟件模擬下的能耗計算，根據(jù)Design Builder軟件下的EnergyPlus能耗分析平臺所得出的相關能耗數(shù)據(jù)進行該階段的碳排放量統(tǒng)計。模擬求得被動式木結構建筑在建筑使用階段的碳排放為221?510.0815?kgCO2，被動式混凝土建筑在使用階段的碳排放為221?604.4581kgCO2。

建筑維護階段指建筑全生周期過程中由于建筑構件的更新所產(chǎn)生的碳排放，但其在全生命周期中所占比重較小，通常可忽略不計。

2.3??拆除階段

拆除階段的碳排放由建筑拆除時相應的機械設備、建筑垃圾運輸和處理及建筑廢料回收等3個方面組成。根據(jù)有關學者在這方面的研究，拆除階段碳排放約占新建階段的10%。

據(jù)此算得，被動式木結構建筑在拆除階段的碳排放為5?431.6525?kgCO2，被動式混凝土建筑在拆除階段的碳排放為8?271.3024kgCO2。

3??碳排放數(shù)據(jù)的對比分析

3.1??數(shù)據(jù)比較

對比被動式木結構和混凝土結構建筑全生命周期各階段的碳排放量（圖3），并根據(jù)本研究進一步計算的2種結構的全生命周期經(jīng)濟成本（圖4），可得出結論如下。

圖3??全生命周期2種建筑模型碳排放量分階段對比

圖4??全生命周期2種建筑模型成本分階段對比

（1）從總量看，不考慮材料固碳量，在本研究中，典型被動式木結構建筑的全生命周期碳排放低于同比被動式混凝土建筑11.1%。考慮建筑全生命周期的碳排放量基數(shù)非常大，這一差異對環(huán)境的碳排放影響非常可觀。

（2）從各階段分布看，被動式木結構建筑和混凝土結構建筑使用階段分別占總量的78.76%和77.18%，排放量占比極高且絕對值基本相同；準備與施工階段、拆除階段盡管占比很小，但卻是兩者碳排放差異的主要體現(xiàn)區(qū)間。

（3）綜合考慮經(jīng)濟成本因素，全生命周期木結構建筑單位成本約4?454.53元/㎡，混凝土建筑單位成本約4?672.23元/㎡，木結構建筑成本相對節(jié)約4%，表明被動式木結構建筑降低碳排放的性價比明顯更好。其中準備與施工階段建筑成本高于被動式混凝土建筑約10%，但碳排放卻可降低約35%；在使用階段碳排放二者區(qū)別不大，但相對節(jié)約成本15%；在建筑拆除和后續(xù)的回收利用中，被動式木結構建筑碳排放降低35%，成本節(jié)約80%。

3.2??成因分析

（1）在材料準備階段，碳排放差異相對最大由計算中碳排放因子的數(shù)值差異導致，其中木結構建筑中所采用的規(guī)格材和OSB等木質材料，其碳排放因子為30.3?kgCO2/m3和550?kgCO2/t，而混凝土為1?220?kgCO2/t。這是因為木材只需烘干、鋸切等工序，而混凝土中的主要材料水泥則有研磨、煅燒等碳排放量巨大的生產(chǎn)過程。

（2）在建筑施工階段，木建筑采用工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場組裝的裝配化建造方式，碳排放量的優(yōu)勢也非常明顯；運輸方面因木材密度遠小于混凝土，也有一定優(yōu)勢。

（3）在建筑成本方面，木結構建筑因裝配化優(yōu)勢建造成本相對占優(yōu)；因維修便利使用成本相對占優(yōu)；因拆除工藝簡單，材料二次利用率高，拆除成本也相對占優(yōu)。造成材料準備與施工階段成本更高的主要原因在于木材的材料成本更高，隨著國內(nèi)林業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和速生材膠合木等材料技術的進步，參照加拿大等林業(yè)發(fā)達地區(qū)的情況，建筑木材的價格劣勢將會得到改變。

3.3??應用啟示

（1）從全生命周期視角出發(fā)，即使不考慮材料自身的固碳性能，被動式木結構建筑也具有明顯的性價比，是建筑設計中優(yōu)先選擇的建筑類型。

（2）因使用階段的計算期限為50年，所以兩類建筑碳排放占比均接近80%，因此設計時需注重這部分的降碳設計，例如進一步提高圍護結構的保溫與隔熱性能、充分利用如太陽能等無需碳排放或碳排放量少的能源等。

（3）考慮到材料準備與施工階段的碳排放占比相對較少，以及當前木材的價格較高等因素，為降低一次性建筑投入，可靈活考慮采用混合材料結構，或用與木材具有同樣降碳優(yōu)勢的廉價木質或生物質材料替代建筑木材，例如在樓面、屋面、墻面等對材料結構性能要求較低的圍護部位選用人工林產(chǎn)品，甚至使用秸稈等生物質建材做主要材料。

4??結束語

本研究通過建立典型被動式木結構建筑和混凝土建筑碳排放計算模型，并對全生命周期建筑碳排放進行量化計算與分析，得到如下結論。

（1）即使不考慮木材成長過程中強大的固碳能力，典型被動式木結構建筑的全生命周期碳排放比被動式混凝土建筑低約11.1%；結合成本計算，其降低碳排放的性價比更具優(yōu)勢，設計中應優(yōu)先選擇。

（2）材料生產(chǎn)和裝配化建造是木結構建筑碳排放量低的主要原因。

（3）兩類建筑均為使用階段碳排放量占極大比例，故設計時應注重該階段的降碳處理。

（4）降低一次性建造投入的有效途徑是靈活采用混合材料結構，或用廉價木質及生物質建材替代建筑木材。

本研究還有很多局限，例如未進行多規(guī)模、多技術做法的比較，而不同技術做法中木材用量的差異很大、碳排放差異也會明顯，導致未能總結出更全面的被動式木結構建筑碳排放規(guī)律，需在今后研究中進一步深化和擴展。

（責任編輯：何雯麗）