住宅建筑的碳排放量分析与节能减排措施

第30卷增刊2010年9月

防灾减灾工程学报

Jo urnal o f Disaster Prevention and M itig ation Engineering

V ol. 30Suppl. Sep. 2010

住宅建筑的碳排放量分析与节能减排措施

蔡向荣, 王敏权, 傅柏权

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(1. 辽宁省建设科学研究院, 沈阳110005; 2. 沈阳建筑大学城市建设学院, 沈阳110167)

摘要:以低碳为特征的绿色建筑技术是解决我国资源和环境瓶颈以及应对气候变化的关键举措。本文以控制住宅建筑的碳排放量、发展低碳绿色建筑为目标, 从建材的生产、运输、建筑施工、正常使用、拆除以及拆除以后废弃物的处理等方面, 对住宅建筑的能源消耗、CO 2排放量及节能减排的措施和潜力进行了分析, 归纳了建筑能耗的类别并对其进行了分析。分析结果表明, 住宅建筑在使用阶段和建材生产阶段的能耗和碳排放量占建筑总能耗和总碳排放量的90%以上, 而且这2个阶段的能耗和碳排放量均具有较大的节能减排潜力; 其它3个阶段的能耗和碳排放量相对很小。

关键词:住宅建筑; 低碳; 能耗特征; 碳排放量; 减排措施

中图分类号:X 51　　文献标识码:A 　　文章编号:1672-2132(2010) 增刊-0428-04

明, 工业产品(如汽车) 要达到10%～20%的节能效

0　引言

哥本哈根会议使“低碳”再次成为全球瞩目的焦点, 标志着以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳时代的到来。低碳经济也成为应对全球气候变暖的全新经济模式。世界各国纷纷提出相应的减排目标, 各行各业也纷纷采取行动, 响应节能减排的号召。根据国际能源署一份关于不同经济部门CO 2排放的统计数据显示, 碳排放最高的前三名依次是公共电力和发热、制造业和建筑业、交通运输。其中, 建筑业的CO 2气体的排放量约占人类温室气体排放总量的30%～50%, 是低碳节能的关键领域之一。据统计, 在美国, 建筑消耗了全国70%的电能, 使用了全国40%以上的一次能源, 排放了全国40%～45%的温室气体; 英国2000年温室气体排放总量1. 5亿吨, 其中建筑排放占了7500万吨; 在中国, 建筑物总能耗占社会总能耗的25%～28%, CO 2排放量占社会总排放量的40%左右。日本建筑学会于1990年左右着手进行的关于建筑业中CO 2排放量的调查结果显示, CO 2的排放量与能源消费大体成正比。联合国环境规划署的研究报告也显示, 建筑部门消耗的能源占总能源消耗量的比例在30%～40%之间, 与相应碳排放量占总排放量的比例相当。此外, 已有研究表

果并非易事, 而建筑通过设计合理的围护结构等, 可以较容易的达到50%～60%的节能效果, 并且建筑

物的使用寿命远比其他工业产品长, 所以建筑节能减排对发展低碳经济、控制全球气候变暖具有更深远的意义。

1　建材能耗和碳排放量分析

水泥和钢材是人类工程建设的两大主要建筑材料, 在工程中具有用量大、使用方便、性能优良等特性, 至今尚无可以取代它们的更合适的建筑材料。然而, 除了煤电行业之外, 生产和使用过程中能耗最高、CO 2排放量最大的就是水泥行业和钢铁行业。2008年我国建材工业能源消耗总量21581万吨标准煤, 占全国能源消耗总量的7. 6%; 水泥工业能源消耗总量13933万吨标准煤, 占建材工业能源消耗总量64. 56%, 因此做好水泥工业节能对于控制建材工业的节能至关重要。此外, 我国水泥工业的CO 2排放总量虽然排在燃煤电厂电力工业之后, 但单位产值CO 2排放量却是龙头老大。据统计, 2005年世界CO 2排放量262亿吨, 我国CO 2排放量53亿吨, 居世界第二, 当时的国内生产总值为18. 23万亿元, 万元国内生产总值CO 2排放2. 9吨。2005年我国水泥产量

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收稿日期:2010-05-16; 修回日期:2010-06-13

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10. 64亿吨, 总产值2683. 8亿元, CO 2排放量5. 8亿吨, 占全国排放量的11%, 万元产值CO 2排放量21. 6吨, 相当于全国平均水平的7. 5倍。南工大沈晓东教授指出, 在碳排放中, 水泥加上钢铁的碳排放量要占到总数的30%以上, 而其中水泥的碳排放占到大头。因此, 从可持续发展的角度看, 我国水泥工业的现状既不符合企业和行业的近期利益, 也不符合国家和民族的长远利益, 早已成为建材领域节能减排的关键。低碳经济时代, 水泥工业应该为实现我国对世界节能减排、发展低碳经济的承诺作出应有的贡献。分析水泥工业高能耗、高碳排放量的原因, 主要有3个:一是生产技术落后; 二是水泥熟料煅烧主要是用煤作燃料; 三是用石灰石作原料。因此水泥工业降低能耗、减少CO 2排放的措施主要是开发应用水泥生产节能减排技术和替代原、燃料技术两个方面, 其节能减排潜力分析如下:

(1) 中国水泥工业目前的能源效率在30左右, 新型干法水泥的最好能效水平是55。如果全国都达到新型干法水泥的能效, 还有22的发展空间。因此通过改进工艺和设备、大力推广新型工艺, 水泥工业能效有提高20%～40%的潜力, 相应地, CO 2排放也可以减少20%～40%。

(2) 利用废弃物替代原料和燃料可以大幅度降低水泥工业的能耗和CO 2排放量。德国在水泥工业中利用废弃物替代原料和燃料的比率全国年平均可能达到50%。中国目前拥有各种适合于做水泥原料和混合材的工业废弃物大约有10亿吨, 而利用率仅25%左右, 如果将利用率提高一倍, 则水泥熟料还可以减少2. 5亿吨的产量, CO 2也可以减少差不多相同的数量。目前我国关于废弃物作为燃料在水泥工业中的利用仍是一个空白, 如果开发利用, 可取代约25%的燃料, 减少的CO 2排放大致相当于2亿吨。

是建材生产能耗的5%～10%。表1和表2分别给出了部分运输方式的单位能耗和CO 2排放量(文献[3]) [4]。从表中可以看出, 海洋管道运输节能减排效果最好, 其次是轮船运输。对于陆路运输, 短距离可以选择公路卡车运输, 但长距离则铁路火车运输较为节能。住宅建筑的施工过程能耗主要为施工现场搅拌混凝土、混凝土浇筑振捣、施工过程照明及施工临时设施用电等, 其大小主要由建筑材料的用量和种类、建筑结构形式、施工设备和施工方法等决定。表3给出了部分施工方法的单位能耗(文献[3]) 。

表1　部分运输方式的单位能耗运输方式

公路(距离小于等于50km )

公路(距离大于50km)

近海运输

深海运输铁路运输

注:引自文献[4]

单位能耗/(M J /t ・km )

8. 313. 101. 440. 663. 05

表2　部分运输方式的C O 2排放量燃料煤柴油柴油柴油天然气

注:引自文献[3]

运输方式火车火车轮船卡车管道

CO 2排放/(g ・GJ -1)

[***********]02656695

表3　部分施工方法的单位能耗施工方式现场搅拌混凝土预制混凝土开挖/移除土方平整土方起重机搬运施工场地照明

注:引自文献[3]

单位能耗158. 4M J/t 90M J /t 115. 2M J/m 37. 2M J /m 2

10. 8M J/t

93. 6M J /建筑使用面积m 2

2　建筑施工能耗和碳排放量分析

住宅建筑施工能耗包括把建筑材料的从产地运输到施工现场的建材运输能耗和建筑施工过程中的能耗。同样的, 施工阶段的CO 2排放量也由建材运输和建筑施工两部分组成。目前, 我国对施工阶段能耗的分析较少, 现有研究表明:建筑物施工阶段能耗可以占到建筑物全生命周期内能耗的23%[1], 在低能耗建筑中甚至高达40%～60%[2]。其中, 建材运输能耗的大小主要由建筑材料的种类和数量、生产地到, 此外, 根据文献[5]对不同结构形式的建材运输能耗和施工工程中的能耗分析, 底框砖混结构单位建筑面积的建材运输能耗为0. 18GJ/m , 砖混结构单位建筑面积的建材运输能耗为0. 21GJ/m , 框架

结构单位建筑面积的建材运输能耗为0. 12GJ /m 2。文献[5]中分析得到的上述3种结构形式的单位建筑面积的施工过程能耗, 分别为0. 05、0. 03、0. 05GJ/m 。根据不同能量单位之间的转换关系:1GJ=80. 65kWh , 以及每千瓦时用电大约排放CO 2, [6]

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段的单位面积碳排放量分别为18. 5、19. 3、13. 7kg/m 。从上述分析可以看出, 在施工阶段, 与砖混结构相比, 框架结构的单位建筑面积能耗和CO 2排放量可以减少30%左右, 因此, 住宅建筑中应优先选用钢筋混凝土框架结构, 以降低建筑施工能耗, 减少CO 2排放。

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越来越普遍, 广州、上海等地区空调已由每户一台向每室一台发展。目前, 夏热冬冷地区平均每户采暖空调用电负荷1～4kW, 年用电量500～4000kWh 。按此水平, 该地区住宅采暖空调用电负荷将达2亿kW , 年用电量2240亿kWh 。根据专家统计, 每节约1kWh 电, 就相应节约了0. 4kg 标准煤, 同时减少污染排放0. 272kg 碳粉尘、0. 997kg CO 2、0. 03kg SO 2、0. 015kg 氮氧化物。

在实施建筑节能标准之前建造的建筑, 冬季供暖平均热指标在30～50W /m 2, 为北欧相同气候条件下建筑供暖能耗的2～3倍。新建建筑通过改进建筑设计、加强围护结构保温和有效利用太阳能, 可使建筑供暖需热量降低至目前的1/2～1/3, 供暖标煤耗量可仅为6～7kg /m 2。目前北方城镇建筑近60%采用不同规模的集中供热系统供热, 由于调节不当, 部分建筑过热、开窗散热造成的热量浪费平均为供热量的30%以上。部分小型燃煤锅炉效率低下也是造成能耗过高的原因之一。通过更换供热方式、改善管网系统的调节、提高热源效率这三方面的改进, 现有建筑的供暖能耗也可以在目前水平上减少30%。

3　建筑使用能耗和碳排放量分析

由于建筑物使用寿命较长, 因此其正常使用过程中的能耗占建筑整个寿命周期中的总能耗的比例通常都是非常高的。有研究对住宅建筑50年寿命周

期费用的分析表明, 建筑使用过程中的能源消耗占到了总能源消耗的85%, 因此建筑使用能耗是建筑节能中非常重要的一个环节。

当前, 我国住宅建筑能耗的主体包括采暖、空调、通风、照明、热水、家电等, 这些能耗的总和占到了一次能源消费总量的30%左右, 居耗能首位。不仅如此, 据不完全统计, 建筑物的碳排放已经成为了城市碳排放的“大户”, 占到了城市碳排放总量的60%左右。随着我国城镇化的加速发展, 房屋建造进入了高峰时期, 预计在2020年前, 我国每年城镇新建建筑的总量将持续保持在10亿m 左右, 到2020年新增城镇民用建筑面积将为100亿～150亿m 2。但令人忧虑的是, 新竣工建筑中, 节能建筑面积不足5%。若从我国城乡现有总建筑面积约400亿m 来看, 其中只有3. 2亿m 房屋是节能建筑, 即不到1%, 99%是高耗能、高碳排放量建筑。此外, 由于人民生活水平提高, 供暖需求线不断南移, 新建建筑中将有70亿m 以上需要供暖, 按照目前建筑能耗水平, 则需要增加的用于供暖的能量按标准煤计算高达1. 4亿吨, 需增加的用电量达4000亿～4500亿kWh , 这将给我国能源供应造成巨大压力。

分析我国城镇住宅建筑能耗的特点, 主要有以下几个方面:¹北方地区采暖能耗量大, 且集中供暖面积大, 采暖期长, 一天24h 持续供暖, 存在很大浪费; 并且居民集中供暖不能进行热计量, 也无法进行调节控制; 加上大量使用运行效率很低的小锅炉, 因此北方地区采暖用能存在着大量浪费。º除供暖外的我国城镇住宅能耗(照明、炊事、生活热水、家电、空调) , 折合用电量为年均10～30kWh/m , 目前城镇住宅总面积接近100亿m 2, 约占民用建筑总能耗的18%～20%。»随着生活水平的提高, 南方地区住2

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4　建筑拆除能耗和碳排放量分析

建筑拆除能耗主要与参与拆除作业的机器设

备、施工工艺和拆除数量有关。根据文献[7], 拆除阶段的能耗通常可以按施工过程能耗的90%计算, 相应的碳排放量则与该阶段的能耗和单位能耗的碳排放量有关。文献[8]对4栋建筑物的拆除能耗和碳排放量计算分析表明, 单层砖混结构的能耗比多层砖混结构的能耗大, 高层混凝土结构的能耗比多层混凝土结构的能耗大, 多层砖混结构的能耗比多层混凝土结构的能耗大。由此可见, 不论是建筑施工能耗, 还是建筑拆除能耗, 混凝土结构都更节能, 相应的CO 2排放量也较小。根据文献[8]的分析, 在各种条件相近的情况下, 多层砖混结构和钢混结构的建筑拆除能耗都是107. 7kWh /m 2, 相应的CO 2排放量分别为105kg /m 2和103kg /m 2。

此外, 除了建筑拆除耗能外, 不到使用年限的建筑物的提早拆除还引起资源的巨大浪费。目前我国不少拆除住宅的使用年限只有30年左右, 而欧洲建筑寿命平均要在80多年, 其中法国建筑平均寿命达到102年。因此, 我国在设法降低拆除能耗的同时, 还应该避免建筑物的“大拆大建”, 延长建筑物的使,

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5　拆除后废弃物的处理能耗和碳排放

分析

　　建筑拆除以后的废弃物, 根据其种类和是否具有回收性等采用不同的处理方法。具有回收性的废旧建材包括玻璃、木材、钢筋和铝材等, 一般由建筑公司、爆破拆除公司以及专门的废旧物回收部门在现场进行回收利用, 或是运输到加工场所加工处理后再利用; 不可回收的废旧建材包括砖块、混凝土块等, 部分可以用作路基填料或低洼地区的填充料, 其余大部分则作为建筑垃圾运往处置地点进行消纳处理。因此, 建筑废弃物的处理能耗主要是指废旧建材从建筑地点运往处置地点的运输能耗和二次加工的能耗。由于经过加工的废旧建材可以再次被利用, 重新回到新建筑物的生命周期, 因此, 对于二次加工的能耗目前一般不计入废弃物处理能耗中。所以建筑拆除以后废弃物的处理能耗和碳排放主要是指其运输的能耗和相应的碳排放, 根据文献[8]的分析, 在各种条件相近的情况下, 多层砖混结构和钢混结构的废旧建材处理能耗分别是25. 7kWh/m 2和24. 7kWh/m , 相应的CO 2排放量分别为21. 6kg/m 和20. 9kg /m 。

综上所述, 住宅建筑能耗分为建材能耗、施工能耗、使用能耗、拆除能耗和废旧建材处理能耗5个部分, 要想使建筑物的生命周期能耗达到最低, 从总体上来说, 就是使建筑生命周期各阶段的能耗最低。已有研究表明, 不管是哪种结构的住宅建筑, 在建筑物的整个生命周期中, 建筑使用能耗所占的比例最大, 其次是建材生产能耗, 两者占了建筑总能耗的90%以上, 而其它3项能耗所占比例都很小。所以建筑物是否低碳节能, 最主要的就是看其使用阶段的能耗和建材生产阶段的能耗是否过高, 只有把这2个最重要的阶段处理好, 建筑物的整个生命周期能耗才会得到下降, 才能达到节能减排的效果。

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碳排放量进行了归纳分析, 分析结果表明, 住宅建筑能耗分为建材能耗、施工能耗、使用能耗、拆除能耗和废旧建材处理能耗5个部分。建材能耗中的水泥工业和钢铁工业能耗所占比例较大, 而且具有较大的节能减排空间。建筑使用能耗是住宅建筑能耗中所占比例最大的, 高达80%以上。通过改进建筑设计、加强围护结构保温和有效利用太阳能等, 建筑使用能耗和相应碳排放量可以大幅降低。建材能耗和使用能耗占了建筑总能耗的90%以上, 而其它3项能耗所占比例都很小。分析成果为进一步深入分析建筑能耗, 预测中国城镇建筑能耗发展的趋势, 探究中国建筑节能潜力, 研究制定有效的低碳绿色建筑评价体系, 促进我国经济健康、持续的发展, 提供了必要的研究基础。

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6　结论

本文对住宅建筑生命周期的各个阶段的能耗和