基于灰色關(guān)聯(lián)分析的公共建筑工程碳排放評價

周珊珊,馬海彬,門國明

(1. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001;2. 安徽建工集團(tuán)總承包公司,安徽 淮南 232000)

0 引言

工業(yè)革命以來,人類依賴于大量開采煤炭、石油、天然氣等化石燃料帶來的經(jīng)濟(jì)騰飛。隨著對溫室氣體和溫室效應(yīng)的深入認(rèn)知,過量碳排放導(dǎo)致的愈發(fā)頻繁的極端天氣、北極海冰減少、海平面上升及其他生態(tài)環(huán)境惡化引發(fā)全世界的關(guān)注和討論,各國政府出臺一系列低碳政策以應(yīng)對氣候變化帶來的嚴(yán)重后果。2016年,全世界178個締約方共同簽署了《巴黎氣候變化協(xié)定》;2021年各締約方完成了《巴黎協(xié)定》實(shí)施細(xì)則并制定了相應(yīng)的減排措施。目前,我國碳排放總量仍高居世界榜首,其中建筑全壽命周期能耗總量占全國能源消費(fèi)總量的比重高達(dá)46.5%[1]。2022年建筑業(yè)產(chǎn)值已突破30萬億元,同比增長6.5%。作為人口基數(shù)龐大的發(fā)展中國家,我國在未來相當(dāng)長的一段歷史時期中仍會保持一定數(shù)量的新增工程建設(shè)量,因此控制建筑業(yè)的碳排放對實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)具有重要意義。

目前,針對建筑業(yè)碳排放領(lǐng)域的研究主要集中于碳排放的測算、影響因素、情景預(yù)測及路徑研究等方面。其中碳排放測算的方法有實(shí)測法、投入產(chǎn)出法和生命周期評價法等多種方法。隨著學(xué)科發(fā)展和國家減排工作的深入與規(guī)范化,大部分研究活動摒棄了過去地評價過程對建筑使用階段的討論較多、對建筑生命周期中其他部分的計(jì)算和探討較為匱乏的缺點(diǎn),采用了生命周期評價(Life Cycle Assessment,LCA)的方法來研究建筑能耗和碳排放之間的關(guān)系[2]。由于影響建筑工程全生命周期碳排放量的因素眾多,因此評價標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)僅局限在碳排放總量上,更應(yīng)體現(xiàn)在各因素影響總量的敏感程度上?；疑P(guān)聯(lián)分析(Grey Correlation Analysis,GCA)是一種較為便捷地評價這類因素的敏感性的動態(tài)統(tǒng)計(jì)分析方法,它可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)有限的情況下,較為精確地尋找各變化因素與參考因素之間的關(guān)聯(lián)程度?；诖?本文將采用生命周期評價法測算建筑碳排放量,采用灰色關(guān)聯(lián)分析法篩選出影響建筑碳排放的主要因素,并以合肥市某擬建公共建筑工程為實(shí)證案例進(jìn)行建模計(jì)算,以求為類似工程綜合設(shè)計(jì)與施工提供借鑒和依據(jù)。

1 研究方法

1.1 生命周期評價

生命周期評價是對產(chǎn)品或服務(wù)系統(tǒng)整個生命周期中與產(chǎn)品或服務(wù)系統(tǒng)直接有關(guān)的環(huán)境影響、物質(zhì)和能源的投入產(chǎn)出進(jìn)行匯集和測定的一種方法[3]。其核心要義是將對評價對象的評價工作貫穿到整個生命周期中。對于碳排放環(huán)節(jié)眾多、界面不甚清晰的建筑工程而言,生命周期評價體現(xiàn)了良好的可量化性、可評估性與可對比性。我國先后出臺了《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn) 》 GB/T 51366-2019、《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB55015-2021等系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,其采用生命周期方法(LCA) 計(jì)算建筑建材生產(chǎn) 、建筑物建造施工、運(yùn)行及最終拆除的全生命期碳排放量。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,劃分生命周期碳排放計(jì)算邊界如圖1所示,統(tǒng)一碳排放計(jì)算模型見表1。

表1 生命周期各階段碳排放計(jì)算模型

1.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析(Grey Correlation Analysis,GCA)是一種較為便捷地評價各類因素敏感性的動態(tài)統(tǒng)計(jì)分析方法。其通過計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度來反映兩個因素之間的關(guān)聯(lián)程度,利用灰色關(guān)聯(lián)度順序來描述各因素之間關(guān)系的強(qiáng)弱次序。與回歸分析、相關(guān)分析等因素分析方法要求數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)分布特征明顯的現(xiàn)象相較而言,灰色關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)勢體現(xiàn)于可以準(zhǔn)確度量小樣本數(shù)據(jù)中序列的逼近關(guān)系,也可以定性定量的確定變異度較大的樣本數(shù)據(jù)中各因素之間的對應(yīng)關(guān)系[4],較好地彌補(bǔ)了回歸相關(guān)分析對多因素非典型分布分析難度較大的不足。灰色關(guān)聯(lián)分析已在社會科學(xué)和自然科學(xué)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,尤其是在區(qū)域經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢分析、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)、生物統(tǒng)計(jì)、工程等領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果。鑒于影響建筑工程全生命周期碳排放量的因素眾多,樣本容量具有不確定性、多變性,采用灰色關(guān)聯(lián)分析對全生命周期碳排放變量進(jìn)行內(nèi)在的規(guī)律探尋是合理且可行的。

灰色關(guān)聯(lián)分析有以下六個具體步驟:①設(shè)定參考序列矩陣;②對各評價序列矩陣進(jìn)行無量綱化處理;③求各絕對差序列、兩級最大差和兩級最小差;④計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度;⑤計(jì)算綜合評價系數(shù);⑥比較和排序。計(jì)算公式詳見文獻(xiàn)[5]。

2 建筑業(yè)碳排放實(shí)證模型構(gòu)建

擬建工程位于合肥市高新區(qū)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園內(nèi),該地塊整體地形平坦(項(xiàng)目地形如圖2所示),地理環(huán)境優(yōu)美,周邊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、學(xué)校密集,科技、學(xué)習(xí)和生活氛圍濃厚。該建筑主要功能是為初次創(chuàng)業(yè)的青年人才提供辦公、交流和居住場所。本工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),總建筑面積為7515.86m2,設(shè)計(jì)使用年限為50年。擬建公共建筑工程渲染后的效果圖如圖3所示。依已有設(shè)計(jì)方案組織該工程項(xiàng)目進(jìn)場、施工、運(yùn)行與拆除所產(chǎn)生的碳排放量按表1生命周期各階段碳排放計(jì)算模型計(jì)算,其碳排放量占比餅圖如圖4所示。

圖2 項(xiàng)目地形圖

圖3 擬建建筑工程效果圖

圖4 碳排放量占比餅圖

由圖4可知,建筑的運(yùn)行階段是碳排放量最多的階段,這是因?yàn)橄噍^于生命周期其他階段,建筑的運(yùn)行階段是持續(xù)時間最長的,且該工程已有能源結(jié)構(gòu)中絕大部分仍是采用化石能源,可再生能源比例只有8%左右,故通過燃燒方式產(chǎn)生的直接碳排放(如熱水、燃煤鍋爐供熱等)和電力供應(yīng)造成的間接碳排放相加后得到的建筑運(yùn)行階段的碳排放量在碳排放總量中的占比最大;其次是建材生產(chǎn)階段,這是因?yàn)榻ㄖこ瘫旧砭褪歉鞣N建筑材料的物化實(shí)體,在生成建筑物的每個施工階段都需要消耗大量的材料,而在生產(chǎn)這些建筑材料的過程中會產(chǎn)生大量碳排放。

除此之外,不同材料在生產(chǎn)過程中的能耗情況不同,碳排放系數(shù)存在差異,故建筑采用不同材料產(chǎn)生的碳排放差距較大,如:在保證水泥早期強(qiáng)度等特性的前提下,改變水泥熟料的成分可有效降低生產(chǎn)中的碳排放;相比傳統(tǒng)波特蘭基復(fù)合水泥,不含硅酸三鈣和鋁酸三鈣的貝利特-硫鋁酸鈣水泥(BCSAF)的碳排放系數(shù)可降低約30%。材料的低碳性是建筑材料選擇時的關(guān)注重點(diǎn),在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低碳材料、節(jié)能材料的最大程度應(yīng)用是減排的重要路徑,材料的本地化也是實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)輸?shù)目刂坡窂?。因?在建筑工程全生命周期碳排放影響因素的分析中要重視建筑運(yùn)行、建材生產(chǎn)這兩個階段。

3 碳排放灰色參數(shù)及關(guān)聯(lián)性分析

3.1 參數(shù)選取

國內(nèi)諸多相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者都對建筑生命周期碳排放的影響因素作出過研究與分析。其中閆大偉[6]利用層次分析法對各影響因素的重要性程度進(jìn)行比較,結(jié)果顯示項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段中場址的選擇與建筑節(jié)能設(shè)計(jì)對碳排放有較大的影響;王秀代[7]強(qiáng)調(diào)了合理設(shè)計(jì)主體結(jié)構(gòu)形式與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、選擇合適的綠化方式的重要性,并指出工程項(xiàng)目施工管理水平及交付使用后的運(yùn)營管理水平直接影響機(jī)械設(shè)備利用率從而間接影響碳排放;王捷等[8]通過因素分析提出合理設(shè)計(jì)裝配率,發(fā)展裝配式建筑有利于實(shí)現(xiàn)降低污染、節(jié)約能源的建設(shè)目標(biāo);徐金俊等[4]利用敏感性分析研究了再生混凝土材料配合比設(shè)計(jì)對建筑碳排放量的影響;張孝存[9]通過統(tǒng)計(jì)分析明確了生命周期各階段碳排放影響因素并建立了系統(tǒng)的碳排放量化與評價方法,得出材料損耗率、施工垃圾平均清運(yùn)量對碳排放產(chǎn)生正向影響,可再生能源使用率、廢棄物回收利用程度對碳排放有抑制作用。通過文獻(xiàn)研究梳理并考慮國家碳中和六大減排路徑與該工程項(xiàng)目實(shí)際情況,本文選取表2所列的8個影響因素進(jìn)行研究,分析其與該公建工程全生命周期碳排放量的灰色關(guān)聯(lián)度。

表2 碳排放影響因素選取

其中,通過工藝改進(jìn)并加強(qiáng)工人培訓(xùn),現(xiàn)澆鋼筋損耗率可由原規(guī)劃設(shè)計(jì)中的3%減少為2%;再生資源的回收利用可以有效減少初次生產(chǎn)過程中的碳排放,再生粗骨料率取為0%、20%、40%,建筑物拆除產(chǎn)生的廢棄物的再利用和回收率取為40%、50%;采用綠色電力進(jìn)行能源替代,其使用率取為0%、10%、20%;綠地率取為30%、35%;按設(shè)計(jì)要求,裝配率可取為40%、50%;工程項(xiàng)目施工管理水平及運(yùn)營管理水平可分別量化為高水平(90分)、中水平(70分)。根據(jù)不同參數(shù)數(shù)值之間的組合,利用PKPM綠建節(jié)能系列軟件總共對864種工況進(jìn)行了全生命周期碳排放量的計(jì)算,部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表3及表4。

表3 部分綠化碳匯減排量

表4 部分工況碳排放量及影響因素數(shù)據(jù)

3.2 因素識別

將碳排放量作為參考序列,其余8個影響因素作為比較序列,代入關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式可得各因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)如圖5所示。

圖5 生命周期碳排放關(guān)聯(lián)度系數(shù)雷達(dá)圖

由圖5可知,現(xiàn)澆鋼筋損耗率、再生粗骨料率、建筑物拆除產(chǎn)生的廢棄物回收利用程度、綠色電力使用率、綠地率、裝配率、工程項(xiàng)目施工管理水平、運(yùn)營管理水平8個變化參數(shù)均與該公共建筑生命周期碳排放量之間存在關(guān)聯(lián)。根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小,影響碳排放量由大到小的因素為:工程項(xiàng)目運(yùn)營管理水平、施工管理水平、建筑物拆除產(chǎn)生的廢棄物回收利用程度、綠色電力使用率、現(xiàn)澆鋼筋損耗率、裝配率、綠地率、再生粗骨料率。

3.3 因素分析

基于工程項(xiàng)目實(shí)況,并結(jié)合中國碳峰值碳中和目標(biāo)對影響該公共建筑碳排放的4個主要因素進(jìn)行分析,其目前存在問題、目標(biāo)需求及建議如圖6所示。

圖6 碳排放主要影響因素分析

(1) 工程項(xiàng)目運(yùn)營階段持續(xù)時間長,對碳排放量的影響大,故提高該階段的管理水平,應(yīng)用節(jié)能與新能源技術(shù),或通過被動房技術(shù)對照明、采暖、制冷系統(tǒng)進(jìn)行革新,合理規(guī)劃各系統(tǒng)機(jī)組數(shù)量,減少空轉(zhuǎn),降低機(jī)組折損率,延長機(jī)組使用壽命能夠有效降低碳排放量。此外,提高管理水平以節(jié)約水資源、保持小區(qū)綠化也是行之有效的措施。

(2) 建筑建造階段由于施工過程復(fù)雜、影響因素眾多,若項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)管理水平不高,會造成人材機(jī)等眾多資源的浪費(fèi),從而增加碳排放量,不利于建筑減排。故提高施工過程的管理水平,合理組織流水施工,充分發(fā)揮人為管理與控制能動性;采用新材料、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、加強(qiáng)交底培訓(xùn)等可以有效降低施工過程中的材料損耗,進(jìn)而減少建筑碳排放。

(3) 再生資源的回收利用可以有效減少初次生產(chǎn)過程中的碳排放,而現(xiàn)階段,對于廢棄物回收再利用處理方式較單一,綜合利用率不高?？赏ㄟ^混凝土制品再生、金屬材料回收、生物質(zhì)廢料利用等提高回收利用率,實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。

(4) 優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),加大清潔和可再生能源使用占比是實(shí)現(xiàn)碳減排的另一有效措施。

4 結(jié)論

(1) 本文基于PKPM系列軟件,以合肥某擬建公共建筑工程為實(shí)證案例進(jìn)行建模,采用生命周期評價法測算建筑碳排放量,結(jié)果表明:建筑的運(yùn)行階段是碳排放量最多的階段,其次是建材生產(chǎn)階段。

(2) 采用灰色關(guān)聯(lián)理論對8個關(guān)鍵參數(shù)的敏感度進(jìn)行評估,發(fā)現(xiàn)工程項(xiàng)目運(yùn)營管理水平、施工管理水平、建筑物拆除產(chǎn)生的廢棄物回收利用程度與綠色電力使用率是影響該公共建筑碳排放的主要因素,其次是現(xiàn)澆鋼筋損耗率、裝配率,最后是綠地率、再生粗骨料率。

(3) 基于工程項(xiàng)目實(shí)況并結(jié)合我國“雙碳”目標(biāo),分析影響該公共建筑碳排放的4個主要因素,得出提高管理水平以節(jié)約資源、多途徑提高建筑廢棄物的回收利用率、加大清潔和可再生能源使用占比、保持綠化等合理的減排增匯路徑。