住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放灰色分析

王立平+龔光彩

摘 要：建筑生命周期內(nèi)，尤其是建材準備階段的能耗和碳排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對較少，缺乏精度高且可操作性強的模型.將非等間距灰色系統(tǒng)預測模型應用于合肥地區(qū)住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放的分析預測，獲得住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放的預測公式，經(jīng)后驗差檢驗顯示預測結果具有足夠的精度水平.在此基礎上，提出以標準煤作為參考指標的單位碳排放條件下能源利用能力的評價指標.通過對比發(fā)現(xiàn)，建材準備階段單位碳排放條件下的能源利用能力具有較大的提升空間.

關鍵詞：能源消耗；建材準備階段；住宅建筑；非等間距灰色模型；碳排放

中圖分類號：TU111，TK123文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）05-0151-06

Abstract：The statistics of energy consumption and carbon emission of building during the whole life have the characteristics of poverty and great fluctuation in China， especially during the preparing stage of building materials. Further， analysis models to predict the energy consumption and carbon emission with high-accuracy and operability have not yet been developed. In the present study， the unequal interval grey model was introduced for the analysis and prediction of the energy consumption and carbon emission of the residential building materials at preparation stage in Hefei City. The test results with sufficient accuracy were obtained according to the posterior-variance-test. An evaluation index selecting the standard coal as the reference was proposed on the basis of the proposed model to express the energy utilization ability under unit carbon emission. The prediction results show that the energy utilization ability of building materials at preparation stage is still much lower， which can be improved considerably by comparing with the reference index. The proposed method can be employed to evaluate the energy utilization carbon emission in other building form as well as the unfinished deserted building and vacant house.

Key words：energy consumption； building materials preparation stage； residential building； unequal interval grey model； carbon emission

住宅建筑是建筑業(yè)的主要組成部分，通過歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，無論是開工面積、施工面積還是竣工面積均占當年房地產(chǎn)開發(fā)比例的70%以上，個別年份甚至達到80%.我國的建筑能耗約占全社會總能耗的30%，而如果考慮建材生產(chǎn)過程中的能耗，這一比例將增加到46.7%[1].隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平的提高，住宅建筑能源消耗也逐漸呈現(xiàn)上升趨勢，污染物排放也相應的增長.

目前，針對建筑產(chǎn)品和建設活動的能源利用和環(huán)境影響分析主要集中在應用LCA理論從宏觀和微觀兩個角度對建筑生命周期內(nèi)的環(huán)境影響進行研究，宏觀方面通過對建筑系統(tǒng)的生命周期能耗進行研究，得出建筑生命周期能源利用和環(huán)境影響總量，并考察能源消耗和環(huán)境影響在各階段間的關系；微觀層面通過對典型建筑的分析，獲得單位建筑面積建筑在其生命周期的能源利用和環(huán)境影響及在建筑生命周期各階段的分布狀況[2-4].

根據(jù)生命周期理論，建筑生命周期劃分為建材準備階段、運輸和施工階段、運行（維護）階段、拆除階段和廢棄物處理階段[5].建材準備階段是指從原材料開采、運輸、加工直至最終形成建材產(chǎn)品的整個過程.文獻[3]中指出住宅建筑建造能耗與50 a運行及供暖能耗之比為1∶2∶4，其中運輸能耗僅占3%～5%.文獻[4]中得出馬鞍山市某12層住宅30 a生命期中運行階段與建造階段碳排放的所占比例分別為72.26%和20.77%.以上皆為從總量的角度分析，若考慮到時間因素，則建材準備階段的能耗和碳排放的強度遠遠高于其他階段.但建材準備階段由于種類多、數(shù)量大、涉及范圍廣等因素，導致統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對較少，數(shù)據(jù)差異較大，缺乏具有高精度和可操作性的模型.

灰色系統(tǒng)理論是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息、不確定性問題的新方法.其主要研究內(nèi)容是在少數(shù)據(jù)和不確定性背景下的數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象分析、數(shù)學模型建立、發(fā)展趨勢預測、事物決策、系統(tǒng)控制與狀態(tài)評估等.馬卓越[6]建立了公共建筑能耗的正負殘差非等間隔殘差預測模型，進行了短期能耗預測，其結果符合能耗增長的趨勢；曾荻[7]應用灰色系統(tǒng)理論和灰色關聯(lián)度分析方法確定了民用建筑運行能耗與各影響因素間的關聯(lián)度，證明民用建筑運行能耗與指標體系中的各宏觀影響因素間均具有比較高的關聯(lián)度；郭俊杰[8]利用灰色系統(tǒng)理論建立了空氣源熱泵熱水裝置的家庭熱水消耗和能耗模型，預測和實測對比表明，模型預測精度良好；Y Bai[9]等將灰色預測模型與神經(jīng)網(wǎng)絡方法相結合，大幅度提高了對建筑能耗的預測精度.

本文應用非等間距灰色GM（1，1）模型對合肥地區(qū)不同區(qū)域內(nèi)近年建設的住宅建筑在建材準備階段的能源消耗和碳排放進行分析，提出建立基于建筑面積和層數(shù)的預測模型，并從單位碳排放的角度對建材準備階段的能源利用能力進行評估.結果表明灰色模型在建材準備階段能耗和碳排放預測中能達到較高的精度，具有一定的科學性和參考價值.

1 灰色系統(tǒng)理論簡介

任何建設項目所需要的人工、材料、機械等的消耗量都可以根據(jù)國家頒布的定額標準來計算.建筑工程定額是指在正常的施工條件下，完成一定計量單位的合格產(chǎn)品所必須消耗的勞動力、材料、機械臺、班的數(shù)量標準.這種量的規(guī)定，反映出建筑工程中的某項合格產(chǎn)品與各種消耗之間特定的數(shù)量關系.因此，以建筑工程定額作為建筑建設階段的建材、能源、人力消耗的統(tǒng)計依據(jù)，方法科學、標準統(tǒng)一、具有普適性.通過工程定額確定工程項目在建材準備階段所消耗的主要建材種類和數(shù)量，進而獲得該建筑在建材準備階段的物化能耗和碳排放數(shù)據(jù)，即為該系統(tǒng)的觀測系列.該數(shù)據(jù)序列會受到多種因素的影響，如設計師設計經(jīng)驗、設計思想、甲方經(jīng)營理念、營銷模式等多種因素影響，具有明顯的灰色系統(tǒng)的顯著特征.應用灰色預測理論淡化或消除沖擊擾動對該數(shù)據(jù)序列的影響，獲得住宅建筑建材階段能耗和碳排放的真實行為序列.

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

建材準備階段的能源消耗和污染排放主要來自于原材料的開采、運輸和加工過程中的能源消耗和污染排放.由于涉及建材種類眾多、數(shù)量不一，環(huán)境影響種類眾多、影響過程復雜、權重確定等方面因素，本文暫以能耗和CO2排放作為評價依據(jù).

2.1 能耗和碳排放的統(tǒng)計

在建筑產(chǎn)品施工過程中，使用的建材種類繁多，數(shù)量不一.因此，統(tǒng)計所有建材的數(shù)據(jù)是不切實際的.以往研究中也僅關注主要建筑材料.但是，對于單位能耗量較高或可能產(chǎn)生重大環(huán)境影響的小部分建材，忽略不統(tǒng)計會導致結果錯誤.經(jīng)過對多分樣本的材料消耗統(tǒng)計進行分析，最終確定進入建材準備階段能耗和碳排放分析范圍的建筑材料，并對其單位含能和碳排放進行逐項統(tǒng)計.所謂含能是指單位產(chǎn)品從自然界原始材料的掘取經(jīng)過運輸、加工、組裝直至成品出廠前的所有相關過程的能耗總和.要得到建筑材料和燃料、動力的含能和CO2排放量數(shù)據(jù)，需要大量的調(diào)研工作.本文的數(shù)據(jù)主要來源于文獻[11-15]，如表2所示.

2.2 能碳比（QCR）

隨著建筑等級和規(guī)模的提高，能量消耗必然逐漸增加，隨之而來的各種環(huán)境問題也在逐漸增加.在有效利用各種形式能量的同時，如何降低對環(huán)境的影響是我們所需要關注的.基于此，若以碳排放作為環(huán)境影響的一個參考指標，則可以利用能碳比（energy-carbon ratio，QCR）來對建筑或建設活動中能源消耗（Q）與碳排放（C）之間關系進行評價.所謂能碳比（QCR）是指在建設活動或建筑生命周期內(nèi)消耗總能量（Q）與碳排放量（C）之比，即

其單位為MJ/kgCO2.意為單位碳排放的情況下利用能量的能力.該數(shù)值越大，說明在能源利用過程中產(chǎn)生的負面環(huán)境影響（以碳排放計）越小或單位碳排放條件下的能量利用能力越高.

2.3 參考指標

單純的能碳比（QCR）數(shù)值無法評價其實際意義.為便于分析比較，可選擇一有代表性的指標作為參考標準（以下標0表示），其他過程的QCR與該指標相比獲得無量綱的參數(shù)即相對能碳比（relatively energy-carbon ratio，RQCR）.

建筑材料的生產(chǎn)、運輸和施工過程涉及到冶金、化工、交通、機械等社會各個行業(yè)，建設活動的能源消耗和環(huán)境影響能夠從總體上反映社會各行業(yè)的總體狀況.因此，參考指標的選取需要具有普遍意義.煤炭在中國一次能源生產(chǎn)中的比例接近 77%，在一次能源消費中的比例為70%左右，發(fā)電消耗原煤占國內(nèi)煤炭消費總量的 50%左右[16]，同時煤炭作為一種礦產(chǎn)資源在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色.以標準煤作為參考指標既具有普遍意義，又便于擴展及在工程中進行應用.根據(jù)文獻[17]標準煤的碳排放為2.54 t CO2/tce，計算得到QCR的參考指標為11.54 MJ/kgCO2.RQCR大于1則顯示該過程單位碳排放條件下能源利用能力相對較高，反之則代表該過程能源利用能力仍有一定的提升空間.

3 實例分析

以合肥地區(qū)不同區(qū)域的15棟住宅建筑為例，建筑面積從5 000～18 900 m2不等，總建筑面積約21萬m2，項目建設時間在2009-2014年.對樣本建筑進行觀察發(fā)現(xiàn)，近年來新建住宅建筑多為高層建筑，超高層建筑和多層建筑所占比例相對較低.因此，在選擇計算建筑時以高層建筑為主.通過對前述灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型分析，x0k1的數(shù)值對于預測結果有一定影響.因此，在多層建筑中選擇相對有代表性并且數(shù)據(jù)齊全的一棟4層住宅.

通過對樣本建筑預（決）算中所消耗的前述建材進行統(tǒng)計，得到各個建筑土建部分主要建材的能源消耗和碳排放情況見表3.表3中x為建筑層數(shù)，部分建筑層數(shù)相同，結果取其平均值.

建材準備階段的能耗與建筑功能、建筑規(guī)模、建筑結構等因素有直接關系，建筑面積越大則建材使用種類和數(shù)量越多；建筑層數(shù)則決定了建材的規(guī)格和數(shù)量.應用前述非等間距GM（1，1）模型并借鑒文獻[20]中的預測公式構成模式，以合肥地區(qū)上述建筑能耗和碳排放數(shù)據(jù)重新進行分析，根據(jù)式（1）～（6），可以計算得到單位面積能耗和碳排放的預測公式分別為：

應用式（7）～（10），對上述計算結果進行評估，其結果見表4.從評估結果可以看出，兩個預測值的均方差比值均處于第一等級，而小概率誤差均為第二等級，都滿足精度要求.預測結果見圖1和圖2.

由圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，住宅建筑建材準備階段單位面積無論是能耗還是碳排放都隨著建筑的層數(shù)增加而逐漸增加，但增速逐漸降低，建筑層數(shù)達到30以上時，曲線逐漸趨于平緩.根據(jù)式（10）～（11）和預測結果式（12），式（13），得到合肥地區(qū)住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放的關系為：

根據(jù)圖3和圖4，合肥地區(qū)住宅建筑建材準備階段的能碳比（QCR）的大小在9～12之間，即每利用9～11 MJ能量需要向環(huán)境排放1 kgCO2，相對能碳比（RQCR）的預測值約為0.82～0.84，也即建材準備階段的能碳比僅為標準煤燃燒能碳比的82%～84%，單位碳排放條件下的能源利用能力偏低，究其原因是混凝土、金屬型材等主要建筑材料的能碳比較低所導致.

4 總 結

應用非等間距灰色GM（1，1）模型對合肥地區(qū)不同區(qū)域14棟2009-2014年間建設的住宅建筑建材準備階段的能耗和碳排放進行分析，得到該地區(qū)以4層為起點的住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放的預測方法，通過后驗差檢驗顯示其具備足夠的精度水平.樣本建筑單位碳排放條件下能源利用能力偏低，具有較大的提升空間.該方法可應用于爛尾樓和空置房的研究，同時對于其它類型建筑的能源利用和環(huán)境影響的研究有一定參考價值.

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