住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放灰色分析——以合肥地區(qū)為例*1

王立平 龔光彩

(1．湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南長沙　410082; 2．合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院建環(huán)系,安徽 合肥　230009)

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住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放灰色分析
——以合肥地區(qū)為例*1

王立平1，2?龔光彩1

(1．湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南長沙410082; 2．合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院建環(huán)系,安徽 合肥230009)

建筑生命周期內(nèi)，尤其是建材準備階段的能耗和碳排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對較少，缺乏精度高且可操作性強的模型.將非等間距灰色系統(tǒng)預(yù)測模型應(yīng)用于合肥地區(qū)住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放的分析預(yù)測，獲得住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放的預(yù)測公式，經(jīng)后驗差檢驗顯示預(yù)測結(jié)果具有足夠的精度水平.在此基礎(chǔ)上，提出以標準煤作為參考指標的單位碳排放條件下能源利用能力的評價指標.通過對比發(fā)現(xiàn)，建材準備階段單位碳排放條件下的能源利用能力具有較大的提升空間.

能源消耗;建材準備階段;住宅建筑;非等間距灰色模型;碳排放

住宅建筑是建筑業(yè)的主要組成部分，通過歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，無論是開工面積、施工面積還是竣工面積均占當年房地產(chǎn)開發(fā)比例的70%以上，個別年份甚至達到80%.我國的建筑能耗約占全社會總能耗的30%，而如果考慮建材生產(chǎn)過程中的能耗，這一比例將增加到46.7%[1].隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平的提高，住宅建筑能源消耗也逐漸呈現(xiàn)上升趨勢，污染物排放也相應(yīng)的增長.

目前，針對建筑產(chǎn)品和建設(shè)活動的能源利用和環(huán)境影響分析主要集中在應(yīng)用LCA理論從宏觀和微觀兩個角度對建筑生命周期內(nèi)的環(huán)境影響進行研究，宏觀方面通過對建筑系統(tǒng)的生命周期能耗進行研究，得出建筑生命周期能源利用和環(huán)境影響總量，并考察能源消耗和環(huán)境影響在各階段間的關(guān)系；微觀層面通過對典型建筑的分析，獲得單位建筑面積建筑在其生命周期的能源利用和環(huán)境影響及在建筑生命周期各階段的分布狀況[2-4].

根據(jù)生命周期理論，建筑生命周期劃分為建材準備階段、運輸和施工階段、運行(維護)階段、拆除階段和廢棄物處理階段[5].建材準備階段是指從原材料開采、運輸、加工直至最終形成建材產(chǎn)品的整個過程.文獻[3]中指出住宅建筑建造能耗與50 a運行及供暖能耗之比為1∶2∶4，其中運輸能耗僅占3%～5%.文獻[4]中得出馬鞍山市某12層住宅30 a生命期中運行階段與建造階段碳排放的所占比例分別為72.26%和20.77%.以上皆為從總量的角度分析，若考慮到時間因素，則建材準備階段的能耗和碳排放的強度遠遠高于其他階段.但建材準備階段由于種類多、數(shù)量大、涉及范圍廣等因素，導(dǎo)致統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對較少，數(shù)據(jù)差異較大，缺乏具有高精度和可操作性的模型.

灰色系統(tǒng)理論是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息、不確定性問題的新方法.其主要研究內(nèi)容是在少數(shù)據(jù)和不確定性背景下的數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象分析、數(shù)學(xué)模型建立、發(fā)展趨勢預(yù)測、事物決策、系統(tǒng)控制與狀態(tài)評估等.馬卓越[6]建立了公共建筑能耗的正負殘差非等間隔殘差預(yù)測模型，進行了短期能耗預(yù)測，其結(jié)果符合能耗增長的趨勢；曾荻[7]應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法確定了民用建筑運行能耗與各影響因素間的關(guān)聯(lián)度，證明民用建筑運行能耗與指標體系中的各宏觀影響因素間均具有比較高的關(guān)聯(lián)度；郭俊杰[8]利用灰色系統(tǒng)理論建立了空氣源熱泵熱水裝置的家庭熱水消耗和能耗模型，預(yù)測和實測對比表明，模型預(yù)測精度良好；Y Bai[9]等將灰色預(yù)測模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合，大幅度提高了對建筑能耗的預(yù)測精度.

本文應(yīng)用非等間距灰色GM(1，1)模型對合肥地區(qū)不同區(qū)域內(nèi)近年建設(shè)的住宅建筑在建材準備階段的能源消耗和碳排放進行分析，提出建立基于建筑面積和層數(shù)的預(yù)測模型，并從單位碳排放的角度對建材準備階段的能源利用能力進行評估.結(jié)果表明灰色模型在建材準備階段能耗和碳排放預(yù)測中能達到較高的精度，具有一定的科學(xué)性和參考價值.

1　灰色系統(tǒng)理論簡介

(1)

其中：

(2)

上述為等間距序列的GM(1，1)模型，而在樣本中無論是建筑面積還是建筑層數(shù)都是非等間距的.因此，依據(jù)非等間距GM(1，1)模型定義能耗序列和碳排放序列分別為Q(0)={q0(ki)},C(0)={c0(ki)}，其生成序列分別為 Q(1)={q1(ki)},C(1)={c1(ki)}．

(3)

其還原值和原始序列的預(yù)測值分別為：

(4)

(5)

(1-e-aΔki+1)e-a(ki+1-ki).

(6)

為了準確評估預(yù)測的效果，利用后驗差檢驗來進行評估，各評估參數(shù)和預(yù)測誤差如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:C為均方差比值，p為小概率誤差，二者的精度等級均分為4個等級，見表1.

表1　均方差比值和小概率誤差的精度等級劃分Tab.1　Accuracy classification of variance ratio and small probability error

任何建設(shè)項目所需要的人工、材料、機械等的消耗量都可以根據(jù)國家頒布的定額標準來計算.建筑工程定額是指在正常的施工條件下，完成一定計量單位的合格產(chǎn)品所必須消耗的勞動力、材料、機械臺、班的數(shù)量標準.這種量的規(guī)定，反映出建筑工程中的某項合格產(chǎn)品與各種消耗之間特定的數(shù)量關(guān)系.因此，以建筑工程定額作為建筑建設(shè)階段的建材、能源、人力消耗的統(tǒng)計依據(jù)，方法科學(xué)、標準統(tǒng)一、具有普適性.通過工程定額確定工程項目在建材準備階段所消耗的主要建材種類和數(shù)量，進而獲得該建筑在建材準備階段的物化能耗和碳排放數(shù)據(jù)，即為該系統(tǒng)的觀測系列.該數(shù)據(jù)序列會受到多種因素的影響，如設(shè)計師設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計思想、甲方經(jīng)營理念、營銷模式等多種因素影響，具有明顯的灰色系統(tǒng)的顯著特征.應(yīng)用灰色預(yù)測理論淡化或消除沖擊擾動對該數(shù)據(jù)序列的影響，獲得住宅建筑建材階段能耗和碳排放的真實行為序列.

2　數(shù)據(jù)統(tǒng)計

建材準備階段的能源消耗和污染排放主要來自于原材料的開采、運輸和加工過程中的能源消耗和污染排放.由于涉及建材種類眾多、數(shù)量不一，環(huán)境影響種類眾多、影響過程復(fù)雜、權(quán)重確定等方面因素，本文暫以能耗和CO2排放作為評價依據(jù).

2.1能耗和碳排放的統(tǒng)計

在建筑產(chǎn)品施工過程中，使用的建材種類繁多，數(shù)量不一.因此，統(tǒng)計所有建材的數(shù)據(jù)是不切實際的.以往研究中也僅關(guān)注主要建筑材料.但是，對于單位能耗量較高或可能產(chǎn)生重大環(huán)境影響的小部分建材，忽略不統(tǒng)計會導(dǎo)致結(jié)果錯誤.經(jīng)過對多分樣本的材料消耗統(tǒng)計進行分析，最終確定進入建材準備階段能耗和碳排放分析范圍的建筑材料，并對其單位含能和碳排放進行逐項統(tǒng)計.所謂含能是指單位產(chǎn)品從自然界原始材料的掘取經(jīng)過運輸、加工、組裝直至成品出廠前的所有相關(guān)過程的能耗總和.要得到建筑材料和燃料、動力的含能和CO2排放量數(shù)據(jù)，需要大量的調(diào)研工作.本文的數(shù)據(jù)主要來源于文獻[11-15]，如表2所示.

2.2能碳比(QCR)

隨著建筑等級和規(guī)模的提高，能量消耗必然逐漸增加，隨之而來的各種環(huán)境問題也在逐漸增加.在有效利用各種形式能量的同時，如何降低對環(huán)境的影響是我們所需要關(guān)注的.基于此，若以碳排放作為環(huán)境影響的一個參考指標，則可以利用能碳比(energy-carbon ratio，QCR)來對建筑或建設(shè)活動中能源消耗(Q)與碳排放(C)之間關(guān)系進行評價.所謂能碳比(QCR)是指在建設(shè)活動或建筑生命周期內(nèi)消耗總能量(Q)與碳排放量(C)之比，即

(11)

其單位為MJ/kgCO2.意為單位碳排放的情況下利用能量的能力.該數(shù)值越大，說明在能源利用過程中產(chǎn)生的負面環(huán)境影響(以碳排放計)越小或單位碳排放條件下的能量利用能力越高.

2.3參考指標

單純的能碳比(QCR)數(shù)值無法評價其實際意義.為便于分析比較，可選擇一有代表性的指標作為參考標準(以下標0表示)，其他過程的QCR與該指標相比獲得無量綱的參數(shù)即相對能碳比(relatively energy-carbon ratio，RQCR).

(12)

建筑材料的生產(chǎn)、運輸和施工過程涉及到冶金、化工、交通、機械等社會各個行業(yè)，建設(shè)活動的能源消耗和環(huán)境影響能夠從總體上反映社會各行業(yè)的總體狀況.因此，參考指標的選取需要具有普遍意義.煤炭在中國一次能源生產(chǎn)中的比例接近 77%，在一次能源消費中的比例為70%左右，發(fā)電消耗原煤占國內(nèi)煤炭消費總量的 50%左右[16]，同時煤炭作為一種礦產(chǎn)資源在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色.以標準煤作為參考指標既具有普遍意義，又便于擴展及在工程中進行應(yīng)用.根據(jù)文獻[17]標準煤的碳排放為2.54 t CO2/tce，計算得到QCR的參考指標為11.54 MJ/kgCO2.RQCR大于1則顯示該過程單位碳排放條件下能源利用能力相對較高，反之則代表該過程能源利用能力仍有一定的提升空間.

表2　主要材料單位含能和單位CO2排放量Tab.2　Embodied energy and carbon emission per unit mass of major building materials

3　實例分析

通過對樣本建筑預(yù)(決)算中所消耗的前述建材進行統(tǒng)計，得到各個建筑土建部分主要建材的能源消耗和碳排放情況見表3.表3中x為建筑層數(shù)，部分建筑層數(shù)相同，結(jié)果取其平均值.

表3　合肥地區(qū)住宅建筑建材準備階段單位面積能耗和碳排放統(tǒng)計表Tab.3　Statistics of energy consumption and carbon emission per unit floor area of residential building

表4　單位面積能耗和碳排放預(yù)測結(jié)果的精度等級評估Tab.4　Accuracy classification of prediction results of energy consumption and CO2 emission per unit area of residential buildings

建材準備階段的能耗與建筑功能、建筑規(guī)模、建筑結(jié)構(gòu)等因素有直接關(guān)系，建筑面積越大則建材使用種類和數(shù)量越多；建筑層數(shù)則決定了建材的規(guī)格和數(shù)量.應(yīng)用前述非等間距GM(1，1)模型并借鑒文獻[20]中的預(yù)測公式構(gòu)成模式，以合肥地區(qū)上述建筑能耗和碳排放數(shù)據(jù)重新進行分析，根據(jù)式(1)～(6)，可以計算得到單位面積能耗和碳排放的預(yù)測公式分別為：

i=n,n+1,n+2,….

(13)

i=n,n+1,n+2,….

(14)

式中：x為建筑層數(shù)，A為建筑面積，a，b和n為相關(guān)參數(shù)，下標E和C分別為達標能耗和碳排放.以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算得到aE=2.43×105，bE=0.017，aC=2.92×104，bC=0.015，n=4.

應(yīng)用式(7)～(10)，對上述計算結(jié)果進行評估，其結(jié)果見表4.從評估結(jié)果可以看出，兩個預(yù)測值的均方差比值均處于第一等級，而小概率誤差均為第二等級，都滿足精度要求.預(yù)測結(jié)果見圖1和圖2.

建筑層數(shù)圖1　合肥地區(qū)住宅建筑建材準備 階段單位面積能耗與建筑層數(shù)關(guān)系圖Fig.1　Relationship on energy consumption per unit area with the layer numbers of residential buildings in Hefei during the materials preparation stage

建筑層數(shù)圖2　合肥地區(qū)住宅建筑建材準備階段 單位面積碳排放與建筑層數(shù)關(guān)系圖Fig.2　Relationship on carbon emission per unit area with the layer numbers of residential buildings in Hefei during the materials preparation stage

由圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，住宅建筑建材準備階段單位面積無論是能耗還是碳排放都隨著建筑的層數(shù)增加而逐漸增加，但增速逐漸降低，建筑層數(shù)達到30以上時，曲線逐漸趨于平緩.根據(jù)式(10)～(11)和預(yù)測結(jié)果式(12)，式(13)，得到合肥地區(qū)住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放的關(guān)系為：

(15)

(16)

根據(jù)圖3和圖4，合肥地區(qū)住宅建筑建材準備階段的能碳比(QCR)的大小在9～12之間，即每利用9～11 MJ能量需要向環(huán)境排放1 kgCO2，相對能碳比(RQCR)的預(yù)測值約為0.82～0.84，也即建材準備階段的能碳比僅為標準煤燃燒能碳比的82%～84%，單位碳排放條件下的能源利用能力偏低，究其原因是混凝土、金屬型材等主要建筑材料的能碳比較低所導(dǎo)致.

建筑層數(shù)圖3　合肥地區(qū)住宅建筑建材準備 階段能碳比(QCR)分布Fig.3　Distribution of energy-carbon ratio (QCR) of energy residential buildings during the materials preparation stage in Hefei

建筑層數(shù)圖4　合肥地區(qū)住宅建筑建材準備階段 相對能碳比(RQCR)與建筑層數(shù)關(guān)系圖Fig.4　Relationship on relative energy-carbon ratio (RQCR) with the layer numbers of residential buildings in Hefei during the materials preparation stage

4　總　結(jié)

應(yīng)用非等間距灰色GM(1，1)模型對合肥地區(qū)不同區(qū)域14棟2009-2014年間建設(shè)的住宅建筑建材準備階段的能耗和碳排放進行分析，得到該地區(qū)以4層為起點的住宅建筑建材準備階段能耗和碳排放的預(yù)測方法，通過后驗差檢驗顯示其具備足夠的精度水平.樣本建筑單位碳排放條件下能源利用能力偏低，具有較大的提升空間.該方法可應(yīng)用于爛尾樓和空置房的研究，同時對于其它類型建筑的能源利用和環(huán)境影響的研究有一定參考價值.

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Energy Consumption and Carbon Emission Analysis of Residential Building Materials Preparation Stage Based on Grey System Theory——A Case Study of Hefei

WANG Li-ping1，2?, GONG Guang-cai1

(1．College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082,China;2．School of Civil Engineering, Hefei Univ of Technology, Hefei, Anhui230009, China)

The statistics of energy consumption and carbon emission of building during the whole life have the characteristics of poverty and great fluctuation in China, especially during the preparing stage of building materials. Further, analysis models to predict the energy consumption and carbon emission with high-accuracy and operability have not yet been developed. In the present study, the unequal interval grey model was introduced for the analysis and prediction of the energy consumption and carbon emission of the residential building materials at preparation stage in Hefei City. The test results with sufficient accuracy were obtained according to the posterior-variance-test. An evaluation index selecting the standard coal as the reference was proposed on the basis of the proposed model to express the energy utilization ability under unit carbon emission. The prediction results show that the energy utilization ability of building materials at preparation stage is still much lower, which can be improved considerably by comparing with the reference index. The proposed method can be employed to evaluate the energy utilization carbon emission in other building form as well as the unfinished deserted building and vacant house.

energy consumption; building materials preparation stage; residential building; unequal interval grey model; carbon emission

1674-2974(2016)05-0151-06

2015-07-11

國家國際科技合作資助項目(2010DFB63830)

王立平(1982-)，男，河北隆化縣人，湖南大學(xué)博士研究生，合肥工業(yè)大學(xué)講師

?通訊聯(lián)系人，E-mail:lpwang@hfut.edu.cn

TU111,TK123

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