基于类型比较的严寒地区被动式木结构建筑碳排放分析

在环境和资源问题日益严重的当下，随着世界第一座被动式建筑于1991年在德国达姆施塔特市建成，被动式建筑迅速被认为是未来建筑的一个重要的发展方向而在全球范围内成为研究、示范与实践的热点。据不完全统计，在多数地区建设量不大的木结构建筑却在中小型被动式建筑的发布案例中超过50%，其原因一方面是胶合木等现代木构技术的发展，促使现代木结构建筑实践呈现爆发式增长，奠定了其作为主要建筑类型的未来发展前景；另一方面更是因木结构建筑具有作为被动式建筑的天然优势—建筑围护结构具有更好的保温及气密性性能，且没有冷（热）桥等，由此可推断，被动式木结构建筑更具有可观的发展潜力和重要的研究价值。国外对于被动式建筑的研究起步较早，德国的Feist博士于1996年在达姆施塔特创建了被动房研究所（PHI），该研究所编制出版了PHPP（被动房设计手册，PassiveHousePlanningPackage）；随后Tommerup等人在英国、丹麦、奥地利等地进行了改造和模拟研究，其中大量被动建筑设计手段和建筑技术的研发均依托木结构建筑完成。目前，欧美多国纷纷制定被动式建筑规范和目标，进一步推广和普及被动式建筑。我国对被动式建筑的探索主要是引进和吸收德国等领先国家的做法，在法规、评价标准等方面取得了一定的成就，对被动式木结构建筑的示范案例虽较多，但相关理论研究还很匮乏。除节能指标外，碳排放指标是建筑对环境影响的又一关键因素。木材生长中的固碳能力突出，促成很多木建筑实现了负碳建筑，但若不考虑材料本身产生的固碳差异，被动式木结构建筑在碳排放方面会有何表现的问题，本研究以严寒地区被动式木结构建筑为研究对象，在同样达到严寒地区节能标准的前提下，对典型被动式木结构建筑与其他类型建筑进行碳排放的计算与同比分析，旨在从全生命周期的视角揭示被动式木结构建筑的碳排放规律，为建筑设计实践提供更科学的依据。基于当前严寒建筑中混凝土结构建筑的应用率最高，因此本文主要选取该类型建筑与木结构建筑进行全生命周期的碳排放数据比较。研究程序分为3个阶段（图1）。图1研究的程序与方法对应框图1、典型被动式木结构及类比混凝土结构建筑模型的建立“被动式建筑”（德语Passivhaus）是采用被动式设计与技术的节能建筑，被动式设计与技术主要体现在：围护结构的保温，围护结构的气密性，无热桥的构造，门窗的保温与气密性，新风热回收技术等方面。作为被动式建筑，木结构与混凝土结构的核心差异在于围护体系，因此在本试验模型建构中，平面、形态、新风热回收等其他方面保持一致，均选用热工性能良好的PVC包聚苯乙烯型材三玻两空外窗，设定整窗的传热系数为0.7 W/（㎡·K），且统一考虑以电能作为补充能源供给。通过统计当前被动式木结构建筑案例，以面积300~400 ㎡、2~3层规模的轻型木结构居住建筑最为常见，表明其被动技术应用相对最为成熟。由此，典型模型按此原则，同时针对严寒地区在进行构造设计时遵从《黑龙江省超低能耗建筑设计标准》（以下简称《标准》）中一次性能源需求小于120 kWh/（㎡·a）的规定，以及围护结构的热工参数要求，通过EnergyPlus软件平台建构，3层建筑面积共344.65 ㎡，其形体关系如图2所示。图2建筑能耗模型（计算机截图）1.1典型被动式木结构建筑模型的关键技术做法及指标验证基于《标准》对围护结构的要求，结合被动式木结构建筑优秀案例做法，重点设计外墙、屋顶、地面等关键部位的构造。1.1.1外墙根据轻型木结构墙体的构造特点加大龙骨层厚度，选用岩棉保温材料填充龙骨层空腔形成保温层，其构造及参数见表1，经计算，墙体传热系数K值为0.096W/（㎡·K），达到《标准》0.10 W/（㎡·K）的规定值。表1被动式木结构建筑模型外围护墙体构造及参数1.1.2屋顶屋顶主要设计了聚氨酯外保温层和龙骨空腔岩棉保温层相结合的保温构造，其构造及参数见表2，经计算，屋顶传热系数K值为0.097 W/（㎡·K），达到《标准》0.10 W/（㎡·K）的规定值。表2被动式木结构建筑模型屋面构造及参数1.1.3地面结合基础设置混凝土底板，为达到节能标准，在底板其上再设置聚氨酯保温层。其构造及参数见表3，经计算，地面热阻值R为9.78 ㎡·K/W，达到《标准》7.7 ㎡·K/W的规定值。表3被动式木结构建筑模型地面构造及参数模型建构完成后，通过EnergyPlus软件模拟计算其单位面积一次能源需求为97.5 kWh/（㎡·a），满足《标准》中小于120 kWh/（㎡·a）的规定。1.2类比被动式混凝土建筑模型的关键技术做法及指标验证按相同的原则和程序确定被动式混凝土建筑对比模型的围护结构构造做法和各节点热工参数。模型建构完成后，通过模拟计算其单位面积一次能源需求为97.7 kWh/（㎡·a），满足120 kWh/（㎡·a）的要求，且与木结构建筑模型数据基本相同。2、碳排放计算本研究主要依据全生命周期碳排放理论并结合GB/T51366—2019《建筑碳排放计算标准》进行计算。建筑全生命周期碳排放计算是将建筑各阶段产生的碳排放量分别进行计算并相加，得出建设全生命周期总碳排放量：Ptot=Pmaun+Perect+Poccup+Pdemo

（1）式中：Ptot为建筑全生命周期碳排放总量（kgCO2）；Pmaun为建筑材料生产阶段碳排放总量（kgCO2）；Perect为建筑在建造施工阶段碳排放总量（kgCO2）；Poccup为建筑在使用维护阶段碳排放总量（kgCO2）；Pdemo为建筑在拆除阶段碳排放总量（kgCO2）。根据阶段的不同，建筑全生命周期通常被划分为建材准备阶段、施工阶段、使用和维护阶段及拆除阶段。2.1准备阶段和施工阶段建材准备阶段和施工阶段为建筑的物化阶段，本研究将二者合并成一个阶段考虑。（1）建材准备阶段的碳排放量可用以下公式计算：Pmaunt=∑ni=1Pi×mi×（1–ai）

（2）式中：i为建材的种类数；Pi为生产单位建材的碳排放量（kgCO2/Unit）；mi为建材的使用量（t/m³）；ai为建材的回收系数。经计算得出典型被动式木结构建筑在建材准备阶段的碳排放量为50 564.0343 kgCO2。其中，材料生产阶段的碳排放量未减去木材本身的含碳量，即未考虑木材生长中的固碳量。被动式混凝土建筑在该阶段的碳排放量为78 101.9523kgCO2。（2）建造施工阶段的建筑碳排放量一般是对建材运输和建筑施工2个阶段的碳排放量进行求和。建材运输阶段的碳排放量的计算公式如下：Perect.reans=∑ni=1Di×mi×Tc

（3）式中：Di为建筑材料i从供货地到施工场地距离的均值（km）；Perect.reans为运输单位建筑材料的碳排放量[kgCO2/（t·km）]。建造施工阶段的碳排放量计算可以根据经验公式确定：P=（X+1.99）×S

（4）式中：X为建筑物地上建筑层数；S为建筑面积。根据上述方法进行计算，求得被动式木结构建筑在施工阶段的碳排放量为3 752.4910 kgCO2，被动式混凝土建筑在该阶段的碳排放量为4 611.0717kgCO2。对建材准备阶段与建筑施工阶段的碳排放求和，碳排放分别为54 316.5253 kgCO2和82 713.02392kgCO2。2.2使用阶段和维护阶段建筑使用阶段的碳排放包含两部分，一部分为空调采暖设备制冷和供暖过程中的耗材耗能；另一部分为建筑使用时的耗能量如煤气等用来满足日常生活的照明、生活热水、供电等的使用。其计算公式如下：Poccup=（∑ni=1qi×ei）×y

（5）式中：qi为建筑物第i种能源的年耗量；ei为第i种能源的碳排放因子；y

为建筑的使用年限。本研究为软件模拟下的能耗计算，根据DesignBuilder软件下的EnergyPlus能耗分析平台所得出的相关能耗数据进行该阶段的碳排放量统计。模拟求得被动式木结构建筑在建筑使用阶段的碳排放为221 510.0815 kgCO2，被动式混凝土建筑在使用阶段的碳排放为221 604.4581kgCO2。建筑维护阶段指建筑全生周期过程中由于建筑构件的更新所产生的碳排放，但其在全生命周期中所占比重较小，通常可忽略不计。2.3拆除阶段拆除阶段的碳排放由建筑拆除时相应的机械设备、建筑垃圾运输和处理及建筑废料回收等3个方面组成。根据有关学者在这方面的研究，拆除阶段碳排放约占新建阶段的10%。据此算得，被动式木结构建筑在拆除阶段的碳排放为5 431.6525 kgCO2，被动式混凝土建筑在拆除阶段的碳排放为8 271.3024kgCO2。3、碳排放数据的对比分析3.1数据比较对比被动式木结构和混凝土结构建筑全生命周期各阶段的碳排放量（图3），并根据本研究进一步计算的2种结构的全生命周期经济成本（图4），可得出结论如下。图3全生命周期2种建筑模型碳排放量分阶段对比图4全生命周期2种建筑模型成本分阶段对比（1）从总量看，不考虑材料固碳量，在本研究中，典型被动式木结构建筑的全生命周期碳排放低于同比被动式混凝土建筑11.1%。考虑建筑全生命周期的碳排放量基数非常大，这一差异对环境的碳排放影响非常可观。（2）从各阶段分布看，被动式木结构建筑和混凝土结构建筑使用阶段分别占总量的78.76%和77.18%，排放量占比极高且绝对值基本相同；准备与施工阶段、拆除阶段尽管占比很小，但却是两者碳排放差异的主要体现区间。（3）综合考虑经济成本因素，全生命周期木结构建筑单位成本约4 454.53元/㎡，混凝土建筑单位成本约4 672.23元/㎡，木结构建筑成本相对节约4%，表明被动式木结构建筑降低碳排放的性价比明显更好。其中准备与施工阶段建筑成本高于被动式混凝土建筑约10%，但碳排放却可降低约35%；在使用阶段碳排放二者区别不大，但相对节约成本15%；在建筑拆除和后续的回收利用中，被动式木结构建筑碳排放降低35%，成本节约80%。3.2成因分析（1）在材料准备阶段，碳排放差异相对最大由计算中碳排放因子的数值差异导致，其中木结构建筑中所采用的规格材和OSB等木质材料，其碳排放因子为30.3 kgCO2/m³和550 kgCO2/t，而混凝土为1 220 kgCO2/t。这是因为木材只需烘干、锯切等工序，而混凝土中的主要材料水泥则有研磨、煅烧等碳排放量巨大的生产过程。（2）在建筑施工阶段，木建筑采用工厂化生产、现场组装的装配化建造方式，碳排放量的优势也非常明显；运输方面因木材密度远小于混凝土，也有一定优势。（3）在建筑成本方面，木结构建筑因装配化优势建造成本相对占优；因维修便利使用成本相对占优；因拆除工艺简单，材料二次利用率高，拆除成本也相对占优。造成材料准备与施工阶段成本更高的主要原因在于木材的材料成本更高，随着国内林业产业的不断发展和速生材胶合木等材料技术的进步，参照加拿大等林业发达地区的情况，建筑木材的价格劣势将会得到改变。3.3应用启示（1）从全生命周期视角出发，即使不考虑材料自身的固碳性能，被动式木结构建筑也具有明显的性价比，是建筑设计中优先选择的建筑类型。（2）因使用阶段的计算期限为50年，所以两类建筑碳排放占比均接近80%，因此设计时需注重这部分的降碳设计，例如进一步提高围护结构的保温与隔热性能、充分利用如太阳能等无需碳排放或碳排放量少的能源等。（3）考虑到材料准备与施工阶段的碳排放占比相对较少，以及当前木材的价格较高等因素，为降低一次性建筑投入，可灵活考虑采用混合材料结构，或用与木材具有同样降碳优势的廉价木质或生物质材料替代建筑木材，例如在楼面、屋面、墙面等对材料结构性能要求较低的围护部位选用人工林产品，甚至使用秸秆等生物质建材做主要材料。4、结束语本研究通过建立典型被动式木结构建筑和混凝土建筑碳排放计算模型，并对全生命周期建筑碳排放进行量化计算与分析，得到如下结论。（1）即使不考虑木材成长过程中强大的固碳能力，典型被动式木结构建筑的全生命周期碳排放比被动