LEED-ND對夏熱冬冷地區(qū)住區(qū)的碳減排潛力分析

■ 陳蔚鎮(zhèn) Chen Weizhen 劉 超 Liu Chao許 鵬 Xu Peng

0 概述

建筑節(jié)能是當(dāng)今全球關(guān)注的焦點(diǎn)，各國從強(qiáng)制性法規(guī)、獎(jiǎng)勵(lì)性認(rèn)證、引導(dǎo)性技術(shù)創(chuàng)新等方面層層推進(jìn)，并逐漸從單體建筑尺度的建筑節(jié)能擴(kuò)展到承載綜合建筑節(jié)能內(nèi)涵的綠色住區(qū)尺度。目前，國際上雖沒有專門評估和認(rèn)證綠色住區(qū)的通行標(biāo)準(zhǔn)，但已出現(xiàn)比較權(quán)威、接受度較廣的綠色住區(qū)、可持續(xù)住區(qū)的評價(jià)和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，它們多源自單體綠色建筑評價(jià)體系，評價(jià)宗旨高度一致，評價(jià)條款部分重合。例如，制定世界上第一個(gè)綠色建筑評估體系BREEAM(Building Research Establishment Environmental Assessment Method，1990)的英國，于2009年6月推出了社區(qū)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(BREEAM Communities)[1]。日本的建筑物綜合環(huán)境性能評價(jià)系統(tǒng)(CASBEE)于2006年7月發(fā)布了CASBEE for Urban Development，即針對建筑社區(qū)的環(huán)境性能評價(jià)分冊[2]。2009年，美國綠色建筑委員會(huì)(USGBC)、美國新城市主義協(xié)會(huì)(Congress for the New Urbanism)以及保護(hù)自然資源委員會(huì)(Natural Resources Defense Council)也發(fā)表了綠色社區(qū)設(shè)計(jì)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)LEED-ND(Leadership in Energy and Environmental Design for Neighborhood Development)的正式版本[3]。這些特征各異的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)成為當(dāng)今區(qū)域開發(fā)和綠色建筑市場的重要技術(shù)支撐，且相輔相成開拓著各自的市場。

目前，美國LEED及其LEED-ND評估體系被認(rèn)為是世界上較具影響力的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它們在中國也取得了巨大的商業(yè)成功，經(jīng)其認(rèn)證的建筑、住區(qū)數(shù)量增長迅速。截至2012年10月，中國共有8個(gè)區(qū)域項(xiàng)目通過了LEED-ND試用版第二階段的認(rèn)證，其中北京奧運(yùn)村、重慶天地新城、佛山嶺南天地、武漢天地四個(gè)項(xiàng)目獲得了金獎(jiǎng)?wù)J證。

LEED-ND中的條款約束將對住區(qū)CO2的減排產(chǎn)生直接或間接的促進(jìn)作用，但目前LEED-ND對住區(qū)的減排貢獻(xiàn)度還未見有定量的分析，本文將針對夏熱冬冷地區(qū)的住區(qū)展開CO2減排潛力的評估研究。

表1 LEED-ND的12條前提條件

1 LEED-ND認(rèn)證的住區(qū)CO2減排評估

住區(qū)的CO2排放主要來源于建筑與交通的能源消耗，與地域、氣候以及所處城市區(qū)位有著直接關(guān)聯(lián)，因此評估過程將首先篩選其前提條件中對碳減排有顯著效應(yīng)、可量化的條款，建立一個(gè)典型的位于夏熱冬冷地區(qū)城市的住區(qū)基準(zhǔn)模型；然后評估典型住區(qū)的CO2基準(zhǔn)情景和滿足LEED-ND條件下的CO2排放情景(以下簡稱LEED-ND情景)；最后將兩種情景進(jìn)行比較，評價(jià)其減排的實(shí)效意義。

1.1 LEED- ND認(rèn)證概述

LEED-ND區(qū)域評估體系類似于LEED其他分冊，采用分級打分的方法強(qiáng)化重要指標(biāo)的作用。其條款由“前提條件”和“得分條件”構(gòu)成，社區(qū)項(xiàng)目只有全部滿足“前提條件”，才有可能獲得認(rèn)證，而各“得分條件”并非強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，每項(xiàng)得分僅有助于增加總分累積，總分達(dá)到一定分值方可通過認(rèn)證。

LEED-ND包含5個(gè)評價(jià)類別：精明選址與聯(lián)系、鄰里模式和設(shè)計(jì)、綠色基礎(chǔ)設(shè)施和建筑、創(chuàng)新和設(shè)計(jì)過程、地區(qū)優(yōu)先性，共56條評價(jià)條款。其中12條是前提條件(如表1所示)，它們對于綠色住區(qū)評估是最重要的，是必須滿足的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，住區(qū)可以通過滿足更多的條款來得分，申請認(rèn)證級、銀級、金級和鉑金級認(rèn)證。本文為了獲得普適性，在現(xiàn)階段只針對12條前提條款對住區(qū)的碳減排潛力進(jìn)行分析，力求達(dá)到最具代表性和廣泛使用度的結(jié)果。

1.2 典型住區(qū)模型建立

建立典型住區(qū)模型的目的是為了可以使用住區(qū)空間構(gòu)成的基本參數(shù)，如人口、建筑面積等來評估其CO2排放量，這些參數(shù)在基準(zhǔn)情景和LEED-ND條件下的情景都相對恒定。考慮當(dāng)下城市發(fā)展中精明增長、鼓勵(lì)用地功能混合等理念趨向，按照《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》2002年版本的要求，結(jié)合長三角地區(qū)住區(qū)空間的一般特征，假設(shè)住區(qū)為居住區(qū)小區(qū)級別并具有以下特征[4-6]：

⑴位于夏熱冬冷地區(qū)大城市(上海)的中心城區(qū)。

⑵住區(qū)建筑總面積為62.5萬m2，平均容積率為2.5。

⑶人均住宅面積為40m2，住宅總面積為40萬m2。

⑷公共建筑面積為12.5萬m2。

⑸住區(qū)有10 000名居民；人口結(jié)構(gòu)比例參考上海市第六次全國人口普查得到60歲以上居民15.07%，15~59歲居民76.30%；15歲以下居民8.63%。短距出行(上學(xué)、購物、文體活動(dòng)等)的單程距離假設(shè)為1km。通勤距離根據(jù)上海市第五次居民出行調(diào)查與交通特征研究結(jié)果為12km/次，出行特征如表2所示。

2 典型住區(qū)的基準(zhǔn)情景與LEED-ND情景碳排放分析

分析表1中LEED-ND的12條前提條件，可以將其劃分為與建筑相關(guān)、與交通出行相關(guān)、與水相關(guān)、與自然環(huán)境相關(guān)的四類條款，考慮到量化評估的可行性，2條涉及水資源綜合利用、4條涉及自然生態(tài)環(huán)境的條款由于描述的不確定性、量化難度以及對住區(qū)CO2排放的微小影響，本文對此暫不做討論。因此在12條前提條件上篩選最主要，且符合我國夏熱冬冷地區(qū)住區(qū)的條款，即與建筑相關(guān)和與出行相關(guān)的條款，分析其對典型住區(qū)的影響，進(jìn)而計(jì)算減排量。

表2 住區(qū)出行距離、強(qiáng)度和人數(shù)

表3 90.1及JGJ134對于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及分體式空調(diào)系統(tǒng)效率的規(guī)定

2.1 住區(qū)建筑相關(guān)能耗

LEED-ND要求公共建筑及多層住宅建筑能源耗費(fèi)低于美國建筑節(jié)能規(guī)范90.1-2007規(guī)定的基準(zhǔn)建筑的90%，由于這里僅僅討論CO2排放，為方便分析忽略能源政策的影響，將能源耗費(fèi)簡單等同于一次能源消耗量。

首先對于住宅建筑，由于住宅建筑能耗影響因素主要為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能及空調(diào)系統(tǒng)的效率，從簡單分析的角度可做如下假設(shè)：以滿足《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 134-2010)(以下簡稱“JGJ134”)規(guī)定的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能及分體式空調(diào)系統(tǒng)效率的住宅建筑運(yùn)行能耗作為該小區(qū)住宅建筑基準(zhǔn)能耗。

考慮到建筑目前節(jié)能規(guī)范主要是針對建筑運(yùn)行能耗的最大項(xiàng)—建筑空調(diào)和供暖系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定，本文也主要針對這兩部分進(jìn)行討論?？紤]到夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑原則上不考慮冬季供暖，因此這里僅僅考慮空調(diào)能耗。假定住區(qū)為框架結(jié)構(gòu)的住宅建筑；住宅建筑的體型系數(shù)考慮選用“JGJ134”中規(guī)定的高層(4~11層)住宅建筑的體系系數(shù)0.4，由此獲得相應(yīng)的外墻傳熱系數(shù)下限值；夏熱冬冷地區(qū)僅僅考慮制冷工況；考慮住宅用分體機(jī)容量一般不大于考慮住宅用分體機(jī)容量一般≤3匹，因此按容量＜16kW的機(jī)組效率選取。

如表3所示，90.1相對于“JGJ134”的綜合優(yōu)化率為1-(1-54%)/(1+67%)=72.4%，這里考慮將其作為LEED-ND要求下的住宅建筑空調(diào)能耗的優(yōu)化率。而根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，上海地區(qū)住宅空調(diào)能耗占總能耗的比重為25%，則總的建筑能耗優(yōu)化率為18%。

其次對于公共建筑，由于公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)相對復(fù)雜，影響其能耗因素眾多，上述住宅建筑的估算方法并不適用。陳晨等人的研究表明，相對于《上海市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》而言，應(yīng)用90.1-2001版本的公共建筑總節(jié)能率在7.4%；而根據(jù)K· Gowri 等人研究可知：90.1-2004相對于90.1-2001的節(jié)能率為9%~11.2%(取10%)；而M· Halverson等人研究指出 90.1- 2007比90.1- 2004 的節(jié)能率再提升3.7%。綜合上述觀點(diǎn)，考慮相對于《上海市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》而言，應(yīng)用90.1-2007的公共建筑總節(jié)能率在19.7%[7-9]。

建筑能耗CO2排放量的基本原理如下列公式為：

式中，i—建筑類型；

Ei—建筑單位面積年能耗量；

Si是—建筑面積；

In—能耗排放系數(shù)。

2.2 居民交通出行相關(guān)能耗

根據(jù)上海市第五次居民出行調(diào)查與交通特征研究，上海市中心城區(qū)的居民在短距和通勤出行方式的分擔(dān)率有所差別(表4)，短距出行以步行為主，因?yàn)橐陨蠈W(xué)、購物、文體活動(dòng)為主的出行距離一般不會(huì)超過2km；而通勤出行以公共交通(公交車、地鐵)最多，這是因?yàn)橥ㄇ诰嚯x平均超過10km，公共交通設(shè)施可達(dá)的情況下，居民會(huì)首選公共交通。但無論是短距出行還是通勤出行，小汽車的使用率均排上海市中心城區(qū)的居民短距和通勤出行方式的第2位。由于小汽車的CO2排放強(qiáng)度遠(yuǎn)超其他交通方式，如果住區(qū)滿足LEED-ND中關(guān)于公共交通的條款內(nèi)容，則可以將12%的小汽車使用人群轉(zhuǎn)移為公共交通使用人群，這種情景下可以達(dá)到明顯的減排目的。

交通部門的CO2排放是由交通能耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而成，交通能耗的計(jì)算包括宏觀算法和微觀算法兩種，宏觀算法以地區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括汽油消耗總量，總里程數(shù)等內(nèi)容的推算；微觀算法由個(gè)人交通能耗調(diào)查計(jì)算而得。鑒于城市統(tǒng)計(jì)年鑒的精確度和覆蓋度，本文選擇微觀算法。城市空間形態(tài)影響下交通CO2排放量的基本原理如下列公式：

式中，TCE—居民出行的交通CO2排放量；

P—評價(jià)區(qū)域總?cè)藬?shù)；

i—按出行目的分類的居民百分比；

Rj—選擇私家車、公交車、地鐵、騎車和步行的出行方式的百分比；

Lj—每種出行方式的年出行距離；

Ej—第j種交通工具的單位距離能耗；

表4 2009年上海市居民出行方式分擔(dān)率

In—能耗排放系數(shù)。

2.3 LEED-ND情景CO2減排潛力分析結(jié)果

應(yīng)用前述的計(jì)算方法和數(shù)據(jù)，得到上海典型住區(qū)全年CO2基準(zhǔn)情景排放量和LEED -ND情景排放量分別為1.99萬t和1.58萬t。在滿足LEED-ND前提條件下，CO2每年可以減排4 057t，約為基準(zhǔn)量的20%(圖1)。

建筑能耗的基準(zhǔn)排放量中，公共建筑面積小但排放強(qiáng)度相對較大，住宅建筑面積大但排放強(qiáng)度相對較小，CO2排放量分別為6 930t和9 934t，總量差別不大。LEED-ND要求其能耗比90.1-2007的節(jié)約10%，在能耗CO2轉(zhuǎn)換系數(shù)不變的情況下，公共建筑和住宅建筑的CO2排放量分別降低為5 565t和8 146t，建筑排放總量減少了3 153t，約19%(圖2)。

交通出行能耗的基準(zhǔn)排放量中，通勤排放為2 831t/年，占主要部分；短距出行因包含一定比例的機(jī)動(dòng)車出行，也會(huì)帶來約155t/年的CO2排放。LEEDND標(biāo)準(zhǔn)中明確要求增強(qiáng)住區(qū)內(nèi)部聯(lián)系，提高步行道路的適宜性和公共空間的可達(dá)性，短距交通避免機(jī)動(dòng)車出行，短距出行排放量為0，同時(shí)公共交通站點(diǎn)的可達(dá)性提高以后，可以分流部分個(gè)體機(jī)動(dòng)車通勤的居民，通勤二氧化碳排放降為約2 082t/年。全年的出行總排放由2 986t減少為2 082t，節(jié)約出行CO2排放904t，約1/3(圖3)。

3 結(jié)語

USGBC建立并推行的LEED-ND旨在推廣整體住區(qū)的綠色建筑設(shè)計(jì)流程，用可以識別的認(rèn)證來改變市場走向，促進(jìn)綠色競爭和綠色供應(yīng)。LEED-ND評估體系對促進(jìn)夏熱冬冷地區(qū)住區(qū)的低碳化建設(shè)進(jìn)程有著積極作用。從總量看，滿足LEED-ND基本要求社區(qū)的碳排放相對于基準(zhǔn)水平降低了近20%；從分項(xiàng)上看，交通部分碳排放減少比例33%，大于建筑部分(19%)，表明LEED-ND對于社區(qū)交通能耗的碳排放影響＞對建筑能耗部分的影響，通過合理的社區(qū)布局，以及與公共交通站點(diǎn)的接駁布置，可以盡量減少機(jī)動(dòng)車出行及短距出行的碳排放。需要指出的是，本文僅僅是對于LEED-ND減排CO2效果的初步分析，為方便計(jì)算作了較多的假設(shè)，這些假設(shè)必然會(huì)影響最終結(jié)果的精準(zhǔn)度，未來的研究中期望有更多統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來支持定量分析以獲得更理性的結(jié)果。

[1]BRE. BREEAM Communities Technical Guidance Manual[S]. 2009.

[2]IBEC. CASBEE for Urban Development Technical Manual 2007 Edition[S]. 2007.

[3]USGBC. LEED 2009 for Neighborhood Development Rating System[S]. 2010.

[4]中華人民共和國建設(shè)部.城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范GB50180-93.2002.

[5]上海市統(tǒng)計(jì)局.上海市第六次全國人口普查主要數(shù)據(jù)情況介紹. http://www.statssh.gov.cn/sjfb/201105/218818.html,2011.

[6]陸錫明，顧嘯濤.上海市第五次居民出行調(diào)查與交通特征研究[J].城市交通.2011(5):01-07.

[7]陳晨,潘毅群,黃治鐘,吳剛.上海市某商用建筑能耗分析與節(jié)能評估[J].暖通空調(diào),2006(4).

[8]K·Gowri,M·A·Halverson,E·E·Richman.Analysis of Energy Saving Impacts of ASHRAE 90.1-2004 for the State of New York, Pacific Northwest National Laboratory.August,2007.

[9]M·Halverson,ERichman,BLiu,DWiniarski.ANSI/ASHRAE/IESNA Standard 90.1-2007 Final Determination Quantitative Analysis, Pacific Northwest National Laboratory.August,2011.