崔松旭，高云甫，楊 徽，龔志起,2*

(1.青海大學土木工程學院，青海 西寧 810016； 2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016)

根據(jù)《中國建筑能耗研究報告》可知，2017年中國建筑能源消耗量為9.47億噸標準煤，約占全國能源消耗總量的21.10%；建筑碳排放量為19.6億噸，占全國能源碳排放量的19.5%[1]。提高既有建筑保溫性能是減少建筑業(yè)能耗、走向低碳經(jīng)濟、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。目前，對既有建筑節(jié)能改造的研究多集中于市場運行機制、施工技術(shù)、綜合效益評價三大方面。高旭闊等[2]研究了節(jié)能改造的融資籌資方式；陳為公等[3]分析了不同主體內(nèi)源驅(qū)動因素；李永生等[4]研究了既有居住建筑節(jié)能改造的瓷磚外墻處理方式；王志偉等[5]以層次分析法為核心，耦合其他方法對節(jié)能改造項目進行綜合性效益評價。此類研究評價多趨向于單體或小規(guī)模建筑的直接節(jié)能效率及經(jīng)濟性，缺乏對城市尺度上系統(tǒng)性、定量化的建筑立面改造碳排放和能源消耗的評估。因而，本研究借助ArcGIS軟件表征西寧市居住建筑，運用生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)方法評價了兩種保溫材料單位建筑面積物化階段的碳排放和能源消耗，并將評價結(jié)果加載到建筑存量信息庫，推算西寧市居住建筑外立面保溫改造的碳排放和能源消耗，為西寧市相關(guān)部門提供可視化分析結(jié)果。

1 研究方法

1.1 西寧市居住建筑表征信息

1.1.1 定性表征建筑特征 本文構(gòu)建的西寧市建筑存量信息庫主要包含以下屬性信息：建筑編碼(ID)、建筑類型、層數(shù)、建成時間、建筑面積等。其中，建筑類型按建筑使用功能劃分為居住建筑、工業(yè)建筑、公共建筑，本研究僅考慮居住建筑。按照我國建筑節(jié)能設計標準的更新時點和建筑實際建成時點，可以將信息庫內(nèi)建筑劃分為五類，由于本研究不考慮2018年以后采用最新節(jié)能標準的新建建筑，因而可將信息庫內(nèi)建筑按建成時間分為四類，表征結(jié)果見表1。

表1 西寧市居住建筑定性表征結(jié)果Tab.1 Qualitative characterization of residential buildings in Xining

1.1.2 定量表征建筑信息 在ArcMap中繪制建筑足跡時，軟件將自動生成建筑足跡的長度，建筑物樓層數(shù)可通過歷史影像資料觀察獲取，故而建筑外立面凈改造面積S可按下式估算：

S=S*(1-b)=Lac(1-b)

(1)

式中：S*為建筑外立面面積 (m2)；b為建筑窗墻比，依據(jù)文獻[6]居住建筑取0.30；L為建筑足跡的長度(m)；a為建筑層高，依據(jù)文獻[6]居住建筑取2.9 m；c為建筑樓層數(shù)。

1.2 外立面保溫改造的生命周期影響評價

本研究采用基于過程的生命周期評估框架，評估不同時期建造的建筑在使用不同保溫材料進行外立面保溫改造帶來的碳排放和能源消耗。外立面保溫改造系統(tǒng)邊界包括原材料開采、能源生產(chǎn)及保溫板等建筑產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、現(xiàn)場安裝過程(圖1)。功能單位選擇1 m2固定于基層墻體外表面上的保溫系統(tǒng)。研究區(qū)域為西寧市四大主城區(qū)下轄6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及25個街道辦事處。

圖1 外立面保溫改造系統(tǒng)邊界Fig.1 System boundary of facade reconstruction

1.2.1 清單分析 本研究擬用DU來表示每完成1 m2建筑外立面保溫改造所需的保溫材料量，由保溫材料的種類、建筑建造的年代和外立面保溫系統(tǒng)決定。

DU=(R1-R0)λαAρ

(2)

式中：R1表示改造后達到2018年最新設計要求的外立面平均傳熱熱阻(m2·K/W)；R0表示改造前建筑外立面平均傳熱熱阻(m2·K/W)；λ表示保溫材料的導熱系數(shù)(W/(m·K))；α表示導熱系數(shù)的修正系數(shù)；A表示單位改造面積，取1 m2；ρ表示保溫材料密度(kg/m3)。

(1)保溫材料的種類。本研究采用模塑聚苯板(EPS)和硬泡聚氨酯板(PUR)兩種有機保溫材料,計算參數(shù)見表2。

表2 保溫材料計算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters of thermal insulation materials

(2)外立面保溫系統(tǒng)的確定。外立面保溫系統(tǒng)由于保溫材料、構(gòu)造形式等原因種類眾多，本研究采用黏貼保溫板薄抹灰外立面保溫系統(tǒng)(由膠黏劑把保溫材料固定在基層墻體之上，再外加抹面砂漿、玻璃纖維網(wǎng)格布、涂料組成防護層)。

(3)建筑建造的年代。假設國家和地方性節(jié)能設計標準施行的年份里建成的建筑外圍護結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)、平均傳熱熱阻等熱工參數(shù)完全符合當時的節(jié)能設計要求。由文獻[6]可知，西寧市隸屬嚴寒C區(qū)，采暖度日數(shù)為4 478(18 ℃/d)，根據(jù)表1內(nèi)不同時期的節(jié)能設計標準可以確定西寧市不同年代居住建筑外立面平均傳熱系數(shù)，沒有設計標準的居住建筑外立面平均傳熱系數(shù)按2.00 W/(m2·K)估算，結(jié)果見表3。

表3 不同年代居住建筑外立面熱工參數(shù)Tab.3 Thermal parameters of exterior wall of residential buildings in different years

為了計算城市規(guī)模碳排放和能源消耗并進行方案比較，假設建筑存量信息庫中居住建筑改造后全部達到現(xiàn)行設計標準的熱工參數(shù)要求。依據(jù)以上參數(shù)求得不同類別建筑在使用不同保溫材料進行改造時所需的DU值，計算結(jié)果見表4。

表4 不同建筑類別使用不同保溫材料改造時所需的DU值Tab.4 DU values required for reconstruction of different building types with different thermal insulation materials kg/m2

黏貼保溫板薄抹灰外立面保溫系統(tǒng)的主要差異在于保溫材料不同，其他組分可視為完全等同。1 m2黏貼保溫板薄抹灰外立面保溫系統(tǒng)中其他組分消耗量見表5。

表5 黏貼保溫板薄抹灰外立面保溫系統(tǒng)中其他組分用量估算結(jié)果Tab.5 Estimation of the amount of other components in the external insulation system of thin plastering with adhesive insulation board kg/m2

根據(jù)外立面保溫改造系統(tǒng)邊界，清單數(shù)據(jù)主要包括能源生產(chǎn)[7-8]、運輸[9]、水泥生產(chǎn)[10]、骨料生產(chǎn)[11]、EPS板生產(chǎn)[12]、PUR板生產(chǎn)[13]、玻璃纖維網(wǎng)格布生產(chǎn)[10]、涂料生產(chǎn)[12]、施工[14]。能源消耗涵蓋原材料開采過程、產(chǎn)品加工、運輸、現(xiàn)場施工。外立面保溫改造施工主要考慮制備砂漿、電動吊籃使用帶來的電耗。部分文獻數(shù)據(jù)沒有考慮運輸帶來的能源消耗和因能源使用帶來的間接碳排放，本文在計算整理時假設運輸距離為100 km，原材料使用火車運輸，成品建材使用柴油車運輸，使用玻璃清單數(shù)據(jù)代替玻璃纖維網(wǎng)格布，最終獲得1 m2不同年代居住建筑采用不同保溫材料的清單數(shù)據(jù)。

1.2.2 影響評價 依據(jù)ISO 14042系列標準原則，參考EDIP分類方法，結(jié)合本文研究目的確定物化能(EE)、全球變暖潛能值(GWP)為衡量外立面保溫改造能耗和碳排放的中點指標。EE直接采用清單分析結(jié)果表示其環(huán)境影響，GWP采用當量因子法衡量其環(huán)境影響，影響尺度考慮100年。特征化因子參考楊建新等[15]的研究，計算出1 m2特征化結(jié)果后，按照建筑年代以及保溫材料種類的不同將特征化結(jié)果加載入西寧市建筑存量信息庫，進一步計算主城區(qū)居住建筑外立面保溫改造的環(huán)境影響，即EE與GWP值。

2 結(jié)果與分析

2.1 西寧市建筑存量表征結(jié)果

截至2017年，建筑存量信息庫共錄入28 458棟建筑，居住建筑共19 517棟，公共建筑4 626棟，工業(yè)建筑4 315棟，具體分類表征結(jié)果見表6。結(jié)合表1可知，未實行節(jié)能標準的a類居住建筑占總居住建筑的21%； 50%的居住建筑屬于b類和c類，擁有較差的保溫性能；僅有29%的居住建筑屬于d類，擁有較高的節(jié)能設計標準。總體來看，西寧市現(xiàn)有71%的居住建筑都是沒有實行節(jié)能標準或者保溫性能較低的建筑。外立面保溫改造面積直接關(guān)系城市尺度上環(huán)境影響潛值的確定，隨著時間推移，新建建筑體量越來越大，外立面保溫改造面積也會越來越大。

表6 西寧市建筑分類表征結(jié)果Tab.6 Characterization of buildings classification of Xining

2.2 外立面保溫改造的環(huán)境影響

依據(jù)保溫材料種類、建筑年代不同，1 m2外立面保溫改造各中點指標的環(huán)境影響如圖2所示。c類建筑采用EPS板進行外立面保溫改造時，1 m2能耗達1 080 MJ，產(chǎn)生 25.8 kg CO2eq.；PUR板作為保溫材料對b類建筑進行外立面改造時，1 m2能耗達772 MJ，產(chǎn)生23.5 kg CO2eq.。當建筑年代一定時，PUR板外立面保溫系統(tǒng)的GWP指標比EPS板外立面保溫系統(tǒng)少19.39%～30.92%，PUR板外立面保溫系統(tǒng)EE指標比EPS板外立面保溫系統(tǒng)少20.07%～41.85%。當選用的保溫材料一致時，隨著時間推移，外立面保溫改造產(chǎn)生的碳排放和能耗越來越小，這符合從1968年開始國內(nèi)居住建筑設計標準逐漸完善的事實。綜上，保溫材料選擇PUR板比EPS板更具有優(yōu)勢。

圖2 1 m2外立面保溫改造的環(huán)境影響Fig.2 Environmental impact potential of 1m2 facade reconstruction

圖3為西寧市主城區(qū)居住建筑外立面保溫改造碳排放和能耗評價結(jié)果。其他條件一定，只比較保溫材料時，城市范圍內(nèi)變化趨勢與單位面積內(nèi)一致，使用EPS板要比使用PUR板多消耗50%的能源，d類建筑除外。使用PUR板碳排放比EPS板少30%左右。僅比較建筑年代發(fā)現(xiàn)，居住建筑隨時間推移兩類中點指標都在增大，這是因為隨著時間推移，居住建筑改造面積一直呈遞增趨勢。

圖3 城市范圍外立面保溫改造的環(huán)境影響Fig.3 Environmental impact of facade reconstruction in urban scale

西寧市居住建筑采用PUR板進行外立面保溫改造的環(huán)境影響以GWP指標為例，分級地圖見圖4。

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)合ArcGIS軟件和LCA方法評估了西寧市居住建筑使用不同保溫材料進行外立面保溫改造帶來的碳排放和能耗，研究表明：(1)西寧市現(xiàn)存21%的居住建筑未實行節(jié)能設計，50%的居住建筑屬于低能效建筑。(2)僅考慮保溫材料時，a類建筑使用PUR板外立面保溫系統(tǒng)GWP指標比EPS板外立面保溫系統(tǒng)少30.92%，d類建筑使用PUR板外立面保溫系統(tǒng)GWP指標比EPS板外立面保溫系統(tǒng)少19.39%；a類建筑使用PUR板外立面保溫系統(tǒng)EE指標比EPS板外立面保溫系統(tǒng)少41.85%，d類建筑使用PUR板外立面保溫系統(tǒng)EE指標比EPS板外立面保溫系統(tǒng)少20.07%。(3)從能源和碳排放視角來看，使用PUR板進行外立面保溫改造要好于EPS板，這與馬麗萍等[16]的研究成果相符。

本文從碳排放和能耗方面對西寧市居住建筑外立面保溫改造的環(huán)境影響進行了研究，下一步可從人體健康損害、酸化等指標來深入研究不同類別建筑改造的環(huán)境影響。