鲁中地区农村住宅碳排放分析

何文晶袁静仝晖

(山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南 250101)

0 引言

随着农村居住环境质量的提升，日常能源消费与住宅建设产生了大量CO2，据《中国建筑能耗研究报告(2020)》显示，我国农村住宅排放CO2量约为4.37 亿t/a[1]，并将随着生活水平的提升持续增长[2]。因此，农村住宅的减排问题不容忽视，农村住宅的碳排放控制是实现双碳目标的必要环节。近年来，相关学者从农村住宅建设[3]、农村能源结构[4]、能源消耗[5]等角度对农村住宅碳排放展开了研究。有学者基于全生命周期理论构建了住宅建筑的碳排放计算模型[6-7]，而杨磊[8]、石铁矛等[9]进一步构建了农村住宅全生命周期计算模型；根据工程量清单和碳排放因子可以比较不同结构的农村住宅物化阶段碳排放[3]。就能源消费结构角度而言，炊事和取暖能源在我国农村家庭能源消耗量中占据主导地位，对农宅碳排放影响最大[4-5]。实施建筑碳排放总量控制是实现能源消费总量控制和碳排放达峰的重要内容[10]。

目前，尚未有研究对某一省份或地区农宅碳排放研究进行基础数据统计，以及多角度的综合研究。山东省农村人口众多，其人均能源消费水平和CO2排放较高[11]，因此，文章以鲁中地区为例，针对建筑材料、能源结构、生活习惯不同的农宅，计算分析农宅建设和农村居民能源消费等数据，总结农宅生命周期的碳排放规律和影响各阶段碳排放的因素，得出农村住宅CO2排放的控制重点，并提出减少碳排放的相关对策。

1 鲁中地区农村住宅现状

1.1 调研概况

鲁中地区是指山东省的中部地区，一般是指济南、淄博、东营、泰安4 个城市，属寒冷地区，气候冬冷夏热、春秋季节短促，住宅需满足冬季保温、夏季隔热的基本要求[12]。针对鲁中地区农村住宅的调研可分为文献调研和实地调研。在广泛的文献搜集和分析后，按照地域平衡性、样本多样性、可操作性原则，最终选择淄博市沂源县、临淄区、博山区以及泰安市肥城市、济南市莱芜区内的12 个行政村进行实地调研， 调研农宅共有85 栋。调研村庄概况见表1。

表1 调研村庄概况表

1.2 农村住宅现状分析

1.2.1 平面功能布局

鲁中地区的农宅布局讲究背山面水、负阴抱阳等[13]，通常主屋坐北朝南，包括卧室、起居和待客功能；院内东西两侧或单侧设置储藏室、卫生间、浴室、厨房等附属用房(如图1 所示)；院墙围合中心庭院形成“回”字形、“L”形、“一”字形布局[14]。

图1 鲁中地区农宅功能布局图

1.2.2 建筑结构及材料

鲁中地区农宅以砌体结构类型为主(如图2 所示)，其外墙承重材料包括黏土砖、石材、混凝土空心砌块等。在所调研的农宅中，以黏土砖作为外墙材料的农宅数量最多，占比为60%；以石材作为外墙材料的农宅占比为9%；还有26%的农宅外墙是由黏土砖、石材两种材料构成。2%的农宅为新建农宅，采用混凝土空心砌块砖作为墙体材料；此外，有26% 的农宅做了聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，EPS)的外墙保温。

图2 鲁中地区农宅现状图

1.2.3 能源消费结构

鲁中地区夏季炎热、冬季寒冷干燥，冬季室外温度＜0 ℃，农村居民夏季通过开窗、风扇或空调降温；冬季则依靠煤炉、天然气壁挂炉取暖，取暖时间一般从11月下旬到次年的3月中旬。调研农宅中，用煤做燃料取暖的农宅共47 栋，占总数的56%；利用天然气壁挂采暖炉取暖的农宅占33%；有47%的农宅在使用燃煤炉或天然气壁挂炉采暖的同时采用空调辅助供暖。鲁中农村地区的炊事能源以液化气、天然气和电气为主。调研农宅中，97%的农宅在使用液化气或天然气之外，将电作为辅助炊事能源；约有43%和33%的农宅分别使用液化气、天然气，约有50%的农宅保留了传统的柴火灶，并在冬季使用薪柴作为辅助的炊事能源，＞70%的农宅安装了太阳能热水器。

通过调研分析鲁中地区农村住宅现状，表明鲁中地区农宅建筑设计缺乏指引，农宅功能布局混乱。建筑空间盲目地追求卧室的大开间效果，如大多数农宅还是起居室与卧室混合型，居住空间没有私密性；围护结构简陋，建筑墙体大多数仍然采用实心砖作为承重和保温材料，基本没有另做墙体外保温处理，节能保温效果很差；同时多数农宅采用传统的煤炉取暖，耗能较高；在调研村庄中太阳能的利用以太阳能热水器为主，形式单一且利用率低；沼气等生物质能未能普及，村民对可再生能源利用的意识不足。

2 农村住宅全生命周期碳排放计算

2.1 农村住宅建筑全生命周期

根据建筑全生命周期的内涵和农村住宅建筑的特点，农村住宅建筑的全生命周期可以概括为农宅的物化阶段、居住使用阶段和拆除回收阶段[8]。物化阶段包括建筑材料的生产加工、运输和建筑的施工建造过程[15]；居住使用阶段是建筑全生命周期中最长的阶段，建筑的拆除回收阶段包括建筑物的拆除和废旧建材的回收处理。

2.2 农村住宅全生命周期碳排放计算方法

农村住宅建筑全生命周期的碳排放总量P为3 个阶段CO2排放量之和，由式(1)表示为

式中P1、P2、P3分别为农宅建筑物化阶段、居住使用阶段和拆除回收阶段的CO2排放量，t。

P1由式(2)表示为

式中Pm为建筑材料生产、加工过程中的CO2排放量，t；Pt1为建筑材料运输过程中运输工具的CO2排放量，t；Pc为施工过程产生的CO2，t。

P3由式(3)表示为

式中Pd为建筑拆除过程中的CO2排放量，t；Pt2为废旧建材回收、废物处理阶段的CO2排放量，t。

3 典型性农宅全生命周期碳排放结果与分析

3.1 鲁中地区典型性农宅样本

经过实地调研和数据统计后，选取建筑结构、建筑材料、平面布局和能源结构具有普遍性和典型性的农宅作为研究对象，农宅概况见表2。

表2 样本农宅概况表

3.2 农宅建筑物化阶段碳排放

3.2.1 建材生产加工阶段

建筑材料的生产加工阶段碳排放量Pm由式(4)表示为

式中Mi为农宅建造所需的第i种建材的消耗量，t；wi为建筑材料在运输、施工过程中的废弃比例；α1为建材生产碳排放系数，即生产单位质量建筑材料产生的CO2，kg/kg。

对于建材生产加工阶段，应将农宅中使用量较大的建筑材料列入计算之中，如钢材、黏土砖、水泥、砂、石子、石材、木材、玻璃、铝合金、保温材料等[9]。农宅所用建筑材料用量见表3。目前，国内外对于建材的碳排放因子并未达成一致，参考相关研究[6，9，17]，计算具体生产单位质量建筑材料的CO2排放系数α1及废弃比wi，结果见表4。

表3 各农宅所用建材用量表单位:t

表4 建筑材料CO2排放系数和施工过程中的废弃比例表

根据表3、4 和式4 计算得到各农宅中不同建材生产过程的CO2排放量见表5。

表5 建材生产过程的CO2排放量统计表 单位:t

3.2.2 建筑材料运输阶段

农宅建材运输过程的CO2排放量Pt1与建材的用量和建材运输工具及运输距离有关，由式(5)表示为

式中Lj为第j种建材的运输距离，km；α2为建材运输碳排放系数，即单位建筑材料由对应的运输工具运输单位距离产生的的CO2，kg/(km·t)。

鲁中地区农村建材运输以公路运输为主，柴油汽车公路的碳排放系数为0.28 kg/(km·t)[3]。材料运输距离根据鲁中地区4 市周边建材厂家的情况进行估算。建材运输阶段的CO2排放总量见表6。

表6 建材运输阶段的CO2排放量统计表单位:kg

3.2.3 建造施工阶段碳排放

农宅建造施工阶段的CO2排放量与施工能耗相关，依据不同施工类型的单位能耗值和施工面积可得到施工总能耗，进一步计算得出CO2排放量[16]。但目前国内对于施工能耗没有明确的标准，且农村住宅的建设施工具有很强的自发性，施工总能耗难以确定。因此这一阶段的碳排放量Pc可按照单位建筑面积排放20 kg 的CO2进行概算[17]。建造施工阶段农宅一、二、三、四的CO2排放量分别为0.32、0.216、0.296 和0.24 t。

3.2.4 农宅物化阶段碳排放分析

各类建筑材料生产加工过程产生的CO2排放量如图3 所示，4 栋样本农宅在建筑物化阶段的CO2排放量如图4 所示。

农宅物化阶段的CO2排放量与农宅建筑面积和建材用量相关，由图4 可知物化阶段的碳排放主要由建材生产加工过程产生。通过图3 发现各类建筑材料中，墙体材料的CO2排放量最多，尤其是深加工建材如水泥、黏土砖等，其CO2排放系数相比石子、石材、木材等天然材料大很多。此外，对比农宅物化阶段的单位面积CO2排放量后发现，以黏土砖作为主要材料的农宅一单位面积CO2排放量最多，采用黏土砖和石材作为主要材料的农宅二和农宅四次之，而采用黏土砖和混凝土空心砌块的农宅三单位面积CO2排放量最少。

图3 农宅建材生产阶段碳排放图

图4 农宅物化阶段碳排放图

3.3 农宅居住使用阶段碳排放

农宅建筑居住使用阶段的碳排放由满足采暖、制冷、通风、供水、照明等要求的能源或设施产生。鲁中农村住宅的能耗主要为夏季制冷、冬季采暖、日常照明和炊事以及其他家用电器的能耗，包括无烟煤、天然气、液化气、薪柴和电。此阶段的碳排放量由式(6)表示为

式中Qi为第i种能源在建筑使用阶段中的年耗量，t；mi为第i种能源的碳排放系数；N为建筑物的使用寿命，N＝50 a。根据相关研究[6]，电力碳排放系数采用国家生态环境部确定的2019 华北地区电网基准线排放因子值0.941 9。不同类型能源碳排放系数见表7。

表7 能源碳排放系数表

通过实地调研获得样本农宅的各类能源年耗量。其中，耗煤量和液化气用量参考各农宅的购买使用量；天然气和电量采用天然气计量表和电表记录的近3 a 平均数值；薪柴以各农宅使用量为准。同时，测量各农宅冬季采暖房间温度:农宅一、农宅二、农宅三、农宅四供暖季温度分别为16.6 ～19.5 ℃、14.4～17 ℃、15.5～17.2 ℃和14.8～17.3 ℃；夏季各农宅之间室内温度差距较小，均在26 ～28 ℃范围内。在现有能源结构和能耗下，农宅一对于室内温度的舒适度基本满意，农宅二的冬季起居室温度偏低，农宅三的最南端卧室和阳光间的夏季温度偏高；农宅四的冬季客厅温度偏低。

农宅居住使用阶段的CO2排放量见表8。不同类型能源的CO2排放量和农宅单位采暖面积CO2排放量如图5 所示。

表8 农宅居住使用阶段能耗量及CO2排放量统计表

图5 农宅居住使用阶段碳排放图

通过分析农宅使用阶段的CO2排放量可知，居住使用阶段的碳排放与采暖面积、能源结构和能源消耗量有关，且受采暖能耗的影响最大。对于农宅而言，居住使用阶段的CO2排放量与农户的生活习惯、主观偏好密切相关，农户对农宅的供暖时间和供暖温度及能源消耗量具有可调控性。在各样本农宅中，农宅一的单位采暖面积CO2排放量远小于其他农宅，而且取暖与炊事两用的天然气CO2排放量相较煤炭和液化气的CO2排放总量少很多。

3.4 农宅拆除回收阶段碳排放

建筑拆除过程中的CO2排放可按施工阶段碳排放量的10%计算[18]。建材回收处理阶段的CO2排放主要由将废弃建材和可回收旧建材送到指定处理点的运输过程产生[7]。鲁中地区农村住宅的可回收建材包括玻璃、木材、钢筋和铝材等，此类建材需运输到建材回收处理厂；不可回收的废旧建材包括砖瓦、水泥、石材等，这类建材可就近填埋低洼地势或运输到建筑垃圾站。建材回收处理阶段的CO2排放量为Pt2，其值由式(7)表示为

式中Pmi为第i种不可回收建筑材料的废弃量，t；Li为第i种不可回收废弃建材的运输距离，km；Qmj为第j种可回收建筑材料量，t。

由式(3)和(7)计算可得，建筑拆除回收阶段的CO2排放量(见表9)。

表9 农宅拆除回收阶段CO2排放量统计表 单位:t

3.5 农宅生命周期不同阶段CO2排放量

由式(2)和表6 ～10 得到农宅全生命周期各阶段CO2排放量(见表10)，碳排放对比图如图6所示。

表10 农宅全生命周期及各阶段CO2排放量统计表 单位:t

在农村住宅生命周期的CO2排放量计算过程中，由于无法得到详细的农宅物料清单，因此物化阶段的CO2排放量较实际数值略有出入。由图6 可知，以农宅使用寿命50 a 计算，鲁中地区农宅物化阶段的CO2排放量约占生命周期碳排总量的20%～30%，且物化阶段的CO2主要由建材生产加工过程产生，此过程CO2排放量占物化阶段的90%。拆除回收阶段的CO2排放量在全生命周期中占比不足1%，建筑使用阶段的CO2排放量在全生命周期中占比最大约为70%～80%。

图6 农宅全生命周期各阶段碳排放对比图

4 结论

通过上述研究可知:

(1)鲁中地区典型农宅居住使用阶段产生的CO2占全生命周期的70%～80%，物化阶段CO2排放量占生命周期碳排总量的20%～30%，因此减少农宅建筑碳排放的关键阶段在于农宅的物化阶段和居住使用阶段。

(2)在农宅的物化阶段，选择可循环利用、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，并采用高保温性能的外围护结构，对既存农宅进行屋面外墙的节能改造，降低能耗需求；在居住使用阶段，优化能源结构，提高电力尤其是光伏发电等低碳清洁能源的比例。

(3)规划时将农宅进行组团、合理布局，以抵挡冬季冷风侵蚀，并对农宅内需要采暖的房间进行集约设计，减少热量散失；在农宅邻里单元设置集中绿地，利用植物吸收CO2，增加农宅建筑碳汇。