基于用能行為的建筑碳排放計算研究

李文清, 徐藹彥, 朱軼韻, 余婷婷

(西安理工大學 土木建筑工程學院,陜西 西安710048)

近年來,氣候變化問題是全球最矚目的熱點問題之一。2020年全球平均溫度比1850—1900年的基線高1.2 ℃[1]。據(jù)研究,溫室氣體排放加劇是全球溫室效應(yīng)的主要原因,溫室氣體主要包括CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs、SF6,控制二氧化碳排放是控制全球氣候變暖的關(guān)鍵措施。

根據(jù)《中國建筑能耗研究報告2020》,2018年全國建筑全過程碳排放總量為49.3億t,占全國能源碳排放總量的51.2%,其中建筑運行階段碳排放21.1億t,占建筑全過程碳排放總量的42.8%[2]。因此,建筑減排潛力巨大,而且由于建筑使用時間較長,減少運行階段碳排放,對我國實現(xiàn)節(jié)能減排的目標具有重要意義。

我國高校眾多,2020年全國高校共計2 738所,高校建筑用途包含辦公、教學、居住、體育活動等,是一個城市建筑的縮影[3]。近年來建筑能耗與碳排放是專家學者們所關(guān)注研究的熱點,并取得了許多重要的成果。張晨悅以山東建筑大學為例,從建筑、交通、生活三個方面對碳排放進行了調(diào)研和計算,總結(jié)了高校建筑碳排放特點及規(guī)律[4]。程騫等通過對常州某高校一年的能耗與碳排放進行統(tǒng)計計算,得出電力碳排放占全部碳排放總量的93.19%,其中空調(diào)和照明占電力碳排放的85%左右[5]。同時還有研究發(fā)現(xiàn)建筑碳排放不僅與建造技術(shù)和節(jié)能設(shè)備的運用有關(guān),很大一部分還取決于建筑使用者的節(jié)能行為習慣。但Chen Shuo通過篩選Scopus數(shù)據(jù)庫內(nèi)的相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)在用戶行為對建筑能耗影響研究中,以大學建筑作為案例研究的僅17%[6]。其中,談雪等通過定量分析得出校園能耗中與學生行為有關(guān)的功能性能耗占總能耗的比值達到60%以上[7]。趙倩等通過模擬居住建筑能耗,發(fā)現(xiàn)不同的開窗行為和空調(diào)行為對建筑能耗有不同程度的影響[8]。陳淑琴等對比分析了不同空調(diào)使用模式對空調(diào)能耗的影響,研究發(fā)現(xiàn)適度型(6～10月開啟空調(diào),溫度設(shè)定24 ℃)和節(jié)約型(7、9月開啟空調(diào),溫度設(shè)定26 ℃)使用方式比奢侈型(5～7、9、10月開啟空調(diào),溫度設(shè)定22 ℃)使用方式分別節(jié)約空調(diào)能耗41%和73%[9]。Roschildt D.H.的研究表明用戶的行為決定了建筑物的能源消耗程度,節(jié)約型比浪費型的用戶在制冷能耗方面減少84%,照明能耗減少35%,總能源消耗降低30%[10]。Deng Yujing研究發(fā)現(xiàn)電腦的數(shù)量和使用頻率對建筑能耗有較大的影響,同時空調(diào)設(shè)備的使用行為是影響學生公寓用電量的最大因素[11]。陳淑琴等分析了照明、空調(diào)、電腦、飲水機和打印機的使用特征,研究表明高校辦公建筑內(nèi)使用者的用能行為存在著很大浪費[12]。以上研究均為用能行為對能耗的影響研究。國內(nèi)對于建筑內(nèi)用戶的用能行為的研究較晚,關(guān)于用能行為對建筑碳排放量分析較少,因此,通過分析學生用能行為與不同行為模式對建筑碳排放的影響,可以系統(tǒng)且有針對性的提出校園減碳策略。

本文選取西安理工大學金花校區(qū)(位于陜西省西安市,屬于寒冷地區(qū))一棟典型辦公建筑作為研究對象,首先,計算該建筑正常運行時的碳排放;其次,對建筑碳排放的重要影響因素之一學生用能行為進行調(diào)研統(tǒng)計分析;再次,對比分析三種不同行為模式(建筑標準運行、調(diào)研的用能行為、優(yōu)化后的用能行為)下,該建筑碳排放的差異;最后,提出適宜的高校辦公建筑節(jié)能減排措施。

1 建筑運行階段碳排放計算

1.1 碳排放計算方法

碳排放計算方法眾多[13],如生命周期法、實測法、統(tǒng)計指標法、碳排放因子法等,其中碳排放因子法因可提供較為全面的建筑碳排放評估而得到廣泛應(yīng)用,其基本思路是根據(jù)碳排放清單,針對各種排放源確定其活動水平數(shù)據(jù)和碳排放因子,二者乘積即為碳排放量。

高校辦公建筑運行階段碳排放計算應(yīng)包括暖通空調(diào)、照明、插座用能(電腦等外接用能設(shè)備)及電梯等其他系統(tǒng)在建筑運行期間的碳排放總量。建筑運行階段碳排放量可按照式(1)計算。

(1)

式中:CM為建筑運行階段單位建筑面積碳排放量(kg/m2);Ei,j為第j類系統(tǒng)的第i類能源年消耗量(kWh/a);Fi為第i類能源的碳排放因子,本研究采用的碳排放因子取自《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366—2019);y為建筑設(shè)計壽命(a);A為建筑面積(m2)。

1.2 碳排放模擬計算

本文使用斯維爾建筑碳排放CEEB2022軟件對西安理工大學金花校區(qū)一棟典型辦公建筑運行階段的碳排放量進行計算。首先確定建筑參數(shù)以及各項運行參數(shù),以確定軟件模擬的準確性。然后對建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、其他用能設(shè)備產(chǎn)生的碳排放量進行模擬。

1.2.1建筑參數(shù)設(shè)置

建筑參數(shù)包括:建筑的地理位置、當?shù)氐臍庀髤?shù)、建筑的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)。其中運行參數(shù)主要包括人員在室情況、人員密度、照明和插座設(shè)備的設(shè)置及運行情況、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置情況、熱水供應(yīng)情況、空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)和冷熱源情況、電梯等[14]。

本文選取的典型辦公建筑位于陜西省西安市碑林區(qū),氣象參數(shù)采用西安典型氣象年數(shù)據(jù),建造于1985年,為“L”型建筑,建筑面積13 352 m2。東側(cè)建筑(九層)和南側(cè)建筑(六層)的房間功能以辦公室為主,北側(cè)建筑為五層,均為階梯教室。該建筑的西北軸測圖如圖1所示,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 建筑西北軸測圖Fig.1 Northwest axonometric drawing of buildings

表1 建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)

建筑運行參數(shù)通過調(diào)研統(tǒng)計獲取。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),人員在室時間為8:00～12:00,人員在室概率節(jié)假日低于工作日。建筑運行過程中,會議室電器設(shè)備包括投屏設(shè)備和電腦等。平均各辦公室電器設(shè)備包括8臺筆記本、1臺打印機、1個燒水器。部分辦公室夏季使用小風扇,個別辦公室冬季使用電暖氣。教室電器設(shè)備主要包括電腦以及多媒體設(shè)備。辦公設(shè)備以及照明設(shè)備均為入室即開啟狀態(tài)。以此確定各房間電器設(shè)備功率參數(shù)。各房間照明功率密度按照各房間實際使用燈具進行確定。其他參數(shù)參考《西安市公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》進行確定。具體建筑各功能房間運行參數(shù)如表2所示。

表2 建筑各功能房間運行參數(shù)Tab.2 Operating parameters of functional rooms in buildings

建筑內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)采用調(diào)研中辦公室多用的分體掛壁式空氣調(diào)節(jié)器,該空調(diào)制冷量3 500 W,制冷輸入功率1 064 W,制熱量3 850 W,制熱輸入功率1 167 W,制冷能效比3.29,制熱能效比3.30,未考慮熱回收?？照{(diào)全年可以使用,冬夏分別進行供熱供冷。11月15日至3月15日進行集中供暖。冬季供熱方式為空調(diào)制熱與暖氣供應(yīng)結(jié)合。暖氣供熱為燃氣鍋爐+換熱機組組合供熱,鍋爐采用超低氮冷凝熱水鍋爐,系統(tǒng)供熱效率90%以上。該建筑無集中供應(yīng)熱水設(shè)備。

1.2.2建筑碳排放計算

通過斯維爾建筑碳排放CEEB2022軟件模擬計算得出建筑運行過程各個系統(tǒng)的能源消耗量以及碳排放量,具體數(shù)值見表3。該建筑以上述參數(shù)運行50年總碳排放量為34 423.8 t,單位面積碳排放量為2 578.2 kg/m2,單位面積年碳排放量為51.6 kg/(m2·a)。

建筑運行階段碳排放包括暖通空調(diào)、照明、插座以及其他系統(tǒng)所產(chǎn)生的碳排放總和。由于該建筑燃氣消耗全部用于冬季供暖,將該部分碳排放計入暖通空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)。建筑運行階段總碳排放中暖通空調(diào)(包括電力制冷與制熱、燃燒燃氣鍋爐制熱)產(chǎn)生的碳排放占比56.0%;照明系統(tǒng)占比22.6%;插座設(shè)備(主要為使用電腦、打印機等辦公設(shè)備)占比19.9%;其他類占比1.5%,如圖2所示。

同時可以看出,辦公建筑使用燃氣所產(chǎn)生的碳排放量僅占建筑總碳排放量的6.6%,占比較少,而暖通空調(diào)、照明、插座設(shè)備電力碳排放各占總量約1/3。這表明,通過改變學生的用能習慣,進而實現(xiàn)節(jié)能減排這一目標的潛力較大。

表3 建筑運行階段碳排放量Tab.3 Carbon emissions during building operation

圖2 建筑運行階段碳排放量占比Fig.2 Proportion of carbon emissions in building operation stagein building operation stage

2 建筑使用者用能行為分析

建筑碳排放與建筑能源消耗量有關(guān),而能源的消耗取決于用能設(shè)備的使用情況。建筑中人的用能行為包括人員對空調(diào)、照明、插座(用電設(shè)備,如電腦、打印機、燒水器等)的使用等可人為控制的行為[15],為分析學生的用能行為對辦公建筑碳排放的影響,本研究于2022年3月至5月在校內(nèi),通過發(fā)放電子問卷、與學生面對面交流、進入辦公室實地考察等方法進行調(diào)研。調(diào)研內(nèi)容包括學生的基本信息,辦公場所空調(diào)全年使用情況,日常照明、電腦等耗能設(shè)備的使用時間、頻率、使用習慣等,并獲取有效問卷112份。

2.1 辦公建筑人員在室時間分析

圖3統(tǒng)計了該辦公建筑內(nèi)學生工作日與節(jié)假日各時間段在室情況。從圖中可以看出,節(jié)假日學生在室活動情況與工作日期間趨勢相同,但學生在室率相較于工作日下降了約25%。工作日7:00開始學生在室率逐漸增加,9:00～12:00學生在室率維持在85%～95%;12:00～14:00學生離開辦公室,約20%的學生在此期間會返回辦公室;14:00～15:00學生返回辦公室,在室率維持在85%～95%;17:00～19:00學生離開辦公室;而在19:00之后有部分同學會返回辦公室繼續(xù)辦公學習,直到24:00學生全部離開辦公室。

圖3 人員逐時在室率Fig.3 Probability of users in the room at each time

2.2 典型用能設(shè)備使用情況分析

2.2.1空調(diào)使用情況分析

圖4是該辦公建筑內(nèi)學生全年各月空調(diào)使用情況。從圖中可以看出,隨著5月份氣溫開始升高,天氣逐漸炎熱,空調(diào)使用概率逐漸上升,7、8月達到峰值,在室的學生開空調(diào)概率可達80%。隨著季節(jié)進入秋天,氣溫逐漸下降,使用空調(diào)制冷有所下降。從10月開始,空調(diào)使用開始有小幅度增加,學生在室使用概率較低。11月15日至次年3月15日集中供暖,但冬季空調(diào)使用率有所上升,經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)主要原因是老舊建筑暖氣設(shè)備老化,傳熱能力較差,同時冬季寒冷,未常開窗通風,室內(nèi)易出現(xiàn)空氣不流通等現(xiàn)象,部分學生會選擇開啟空調(diào)輔助供熱和調(diào)節(jié)空氣流通。

圖4 空調(diào)逐月使用率Fig.4 Monthly utilization rate of air conditioning

圖5進一步反映了冬夏兩季工作日和節(jié)假日內(nèi)各時間段空調(diào)使用情況。從圖中可以看出,冬季空調(diào)使用率低于夏季。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),這是由于夏季較為炎熱,主要采用空調(diào)制冷為室內(nèi)提供舒適的環(huán)境,而冬季采暖以集中供暖為主,空調(diào)制熱輔助供暖。同時從圖中可看出節(jié)假日空調(diào)使用率低于工作日,且每日空調(diào)使用主要在9:00～12:00,14:00～17:00,與學生在室工作學習時間相符合。

圖5 各時間段空調(diào)使用情況Fig.5 Air conditioning usage at each time period

2.2.2照明使用情況分析

圖6反映了工作日與節(jié)假日各時間段照明設(shè)備使用情況?？煽闯稣彰髦饕性?:00～22:00,其使用率均在60%以上,且夜間仍有部分辦公室處于照明狀態(tài)。10:00～16:00照明設(shè)備使用概率有所下降,原因是有部分學生因為室外光照較好,室內(nèi)采光可達到正常使用需求所以關(guān)閉照明設(shè)備。但大部分學生則更習慣于早上進入辦公室即開燈,直到晚上離開辦公室才關(guān)燈,并無根據(jù)采光情況或中途離開辦公室而隨手關(guān)燈的習慣。

圖6 各時間段照明設(shè)備使用情況Fig.6 Use of lighting equipment at each time period

2.2.3電腦設(shè)備使用情況分析

電腦是學生日常工作學習中必不可少的設(shè)備。圖7反映了工作日與節(jié)假日各時間段電腦使用情況。從圖中可以看出,工作日學生到達辦公室開始使用電腦的時間在8:00左右,9:00～12:00內(nèi)有85%～95%的電腦處于開啟狀態(tài);12:00～14:00大部分學生離開辦公室,其中約30%的學生在此期間仍在使用電腦或使其處于待機狀態(tài);14:00學生開始返回辦公室使用電腦,14:00～18:00電腦開啟狀態(tài)維持在85%～95%;18:00～19:00學生離開辦公室并關(guān)閉電腦;20:00～24:00有部分同學會返回辦公室繼續(xù)使用電腦辦公學習,但相較于白天,夜間電腦使用率約減小了一半。節(jié)假日與工作日電腦使用情況大致相同,但電腦使用率相較于工作日下降了約20%。電腦整體使用情況與學生在室情況基本相同。

圖7 各時間段電腦使用情況Fig.7 Computer usage at each time period

2.3 用能行為的特征分析

建筑內(nèi)影響碳排放的因素中,與人的行為有關(guān)的主要可分為兩個方面[16]:一是為滿足使用者熱舒適需求,使用暖氣和空調(diào)這類供熱和制冷設(shè)備,稱為“環(huán)境因素”;二是為滿足用戶生活工作需求,使用照明設(shè)備、電腦、打印機、電梯、排氣扇等設(shè)備,稱為“工作因素”。

通過調(diào)研問卷發(fā)現(xiàn),環(huán)境因素的改變一方面與建筑物和外界環(huán)境的交互有關(guān)。當夏季外界氣溫升高、冬季外界氣溫降低時,使用者感覺溫度不利于高效的工作學習而常常采取開空調(diào)。日常通過使用照明設(shè)備彌補自然采光的不足。另一方面,也存在由于節(jié)能意識較弱而導致不使用時不關(guān)閉照明、不關(guān)閉空調(diào)等設(shè)備的行為。此類因素對建筑的碳排放影響會隨著使用者對舒適度的需求和節(jié)能意識的改變而改變。節(jié)能減排策略也主要從此方面入手。

而工作因素與建筑物的功能和用戶的使用目的有關(guān)。此類因素不會因為建筑使用者的行為而發(fā)生改變,只與建筑自身的被使用時間有關(guān),減排空間較小。但可考慮更改無人使用時設(shè)備的開啟情況,以達到節(jié)能減排目的。

3 不同行為模式下建筑碳排放對比分析

為進一步分析用戶用能行為對建筑碳排放的影響,現(xiàn)對建筑內(nèi)辦公室參數(shù)進行調(diào)整,對比三種不同的行為模式下建筑運行階段碳排放差異。模式一根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ/T 67-2019)的規(guī)定,按無設(shè)計文件確定參數(shù)時確定房間運行參數(shù),表現(xiàn)為工作日7:00～18:00空調(diào)溫度26 ℃,供暖溫度20 ℃,照明功率密度為11 W/m2,節(jié)假日各設(shè)備均不運行;模式二采用調(diào)研分析結(jié)果來確定相關(guān)參數(shù),房間運行參數(shù)見表2;模式三對使用者用能行為模式進行優(yōu)化,學生行為按照辦公時間(8:00～12:00,14:00～24:00)的實際情況確定參數(shù),但在午休時間(12:00～14:00)照明使用率降至20%,設(shè)備使用率降至10%,休息時間(0:00～8:00)關(guān)閉照明、空調(diào)、電腦等設(shè)備。人員在室率與設(shè)備、照明使用率具體數(shù)值如表4、表5所示。

表4 辦公室內(nèi)人員在室率Tab.4 Probability of staff in office

表5 辦公室內(nèi)設(shè)備、照明使用率Tab.5 Probability of use of office equipment and lighting

該建筑用能以電力為主,輔以少量燃氣。日常用能涉及暖通空調(diào)(包括電力制冷、制熱,燃燒燃氣鍋爐制熱),照明,插座設(shè)備(包括電腦、打印機等設(shè)備),電梯等其他方面用能。根據(jù)三種行為模式計算得到的碳排放結(jié)果如圖8,圖9所示。

由圖8可知,模式二單位面積碳排放量最高,模式一次之,模式三最低。由圖9可知,模式一與模式二計算得出各項碳排放具有一定差異,但總碳排放量較為接近。由于模式一根據(jù)公共建筑節(jié)能設(shè)計標準設(shè)置辦公樓的相關(guān)房間參數(shù),設(shè)置系統(tǒng)工作時間為7:00～18:00,且認定節(jié)假日相關(guān)用能系統(tǒng)不運行,這與學校辦公樓的實際使用情況有所出入,故實際碳排放高于設(shè)計標準;但設(shè)計標準對于部分參數(shù)設(shè)計值較高,例如照明設(shè)備在工作時間內(nèi)運行概率高達95%,而實際運行概率多在70%～80%之間,這將會增加單位時間內(nèi)能源消耗計算量,以此權(quán)衡建筑的碳排放量。模式二是按照實際計算,且與規(guī)范設(shè)計相符,數(shù)據(jù)可靠。

圖8 不同模式下建筑單位面積碳排放量Fig.8 Carbon emissions per building area by different modes

圖9 不同模式下建筑內(nèi)各子項單位面積碳排放量Fig.9 Carbon emissions per unit area of each sub-item in building by different modes

模式三是對模式二進行了優(yōu)化改進,對學生的不規(guī)范用能進行優(yōu)化,具體表現(xiàn)為在0:00～8:00關(guān)閉照明、空調(diào)、電腦等設(shè)備,同時在12:00～14:00午休時間降低了照明以及空調(diào)的使用率。根據(jù)計算結(jié)果,優(yōu)化后建筑碳排放總量減少23%,其中暖通空調(diào)碳排放比優(yōu)化前降低了32%,照明碳排放量降低了12%,插座設(shè)備類用能的碳排放降低了14%。同時優(yōu)化后結(jié)果相比與公共建筑節(jié)能設(shè)計標準的碳排放也有所減少,這說明,建筑使用者的行為將直接影響建筑碳排放量,約束使用者的不良用能行為,減排效果明顯。因此為了減少校園建筑碳排放,應(yīng)該加強校內(nèi)各種宣傳教育活動,提高學生的低碳意識,以達到節(jié)能減排的目的。

4 結(jié)論與建議

1) 本文研究的辦公建筑運行階段的碳排放總量為34 423.8 t,單位面積年碳排放量為51.6 kg/(m2·a)。其中暖通空調(diào)、照明和插座產(chǎn)生的碳排放分別占建筑總碳排放的56.0%、22.6%、19.9%。通過改變?nèi)藛T的用能習慣,實現(xiàn)節(jié)能減排的潛力較大。

2) 對學生的用能行為進行約束后(優(yōu)化模式),僅關(guān)閉夜間設(shè)備防止浪費,降低午休時間設(shè)備待機概率,則暖通空調(diào)、照明和插座的碳排放分別降低了32%、12%和14%。減排效果明顯。

3) 建議建立可視化的校園能耗和碳排放監(jiān)管平臺,同時積極開展低碳宣傳教育,提升師生的低碳理念,推動低碳校園建設(shè)。