雙碳目標(biāo)下降低建筑全生命周期能耗的綠色建筑發(fā)展研究

鄔靖 姚明 姚岳

一、引言

2021年，“碳達(dá)峰”和“碳中和”首次寫入中國(guó)政府工作報(bào)告。明確提出，中國(guó)力爭(zhēng)到2030年實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。建筑行業(yè)自身的特點(diǎn)決定了其在助力中國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)中將發(fā)揮重要作用，了解建筑能耗，大力發(fā)展綠色建筑對(duì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要意義。自1986年實(shí)施建筑節(jié)能政策以來，我國(guó)在理論研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用等方面取得了不錯(cuò)的效果，發(fā)展進(jìn)程分為幾個(gè)階段：中國(guó)的探索階段于2000年結(jié)束，其中提出的建筑目標(biāo)是在1981年的基礎(chǔ)上建筑能耗降低30%；試點(diǎn)示范階段為2000年至2005年，引入了一系列能效標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和50%的能效目標(biāo)；2005至2015年發(fā)展階段，能效目標(biāo)在前一個(gè)階段的基礎(chǔ)上達(dá)到65%，2005年后北京、上海、浙江以及其他地方在此階段實(shí)施了75%的建筑節(jié)能目標(biāo)。

盡管設(shè)定的能效目標(biāo)趨于更高，但中國(guó)住宅建筑的實(shí)際能耗卻在不斷增加。根據(jù)《2020年中國(guó)建筑能耗年度報(bào)告》，2005年至2018年，全國(guó)建筑全生命周期能耗從2005年的9.34億噸標(biāo)準(zhǔn)煤上升至21.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比2018年擴(kuò)大2.3倍。

因此，中國(guó)住宅建筑能源的總量和單耗呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，新增建筑涉及建筑行業(yè)的多個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)會(huì)增加碳排放，因此，推動(dòng)建筑行業(yè)綠色發(fā)展，對(duì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重大意義。本文將從住宅建筑能耗構(gòu)成入手，結(jié)合文獻(xiàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建建筑能耗模型，揭示住宅建筑能耗上升的內(nèi)在原因，并著重針對(duì)“建筑”“綠色”“低能耗”三者的融合進(jìn)行研究，探討在建筑中如何融入綠色元素，旨在降低建筑全生命周期能耗，形成良好的設(shè)計(jì)發(fā)展效果，從而為我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)發(fā)揮重要作用。

二、建筑能耗構(gòu)成

一般而言，建筑能耗不應(yīng)只關(guān)注建筑的運(yùn)行能耗，而應(yīng)從全生命周期能耗的廣義角度進(jìn)行研究。所謂全生命周期就是從建筑的規(guī)劃、施工到拆除這一過程，包含了使用過程中的所有能耗。

廣義建筑的能耗可分為物化階段能耗（Ema）、施工階段能耗（Ecp）、使用階段的能源消耗（Eum）和拆除階段的能源消耗（Edt）。近十年來，建筑行業(yè)高污染以及高耗能模式快速發(fā)展導(dǎo)致產(chǎn)能過剩的主要原因是房地產(chǎn)的不合理開發(fā)。

如圖1所示，Eum為使用階段的能源消耗，占總建筑能耗的50%；物化階段能耗為Ema，占總建筑總能耗的30%；施工階段能耗Ecp和拆除階段能源消耗Edt分別占總能耗的15%和5%。

圖1 建筑能耗構(gòu)成

隨著建筑高度越來越高，以及越來越高的裝修要求，導(dǎo)致物化階段的能耗呈上升趨勢(shì)，尤其是住宅和學(xué)校，物化階段在建筑全生命周期的碳排放量占比超過60%。很明顯，建筑節(jié)能不可忽視物化階段的能源消耗。此外，上述四個(gè)階段的能源消耗也因建筑類型和功能、使用條件、氣候、經(jīng)濟(jì)性等因素而有所不同。

1.室內(nèi)環(huán)境能耗

室內(nèi)環(huán)境能耗由熱環(huán)境、室內(nèi)光環(huán)境和空氣環(huán)境能耗構(gòu)成，圖2所示為室內(nèi)能耗具體構(gòu)成。在華北采暖地區(qū)，建筑平均單位能耗約為其他地區(qū)的兩倍，采暖能耗占住宅建筑總能耗的50%以上。在我國(guó)南方地區(qū)，空調(diào)能耗較大，部分地方占比達(dá)到30%以上。近年來，南方地區(qū)單位能耗增速明顯高于北方地區(qū)，空調(diào)能耗呈上升趨勢(shì)，增幅大于供暖。建筑熱工總能耗呈上升趨勢(shì)。此外，隨著生活水平的提高，人均居住面積的增加、氣候變暖、極端氣候頻率的上升，將進(jìn)一步導(dǎo)致住宅建筑的熱環(huán)境能耗更高。

圖2 室內(nèi)環(huán)境能耗構(gòu)成

空氣環(huán)境能源消耗主要是凈化、通風(fēng)、排煙、加濕、除濕等能源消耗。隨著衛(wèi)生健康意識(shí)的增強(qiáng)，各種換氣扇、抽油煙機(jī)、空氣凈化器、加濕器、除濕機(jī)等設(shè)備更加普及，這將提高空氣環(huán)境的能源消耗?？傊S著生活水平的提高和對(duì)室內(nèi)環(huán)境的更高要求，室內(nèi)環(huán)境能源利用（Een_u）中熱環(huán)境（Ethermal）、光環(huán)境（Elight）、空氣環(huán)境（Eair）的能耗會(huì)在一定程度上繼續(xù)增加，我們可以得到：

2.居住行為能耗

居住行為能源消耗包括食品加工和儲(chǔ)存的能源消耗、在家工作的能源消耗以及其他居住行為的能源消耗。以上海為例，2016年平均家庭用電量為28.2千瓦時(shí)/平方米，燃?xì)庀牧繛?.3立方米/平方米，其中煤電消耗比為3∶7，空調(diào)能耗占全年家庭用電量的31%。從煤電消耗比例和燃?xì)庀牧靠矗称芳庸ず蛢?chǔ)存能源消耗占上海市家庭能源消耗的30%以上。

由于食品加工和儲(chǔ)存是居民的基本生活需求，其能源消耗應(yīng)得到保障，而這種能源消耗將與能源種類、設(shè)備能效、居民生活方式有關(guān)，隨著人們的飲食需求和廚房用具的增加而進(jìn)一步上升。居家辦公、居家購(gòu)物、居家學(xué)習(xí)，有利于緩解城市交通壓力，節(jié)約公共資源，提高居民時(shí)間利用效率，提高生活質(zhì)量。后疫情時(shí)代，部分行業(yè)和崗位的居家辦公將迎來快速發(fā)展。

這種生活方式雖然減少了公共場(chǎng)所的能源消耗，但居家辦公往往會(huì)增加居住行為能耗。研究表明，包括休息、學(xué)習(xí)、網(wǎng)購(gòu)、健身、社交、娛樂等其他居住行為在內(nèi)，中國(guó)城市居民平均在家居住時(shí)間為17.6小時(shí)。由于手機(jī)、電腦的廣泛使用，生產(chǎn)生活方式也發(fā)生了改變，室內(nèi)環(huán)境和其他生活行為的能源消耗都會(huì)增加，目前越來越多種類的電器進(jìn)入日常生活，不僅改善了人們的生活和勞動(dòng)效率，但也增加了家庭能源消耗。因此，住宅行為能源利用（Erb_u）由食品加工和儲(chǔ)存能源消耗（Ekitchen）、居家工作能源消耗（Ework）和其他住宅行為能源消耗（Eother）組成，即：

3.公用事業(yè)能源消耗

公用事業(yè)能源消耗包括日常公共設(shè)施、變壓器及線路損耗等。由于目前的住宅多為高層建筑，土地資源緊缺，平均樓層將進(jìn)一步增加，加裝電梯、新建車庫(kù)、改善社區(qū)景觀等老舊小區(qū)改造將推動(dòng)公用事業(yè)能源消耗的上升。

綜上所述，住宅建筑在使用階段的能耗Eum為室內(nèi)環(huán)境能耗 Een、居住行為能耗 Erb和公用事業(yè)能耗 Epu之和，即：

三、綠色建筑理念

為降低建筑能耗，助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，本文引入了綠色建筑理念，綠色建筑可以被稱為經(jīng)濟(jì)建筑，綠色建筑理念的核心內(nèi)容是盡量減少能源、資源浪費(fèi)，并盡量利用新技術(shù)、新材料提高居住品質(zhì)。

綠色建筑促進(jìn)了理想生物系統(tǒng)和良好氣候方面的多維和實(shí)用優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提供了廣泛的自然、社會(huì)、環(huán)境變化的應(yīng)對(duì)措施，以及生物多樣性效益。綠色建筑可以促進(jìn)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)減少建筑對(duì)碳排放和氣候的影響。此外，綠色建筑具有節(jié)約資源、促進(jìn)循環(huán)再利用、減少浪費(fèi)和資金優(yōu)勢(shì)。美國(guó)環(huán)保署稱“綠色建筑”是指在建筑的整個(gè)生命周期內(nèi)，從選址到設(shè)計(jì)、改進(jìn)、移動(dòng)、支撐、重建和解構(gòu)，建造和使用新材料新技術(shù)保障人們的居住環(huán)境。

將綠色建筑設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到住宅設(shè)計(jì)中，可以更好地提高設(shè)計(jì)效果，降低建筑能耗，最重要的是對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”具有深遠(yuǎn)影響。

四、綠色建筑在降低建筑能耗的應(yīng)用

為了解決日益嚴(yán)重的建筑與環(huán)境之間的矛盾，就要正確面對(duì)人類生存和發(fā)展帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時(shí)，我們也應(yīng)該深刻反思，重新審視自己的生產(chǎn)生活方式，不能以生態(tài)環(huán)境惡化為代價(jià)無節(jié)制地消耗資源。相反，要在建筑領(lǐng)域大力推廣綠色建筑理念，提出建筑能耗降低的措施，將各種先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于建筑，早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)雙碳目標(biāo)。

1.優(yōu)化建筑布局

在房屋的平面設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，綠色建筑設(shè)計(jì)理念是最常見的應(yīng)用模式。例如，根據(jù)不同地區(qū)的特點(diǎn)設(shè)置不同的房屋朝向，可以有效地應(yīng)用太陽能，減少建筑過程中的浪費(fèi)，提高房屋室內(nèi)溫度。通風(fēng)口的設(shè)計(jì)將極大地影響房屋內(nèi)的空氣質(zhì)量，從而確保根據(jù)人們的需求可以在冬季或夏季得到更舒適的居住環(huán)境體驗(yàn)。科學(xué)的通風(fēng)設(shè)計(jì)可以有效加快室內(nèi)空氣的流通。風(fēng)能和太陽能的有效利用可以減少暖通空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用，減少不必要的浪費(fèi)，增強(qiáng)人們對(duì)綠色建筑理念應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中的認(rèn)可。比如，我們可以根據(jù)地塊的坡度進(jìn)行規(guī)劃，坡度不是很大的場(chǎng)地可以設(shè)置為停車場(chǎng)，較大坡度的場(chǎng)地可以設(shè)置為兒童玩耍區(qū)域，既保留了原有的土地形態(tài)，又滿足了人們生活的需要?；诰G色建筑設(shè)計(jì)理念，人們獲得了更好的生活體驗(yàn)，并在一定程度上保證了人與自然的和諧。

2.合理利用資源和能源

地?zé)崮芎吞柲鼙徽J(rèn)為是一種隱藏在自然界中的可再生環(huán)境能源，具有很高的利用價(jià)值，低能耗建筑采用可再生能源供暖將具有重要意義，對(duì)環(huán)境保護(hù)和減少碳排放的影響。地源熱泵地?zé)崮芄┡且环N經(jīng)濟(jì)高效、對(duì)環(huán)境友好的供暖方式。我國(guó)幅員遼闊，地?zé)豳Y源豐富，將豐富的地?zé)豳Y源應(yīng)用于建筑采暖，無疑對(duì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有積極作用。近年來，清潔能源和工程技術(shù)的成熟使地?zé)崮艿玫搅藦V泛應(yīng)用。地?zé)崮芸商娲禾?、核能和天然氣能源，既可以用于發(fā)電也可以直接供熱。

太陽能光伏技術(shù)與建筑相結(jié)合，在低能耗建筑外圍和主體結(jié)構(gòu)表面分別通過部署光伏器件直接產(chǎn)生光伏能量，可以促進(jìn)低能耗建筑生產(chǎn)更多優(yōu)質(zhì)綠色清潔能源，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)不要求建筑占用寶貴的自然土地和淡水資源，不需要消耗任何額外的化學(xué)燃料，綠色環(huán)保，可以有效地利用我國(guó)廣闊而豐富的陽光照射資源，以及對(duì)能源的需求。光伏系統(tǒng)可以覆蓋在低能建筑的屋頂或建筑外墻上，形成光伏發(fā)電系統(tǒng)，安裝過程相對(duì)簡(jiǎn)單，易于推廣。如果能在低能耗建筑中得到充分有效地利用，太陽能供暖必將在未來幾年產(chǎn)生良好的節(jié)能效果。

五、結(jié)論

碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，僅僅關(guān)注狹義的建筑能耗是不夠的，更要進(jìn)一步對(duì)整個(gè)建筑生命周期的建筑能耗進(jìn)行評(píng)估。物化階段的能耗約為建筑總能耗的一半，其中建筑材料和設(shè)備生產(chǎn)中的降耗節(jié)能、使用低能耗建筑材料、材料的節(jié)約等影響較大。施工過程和拆除處理的能耗雖然占比很小，但也具有至關(guān)重要的節(jié)能意義。值得注意的是，建筑垃圾資源化利用在建筑拆除處理中對(duì)節(jié)能和環(huán)境保護(hù)具有雙重意義。

綠色理念在建筑行業(yè)的實(shí)際落地是一種社會(huì)問題，甚至是一種系統(tǒng)性的行業(yè)問題。缺乏國(guó)家有關(guān)政策法規(guī)的保障和地方政府部門的系統(tǒng)推進(jìn)措施，建筑行業(yè)的綠色目標(biāo)將很難達(dá)到，尤其是在綠色施工流程的實(shí)現(xiàn)。唯有通過合作方式，在立法、政策、管理、規(guī)范、監(jiān)督和科技攻關(guān)等方面，廣泛協(xié)同，方可達(dá)到良好的綠色效益，實(shí)現(xiàn)我國(guó)雙碳目標(biāo)。