296基于生命周期理论的严寒地区居住建筑能耗计算和分析

基于生命周期理论的严寒地区居住建筑能耗计算和分析同济大学王松庆张旭哈尔滨工业大学王威摘要：本文运用生命周期理论，结合居住建筑物本身的特点，根据生命周期评价技术框架内容，把建筑物的整个生命周期边界划定为建材的生产、建筑的施工、使用、拆除以及建筑废料回收和废物处理五个阶段。使用建筑物生命周期能耗计算模型对严寒地区居住建筑的生命周期能耗进行了计算和分析。得出一些有利于推进严寒地区居住建筑节能工作的相关结论和措施。关键词生命周期居住建筑能耗严寒地区1引言目前，由于人们生活水平的提高，对建筑物的要求也越来越高，为了满足这些要求，建筑物的能耗急速增加，在能源使用方面给国家带来了巨大的压力。同时建筑物又是使用寿命最长的经济产品之一[1-2]，居住建筑的使用寿命一般会达到几十年甚至上百年，漫长的使用寿命导致了居住建筑极低的更新率，房屋一旦建成，如不进行较彻底的改造，其所带来的影响至少延续到房屋拆除。因此寻找一种先进的评价方法对居住建筑的能耗进行计算和分析至关重要。本文以生命周期理论为基础，结合居住建筑本身特点，使用建筑物生命周期能耗计算模型对严寒地区（以哈尔滨为例）4幢居住建筑的生命周期能耗进行计算和分析，得出一些有利于推进严寒地区居住建筑节能工作的相关结论和措施。2生命周期评价的定义和技术框架2.1生命周期评价的定义生命周期评价（LifeCycleAssessment）是一种评价产品、工艺或活动从原始材料采集，到产品生产、运输、分配、使用以及最终的处置整个生命周期阶段有关的环境负荷的过程[3]。2.2生命周期评价的技术框架生命周期评价作为一项用于评价产品环境因素与潜在影响的方法，由目标定义和范围、清单分析、影响评价与改善评价4个相互联系的要素组成[4]。目标定义和范围是指根据项目研究的理由、应用意图以及决策者所需要的信息，确定评价目的的定义，并按照评价目的界定研究范围，这是生命周期评价的第一步，也是整个生命周期评价最重要的一个环节。清单分析是生命周期评价4部分中发展最完善的一部分，它是指对一种产品的工艺过程或活动在其整个生命周期内的能量与原材料需要量及对环境的排放进行以数据为基础的客观量化过程。影响评价是生命周期评价的核心内容，也是难度最大的部分。它是对清单阶段所辨识出来的环境负荷影响进行定量和（或）定性的描述与评价。改善评价是指评估系统在产品、工艺或活动的整个生命周期内削减能源、原材料使用以及环境释放的需求与机会。3建筑物生命周期能耗的计算模型3.1建筑物生命周期边界的划定根据生命周期评价技术框架的内容，本文把建筑物的整个生命周期边界划定为建材的生产、建筑的施工、使用、拆除以及建筑废料回收和废物处理5个阶段。划定生命周期边界后，建筑物整个生命周期能耗则由上述5个阶段的能耗共同组成。3.2建筑物生命周期能耗的计算模型建筑物整个生命周期能耗的计算公式如下：pdoemTQQQQQQ式中，TQ为建筑物整个生命周期的能耗；mQ为建筑物建筑材料生产阶段的能耗；eQ为建筑物施工阶段的能耗；oQ为建筑物使用阶段的能耗；dQ为建筑物拆除阶段的能耗；pQ为建筑废料回收和废物处理阶段的能耗。3.2.1建筑物建筑材料生产阶段能耗的计算建筑物建筑材料生产阶段能耗的计算见下式：11/100nmiiiiQmwM式中，n为建筑物所使用建筑材料的种类；iw为建筑材料在施工过程中的废弃比例；im为所使用建筑材料的用量；iM为生产建筑材料的单位能耗。3.2.2建筑物施工阶段能耗的计算建筑物施工阶段的能耗由2部分组成，即建筑材料运输到施工现场的运输能耗和建筑物施工过程中的能耗，其计算公式如下：eQ=t,eQp,eQ,1(1/100)netiiiciQmwdT,1mepiiiQpP式中，t,eQ为建筑材料运输到施工现场的运输能耗；p,eQ为建筑物施工过程中的能耗；id为建筑材料从生产地到施工现场的运输距离；Tc为单位建筑材料运输单位距离的能耗；m为施工过程中不同施工类型的数目；ip为施工总量；iP为每种施工类型的单位能耗。3.2.3建筑物使用阶段能耗的计算建筑物使用阶段能耗的计算公式如下：,1nooyiiQQA1niiAA式中，Qo,y为建筑物使用阶段中的年使用能耗；A为建筑物的使用寿命；iA为建筑物在使用阶段期间使用不同能源形式的时间。3.2.4建筑物拆除阶段能耗的计算建筑物拆除阶段能耗的计算公式为：1ndjjjQpP式中，n为拆除过程中不同施工类型的数目；jp为拆除总量；jP为每种拆除方法的单位能耗。该阶段的能耗主要与进行拆除作业的机器设备有关。根据相关文献，拆除阶段的能耗通常可以按施工过程能耗的90%计算[5]。所以建筑物拆除阶段的能耗计算公式也可以表示为：Qd=0.9p,eQ3.2.5建筑物建筑废料回收和废物处理阶段能耗的计算该阶段能耗计算公式为：Qp=Qt,r+Qt,w,1ntriiidiQWRDT,1(1)ntwiiidiQWRdT式中，Qt,r为废旧建材回收再循环的运输能耗；Qt,w为废旧建材运往处理场所的运输能耗；iW为废旧建材总重量；iR为废旧建材的回收比例；Td为单位废料运输单位距离的能耗；iD为废旧建材运送到回收处理地点的距离；id为废旧建材运送到最终处理地点的距离。公式（1）~（12）主要参考和引用了国外一些关于建筑物生命周期能耗计算的研究成果[6-7]，并结合我国的实际情况加以改进得到。4建筑实例计算和分析利用上述建筑物生命周期能耗计算模型对严寒地区（以哈尔滨为例）4幢居住建筑生命周期能耗进行计算和分析。由于居住建筑具有房间结构与使用功能相似等特点，所以4幢居住建筑均只考虑每幢建筑的1个居住单元，最后得到的结论同样可以适用于整幢建筑。建筑实例的基本特征如表1所示。表1建筑实例的基本特征ABCD面积/m2110.761335.151355.152103.88层数15512层高/m31~4层为35层为3.31~4层为35层为3.31~11层为312层为3.3体形系数0.7310.3220.3230.337窗墙比0.20.1940.1920.165注：A、B、C、D分别代表砖混平房、多层砖混楼房、多层钢混楼房、高层钢混楼房在计算过程中所需要的参数的取值依据主要是根据国内外常用的一些数据以及当地实际情况进行选取[8-10]。计算结束后，分别对居住建筑使用寿命为常量和变量这两种情况进行比较和分析。4.1当居住建筑的使用寿命为常量假设居住建筑的使用寿命为50年，每幢居住建筑生命周期中5个阶段能耗的分配图如图1~4所示。由图1~4可以看出，不管是何种结构的建筑，在建筑物整个生命周期中，使用阶段能耗所占比例最大，都达到了80%以上，而建材生产阶段能耗处于第2的位置，比其它剩余3个阶段能耗之和还要大。建筑物节能的关键就是看其使用阶段能耗和建材生产阶段能耗是否过高，只有把这2个最重要的阶段处理好，建筑物整个生命周期能耗才会得到降低，才能在根本上实现建筑物的节能。使用阶段94.2%建材生产阶段3.3%施工阶段1.4%拆除阶段1.0%废料回收和废物处理阶段0.2%建材生产阶段施工阶段使用阶段拆除阶段废料回收和废物处理阶段建材生产阶段6.6%施工阶段3.0%拆除阶段2.1%废料回收和废物处理阶段0.5%使用阶段87.8%建材生产阶段施工阶段使用阶段拆除阶段废料回收和废物处理阶段图1砖混平房整个生命周期能耗分配图图2多层砖混楼房整个生命周期能耗分配图建材生产阶段7.6%施工阶段3.4%拆除阶段2.4%废料回收和废物处理阶段0.6%使用阶段85.9%建材生产阶段施工阶段使用阶段拆除阶段废料回收和废物处理阶段建材生产阶段9.6%施工阶段3.6%拆除阶段2.5%废料回收和废物处理阶段0.6%使用阶段83.6%建材生产阶段施工阶段使用阶段拆除阶段废料回收和废物处理阶段图3多层钢混楼房整个生命周期能耗分配图图4高层钢混楼房整个生命周期能耗分配图4.2当居住建筑的使用寿命为变量假设上述所举4幢居住建筑的寿命可以达到90年，对4幢居住建筑在不同使用寿命情况下的各自生命周期能耗进行计算和分析，其分析图如图5、6所示。02040608010080100120140160180200220240260280建筑物整个生命周期的单位能耗（kWh/y·m2）建筑物的使用寿命（年）砖混平房多层砖混楼房多层钢混楼房高层钢混楼房2040608010005101520253035404550单位面积单位时间能耗减少百分比（%）建筑物的使用寿命（年）砖混平房多层砖混楼房多层钢混楼房高层钢混楼房图5不同居住建筑不同使用寿命情况下整个生命周期图6不同居住建筑不同使用寿命情况下整个生命周期单位能耗的分布情况单位能耗减少的变化率由图5、6可以看出，随着居住建筑使用寿命达到40年后，不同围护结构的居住建筑其单位能耗越来越趋向于稳定，并逐渐与其使用阶段的单位能耗接近。这说明在实际中延长居住建筑的使用寿命可以使居住建筑的节能水平达到其自身的最优结果。同时可以发现，随着使用寿命的增加，钢混结构居住建筑的整个生命周期单位能耗减少的百分比速率明显高于砖混结构居住建筑，最大时二者相差23%左右，而且砖混结构居住建筑的单位能耗又是钢混结构的2~3倍。因此从生命周期理论的角度分析采用钢混结构比砖混结构更加节能。5结论本文运用生命周期理论对严寒地区居住建筑能耗进行了计算，并通过对其使用寿命为常量和变量两种情况进行讨论和分析，得出如下结论：①居住建筑的使用阶段和建材生产阶段的能耗多少直接决定了居住建筑是否能够达到节能要求；②多层和高层居住建筑的节能效果优于平房；③从生命周期理论的角度分析出居住建筑采用钢混结构比砖混结构更加节能；④延长居住建筑使用寿命可以最大程度上使其节能水平达到其自身可达到的最优结果。因此在严寒地区推进居住建筑节能工作，可从以下几个方面入手：①鼓励多层和高层居住建筑的发展，减少平房的建造数量；②广泛推广钢混结构的居住建筑，在能满足要求的前提下选择传热系数较小的围护结构，采用保温效果较好的墙体、门窗和屋顶；③尽可能延长居住建筑的使用寿命。参考文献[1]OECD．EnvironmentallySustainableBuilding:ChallengesandPolicies[R]．TheOECDEnvironmentProgram，2003.[2]张昌叙．谈建筑节能．陕西建筑，2006，25(5)：1~3[3]束庆，张旭．生命周期评价和生命周期成本分析的整合方法研究．同济大学学报，2003，14(4)：81~86.[4]刘忠文．ISO14040生命周期评价概述．环境导报，1998，15(1):32~33[5]杨健．AB活性污泥法的生命周期能耗分析．四川环境，2002，21(1)：23~26[6]AdalberthK．Energyuseduringthelifecycleofbuildings:amethod[J]．BuildingandEnvironment，1997(32)：317~320[7]Sheng-LungLin.LCA-basedenergyevaluatingwithapplicationtoschoolbuildingsinTaiwan[C]．ProceedingsofEcoDesign2003：ThirdInternationalSymposiumonEnvironmentallyConsciousDesignandInverseManufacturing，2003：409~413[8]杨静．建筑材料．北京：中国水利水电出版社，2004[9]ScheuerC，KeoleianG，ReppeP．Lifecycleenergyandenvironmentalperformanceofanewuniversitybuilding：modelingchallengesanddesignimplications[J]．EnergyandBuildings，2003,35(10)：1049-1064[10]仲平