居住區使用階段碳收支研究

摘 要

摘要：從分析碳源和碳匯出發，提出了居住區使用階段碳收支計算方法。通過實例的碳收支計算，提出了使用階段實現低碳、零碳居住區的措施。對建設全生命周期低碳居住區進行了討論。
摘要：從分析碳源和碳匯出發，提出了居住區使用階段碳收支計算方法。通過實例的碳收支計算，提出了使用階段實現低碳、零碳居住區的措施。對建設全生命周期低碳居住區進行了討論。
關鍵詞：低碳建筑；低碳居住區；使用階段；零碳居住區
Research on Carbon Budget during Use Stage of Residential Areas
HE Hua，LONG Tian-yu，YAN Tao，ZHOU Zhi-yong
Abstract：Based on the analysis of carbon sources and sinks，a calculation method of carbon budget during use stage of residential areas is presented. Through the calculation of carbon budget of a case，measures for achieving low-carbon and zero-carbon residential areas during the use stage are put forward. The construction of low-carbon residential areas in the whole life cycle is discussed.
Key words：low-carbon building；low-carbon residential area；use stage；zero-carbon residential area
1 概述
    近年來，越來越多的事實證明，溫室氣體排放的增加和溫室效應的增強可能導致了全球氣候變暖的趨勢，這種趨勢所引發的各種氣候與環境問題日益突出[1]，如氣候帶向極地方向移動、海平面上升、物種滅絕、耦合污染等等。因此，控制溫室氣體凈增量成為當前的熱點問題。
    目前對溫室氣體凈增量的研究主要集中于陸地[2]、省域、城市[3]、森林[4]、草原、湖泊[5]、農田[6]等大尺度的研究，而針對居住區等小尺度的研究相對較少。聯合國經濟社會事務部人口司發布的一份報告指出，2008年底世界半數人口居住在城市中，而居住區占城市面積的30%左右且人口密度較大，因此研究居住區溫室氣體凈增量具有重要的現實意義。
    深圳市經過20年的建設，經濟總量排名全國第4，根據統計資料，深圳市2008年碳排放量是碳吸收量的60倍。基于深圳市經濟發展的先導性和碳失衡的現狀，本文以深圳市為例研究居住區碳收支的問題。
2 基本概念
2.1 溫室氣體
    溫室氣體是指大氣中那些吸收和重新放出紅外線輻射的自然的和人為的氣體，《京都議定書》的附件中界定了6種溫室氣體：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氯氟烴(CFCs)、全氟烴(PFCs)、六氟化硫(SF6)[7]。
2.2 碳源和碳匯
    碳源是指向大氣中釋放溫室氣體的過程、活動或機制，本文特指使用階段居住區范圍內綠地和人類所排放的溫室氣體的量。
    碳匯是指從大氣中清除溫室氣體的過程、活動或機制，本文特指使用階段居住區內綠地所吸收的溫室氣體數量。
2.3 碳收支
    碳收支計算就是碳源減去碳匯，所得到的凈碳量表示大氣中溫室氣體的凈變化量。當凈碳量為正時，表示大氣中的溫室氣體增加了；為負時，表示大氣中的溫室氣體減少了；為零時，表示實現了碳收支的平衡。只有接近碳收支平衡的系統才是穩定和可持續發展的系統。
2.4 溫室氣體計量
    相同質量的不同溫室氣體對氣候變暖的影響不同，且二氧化碳對溫室效應的貢獻率為66%[8]，故引入二氧化碳當量(CO2 equivalent)統一計量溫室氣體的量。某種溫室氣體的二氧化碳當量值為其質量乘以全球變暖潛能值(Global Warming Potential，GWP)的積，二氧化碳的GWP值為1。例如，甲烷的GWP值為23，則1kg甲烷的二氧化碳當量為23kg。
    本文中的“碳”泛指溫室氣體，均以二氧化碳當量來計量。“碳源”和“碳匯”就是指溫室氣體的排放量和吸收量，均以二氧化碳當量來計量。
3 研究范圍
   ① 對象界定
   本文以典型的現有居住區為研究對象，進行使用階段碳收支的計算。
   ② 空間界定
   由于氣體具有流動性和擴散性，居住區和周邊環境之間不可避免地存在著氣體交換，為使問題簡化以獲得具有普遍性的評價方法和結論，本文只考慮居住區道路紅線范圍以內的碳收支。
   ③ 時間界定
   從全生命周期來看，基于目前的技術、經濟和社會發展水平，可以考慮建設低碳居住區；若只考察使用階段，則可以考慮建設零碳居住區(即實現碳收支平衡)。本文在進行碳收支計算時，計算數據取日平均值。
4 計算方法
    本文以統計數據、文獻數據、實測數據為基礎，綜合考察居住區使用階段的碳源和碳匯，進行碳收支計算。
4.1 居住區每日碳匯計算
居住區碳匯主要考慮綠地中植物對碳的清除作用，則：
 
式中Ca——居住區每日碳匯，kg
    n——居住區中植物種類的總數
    Ca,i——第i種植物每日碳吸收量，k
    Qa,i——第i種植物單位葉面積(葉面積即葉片的單面面積)每日碳吸收量，g/m2
    Ai——居住區內第i種植物葉面積之和，m2
    Ii——第i種植物葉面積指數，指單位水平投影面積上第i種植物葉面積之和
    Sa,i——第i種植物水平投影(覆蓋)面積，m2
4.2 居住區每日碳源計算
    本文僅研究居住區內部的碳排放，而電力生產發生在居住區之外，因此碳源考慮以下5個方面：人口呼吸、居民生活、交通、土壤呼吸、植物呼吸，則：
    Ce=Ce,1+Ce,2+Ce,3+ Ce,4+Ce,5     (2)
    Ce,1=Qe,1Np                  (3)
    Ce,2=Qe,2Npβ2               (4)
    Ce,3=Qe,3LN3β3              (5)
    Ce,4=Qe,4Se,4                 (6)
    Ce,5=0.2Ca                  (7)
式中Ce——居住區每日碳源，kg
    Ce,1——人口呼吸每日碳排放量，k
    Ce,2——居民生活每日碳排放量，kg
    Ce,3——居住區內交通每日碳排放量，kg
    Ce,4——土壤呼吸每日碳排放量，kg
    Ce,5——植物呼吸每日碳排放量，kg
    Qe,1——每人每日呼吸碳排放量，kg
    Np——居住區人口總數
    Qe,2——每人每日燃料(天然氣)用量，m3
    β2——單位體積燃料燃燒后碳排放量，kg/m3
    Qe,3——居住區汽車擁有量
    L——汽車每次在居住區內行駛距離，km
    N3——汽車每日在居住區內通行次數
    β3——汽車行駛每1km平均碳排放量，kg/km
    Qe,4——土壤日均呼吸速率，kg/m2
    Se,4——土壤面積，m2
4.3 每日凈碳量計算
    △C=Ce-Ca    (8)
式中△C——每日凈碳量，kg
5 實例分析
    實例為深圳市20世紀80年代建成的居住區——通新嶺小區。
5.1 居住區概況
   ① 基本情況
    該居住區內有22幢居民住宅樓，每幢6層，總計792戶(66個單元，每單元12戶)，2530人(按戶均3.2人計)。
   ② 用地現狀
該居住區東面為荔枝公園、菜市場、停車場、圖書館，西面為交通繁忙的城市主干道(上步中路)，北面為交通繁忙的城市主干道(紅荔路)，南面為城市支路(同福路)和荔園小學。雖然東面的公園可提供補充碳匯，但西面、北面的交通主干道會成為主要碳源，根據本文研究范圍的空間界定，不考慮它們的影響。
   ③ 用地指標
   該居住區用地面積為5×104m2，建筑占地面積為1.6×104m2，植被覆蓋面積2.25×104m2，道路面積為0.7×104m2，其他面積為0.45×104m2。
5.2 碳匯
    居住區內主要植物共有28種，各種植物的單位葉面積每日碳吸收量Qa,i、葉面積指數Ii、覆蓋面積Sa,i、每日碳吸收量Ca,i見表1。
    將表1中數據代入式(1)可得居住區每日碳匯Ca為1496kg。
表1 各種植物相關數據及計算結果
植物名稱
Qa,i/(g·m-2)
Sa,i/m2
Ii
Ca,i/kg
植物名稱
Qa,i/(g·m-2)
Sa,i/m2
Ii
Ca,i/kg
白蘭花
8.27
2120
6.1
106.9
金葉假連翹
4.39
1350
7.9
46.8
陰香
7.78
4200
4.2
137.2
佛肚竹
3.95
800
11.1
35.1
樟樹
10.76
3150
3.9
132.2
夾竹桃
9.42
27
9.3
2.4
羊蹄甲
11.88
2640
1.9
59.6
含笑
9.37
160
2.3
3.4
鳳凰木
10.78
2940
1.6
50.7
黃蟬
9.72
90
0.4
0.3
木棉
10.49
970
1.3
13.2
棕竹
1.16
150
2.7
0.5
大花紫薇
12.67
1560
4.7
92.9
紅龍草
18.6
690
1.3
16.7
黃葛樹
15.27
2480
3.4
128.8
海芋
14.78
570
0.7
5.9
欒樹
5.57
2470
3.7
50.9
蚌花
5.23
270
5.2
7.3
橡膠榕
4.15
1810
2.3
17.3
結縷草
9.24
440
2.3
9.4
蒲葵
5.78
970
5.3
29.7
地毯草
10.97
3200
1.9
66.7
刺桐
17.50
310
2.9
15.7
蟛蜞菊
14.22
9000
3.1
398.0
九里香
4.75
1400
6.4
42.6
葉子花
6.73
99
5.1
3.4
桂花
7.92
600
4.0
19.0
三葉地錦
7.96
85
5.3
3.6
5.3 碳源
   ① 人口呼吸每日碳排放量Ce,1
   取每人每日呼吸碳排放量Qe,1為0.9kg[9]，已知居住區人口總數Np為2530人，則根據式(3)可得Ce,1為2277kg。
   ② 居民生活每日碳排放量Ce,2
   該居住區以天然氣為炊事和生活熱水等生活用能，每人每日天然氣用量Qe,2為0.195m3(其中燃氣熱水器天然氣用量為0.117m3)[10]，單位體積天然氣燃燒后碳排放量屆：為2.184kg/m3(引自政府間氣候變化專門委員會《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》)，則根據式(4)可得Ce,2為1077kg。
   ③ 居住區內交通每日碳排放量Ce,3
   該居住區汽車擁有量Q鉑為80輛，由現狀圖可知汽車從城市支路進入居住區停車位平均行駛距離L為0.14km，汽車每日通行次數批取2次，汽車行駛每1km平均碳排放量島為0.176kg/km(根據文獻[11]和中國汽車工業協會《汽車節能產品評價匯總表》提供的數據)，則根據式(5)可得Ce,3約為4kg。
   ④ 土壤呼吸每日碳排放量Ce,4
   當林木覆蓋率達70%時，土壤呼吸年碳排放量為6.47t/hm2[12]，即土壤日均呼吸速率Q“為17.7kg/hm2，已知土壤面積Se,4為2.25hm2，則根據式(6)可得Ce,4為40kg。
    ⑤ 植物呼吸每日碳排放量Ce,5
    由5.2節可知Ca為1496kg，則根據式(7)可得Ce,5為299kg。
    ⑥ 居住區碳源每日碳排放量Ce
    根據式(2)可得Ce為3697kg。
5.4 凈碳量
    根據式(8)可得AC為2201kg，即該居住區的碳排放量大于碳吸收量，碳源是碳匯的247%。
5.5 使用階段實現低碳、零碳居住區的措施
    上面計算的凈碳量雖然為正，但是如果從減源和增匯兩個方面著手，仍然可以降低碳排放量，甚至實現碳平衡。由于實例為既有居住區，因此可將這些減源增匯措施分為目前可行和不可行2種，其中可行的措施一般投入資金較少而且適于既有居住區，而不可行的措施一般投入資金太多或者不適于既有居住區，但是分析后者對今后進行居住區規劃仍然具有指導意義。
   ① 目前可行的減源增匯措施
   將燃氣熱水器替換成太陽能熱水器，每日可減少天然氣用量296m3，使每日居民生活碳排放量減少646kg。
    以碳吸收量和綠量(單位綠地面積上的植物葉面積總量)均較高的物種(如小葉榕、扶桑、薜荔等物種)替換部分碳吸收量和綠量均較低的物種(如橡膠榕、黃蟬、棕竹等物種)，每日可增加植物碳吸收量750kg。
    優化植物配置結構，增加灌木層綠量，可增加居住區碳吸收量200kg。
    在現有屋頂及西側墻面進行綠化，每日可增加植物碳吸收量250kg。
   綜合采用上述各種措施后每日可減源增匯1846kg，此時△C為355kg，碳源是碳匯的113%，
碳失衡的狀況可以得到明顯改善。
   ② 目前不可行的減源增匯措施
   該居住區在規劃設計階段即考慮零碳建設，則可以在滿足居住條件的情況下進一步降低凈碳量。例如，通過重新規劃后集約使用土地就可以增加碳匯：將該居住區建筑改為12層，可增加綠地面積約0.8×104m2，從而增加每日植物碳吸收量532kg。但是此時屋頂面積將減小，因此屋頂及西側墻面綠化的植物每日碳吸收量降至150kg，比前面①的情況少了100kg。
    由此可見，如果考慮規劃方案，則可以進一步減源增匯432kg，此時△C為-77kg，碳源是碳匯的98%，基本實現了碳收支平衡。
6 全生命周期低碳居住區設想
6.1 可行性
    如果從全生命周期考察居住區碳收支，則必須考慮電力生產的碳排放，還要考慮建筑材料生產和工程施工所產生的碳排放，則碳排放量更大，建立零碳社區比較困難。但是，如果從城市這類更大的尺度上進行權衡和統籌，通過相關環節的各種減源和增匯措施將居住區碳排放量降下來，就有可能建立起全生命周期的低碳居住區。
6.2 減源措施
   ① 使用清潔能源
   提倡使用天然氣這類清潔能源，其單位能耗碳排放量較小；鼓勵使用燃料乙醇車和氫能燃料電池車，替代目前的汽油燃料車。
   ② 利用可再生能源
   深圳地區日照充足，應提倡使用太陽能；條件許可的情況下，考慮使用地源特別是水源熱泵；居住區可以利用居民生活排放物制備沼氣用于居民生活用能。
   ③ 實現建筑節能
   在設計中可以從優化住宅風環境、光環境、建筑體型，合理采光、遮陽，采用高效設備，增加公共區域的傳感、自動控制，行為節能等方面著手實現建筑節能。
6.3 增匯措施
   ① 集約利用土地
   居住區采用高層和小高層可以大大減少建筑用地，從而增加綠化用地，提高居住區植被覆蓋率，增加植物的碳吸收量。
    ② 選用碳吸收量和綠量均較高的物種
    不同的物種單位葉面積碳吸收量和單位綠地綠量各不相同，宜選用單位葉面積碳吸收量和單位綠地綠量均比較大的速生物種。
   ③ 優化植物配置結構
   不同的種植結構生態效益不同，在不影響居住區通風、采光的情況下應盡量優化植物配置結構，增加復層綠量，以獲取更大的生態效益。
    ④ 采用屋頂綠化和垂直綠化
    屋頂綠化和垂直綠化可以改善屋頂和外墻的熱工性能，夏季降溫、冬季保溫。屋頂綠化可以考慮灌草型的搭配，垂直綠化可以考慮很少開窗的西曬墻面的整體覆蓋和其他墻面的部分覆蓋。并可統一規劃陽臺綠化花池，增加建筑本體綠量。
7 結論
    ① 在不考慮電力生產碳排放的前提下，如果僅考慮使用階段并且范圍限制在道路紅線以內，通過常規的減源和增匯措施就可能實現碳平衡，即建立起零碳居住區。但是，如果規劃設計階段沒有針對性的零碳策略，凈碳量仍然可能遠大于零，本文實例即說明了這一點。
    ② 如果考慮電力生產和周邊環境的影響，則目前要實現全生命周期零碳居住區比較困難。但是，隨著節能技術、清潔能源、可再生能源、碳封存技術的發展和應用，完全可以建立起具有合理凈碳量的全生命周期低碳居住區。
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(本文作者：何華1、2 龍天渝1 鄢濤2 周智勇1 1.重慶大學 城市建設與環境工程學院 重慶 400045；2.深圳市建筑科學 研究院有限公司 廣東深圳 518049)