何文晶袁靜仝暉

(山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著農(nóng)村居住環(huán)境質(zhì)量的提升，日常能源消費(fèi)與住宅建設(shè)產(chǎn)生了大量CO2，據(jù)《中國建筑能耗研究報(bào)告(2020)》顯示，我國農(nóng)村住宅排放CO2量約為4.37 億t/a[1]，并將隨著生活水平的提升持續(xù)增長[2]。因此，農(nóng)村住宅的減排問題不容忽視，農(nóng)村住宅的碳排放控制是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的必要環(huán)節(jié)。近年來，相關(guān)學(xué)者從農(nóng)村住宅建設(shè)[3]、農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)[4]、能源消耗[5]等角度對農(nóng)村住宅碳排放展開了研究。有學(xué)者基于全生命周期理論構(gòu)建了住宅建筑的碳排放計(jì)算模型[6-7]，而楊磊[8]、石鐵矛等[9]進(jìn)一步構(gòu)建了農(nóng)村住宅全生命周期計(jì)算模型；根據(jù)工程量清單和碳排放因子可以比較不同結(jié)構(gòu)的農(nóng)村住宅物化階段碳排放[3]。就能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)角度而言，炊事和取暖能源在我國農(nóng)村家庭能源消耗量中占據(jù)主導(dǎo)地位，對農(nóng)宅碳排放影響最大[4-5]。實(shí)施建筑碳排放總量控制是實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)總量控制和碳排放達(dá)峰的重要內(nèi)容[10]。

目前，尚未有研究對某一省份或地區(qū)農(nóng)宅碳排放研究進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以及多角度的綜合研究。山東省農(nóng)村人口眾多，其人均能源消費(fèi)水平和CO2排放較高[11]，因此，文章以魯中地區(qū)為例，針對建筑材料、能源結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣不同的農(nóng)宅，計(jì)算分析農(nóng)宅建設(shè)和農(nóng)村居民能源消費(fèi)等數(shù)據(jù)，總結(jié)農(nóng)宅生命周期的碳排放規(guī)律和影響各階段碳排放的因素，得出農(nóng)村住宅CO2排放的控制重點(diǎn)，并提出減少碳排放的相關(guān)對策。

1 魯中地區(qū)農(nóng)村住宅現(xiàn)狀

1.1 調(diào)研概況

魯中地區(qū)是指山東省的中部地區(qū)，一般是指濟(jì)南、淄博、東營、泰安4 個(gè)城市，屬寒冷地區(qū)，氣候冬冷夏熱、春秋季節(jié)短促，住宅需滿足冬季保溫、夏季隔熱的基本要求[12]。針對魯中地區(qū)農(nóng)村住宅的調(diào)研可分為文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地調(diào)研。在廣泛的文獻(xiàn)搜集和分析后，按照地域平衡性、樣本多樣性、可操作性原則，最終選擇淄博市沂源縣、臨淄區(qū)、博山區(qū)以及泰安市肥城市、濟(jì)南市萊蕪區(qū)內(nèi)的12 個(gè)行政村進(jìn)行實(shí)地調(diào)研， 調(diào)研農(nóng)宅共有85 棟。調(diào)研村莊概況見表1。

表1 調(diào)研村莊概況表

1.2 農(nóng)村住宅現(xiàn)狀分析

1.2.1 平面功能布局

魯中地區(qū)的農(nóng)宅布局講究背山面水、負(fù)陰抱陽等[13]，通常主屋坐北朝南，包括臥室、起居和待客功能；院內(nèi)東西兩側(cè)或單側(cè)設(shè)置儲藏室、衛(wèi)生間、浴室、廚房等附屬用房(如圖1 所示)；院墻圍合中心庭院形成“回”字形、“L”形、“一”字形布局[14]。

圖1 魯中地區(qū)農(nóng)宅功能布局圖

1.2.2 建筑結(jié)構(gòu)及材料

魯中地區(qū)農(nóng)宅以砌體結(jié)構(gòu)類型為主(如圖2 所示)，其外墻承重材料包括黏土磚、石材、混凝土空心砌塊等。在所調(diào)研的農(nóng)宅中，以黏土磚作為外墻材料的農(nóng)宅數(shù)量最多，占比為60%；以石材作為外墻材料的農(nóng)宅占比為9%；還有26%的農(nóng)宅外墻是由黏土磚、石材兩種材料構(gòu)成。2%的農(nóng)宅為新建農(nóng)宅，采用混凝土空心砌塊磚作為墻體材料；此外，有26% 的農(nóng)宅做了聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，EPS)的外墻保溫。

圖2 魯中地區(qū)農(nóng)宅現(xiàn)狀圖

1.2.3 能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

魯中地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷干燥，冬季室外溫度＜0 ℃，農(nóng)村居民夏季通過開窗、風(fēng)扇或空調(diào)降溫；冬季則依靠煤爐、天然氣壁掛爐取暖，取暖時(shí)間一般從11月下旬到次年的3月中旬。調(diào)研農(nóng)宅中，用煤做燃料取暖的農(nóng)宅共47 棟，占總數(shù)的56%；利用天然氣壁掛采暖爐取暖的農(nóng)宅占33%；有47%的農(nóng)宅在使用燃煤爐或天然氣壁掛爐采暖的同時(shí)采用空調(diào)輔助供暖。魯中農(nóng)村地區(qū)的炊事能源以液化氣、天然氣和電氣為主。調(diào)研農(nóng)宅中，97%的農(nóng)宅在使用液化氣或天然氣之外，將電作為輔助炊事能源；約有43%和33%的農(nóng)宅分別使用液化氣、天然氣，約有50%的農(nóng)宅保留了傳統(tǒng)的柴火灶，并在冬季使用薪柴作為輔助的炊事能源，＞70%的農(nóng)宅安裝了太陽能熱水器。

通過調(diào)研分析魯中地區(qū)農(nóng)村住宅現(xiàn)狀，表明魯中地區(qū)農(nóng)宅建筑設(shè)計(jì)缺乏指引，農(nóng)宅功能布局混亂。建筑空間盲目地追求臥室的大開間效果，如大多數(shù)農(nóng)宅還是起居室與臥室混合型，居住空間沒有私密性；圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡陋，建筑墻體大多數(shù)仍然采用實(shí)心磚作為承重和保溫材料，基本沒有另做墻體外保溫處理，節(jié)能保溫效果很差；同時(shí)多數(shù)農(nóng)宅采用傳統(tǒng)的煤爐取暖，耗能較高；在調(diào)研村莊中太陽能的利用以太陽能熱水器為主，形式單一且利用率低；沼氣等生物質(zhì)能未能普及，村民對可再生能源利用的意識不足。

2 農(nóng)村住宅全生命周期碳排放計(jì)算

2.1 農(nóng)村住宅建筑全生命周期

根據(jù)建筑全生命周期的內(nèi)涵和農(nóng)村住宅建筑的特點(diǎn)，農(nóng)村住宅建筑的全生命周期可以概括為農(nóng)宅的物化階段、居住使用階段和拆除回收階段[8]。物化階段包括建筑材料的生產(chǎn)加工、運(yùn)輸和建筑的施工建造過程[15]；居住使用階段是建筑全生命周期中最長的階段，建筑的拆除回收階段包括建筑物的拆除和廢舊建材的回收處理。

2.2 農(nóng)村住宅全生命周期碳排放計(jì)算方法

農(nóng)村住宅建筑全生命周期的碳排放總量P為3 個(gè)階段CO2排放量之和，由式(1)表示為

式中P1、P2、P3分別為農(nóng)宅建筑物化階段、居住使用階段和拆除回收階段的CO2排放量，t。

P1由式(2)表示為

式中Pm為建筑材料生產(chǎn)、加工過程中的CO2排放量，t；Pt1為建筑材料運(yùn)輸過程中運(yùn)輸工具的CO2排放量，t；Pc為施工過程產(chǎn)生的CO2，t。

P3由式(3)表示為

式中Pd為建筑拆除過程中的CO2排放量，t；Pt2為廢舊建材回收、廢物處理階段的CO2排放量，t。

3 典型性農(nóng)宅全生命周期碳排放結(jié)果與分析

3.1 魯中地區(qū)典型性農(nóng)宅樣本

經(jīng)過實(shí)地調(diào)研和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，選取建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料、平面布局和能源結(jié)構(gòu)具有普遍性和典型性的農(nóng)宅作為研究對象，農(nóng)宅概況見表2。

表2 樣本農(nóng)宅概況表

3.2 農(nóng)宅建筑物化階段碳排放

3.2.1 建材生產(chǎn)加工階段

建筑材料的生產(chǎn)加工階段碳排放量Pm由式(4)表示為

式中Mi為農(nóng)宅建造所需的第i種建材的消耗量，t；wi為建筑材料在運(yùn)輸、施工過程中的廢棄比例；α1為建材生產(chǎn)碳排放系數(shù)，即生產(chǎn)單位質(zhì)量建筑材料產(chǎn)生的CO2，kg/kg。

對于建材生產(chǎn)加工階段，應(yīng)將農(nóng)宅中使用量較大的建筑材料列入計(jì)算之中，如鋼材、黏土磚、水泥、砂、石子、石材、木材、玻璃、鋁合金、保溫材料等[9]。農(nóng)宅所用建筑材料用量見表3。目前，國內(nèi)外對于建材的碳排放因子并未達(dá)成一致，參考相關(guān)研究[6，9，17]，計(jì)算具體生產(chǎn)單位質(zhì)量建筑材料的CO2排放系數(shù)α1及廢棄比wi，結(jié)果見表4。

表3 各農(nóng)宅所用建材用量表單位:t

表4 建筑材料CO2排放系數(shù)和施工過程中的廢棄比例表

根據(jù)表3、4 和式4 計(jì)算得到各農(nóng)宅中不同建材生產(chǎn)過程的CO2排放量見表5。

表5 建材生產(chǎn)過程的CO2排放量統(tǒng)計(jì)表 單位:t

3.2.2 建筑材料運(yùn)輸階段

農(nóng)宅建材運(yùn)輸過程的CO2排放量Pt1與建材的用量和建材運(yùn)輸工具及運(yùn)輸距離有關(guān)，由式(5)表示為

式中Lj為第j種建材的運(yùn)輸距離，km；α2為建材運(yùn)輸碳排放系數(shù)，即單位建筑材料由對應(yīng)的運(yùn)輸工具運(yùn)輸單位距離產(chǎn)生的的CO2，kg/(km·t)。

魯中地區(qū)農(nóng)村建材運(yùn)輸以公路運(yùn)輸為主，柴油汽車公路的碳排放系數(shù)為0.28 kg/(km·t)[3]。材料運(yùn)輸距離根據(jù)魯中地區(qū)4 市周邊建材廠家的情況進(jìn)行估算。建材運(yùn)輸階段的CO2排放總量見表6。

表6 建材運(yùn)輸階段的CO2排放量統(tǒng)計(jì)表單位:kg

3.2.3 建造施工階段碳排放

農(nóng)宅建造施工階段的CO2排放量與施工能耗相關(guān)，依據(jù)不同施工類型的單位能耗值和施工面積可得到施工總能耗，進(jìn)一步計(jì)算得出CO2排放量[16]。但目前國內(nèi)對于施工能耗沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，且農(nóng)村住宅的建設(shè)施工具有很強(qiáng)的自發(fā)性，施工總能耗難以確定。因此這一階段的碳排放量Pc可按照單位建筑面積排放20 kg 的CO2進(jìn)行概算[17]。建造施工階段農(nóng)宅一、二、三、四的CO2排放量分別為0.32、0.216、0.296 和0.24 t。

3.2.4 農(nóng)宅物化階段碳排放分析

各類建筑材料生產(chǎn)加工過程產(chǎn)生的CO2排放量如圖3 所示，4 棟樣本農(nóng)宅在建筑物化階段的CO2排放量如圖4 所示。

農(nóng)宅物化階段的CO2排放量與農(nóng)宅建筑面積和建材用量相關(guān)，由圖4 可知物化階段的碳排放主要由建材生產(chǎn)加工過程產(chǎn)生。通過圖3 發(fā)現(xiàn)各類建筑材料中，墻體材料的CO2排放量最多，尤其是深加工建材如水泥、黏土磚等，其CO2排放系數(shù)相比石子、石材、木材等天然材料大很多。此外，對比農(nóng)宅物化階段的單位面積CO2排放量后發(fā)現(xiàn)，以黏土磚作為主要材料的農(nóng)宅一單位面積CO2排放量最多，采用黏土磚和石材作為主要材料的農(nóng)宅二和農(nóng)宅四次之，而采用黏土磚和混凝土空心砌塊的農(nóng)宅三單位面積CO2排放量最少。

圖3 農(nóng)宅建材生產(chǎn)階段碳排放圖

圖4 農(nóng)宅物化階段碳排放圖

3.3 農(nóng)宅居住使用階段碳排放

農(nóng)宅建筑居住使用階段的碳排放由滿足采暖、制冷、通風(fēng)、供水、照明等要求的能源或設(shè)施產(chǎn)生。魯中農(nóng)村住宅的能耗主要為夏季制冷、冬季采暖、日常照明和炊事以及其他家用電器的能耗，包括無煙煤、天然氣、液化氣、薪柴和電。此階段的碳排放量由式(6)表示為

式中Qi為第i種能源在建筑使用階段中的年耗量，t；mi為第i種能源的碳排放系數(shù)；N為建筑物的使用壽命，N＝50 a。根據(jù)相關(guān)研究[6]，電力碳排放系數(shù)采用國家生態(tài)環(huán)境部確定的2019 華北地區(qū)電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子值0.941 9。不同類型能源碳排放系數(shù)見表7。

表7 能源碳排放系數(shù)表

通過實(shí)地調(diào)研獲得樣本農(nóng)宅的各類能源年耗量。其中，耗煤量和液化氣用量參考各農(nóng)宅的購買使用量；天然氣和電量采用天然氣計(jì)量表和電表記錄的近3 a 平均數(shù)值；薪柴以各農(nóng)宅使用量為準(zhǔn)。同時(shí)，測量各農(nóng)宅冬季采暖房間溫度:農(nóng)宅一、農(nóng)宅二、農(nóng)宅三、農(nóng)宅四供暖季溫度分別為16.6 ～19.5 ℃、14.4～17 ℃、15.5～17.2 ℃和14.8～17.3 ℃；夏季各農(nóng)宅之間室內(nèi)溫度差距較小，均在26 ～28 ℃范圍內(nèi)。在現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)和能耗下，農(nóng)宅一對于室內(nèi)溫度的舒適度基本滿意，農(nóng)宅二的冬季起居室溫度偏低，農(nóng)宅三的最南端臥室和陽光間的夏季溫度偏高；農(nóng)宅四的冬季客廳溫度偏低。

農(nóng)宅居住使用階段的CO2排放量見表8。不同類型能源的CO2排放量和農(nóng)宅單位采暖面積CO2排放量如圖5 所示。

表8 農(nóng)宅居住使用階段能耗量及CO2排放量統(tǒng)計(jì)表

圖5 農(nóng)宅居住使用階段碳排放圖

通過分析農(nóng)宅使用階段的CO2排放量可知，居住使用階段的碳排放與采暖面積、能源結(jié)構(gòu)和能源消耗量有關(guān)，且受采暖能耗的影響最大。對于農(nóng)宅而言，居住使用階段的CO2排放量與農(nóng)戶的生活習(xí)慣、主觀偏好密切相關(guān)，農(nóng)戶對農(nóng)宅的供暖時(shí)間和供暖溫度及能源消耗量具有可調(diào)控性。在各樣本農(nóng)宅中，農(nóng)宅一的單位采暖面積CO2排放量遠(yuǎn)小于其他農(nóng)宅，而且取暖與炊事兩用的天然氣CO2排放量相較煤炭和液化氣的CO2排放總量少很多。

3.4 農(nóng)宅拆除回收階段碳排放

建筑拆除過程中的CO2排放可按施工階段碳排放量的10%計(jì)算[18]。建材回收處理階段的CO2排放主要由將廢棄建材和可回收舊建材送到指定處理點(diǎn)的運(yùn)輸過程產(chǎn)生[7]。魯中地區(qū)農(nóng)村住宅的可回收建材包括玻璃、木材、鋼筋和鋁材等，此類建材需運(yùn)輸?shù)浇ú幕厥仗幚韽S；不可回收的廢舊建材包括磚瓦、水泥、石材等，這類建材可就近填埋低洼地勢或運(yùn)輸?shù)浇ㄖ尽＝ú幕厥仗幚黼A段的CO2排放量為Pt2，其值由式(7)表示為

式中Pmi為第i種不可回收建筑材料的廢棄量，t；Li為第i種不可回收廢棄建材的運(yùn)輸距離，km；Qmj為第j種可回收建筑材料量，t。

由式(3)和(7)計(jì)算可得，建筑拆除回收階段的CO2排放量(見表9)。

表9 農(nóng)宅拆除回收階段CO2排放量統(tǒng)計(jì)表 單位:t

3.5 農(nóng)宅生命周期不同階段CO2排放量

由式(2)和表6 ～10 得到農(nóng)宅全生命周期各階段CO2排放量(見表10)，碳排放對比圖如圖6所示。

表10 農(nóng)宅全生命周期及各階段CO2排放量統(tǒng)計(jì)表 單位:t

在農(nóng)村住宅生命周期的CO2排放量計(jì)算過程中，由于無法得到詳細(xì)的農(nóng)宅物料清單，因此物化階段的CO2排放量較實(shí)際數(shù)值略有出入。由圖6 可知，以農(nóng)宅使用壽命50 a 計(jì)算，魯中地區(qū)農(nóng)宅物化階段的CO2排放量約占生命周期碳排總量的20%～30%，且物化階段的CO2主要由建材生產(chǎn)加工過程產(chǎn)生，此過程CO2排放量占物化階段的90%。拆除回收階段的CO2排放量在全生命周期中占比不足1%，建筑使用階段的CO2排放量在全生命周期中占比最大約為70%～80%。

圖6 農(nóng)宅全生命周期各階段碳排放對比圖

4 結(jié)論

通過上述研究可知:

(1)魯中地區(qū)典型農(nóng)宅居住使用階段產(chǎn)生的CO2占全生命周期的70%～80%，物化階段CO2排放量占生命周期碳排總量的20%～30%，因此減少農(nóng)宅建筑碳排放的關(guān)鍵階段在于農(nóng)宅的物化階段和居住使用階段。

(2)在農(nóng)宅的物化階段，選擇可循環(huán)利用、可降解的建筑材料，如碳排放因子小的天然建材木材、石材等，并采用高保溫性能的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對既存農(nóng)宅進(jìn)行屋面外墻的節(jié)能改造，降低能耗需求；在居住使用階段，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高電力尤其是光伏發(fā)電等低碳清潔能源的比例。

(3)規(guī)劃時(shí)將農(nóng)宅進(jìn)行組團(tuán)、合理布局，以抵擋冬季冷風(fēng)侵蝕，并對農(nóng)宅內(nèi)需要采暖的房間進(jìn)行集約設(shè)計(jì)，減少熱量散失；在農(nóng)宅鄰里單元設(shè)置集中綠地，利用植物吸收CO2，增加農(nóng)宅建筑碳匯。