本文是一篇建筑工程管理论文,本文在理论上建立了黄土高原城镇住宅围护结构低碳设计的理论框架,采用软件模拟的方法,以典型多层住宅为分析案例,从建筑全生命周期出发对建筑碳排放、成本和建筑能耗进行量化计算,研究黄土高原建筑围护结构热工设计参数和构造对建筑碳排放、成本和能耗的影响。
1 绪论
1.1 研究背景
近几十年年,环境的变化随着人类活动范围的扩张而日益加剧[1]。20世纪末爆发的能源危机,,使得人们对能源消耗的关注度上升[2]。中国自改革开放以来,经济取得了重大发展,不可避免的对环境产生重要影响,成为世界上温室气体排放最多的国家之一,其中建筑、工业、交通为温室气体排放的三大重点领域[3]。中国建筑能耗研究报告(2022)中指出,全国建筑全过程碳排放总量约为49.3亿tC O2,在全国碳排放所占比重为50.9%[4],因此建筑低碳节能也成为业界关注的重点。我国城镇住宅建筑面积占全国总建筑面积的46.28%,能源消耗占比为39%,碳排放占全国总碳排放的42%,且从2006年-2018年间我国城镇居住建筑碳排放量呈现逐年上升的趋势,从2006年的4.38亿吨增长至2018年的8.67亿吨,涨幅为97.95%,如图1.1、1.2所示[5]。所以,在环境问题日益突出的背景下,建筑的节能减碳性能的提升具有重大意义,对实现国家“双碳战略目标”也至关重要。其中,建材生产和建筑运行阶段碳排放与建筑围护结构息息相关。因此,建筑围护结构对建筑碳排放有重要影响,合理设计围护结构,对实现国家碳达峰、碳中和目标具有重要意义。
我国黄土高原地区地域广阔,气候复杂,热工分区上横跨严寒和寒冷两个地区,日照条件优越,年辐射总量在5400-6700MJ/m2,全年日照时数为2100-3100 h,日照百分率达50%~70%,北部比南部多约200~300小时,仅次于全国日照资源最为丰富的青藏高原[6]。建筑围护结构设计与建筑低碳节能以及气候的关系十分密切。我国幅员辽阔,地形复杂多变,各地区气候差异较大,为了使各地区建筑能够适应不同的气候条件,建筑上应反映出不同的特点和要求,寒冷的北方,建筑需防寒和保温,建筑布局紧凑,体态封闭、厚重;炎热多雨的南方,建筑要通风、遮阳、隔热,以降温除湿,建筑讲究防晒,内外通透。因此,针对我国不同地区气候条件对建筑低碳节能影响的差异性,研究黄土高原地区城镇住宅围护结构低碳节能设计的要求,合理利用气候资源,防止气候对建筑的不利影响。但从建筑低碳节能设计的角度来看,既有的热工设计分区过于笼统,不利于从建筑对气候的利用和低碳设计[7],刘加平学者[8]在对建筑围护结构的研究中提出综合考虑地域气候、太阳辐射等多因素的设计方法。因此,针对黄土高原的研究综合考虑热工分区和太阳辐射。
1.2 国内外研究现状
节能减排在建筑行业的推进对于实现可持续发展意义重大,所以越来越多的学者在建筑能耗和碳排放上进行研究,同时也有了实质性的进展。
1.2.1 碳排放研究现状
(1)低碳与节能
达到什么标准的建筑可以称之为低碳建筑?这一点,学术界目前还无法给出一个明确的定义。学者M lecnik[18]将碳排放量低于标准建筑的建筑定义为低碳建筑。学者傅群[19]认为低于标准建筑碳排放量的建筑,或者达到国家绿色认证的建筑且居住者在使用过程中行为符合低碳要求的建筑称之为低碳建筑。
低碳建筑的定义在国内学术界进行了多次探讨,主要有以下几个方面:学者李启明等学者[20]认为,低碳建筑是一种建筑模式,它要求在建筑以低能耗、低污染、低排放为基础,在建筑全生命周期内最大限度地降低温室气体的排放。赵黛青学者[21]认为,低碳建筑是低碳经济理念的一种发展策略,它要求建筑在满足人的基本舒适性要求和功能需求的同时,在全生命周期内尽可能地节约资源,保护环境和降低温室气体、固体废弃物等的排放。邢立轩[22]认为,低碳建筑是一种建筑体系,满足高能效、低能耗、低污染、低排放。随着对低碳建筑的不断研究,不少地区出台了多部标准。在DBJ50/T-139-2012《重庆市低碳建筑评价标准》[23]中,低碳建筑被定义为在建筑生命周期内,从规划、设计、施工、运营、拆除、回收利用等各个阶段,通过减少碳源和增加碳汇实现建筑碳排放性能优化的建筑。
综上所述,在本研究中,将低碳建筑定义为低于参照建筑碳排放量的建筑,参照建筑的设置满足《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[17]的要求。
2 建筑全生命周期和多目标优化相关理论
2.1 生命周期理论
生命周期评价(Life Cycle Assessment,即 LCA)是用于评估产品、过程或活动在其整个生命周期中环境负荷的一种有效决策工具。生命周期评价主要包括生产、运输和分销,使用、再利用、维护,回收和最终处置等过程。在建筑领域运用生命周期评价,有助于确定建筑的可持续发展。生命周期评价理论的特点是:不局限于产品生产的某一个阶段,对产品整个生命过程的影响效果进行全面、系统地展示。
生命周期评价(LCA)是对与产品系统相关的环境负荷进行定量评价过程。首先对产品所使用的材料、能源和环境的排放进行测量,然后对材料、能源的使用和环境排放的影响进行评估。评估的范围涵盖产品原材料的收集和生产,产品的制造、销售、使用、回收、最终处置以及整个环节中所包含的运输过程,从产品诞生到死亡的整个时间。在2019年国家制定的JGB/T51366-2019《建筑碳排放计算标准》[69]中,把建筑碳排放的核算范围分为3阶段,分别为建筑运行阶段、建筑建筑及拆除阶段和建材生产与运输阶段。从建筑自身来看,建材的生产本身就是高耗能的工业过程,且与建筑自身寿命相比,材料寿命要短的多;建筑运行过程中也需要消耗能源以营造良好的室内环境。因此,建筑对环境负荷的影响比任何其他行业都要深。建筑生命周期评价更适合对环境负荷较低的绿色建筑进行评价,综合考虑建筑生命周期各环节的能耗和环境负荷。本研究对所选建筑案例的碳排放量、成本采用生命周期评估法进行计算。
2.2 建筑全生命周期碳排放核算
2.2.1 相关概念
碳排放(Carbon emission):关于温室气体排放的总称。温室气体中最主要的气体是二氧化碳(CO2),用碳(Carbon)一词作为代表。
建筑碳排放(building carbon emission):GB/T51366-2019《建筑碳排放计算标准》[69]中对建筑碳排放的定义为建筑物在与其全生命周期有关的,包括建材生产运输阶段、建造阶段、运行阶段以及拆除阶段产生的温室气体排放的总和,以二氧化碳当量表示。
碳排放因子(Carbon emission):在GB/T51366-2019《建筑碳排放计算标准》[69]中对碳排放因子的定义为将能源与材料消耗量与二氧化碳排放相对应的系数,用于量化建筑物不同阶段和相关活动的碳排放。
在研究中,问题涉及多个目标称之为多目标优化问题。一个多目标问题,各个目标之间相互制约,往往要牺牲其中一个目标才能使另一个目标达到最优。多目标优化问题的解往往是一组或几组解的集合。解决多目标优化问题并不是得到每个目标上的最优解。而是满足要求之后的平衡。它的一般形式为目标函数和约束条件组成。进行优化时目标函数之间可能相互关联也可能相互冲突,提高其中一个目标函数值的同时可能会引起另外一个目标函数值的下降,并且各目标往往具有不同的量纲,有不同的物理意义。多目标优化问题的难点在于如何整体提升最优解集的质量。处理方法有两种:一是权重系数法,对目标进行加权处理,转化为单一目标。权重系数法的一大弊端是单一性的最优解法。第二种方法是寻找帕累托(Pareto)最优解。帕累托(Pareto)最优解是求一个满足约束条件的向量,使目标函数结果最优。解决多目标问题的优化算法很多,常见的有遗传算法、人工神经网络、模拟退火算法、BL 算法(Bottom-Left)、粒子群优化算法等。本文选取遗传算法作为文章的优化方法。
3 黄土高原围护结构热工参数研究 ............................ 23
3.1 黄土高原地貌区划和气候特征 ....................... 23
3.1.1 黄土高原区域范围 ............................ 23
3.1.2 地形地貌 ................................... 24
4 围护结构热工参数优化 ................................. 49
4.1 多目标优化流程 .................................. 49
4.1.1 优化目标 .................................... 49
4.1.2 评价指标 .............................. 49
5 黄土高原围护结构构造研究 ............................ 61
5.1 保温方式优化 ............................. 61
5.1.1 保温方式 ................................. 61
5.1.2 模拟结果分析 ................................. 63
5 黄土高原围护结构构造研究
5.1 保温方式优化
本节将选取采用不同保温方式的外墙构造进行全年的综合模拟,观察黄土高原地区典型住宅的建筑能耗、建筑碳排放和建筑成本,对比分析不同保温方式的外墙的综合表现。
5.1.1 保温方式
研究选取外墙外保温构造方式、外墙内保温构造方式以及外墙夹心保温构造方式,采用国家标准图集《外墙外保温建筑构造》、《夹心保温墙建筑与结构构造》和