在四节一环保框架体系下大宗建材能耗指标研究

杜勇，肖忠明，张金山，唐千喻，潘美晨，王秀兰

（1.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；2.清华大学，北京 100084）

0 引言

民用建筑的建设与运行维护所用土地、能耗、原材料、水及环保要求对我国长期践行的生态环保行动有重大影响。研究民用建筑领域的节能减排，对于应对气候变化，实现可持续发展具有重要意义。建筑材料作为民用建筑的主体，其用量和对应能耗直接影响民用建筑的建造能耗；同时，建筑材料贯穿了民用建筑的整个寿命周期，影响着民用建筑各阶段的能耗。对建筑材料全寿命周期的能耗进行准确统计比较困难：一是，建筑材料寿命和建筑寿命两者相互纠缠在一起；二是，目前建筑材料和民用建筑统计口径分属于不同行业，难以相互协调。因此，民用建筑建材能耗评价指标体系的建立，不仅有利于掌握大宗建材的使用量，而且对于了解建筑工程能耗也至关重要。

本文在现阶段研究基础上，通过探讨建筑材料能耗评价指标框架建立时应考虑的因素，对建筑材料能耗过程的界定进行了研究分析，概括了建筑材料能耗评价指标框架应包含的阶段，并以民用建筑4类大宗建材为基础，建立了建材生产和运输过程的能耗评价指标框架。

1 民用建筑用材能耗标准体系的研究分析

1.1 建筑工程全生命周期的研究现状

全生命周期分析（Life Cycle Analysis，LCA）是一种用于评价产品在其整个生命周期中（从原材料的获取，产品的生产、使用、直至使用后的处置过程）对环境产生的影响的技术和方法[1]。

国内对建筑工程全生命周期能耗评价指标框架的研究有很多，基本结合我国建筑的实际特点，建筑工程全生命周期能耗评价指标框架包含了建材生产、建筑施工、建筑工程运行与维护、建筑拆除和固体废物处置6个阶段[2-5]。其全生命周期能耗评价指标框架如式（1）所示：

式中：El——建筑全生命周期能耗；

Ep——建材生产能耗；

Ec——建筑施工能耗；

Eu——建筑工程运行能耗；

Em——建筑工程维护能耗；

Ed——建筑工程拆除能耗；

Et——固体废物处置能耗。

1.2 建筑材料能耗评价指标的研究现状与分析

基于全生命周期，国内一些学者对建筑材料能耗评价指标框架进行了研究。马丽萍等[6]通过建筑全生命能耗计算模型的分析，认为建筑材料对建筑物生命周期能耗的影响因素表现为多个方面，如建筑材料内含能、建筑材料的使用寿命、建筑材料的回收利用性能、建筑材料在建筑运行过程中的光学和热学性能指标（如传热、采光、遮阳等）等；并指出从降低建筑生命周期能耗的角度出发，绿色建筑选用的建筑材料应在资源开采，原材料制造，产品生产、运输、使用、维护以至废弃最终处置的全生命周期中减少对自然资源和能源的消耗，降低对环境的不利影响，并实现可回收、可重复使用和可再生利用。张涛、龚志起等[7-8]认为，建筑材料物化阶段的环境排放主要来源于原料获取阶段、生产工艺过程、运输过程产生的直接环境排放和因使用能源而造成的能源生产的间接环境排放。王立平和龚光彩[9]提出了建筑全生命周期的界定：建材准备阶段是指从原材料开采、运输、加工直至最终形成建材产品的整个过程。

由上述文献可知，对于建筑材料的能耗评价指标框架共同包括原材料开采、建筑材料生产、建筑材料应用、建筑材料处置和建筑材料的回收利用等几部分。同时，在各阶段中与建筑材料相关的指标包括：建材使用量、建材施工损耗率、建材单位产品内含能、建材的社会回收利用率、建材可回收部分回用于建筑业的比例、建材的使用寿命、建材的运输距离、可回收建材的再生制造能耗等[6]。根据上述全生命周期的定义，建筑材料能耗评价指标涉及建筑工程全生命中的建材生产、建材使用、建材更换以及建筑拆除和固体废物处置（建材使用后的处置）5个阶段。

2 建筑材料能耗过程的界定

在整个民用建筑全生命周期中，基于当前数据可获取性，建立建筑材料能耗评价指标框架时，应考虑如下因素。

2.1 建筑设计技术的发展

BIM技术是一种全新的技术，通过该技术可计算出建造时所需材料的大小及数量，从而提高材料的利用率，避免材料的浪费，减少材料的损耗率[10-14]，能更好地为绿色建筑设计提供高效的技术平台。并且，随着我国预拌混凝土、预拌砂浆的发展和普及，以及工程建设管理水平的提高，建造时的材料损耗已大大减小，因此建筑材料的损耗可以忽略。

2.2 建筑材料的再循环利用

GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》中规定了建筑材料的再循环利用，依据住宅建筑中可再利用和可再循环利用材料的用量比例进行评分，因此，建筑材料的再循环利用势必会成为建筑材料寿命周期的一部分。陈雄等[15]利用全生命周期理论对建筑系统寿命周期内的物质体系和功能体系进行综合评价与分析，指出保持建筑材料可持续利用和提高建筑资源综合利用率是可持续建筑设计的必然选择。

2.3 运输能耗的增加

由于装配式建筑能够大幅提高建筑施工效率，因此颇受青睐，并呈现出迅猛发展之势[16]。但装配式建筑将会导致终端建筑材料以制品、构件的形式出现，这一终端建筑材料生产方式的转变，降低了建筑施工能耗，同预拌砂浆、混凝土产业一样，这种生产供应方式相应地增加了建筑材料使用能耗和建筑材料运输能耗。现有预拌混凝土生产线不同阶段的综合能耗分别为14.49 MJ/m3[17]（从生产原材料进厂到产品出厂）和85.26 MJ/m3[18][从原材料进站（不包括原材料运输能耗）到预拌混凝土的施工地点（不含泵送）]。从2个不同边界条件的预拌混凝土生产能耗来看，在两地预拌混凝土生产能耗相同的条件下，预拌混凝土的运输能耗（从混凝土搅拌站到工地）是生产能耗的4.88倍，成为了预拌混凝土生产环节中主要的能源消耗点。

同时，我国加大了“大气治理”在内的环境治理和国土资源治理工作，全国各地相继出台限制开采政策，这些变化在一定时期增大了建筑材料的运输能耗和生产辅助能耗，因此应充分考虑运输能耗。谌偲翔和黄晓明[19]的研究认为，因限制开采而导致原材料运输距离增大，对应的气体排放量占比也随之发生改变：当运距小于20 km时，砂石运输环节产生的气体排放量在总排放量中占比较小（低于10%）；当运距增大至35km时，占比增大至20%；当进一步考虑跨省运输时，砂石运输产生的气体排放占比将高达57%[20]。根据《中国统计年鉴》的数据，我国公路的平均运输距离从2007年的69 km以下跃升至2008年的171 km，2011年至2016年维持在180多km。

因此，在建筑材料能耗评价指标框架中，还要充分考虑大宗建筑材料的运输环节。

2.4 原料的生产、运输能耗占比与建材种类的关系

查阅建筑材料能耗限额标准，其统计边界条件均不包含建筑材料原材料生产和运输阶段，仅以此为边界进行的计算将会缩减建筑材料生产阶段的周期和能源消耗。大多有关建筑全生命周期能耗的文献仅提及建筑材料的原材料生产和运输，少量文献[8，10]给出了涉及建筑材料原材料生产阶段的能耗数据。

水泥综合能耗与现有生产线综合能耗标准限额见表1，建筑材料综合能耗与现有生产线综合能耗标准限额见表2。

表1 水泥综合能耗与现有生产线综合能耗标准限额

表2 建筑材料综合能耗与现有生产线综合能耗标准限额

从表1、表2的能耗对比分析来看，文献[10]给出的数据是准确的。虽然不同的建筑材料在原材料开采难度、开采量、原材料加工及运输上存在差异，但有些建筑材料的生产能耗远小于建筑材料从原材料生产直至完成的综合能耗，如平板玻璃生产能耗仅占整个过程能耗的23.9%；铝型材的生产能耗仅占整个过程能耗的32.6%；混凝土由于含有水泥、砂石的能耗，其整个过程的综合能耗为混凝土生产能耗的196倍。因此，建筑材料的生产和运输阶段能耗在建筑材料生产能耗中占据相当高的比重，要充分考虑。

但根据水泥熟料生产主要原材料——石灰石的开采和运输能耗调研结果，在原材料运输距离相对较近的情况下，其开采、运输能耗很低，以海螺集团平均值计，仅为0.044MJ/kg，远低于铁粉、石膏、混合材的运输能耗。在GB29444—2012《煤炭井工开采企业单位产品能源消耗限额》中，对于新建煤矿的准入值为0.205MJ/kg，先进值为0.097MJ/kg。而煤炭的开采难度、成本远高于铁矿石、石灰石、高岭土、砂石，因此可忽略原材料的开采能耗，只考虑原材料的加工和建材成品的运输能耗。

2.5 上游能源消耗及其与建筑全生命周期的协调

建筑材料能耗统计边界限定在建筑材料生产的直接（包括主机、辅助系统）能源消耗，并未延伸至所消耗能源的上游。一方面，在整个建筑全生命周期中，各阶段都会消耗能源，同样涉及上游能源消耗的问题。如引入上游能源消耗这一因素，将导致建筑全生命周期能耗的无限扩大。另一方面，建筑全生命周期的直接能源消耗已在侧面反映了上游能源消耗的问题。

根据对建筑全生命周期和建筑材料全生命周期的研究分析，除了建筑运行阶段外，两者在其他阶段相互重合或穿插，如建筑的施工阶段和运行阶段与建筑材料的使用阶段，建筑的拆除和固废处理阶段与建筑材料的处理和回收利用阶段。建筑材料生命周期虽是建筑全生命周期的重要组成部分，但也仅仅是一部分。为了便于建筑全生命周期能耗的统计、实现，应界定建筑材料的能耗过程包括如下阶段：原材料的生产和运输阶段、建筑材料的生产和运输阶段、建筑材料的回收利用阶段，而将建筑材料的应用、处理等阶段归入建筑全生命周期中的施工阶段、维护运行阶段、建筑拆除和固废处理阶段。

3 建筑材料能耗评价指标框架的建立

以民用建筑中陶瓷、玻璃、钢材、水泥4类大宗建材为基础，并根据建筑材料能耗过程的界定研究分析，重点考察建材的生产和运输过程的能耗，并建立了建筑材料能耗评价指标框架，如图1、图2所示。不同种类建材的生产能耗由不同能源品种的消耗强度及产量构成，从而搭建了民用建材的总生产能耗组成关系。通过不同能源品种的每公里消耗及运输里程，与不同建材种类构成了民用建筑建材运输的能耗关系。

图1 民用建筑大宗建材生产能耗指标框架

图2 民用建筑大宗建材运输能耗指标框架

4 结论

（1）在现阶段研究基础上，通过探讨建筑材料能耗评价指标框架建立时应考虑的因素，以及为了便于建筑全生命周期能耗的统计、实现，将建筑材料的能耗过程界定为如下阶段：原材料的生产和运输阶段、建筑材料的生产和运输阶段、建筑材料的回收利用阶段，而将建筑材料的应用、处置等阶段归入建筑全生命周期中的施工阶段、维护运行阶段、建筑拆除和固废处理阶段。同时以民用建筑4类大宗建材为基础，建立了建材生产和运输过程的能耗评价指标框架。

（2）通过建立大宗建材能耗评价指标体系，不仅有利于掌握大宗建材的使用量，同时能够更好界定建筑工程能耗情况，可为研究民用建筑领域的“四节一环保”大数据平台建设及其节能减排实施奠定基础。