1、围护结构或被动式建筑的绿色性评价方法 龚光彩 傅沐书 蔡立群 王平 湖南大学土木工程学院 摘 要： 以湖南地区 5 栋公共建筑为研究对象, 基于全寿命期理论以及 方法, 分别计算了其全寿命期 (即从围护结构形成阶段到拆除全过程) 的建筑能耗、 耗、二氧化碳排放量以及成本.在此基础上, 引入各个建筑的 能比和绿色性两项指标.采用层次分析法, 得到建筑的绿色性指标, 并对各个建筑的绿色性指标进行对比分析, 结果表明, 办公建筑的绿色性明显优于商业建筑.两个指标的交叉对比结果表明, 能比存在一个最优的范围. 能比反映建筑对优质能源的利用或消费程度, 绿色性指标综合考虑了建筑全寿命期的资源消耗、成本投
2、入和环境影响, 因而这两项指标可作为现有可持续建筑评价体系中被动式节能条款的补充, 具有一定合理性.关键词： 围护结构; 被动式建筑; 能比; 绿色性; 可持续建筑评价体系; 作者简介：龚光彩 (1965) , 男, 湖南澧县人, 湖南大学教授, 博士生导师, E-mail:收稿日期：2016-11-11基金：湖南省科技重大专项资助项目 (2010FJl013) Greenness Evaluation Method for Building Envelope or Passive BuildingsGONG Guangcai FU Mushu CAI Liqun WANG Ping Coll
3、ege of Civil Engineering, Hunan University; Abstract： The energy consumption, exergy consumption, CO2 emissions and cost of five public buildings in Hunan area in its life cycle were calculated based on life cycle theory and exergy method, taking into account the formation of building envelope.On th
4、is basis, two indicators including the building exergy-energy ratio and greenness were introduced.The greenness of each building was obtained by analytical hierarchy process.The comparison of the greenness indicators shows that office buildings are much better than commercial buildings in terms of g
5、reenness.Comprehensive comparison of the two indicators illustrates that there is an optimal range for exergy-energy ratio.The greenness indicator takes into account the building life cycle resources consumption, cost input and environmental impacts, and the exergy-energy ratio demonstrates the use
6、of high quality energy.Therefore, these two indicators can serve as a supplement to the passive energy saving clauses in the existing sustainable building assessment systems.Keyword： building envelope; passive building; exergy-energy ratio; greenness; sustainable building assessment system; Received
7、： 2016-11-11建筑节能是解决能源短缺问题的关键.近年来被动式建筑的推广, 为建筑节能提供了新的理念.被动式节能技术中很重要的一个环节是对围护结构的设计, 然而受当前条件制约 (如难以获得完整的建筑生产各环节的详细信息) , 对于被动式建筑或围护结构的评价存在着一定的环节缺失.例如, 2014 年出版的国家标准绿色建筑评价标准 (GB/T503782014) 1, LEED 既有建筑分册2等都有针对能耗的评价条款, 然而其大多为后阶段性的, 即仅考虑了建筑的运行能耗, 而忽略了建筑材料生产、运输、施工以及拆除的能耗, 即围护结构形成、维护以及拆除阶段的能耗.同时仅分析建筑的运行能耗,
8、且仅考虑能量的数量而暂时未考虑能量的品质, 未能全面考察建筑的节能性.近年来, 国内外也有相关建筑计算的研究.例如, 刘猛3基于分析方法建立了建筑生命周期环境影响评价模型.Gon9alves 等4基于一次能源的使用、CO 2排放量以及方法建立了建筑能效评价指标, 并进行了实例计算.本文由此出发, 将建筑全寿命期的能耗、耗、CO2排放量以及成本进行综合考虑, 得到了能比和绿色性两个指标, 为被动式建筑或围护结构的评价提供了新的思路.1 研究方法本文选取湖南地区 5 栋公共建筑为研究对象, 其建筑结构为钢筋混凝土框架结构, 设计运行年限为 50 年.通过对全寿命期能耗、耗、成本、二氧化碳排放量的计
9、算, 全面综合地考察了建筑的热力学性能, 各建筑模型如图 1 所示.图 1 建筑模型 Fig.1 Building model 下载原图建筑全寿命期的各个阶段看似相互独立, 实则互相影响, 并通过围护结构与外界热环境构成建筑物的能量系统, 如图 2 所示.建筑围护结构与建筑冷热源主要通过负荷平衡进行衔接以维持室内热舒适性, 本文的研究就是以负荷平衡为基础展开的, 并遵循“负荷平衡、整体节能、分块寻优”的分析策略5.1.1 能耗以及耗计算建筑全寿命期能耗和耗的计算考虑建材生产、建筑建造、建筑运行、建筑维护和拆除共 5 个阶段.本文中建材生产阶段仅考虑主要建材的能耗和耗, 包括标准砖、空心黏土砖、
10、混凝土、钢材、石灰、玻璃和水泥.本阶段计算方法已形成具体算法, 不赘述.下文中使用的质量含能和碳排放数据是经过阅读和筛选国内文献5-7得到, 数据整理后列于表 1.质量含由各类建材的能源消耗清单6-8、能源高位发热量3,9以及含系数计算得到.不同形态的燃料含系数不同, 本文中气体燃料、液体燃料、固体燃料的含系数分别取 0.95, 0.975 和 1.0010.图 2 建筑能量系统与环境 (热) 基本关系图 Fig.2 Basic relationship between building energy system and thermal environment 下载原图表 1 主要建筑材料质
11、量含能及碳排放因子 Tab.1 Embodied energy and Carbon emission factors of major building materials 下载原表 式中:E c表示建筑建造阶段能耗, MJ;E xc表示建筑建造阶段耗, MJ;m j表示第 j种能源的消耗量, kg;e nf, j表示第 j 种能源的内含能, MJ/单位;e xf, j表示第 j种能源的内含, MJ/单位.主要能源的内含能、内含见表 2.建筑运行阶段能耗占建筑全寿命期能耗的很大一部分, 本文采用 DeST-C 软件对建筑全年能耗进行动态模拟, 得到建筑的夏季耗冷量和冬季耗热量.已知建筑的耗冷
12、量和耗热量便可通过机组的 COP 计算耗电量, 进而计算运行阶段的能耗和耗.1.2 二氧化碳排放量计算建筑物在全寿命期内向外界排放了大量温室气体, 其环境影响不可忽视.例如王立平14采用灰色预测模型对住宅建筑建材生产阶段的能耗、碳排放进行了分析.然而由于目前对建筑物维护阶段及拆除阶段二氧化碳排放的研究较少, 因而本文仅考虑建材生产阶段、建筑建造阶段和建筑运行阶段二氧化碳排放.建筑全寿命期的二氧化碳排放量可表示为:式中:M CO2, LC表示建筑全寿命期 CO2排放量, kg;M CO2, P表示建材生产阶段二氧化碳排放量, kg;M CO2, C表示建筑建造阶段二氧化碳排放量, kg;M CO
13、2, ua表示建筑运行阶段年度二氧化碳排放量, kg/年;N 表示建筑的运行年限, 年.建筑全寿命期消耗的主要能源的碳排放因子见表 3.表 3 电、汽油及柴油的碳排放因子5-7Tab.3 CO2emission factors of electricity, gasoline and diesel 下载原表 1.3 成本计算目前, 人们普遍认为采用新型节能技术、可再生能源的建筑就是绿色建筑, 而忽略了建筑的成本投入与生态品质平衡问题.本文将建筑全寿命期的成本作为资源投入因素列入评价模型中, 即引入经济性分析.本文中建筑全寿命期的成本包括建材生产阶段、建筑建造阶段以及建筑运行阶段成本, 维护阶段
14、和拆除阶段所占比例较小, 不予考虑.建筑全寿命期的成本可表示为:式中:C LC表示建筑全寿命期成本, 元;C m表示建材生产阶段成本, 元;C c表示建筑建造阶段成本, 元;C ua表示建筑运行阶段年度成本, 元/年;N 表示建筑运行年限, 年.2 建筑绿色性评价根据上述方法, 本文分别对湖南地区 5 栋公共建筑全寿命期能耗、耗、二氧化碳排放量以及成本进行了计算, 结果见表 4.为了深入分析建筑的热力学性能, 本文引入两个指标:能比和绿色性.表 4 建筑全寿命期各因素计算结果 Tab.4 Life cycle results of every factor 下载原表 2.1 能比图 3 建筑能
15、比与能耗的关系 Fig.3 Relationship between exergy-energy ratio and energy consumption 下载原图2.2 绿色性指标图 4 层次结构模型 Fig.4 Hierarchical structure model 下载原图第二步是根据 Santy 的 19 比率标度方法构造两两比较判断矩阵.对各层评价目标的重要性进行两两比较, 确定各层次各因素之间的相对权重.由于各指标的重要性判定与建筑类型有一定关系, 本文咨询了 10 个包括建筑、土木、暖通、电气专业在内的专家以及工程设计人员对各项指标的权重进行确定, 并构造两两判断矩阵, 包括准
16、则层对目标层 M 以及方案层对准则层 Z1Z4共 5 个判断矩阵, 见表 6表 10.表 6 准则层对目标层 M 的判断矩阵 Tab.6 Judgment matrix of criteria layer to target layer M 下载原表 表 7 方案层对准则层 Z1 的判断矩阵 Tab.7 Judgement matrix of schematic layer to criteria layer Z1 下载原表 表 8 方案层对准则层 Z2 的判断矩阵 Tab.8 Judgement matrix of schematic layer to criteria layer Z2 下
17、载原表 表 9 方案层对准则层 Z3 的判断矩阵 Tab.9 Judgement matrix of schematic layer to criteria layer Z3 下载原表 表 1 0 方案层对准则层 Z4 的判断矩阵 Tab.10 Judgement matrix of schematic layer to criteria layer Z4 下载原表 第三步是层次单排序及其一致性检验.将各个判断矩阵进行归一化处理并计算最大特征向量, 即为权重向量.由于指标间的相互影响和其他主观因素的作用, 所构造的矩阵不可能都有完全的一致性, 为保证合理性须进行一致性检验.各判断矩阵的一致性检
18、验结果见表 11.其中 CI 为一致性指标, CI 越接近 0 表示一致性越好, 从表 6表 10 中可看出 5 个判断矩阵的一致性均较好.CR 为一致性比率, CR0.1 时认定判断矩阵满足一致性要求, 否则需要重新构造判断矩阵.本例中均符合要求.表 1 1 各判断矩阵的一致性检验 Tab.11 Consistency check of each judgement matrix 下载原表 第四步是层次总排序.在对各判断矩阵进行层次单排序后, 再计算方案层对总目标的权重, 得到层次总排序, 从而比较各方案的优劣.层次总排序的结果见表12.表 12 中最右一列方案层最终权重即为各建筑的绿色性指
19、标.表 1 2 层次总排序结果 Tab.12 Hierarchy ranking results 下载原表 2.3 交叉比较图 5 能比与绿色性的关系 Fig.5 Relationship between exergy-energy ratio and greenness 下载原图3 结论参考文献 2USGBC.LEED 2012second public comment draftDB/OL. (2014-01-15) 2016-05-21.http:/www.usgbc.org/resources. 3刘猛.建筑生命周期环境影响评价研究D.重庆:重庆大学城市建设与环境工程学院, 2008:
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