云南省某绿色公共建筑全生命周期能耗量化分析

孙鹏

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

2000—2016 年，我国公共建筑能耗(含采暖能耗)约占建筑总能耗的34%～39%[1-2]。我国节能工作已迈入总量控制战略阶段，将国家建筑能耗总量控制目标进行区域分解，根据各地建筑规模与经济发展水平，制定差别化的省级建筑能耗总量控制目标势在必行。

云南省的气候具有年温差小、干湿季节分明等特点。民用建筑基本未配备暖通空调系统，而公共建筑由于人流量大、空间使用频率高、空间功能多样等特点，需要设置暖通空调系统。但实际上，全年大部分时间中，仅开启外窗即可满足公共建筑大部分室内区域的环境质量需要，只有在出现较为极端的天气时才会使用暖通空调系统进行辅助调节，这也使得云南省公共建筑的运行阶段供暖能耗、空调能耗普遍较低，而绿色公共建筑在此基础上还采用了节能措施。由此可见，计算其全生命周期能耗可以更准确地得出云南省绿色公共建筑的能耗限值。

本文以云南省某三星级绿色公共建筑为研究对象，进行全生命周期的能耗计算，并根据实际采取的节能策略，最后得出实际能耗，以期为制定省级公共建筑能耗总量控制目标提供理论基础。

1 研究内容

本文选取了已通过云南省三星级绿色建筑运行标识的某公共建筑作为案例进行研究分析。选取案例原因如下：

(1)过程简化

施工期间人员活动能耗及机械台班能耗的实际数据较难采集，案例建筑施工工期不足半年，相较于其他工期较长的公共建筑，此类难以统计的耗能量大大减少，在建筑全生命周期能耗中所占比例可忽略不计。经实地调查，案例建筑运行过程中的室内人员均严格遵守节能制度，故无需考虑这些难以统计的能耗因素，简化了分析过程。

(2)结果精确

案例建筑在实际运营过程中，采用了适宜云南省气候特点的太阳能热水系统来代替耗能极高的电加热系统作为日常生活热水来源，降低了生活热水能耗。结合云南省公共建筑空调能耗、供暖能耗较低的特点，使得建筑实际运行能耗大幅降低，能凸显出节能措施的实施效果，有利于得出更为精确的公共建筑能耗控制目标。

项目建筑面积为15 607.17 m2，使用寿命按 50 年计算。单位建筑材料耗能量即能耗因子，根据周观根等[3]、赵平等[4]的研究换算确定。

2 不同阶段建筑耗能量计算

2.1 建材生产及运输阶段

(1)计算说明

主要建筑材料消耗量根据项目结算资料确定。建材运输阶段能耗计算比较复杂，考虑到目前运输工具的生产、运输道路等基础设施建设等过程的基础数据尚不完善，且此类过程分摊到建材运输上的能耗占比较小，可忽略不计，故仅计算材料运输过程中的能耗。

(2)计算公式

建材生产阶段耗能量计算公式如下：

(1)

式中，ESC为建材生产阶段能耗，kJ；Mi为第i种主要建材的消耗量；Fi为第i种主要建材的生产能耗因子。

建材运输阶段耗能量计算公式如下：

(2)

式中，EYS为建材运输阶段能耗，kJ；Mj为第j种主要建材的运输量；Fj为第j种主要建材的运输能耗因子。

(3)计算结果

建材生产阶段能耗统计见表1。

表1 建材生产阶段能耗统计

综上计算可得，建材生产阶段总能耗为1.52×1011kJ，单位建筑面积能耗为9.72×106kJ/m2。

建材运输阶段能耗统计见表2。

表2 建材运输阶段能耗统计

综上计算可得，建材运输阶段总能耗为2.92×1010kJ，运输阶段单位建筑面积能耗为1.87×106kJ/m2。

2.2 建筑建造阶段

(1)计算说明

根据项目结算资料确定机械台班数量并统计消耗的各类资源，以实际消耗资源为依据计算建筑建造阶段能耗。

(2)计算公式

建筑建造阶段单位建筑面积能耗计算公式如下：

(3)

式中，EJZ为建筑建造阶段单位建筑面积能耗，kJ/m2；Ek为建筑建造阶段第k种能源使用量；Fk为第k种能源单位能耗因子；A为建筑面积，m2。

(3)计算结果

建筑建造阶段耗能资源用量统计见表3。

表3 建筑建造阶段耗能资源用量统计

其中，电能耗因子取3 599.96 kJ/(kW·h)，柴油、汽油能耗因子取38 511.2 kJ/L，天然气能耗因子取37 255.4 kJ/m3。计算可得，电能耗为6.97×108kJ，柴油能耗为1.61×109kJ，汽油能耗为4.19×108kJ，天然气能耗为4.49×107kJ，合计能耗为2.77×109kJ，单位建筑面积能耗为1.78×105kJ/m2。

2.3 建筑运行阶段

(1)计算说明

建筑运行阶段能耗使用斯维尔能耗模拟软件“能耗计算 BESI 2016”进行模拟计算。

(2)计算公式

建筑运行阶段单位建筑面积耗能量计算公式如下：

(4)

式中，EYX为建筑运行阶段单位建筑面积能耗，kJ/m2；Em为建筑运行阶段第m种能源使用量，kW·h；Fm为第m种能源单位能耗因子，kJ/(kW·h)；A为建筑面积，m2。

(3)计算结果

建筑运行阶段模拟能耗统一采用电能单位，计算结果见表4。

表4 建筑运行阶段能耗计算汇总

综上计算，设建筑运行周期为50年，可以得出建筑运行周期总能耗为3.22×1010kJ，运行周期单位建筑面积年均能耗为4.13×105kJ/(m2·a)。

2.4 建筑拆除阶段

(1)计算说明

由于建筑并未达到使用年限，拆除阶段的能耗计算属于前瞻性计算。根据相关学者估算，通常建筑拆除过程的能耗约为建筑建造施工阶段能耗的90%[5]，故本文研究案例建筑拆除阶段能耗取建筑建造阶段能耗的90%，忽略人工拆除时施工人员生活消耗的各类资源。

(2)计算结果

建筑拆除阶段的总能耗为 2.50×109kJ，单位建筑面积能耗为 1.60×105kJ/m2。

2.5 小结

综合上述计算结果，可得建筑全生命周期各阶段能耗汇总如表5所示。

表5 建筑全生命周期各阶段能耗汇总

由表5可知，建材生产阶段能耗占比最大，但由于各厂家实际生产情况不同，建材生产阶段的节能措施及效果难以采集实际数据，故暂不进行节能分析。建材运输及建筑运行期间能耗占比较大，分别为13.37%和14.74%；其他阶段能耗占比较小，均为1%左右。故主要针对除建材生产阶段以外的其他阶段实施节能策略。

3 节能措施及效果分析

3.1 建材运输阶段

项目尽可能选用本地建材以减少运距，建材实际运输平均距离为 30 km，运输主要消耗能源为柴油和汽油。经调查分析，可实现节能量约10%，约为 2.92×109kJ，单位建筑面积节能量为1.87×105kJ/m2。

3.2 建筑建造阶段

施工过程中实施能耗目标管理制度，加强人员节能意识，以降低建筑建造能耗。经调查分析，可实现节能量约10%，约为 2.77×108kJ，单位建筑面积节能量为1.78×104kJ/m2。

3.3 建筑运行阶段

由于难以获得项目运行期间实际生活热水使用量，且项目实际生活热水绝大部分由太阳能集热器提供，故采用模拟得出的生活热水能耗作为太阳能集热器节约能耗，则太阳能集热器节能量计算如表6所示。

表6 太阳能集热器节能量计算

综上数据可得，单位建筑面积年均节能量为4 836.14 kJ/(m2·a)。

3.4 建筑拆除阶段

建筑拆除阶段节能措施主要分为建筑物的拆除与建材回收两大部分。其中，建筑物的拆除部分正常使用机械台班，为简化计算忽略不计，主要计算建材回收部分节能量，如表7所示。

表7 建材回收节能量计算

综上可得，建材回收阶段总节能量为2.19×1010kJ，单位建筑面积年均节能量为4 836.14 kJ/(m2·a)。

3.5 小结

综上计算结果，节能措施节能量汇总如表8所示。采取节能措施后建筑实际能耗分析如表9所示。可以得出，采取节能措施后建筑实际能耗为1.82×1011kJ，单位建筑面积年均能耗为2.33×105kJ/(m2·a)，折合标准煤量为7.95 kgce/(m2·a)。

表8 节能措施节能量汇总

表9 建筑实际能耗汇总 kJ

4 结论

(1)通过对云南省某三星级绿色公共建筑全生命周期能耗情况的计算研究得出，针对能耗占比较大的建筑生命阶段采取节能措施后，建筑全生命周期单位面积年均能耗可降低到 7.95 kgce/(m2·a)。

(2)在建筑全生命周期能耗中，建材生产阶段能耗占比接近70%，相当于其他阶段能耗总和的两倍以上，如能在建材生产厂家的生产环节中实施有力的节能措施，则可更加有效地减少建筑全生命周期能耗总量。

(3)太阳能等可再生能源的利用可以显著降低建筑运行阶段能耗，且初期增设成本较低，运行维护方便，适合作为云南省公共建筑生活热水主要能耗来源。

(4)由于研究建筑自身材料、结构以及拆除环境各异，且缺乏具有权威性的数据，故建筑拆除阶段能耗只能估算。如能将拆除产生的各种建筑垃圾进行更多种类、更高比例的回收利用，则可以更加有效地减少拆除阶段的能耗。

(5)在下一步研究中，可增加不同星级绿色公共建筑或相同星级住宅建筑的相关数据进行计算及分析,使分析涵盖的方面更多，得出的结论更全面。