ACADEMICS 学术
摘要：随着社会快速发展，高碳排放类工业建筑逐渐被清洁型建筑所取代。而其本身所遗留下来的建筑体失去原有功能被闲置或废弃，在一定程度上造成了环境的二次污染及资源浪费。本文通过建筑全生命周期分析以及相应策略，从碳排放角度分析废弃工业建筑的低碳改造，从而为类似项目提供经验。 关键词：工业建筑；碳排放；低碳；改造1现状
建于2003年的西安建筑大学热力中心位于西安建筑科技大学雁塔校区操场东侧，2005年西安市实行强制集中供暖整改后停止使用，目前除一层部分房间改作环境学院实验室外，其他部分均已废弃。废弃后的热力中心供热设备已完全拆除，仅留主体钢结构框架及建筑、设备基础（图01）。 研究团队本着对高碳排放类工业建筑改建的可实施性研究，以及对《巴黎协定》规定的2030年节碳目标下降60%的可行性研究，从而对该热力中心进行改扩建。目前该建筑主体结构稳定，基础良好，仅建筑构件有个别锈蚀，现状面积约1650m 2
，改造后建筑面积6997.6m 2
。
由于基地下方建有地下人防工程，因此热力中心的所有空间均建于地上，在地面上建有大规模的、钢筋混凝土结构的设备基础承台。承台东侧及南侧为钢框架结构的控制室和输煤廊道，承台西侧为砖混结构的风机房和烟道，北侧为钢筋混凝土结构的烟囱。锅炉承台和钢结构风机房之间结构相互独立，建筑各部分层数与层高都不完全相同，但又有一定的相关性。而对其结构改造设计的原则是尽可能保留原有结构体系，充分利用原有结构的承载能力（特别
是钢筋混凝土设备承台）进行加建。
通过相关团队建筑全生命周期分析
［1-3］
，建
筑全生命周期包括物化阶段、使用阶段及拆解阶段3部分，而其中使用阶段的碳排放占建筑全生命周期80%以上。所以本文以使用阶段为例进行低碳策略研究。使用阶段的碳排放量计算公式为，使用设备的耗电量乘以该地区电力碳排放因子所得，西北电网的电力碳排放因子0.9578kgCO 2e/kWh 。
建筑使用阶段碳排放量（C ）=建筑使用过程碳排放量（C SY ）＋建筑维护过程碳排放量（C WH ）＋蓄电设备节碳量（C JN ）
2.1建筑使用过程碳排放量C SY 计算
根据调查研究表明，在住宅建筑碳排放计算中，由于家电使用、炊事等活动与居民个人生活方式密切相关，变化量大，难以界定，因此家庭生活产生的碳排放不应包含在建筑全生命周期碳排放中，应单独纳入个人生活碳排放中。因此本研究在使用阶段主要计算建筑采暖、空调、照明及可再生能源系统的综合碳排放量。
建筑采暖与空调的能耗：该办公楼采用地源热泵，地源热泵运行消耗的电能所引起的碳排放应当纳入计算。此处以既有办公建筑地源
热泵能耗为参照，以办公建筑地源热泵系统采暖季逐日平均耗电能约为0.15kWh/m 2、制冷季逐日平
均耗电能约为0.13kWh/m 2计算；供暖计算期为11月15日至次年3月15日，制冷计算期为6月28日至9月28日；进而估算可得，该办公建筑地源热泵系统一年消耗电能分别为采暖季125892kWh 、制冷季81869.58kWh 。因此，空调采暖年均消耗电能为207761.58kWh 。
建筑照明的能耗：办公建筑照明密度选择《公
共建筑节能设计标准》［4］
中的规定值，即9W/m 2。
如表01所示，不考虑照明工具的能效变化，经计算绿实验中心办公楼的照明年均能耗为152214.30kWh 。
能耗预测模型，绿实验中心办公楼共2部电梯，假设选用三菱ELENESSA-21-C0电梯，电梯的主要参数如下：载重量为1600kg ，速度1.6m/s ，提升高度23.95m ，且为无障碍电梯。根据计算得到办公楼全年电梯运行能耗约为
5873.94kWh 。根据以上数据，可求得绿实验中心办公楼使用阶段年均能耗为365849.82kWh ，
折合年均碳排放量350.4109576t 。
2.2建筑维护过程碳排放量CWH 计算
由于本案例采用地源热泵，因此设备生产维护碳排放只考虑太阳能光伏板及电梯生产的能耗。
电梯生产及维护碳排放：电梯设备材料组成主要分为框架部分钢铁型材、箱体部分钢铁型材、板材、五金件等。绿实验中心办公楼共2部电梯，额定载重量为1000kg 。对电梯设备碳排放进行计算，电梯在50年使用年限期间需更换1次，因此电梯设备生产碳排放总量为11.01626t 。
太阳能光伏板生产及维护碳排放量：绿实验中心办公楼共设有4处太阳能光伏板，面积共1438.45m 2，装机量313.7kW 。据此可算出太阳能光伏板的生产碳排放量为241549t 。根据相关研究指出［6］，太阳能光伏板安全使用年限为25年，因此在该工程设计使用年限内需更换1次，则太阳能光伏板生产维护总碳排放量为483.098t 。
该阶段建筑设计年限内碳排放量为494.11426t 。
2.3蓄电设备节碳量CJN 计算
绿实验中心办公楼共设有4处太阳能光伏板，面积共1438.45m 2。通过实测运行，可得
地源热泵系统
基于建筑全生命周期使用阶段的工业建筑
低碳改造研究
以西安建筑大学热力中心为例
RESEARCH ON LOW-CARBON RENOVATION OF INDUSTRIAL BUILDINGS
BASED ON THE USE STAGE OF THE BUILDING'S LIFE CYCLE A CASE OF THERMAL CENTER IN XI ’AN UNIVERSITY OF ARCHITECTURE
AND TECHNOLOGY
张凯李岳岩
（西安建筑科技大学建筑学院，西安710055
）
表01绿实验中心办公楼照明年均能耗
图01原有锅炉房模型及照片
116
MAR
2021
图02
热力中心节能改造设计策略
图03夏至日4
个时间阴影
图04
遮阳效果模拟
图05
外围护结构图
图06利用原有结构通风图07集成楼盖
到8月份的日均发电量为0.77kWh/m 2。经相关资料查阅，8月份太阳能光伏板发电量约为全年发电量的18%～20%，据此估算，绿实验中心办公楼每年可通过太阳能光伏板收集并转化成184601.08kWh 的电能。折合碳排放量176.8109144t 。
2.4建筑使用维护阶段碳排放总量
该建筑设计使用年限50年，通过计算可得，该建筑使用阶段碳排放总量为9174.11642t （表02）。
3低碳设计策略分析
基于建筑全碳排放分析，降低建筑全生命周期使用阶段能耗策略主要为2项，即“开源”和“节流”。开源指使用地源热泵、太阳能等清洁能源直接降低耗电量，从而减少碳排放量；节流指建筑自身增加保温保冷性能，增加建筑自然通风，增加自然采光，从而减少碳排放量。本次设计所有减碳策略如图02所示。3.1开源（1）太阳能板
建筑屋顶利用太阳能光伏板设置屋顶架空屋面，夏季作为通风间层可以带走屋顶多余的热量，冬季作为保温间层为屋顶提供了保温。同时，屋顶的太阳能光伏板可以产生额外的电能，可提供绿建筑研究中心的部分电能消耗。通过计算，所铺设的4块太阳能板可以产生几乎全年的采暖与制冷的碳排放量。此外，还在屋顶布置了种植屋面，土壤具有良好的保温隔热性能，结合屋面植物与高性能的EPS 板，保证了屋面的绿设计。（2）地源热泵
通过相同地区已有办公类建筑使用供暖季空调系统调节室内热环境的研究［7］
，对比本研究
使用地源热泵的碳排放量，相同建筑面积的碳排放量节省了50%以上。3.2节流（1）遮阳
建筑项目通过体量之间的相互错动，在形成丰富形体效果的同时，达到相互遮阳的效果，使得建筑南向既能满足冬季日照，又能在夏季形成自遮阳，从而减少建筑能耗。建筑采用相对集中的体形，控制其体形系数。在东、南、北3个立面，形态力求简洁，通过这些手段，建筑体形系数被控制在0.252。西侧建筑立面通过形体错动形成建筑自遮阳，以此缓解西晒情况。通过模拟夏至日13点、15点、17点、19点4个时间点的自遮阳阴影情况（图03），从而得到最终形体。
在南向等有利朝向运用轻型透光组合墙体，以增大办公用房的采光面积；同时，南向特朗勃墙外侧设有光伏板水平遮阳。通过计算，
光伏板的宽度设置为900mm ，在夏季时可形成大面积的阴影，对特朗勃墙进行遮阳，同时不影响室内采光。
为进行光伏水平遮阳板的遮阳效果对比，研究使用Ecotect 软件模拟其在夏季上午10点至下午2点的热辐射累积值，并用Radiance 软件模拟其在晴天条件下对房间的遮阳效果（图04）。通过对比可以看出，光伏水平遮阳的效果明显，能有效减少工作平面及立面的热辐射。（2）外围护结构
建筑的木格构外墙根据不同的朝向和使用要求分别采取了不同的构造方式（图05）。东侧和北侧木格构墙强调保温隔热性能，因此中间采用200mm 厚的岩棉板，外围护层采用阳光板（即聚碳酸酯板）。由于空间限制和使用的要求，绿建筑研究中心的西侧必须有大面积的采光面，并且建筑西侧紧邻操场，无任何遮挡，西晒严重，因此西侧墙面既要透光，又要有良好的保温隔热性能。设计中采用了气凝胶玻璃作为外围护层，保证热工性能的同时又有良好的采光。南侧充分利用被动式太阳能系统，采用特朗勃墙体系。利用水作为集热蓄热材料形成蓄热墙体，外围护层采用阳光板，蓄热墙体与阳光板之间有130mm 厚的空气间层，共同构成特朗勃墙体系，在漫长的冬季能获得更多的热能。（3）利用原有构建
项目利用现有烟囱和人防地道形成烟囱效应，以增强空气流通（图06），既有利于夏季的降温，提高夏季室内热舒适度，也减少了夏季的空调耗能；项目室内采用毛细管与多联机结合的方式调节室内温
度，通过地源热泵为毛细管集成楼盖提供冷热源（图07），提高全年室内热舒适度的同时降低能耗。4小结
通过与同类项目对比，西建大热力中心改
造项目在使用阶段可以节碳50%以上，效果明显。其中起主要作用的是“开源”，即使用太阳能板以及地源热泵系统，占整个节碳效果的80%以上。而其余的“节流”措施，则可以起到20%左右的节碳效果。所以在后续设计中，首先要考虑的节碳措施即为使用清洁能源替代传统高污染能源；其次，需要注意材料使用和空间设计所起的辅助节碳效果。
基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0700209-01）。参考文献：
［1］熊宝玉.住宅建筑全生命周期碳排放量测算
研究［D ］.深圳：深圳大学，2015.
［2］罗智星.建筑生命周期二氧化碳排放计算方
法与减排策略研究［D ］.西安：西安建筑科技大学，2016.
［3］周晓.浙江省城市住宅生命周期CO 2排放评
价研究［D ］.杭州：浙江大学，2012.
［4］中国建筑科学研究院，中国建筑业协会建筑
节能专业委员会.公共建筑节能设计标准［M ］.北京：中国建筑工业出版社，2005.［5］中国标准出版社.中华人民共和国国家标准
GB/T 10058-2009：电梯技术条件［M ］.北京：中国标准出版社，2009.
［6］BATTISTI R ，CORRADO A.Evaluation of
technical improvements of photovoltaic systems through life cycle assessment methodology ［J ］.Energy ，2005，30（7）：952-967.
［7］马康维.寒冷地区办公建筑全生命周期碳排
放测算及减碳策略研究［D ］.西安：西安建筑科技大学，2019.
图片来源：本文图片均为作者拍摄或自绘收稿日期：2021-01-25
表02
使用阶段碳排放总量
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