居住區(qū)使用階段碳收支研究

摘 要

摘要：從分析碳源和碳匯出發(fā)，提出了居住區(qū)使用階段碳收支計(jì)算方法。通過實(shí)例的碳收支計(jì)算，提出了使用階段實(shí)現(xiàn)低碳、零碳居住區(qū)的措施。對(duì)建設(shè)全生命周期低碳居住區(qū)進(jìn)行了討論。
摘要：從分析碳源和碳匯出發(fā)，提出了居住區(qū)使用階段碳收支計(jì)算方法。通過實(shí)例的碳收支計(jì)算，提出了使用階段實(shí)現(xiàn)低碳、零碳居住區(qū)的措施。對(duì)建設(shè)全生命周期低碳居住區(qū)進(jìn)行了討論。
關(guān)鍵詞：低碳建筑；低碳居住區(qū)；使用階段；零碳居住區(qū)
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(shí)證明，溫室氣體排放的增加和溫室效應(yīng)的增強(qiáng)可能導(dǎo)致了全球氣候變暖的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)所引發(fā)的各種氣候與環(huán)境問題日益突出[1]，如氣候帶向極地方向移動(dòng)、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(dāng)前的熱點(diǎn)問題。
    目前對(duì)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(nóng)田[6]等大尺度的研究，而針對(duì)居住區(qū)等小尺度的研究相對(duì)較少。聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)社會(huì)事務(wù)部人口司發(fā)布的一份報(bào)告指出，2008年底世界半數(shù)人口居住在城市中，而居住區(qū)占城市面積的30%左右且人口密度較大，因此研究居住區(qū)溫室氣體凈增量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
    深圳市經(jīng)過20年的建設(shè)，經(jīng)濟(jì)總量排名全國第4，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，深圳市2008年碳排放量是碳吸收量的60倍?；谏钲谑薪?jīng)濟(jì)發(fā)展的先導(dǎo)性和碳失衡的現(xiàn)狀，本文以深圳市為例研究居住區(qū)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(dòng)或機(jī)制，本文特指使用階段居住區(qū)范圍內(nèi)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(dòng)或機(jī)制，本文特指使用階段居住區(qū)內(nèi)綠地所吸收的溫室氣體數(shù)量。
2.3 碳收支
    碳收支計(jì)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(dāng)凈碳量為正時(shí)，表示大氣中的溫室氣體增加了；為負(fù)時(shí)，表示大氣中的溫室氣體減少了；為零時(shí)，表示實(shí)現(xiàn)了碳收支的平衡。只有接近碳收支平衡的系統(tǒng)才是穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)。
2.4 溫室氣體計(jì)量
    相同質(zhì)量的不同溫室氣體對(duì)氣候變暖的影響不同，且二氧化碳對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率為66%[8]，故引入二氧化碳當(dāng)量(CO2 equivalent)統(tǒng)一計(jì)量溫室氣體的量。某種溫室氣體的二氧化碳當(dāng)量值為其質(zhì)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(dāng)量為23kg。
    本文中的“碳”泛指溫室氣體，均以二氧化碳當(dāng)量來計(jì)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(dāng)量來計(jì)量。
3 研究范圍
   ① 對(duì)象界定
   本文以典型的現(xiàn)有居住區(qū)為研究對(duì)象，進(jìn)行使用階段碳收支的計(jì)算。
   ② 空間界定
   由于氣體具有流動(dòng)性和擴(kuò)散性，居住區(qū)和周邊環(huán)境之間不可避免地存在著氣體交換，為使問題簡(jiǎn)化以獲得具有普遍性的評(píng)價(jià)方法和結(jié)論，本文只考慮居住區(qū)道路紅線范圍以內(nèi)的碳收支。
   ③ 時(shí)間界定
   從全生命周期來看，基于目前的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平，可以考慮建設(shè)低碳居住區(qū)；若只考察使用階段，則可以考慮建設(shè)零碳居住區(qū)(即實(shí)現(xiàn)碳收支平衡)。本文在進(jìn)行碳收支計(jì)算時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)取日平均值。
4 計(jì)算方法
    本文以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合考察居住區(qū)使用階段的碳源和碳匯，進(jìn)行碳收支計(jì)算。
4.1 居住區(qū)每日碳匯計(jì)算
居住區(qū)碳匯主要考慮綠地中植物對(duì)碳的清除作用，則：
 
式中Ca——居住區(qū)每日碳匯，kg
    n——居住區(qū)中植物種類的總數(shù)
    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(qū)內(nèi)第i種植物葉面積之和，m2
    Ii——第i種植物葉面積指數(shù)，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(qū)每日碳源計(jì)算
    本文僅研究居住區(qū)內(nèi)部的碳排放，而電力生產(chǎn)發(fā)生在居住區(qū)之外，因此碳源考慮以下5個(gè)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(qū)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(qū)內(nèi)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(qū)人口總數(shù)
    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(qū)汽車擁有量
    L——汽車每次在居住區(qū)內(nèi)行駛距離，km
    N3——汽車每日在居住區(qū)內(nèi)通行次數(shù)
    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(jì)算
    △C=Ce-Ca    (8)
式中△C——每日凈碳量，kg
5 實(shí)例分析
    實(shí)例為深圳市20世紀(jì)80年代建成的居住區(qū)——通新嶺小區(qū)。
5.1 居住區(qū)概況
   ① 基本情況
    該居住區(qū)內(nèi)有22幢居民住宅樓，每幢6層，總計(jì)792戶(66個(gè)單元，每單元12戶)，2530人(按戶均3.2人計(jì))。
   ② 用地現(xiàn)狀
該居住區(qū)東面為荔枝公園、菜市場(chǎng)、停車場(chǎng)、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(xué)。雖然東面的公園可提供補(bǔ)充碳匯，但西面、北面的交通主干道會(huì)成為主要碳源，根據(jù)本文研究范圍的空間界定，不考慮它們的影響。
   ③ 用地指標(biāo)
   該居住區(qū)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(qū)內(nèi)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(shù)Ii、覆蓋面積Sa,i、每日碳吸收量Ca,i見表1。
    將表1中數(shù)據(jù)代入式(1)可得居住區(qū)每日碳匯Ca為1496kg。
表1 各種植物相關(guān)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)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(jié)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(qū)人口總數(shù)Np為2530人，則根據(jù)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(qū)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?xì)鉄崴魈烊粴庥昧繛?.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(huì)《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》)，則根據(jù)式(4)可得Ce,2為1077kg。
   ③ 居住區(qū)內(nèi)交通每日碳排放量Ce,3
   該居住區(qū)汽車擁有量Q鉑為80輛，由現(xiàn)狀圖可知汽車從城市支路進(jìn)入居住區(qū)停車位平均行駛距離L為0.14km，汽車每日通行次數(shù)批取2次，汽車行駛每1km平均碳排放量島為0.176kg/km(根據(jù)文獻(xiàn)[11]和中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)《汽車節(jié)能產(chǎn)品評(píng)價(jià)匯總表》提供的數(shù)據(jù))，則根據(jù)式(5)可得Ce,3約為4kg。
   ④ 土壤呼吸每日碳排放量Ce,4
   當(dāng)林木覆蓋率達(dá)70%時(shí)，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(jù)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(jié)可知Ca為1496kg，則根據(jù)式(7)可得Ce,5為299kg。
    ⑥ 居住區(qū)碳源每日碳排放量Ce
    根據(jù)式(2)可得Ce為3697kg。
5.4 凈碳量
    根據(jù)式(8)可得AC為2201kg，即該居住區(qū)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(shí)現(xiàn)低碳、零碳居住區(qū)的措施
    上面計(jì)算的凈碳量雖然為正，但是如果從減源和增匯兩個(gè)方面著手，仍然可以降低碳排放量，甚至實(shí)現(xiàn)碳平衡。由于實(shí)例為既有居住區(qū)，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(qū)，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(qū)，但是分析后者對(duì)今后進(jìn)行居住區(qū)規(guī)劃仍然具有指導(dǎo)意義。
   ① 目前可行的減源增匯措施
   將燃?xì)鉄崴魈鎿Q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(yōu)化植物配置結(jié)構(gòu)，增加灌木層綠量，可增加居住區(qū)碳吸收量200kg。
    在現(xiàn)有屋頂及西側(cè)墻面進(jìn)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(shí)△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(qū)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段即考慮零碳建設(shè)，則可以在滿足居住條件的情況下進(jìn)一步降低凈碳量。例如，通過重新規(guī)劃后集約使用土地就可以增加碳匯：將該居住區(qū)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(shí)屋頂面積將減小，因此屋頂及西側(cè)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(guī)劃方案，則可以進(jìn)一步減源增匯432kg，此時(shí)△C為-77kg，碳源是碳匯的98%，基本實(shí)現(xiàn)了碳收支平衡。
6 全生命周期低碳居住區(qū)設(shè)想
6.1 可行性
    如果從全生命周期考察居住區(qū)碳收支，則必須考慮電力生產(chǎn)的碳排放，還要考慮建筑材料生產(chǎn)和工程施工所產(chǎn)生的碳排放，則碳排放量更大，建立零碳社區(qū)比較困難。但是，如果從城市這類更大的尺度上進(jìn)行權(quán)衡和統(tǒng)籌，通過相關(guān)環(huán)節(jié)的各種減源和增匯措施將居住區(qū)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(qū)。
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(lì)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(qū)日照充足，應(yīng)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(qū)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(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能
   在設(shè)計(jì)中可以從優(yōu)化住宅風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境、建筑體型，合理采光、遮陽，采用高效設(shè)備，增加公共區(qū)域的傳感、自動(dòng)控制，行為節(jié)能等方面著手實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。
6.3 增匯措施
   ① 集約利用土地
   居住區(qū)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(qū)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(yōu)化植物配置結(jié)構(gòu)
   不同的種植結(jié)構(gòu)生態(tài)效益不同，在不影響居住區(qū)通風(fēng)、采光的情況下應(yīng)盡量?jī)?yōu)化植物配置結(jié)構(gòu)，增加復(fù)層綠量，以獲取更大的生態(tài)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(tǒng)一規(guī)劃陽臺(tái)綠化花池，增加建筑本體綠量。
7 結(jié)論
    ① 在不考慮電力生產(chǎn)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(nèi)，通過常規(guī)的減源和增匯措施就可能實(shí)現(xiàn)碳平衡，即建立起零碳居住區(qū)。但是，如果規(guī)劃設(shè)計(jì)階段沒有針對(duì)性的零碳策略，凈碳量仍然可能遠(yuǎn)大于零，本文實(shí)例即說明了這一點(diǎn)。
    ② 如果考慮電力生產(chǎn)和周邊環(huán)境的影響，則目前要實(shí)現(xiàn)全生命周期零碳居住區(qū)比較困難。但是，隨著節(jié)能技術(shù)、清潔能源、可再生能源、碳封存技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(qū)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 李春鞠，顧國維.溫室效應(yīng)與二氧化碳的控制[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2000，26(98)：13-15.
[2] 黃耀.中國陸地和近海生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究[J].中國科學(xué)院院刊，2002，(2)：104-107.
[3] 錢杰.大都市碳源碳匯研究——以上海市為例(博士學(xué)位論文)[D].上海：華東師范大學(xué)，2004.
[4] 王萍.大小興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡模擬研究(博士學(xué)位論文)[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2009.
[5] 楊洪.武漢東湖碳循環(huán)過程和碳收支研究(博士學(xué)位論文)[D].武漢：中國科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所，2004.
[6] 韓廣軒，周廣勝，許振柱.玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用季節(jié)動(dòng)態(tài)與碳收支初步估算[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009，17(5)：874-879.
[7] 王琛珉.全球氣候變化問題的認(rèn)知比較研究(博士學(xué)位論文)[D].青島：中國海洋大學(xué)，2008.
[8] 潘家華，莊貴陽，陳迎.減緩氣候變化的經(jīng)濟(jì)分析[M].北京：氣象出版社，2003.
[9] 金華友.城市綠地系統(tǒng)的功能與總體規(guī)劃淺析[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2003，28(4)：89-93.
[10] 城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查總隊(duì).中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒2008[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2008.
[11] GBl9578—2004，乘用車燃料消耗量限值[S].
[12] 方精云，馮宗煒，高林，等.現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)問題研究(上冊(cè))[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1996.
 
(本文作者：何華1、2 龍?zhí)煊?sup>1 鄢濤2 周智勇1 1.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045；2.深圳市建筑科學(xué) 研究院有限公司 廣東深圳 518049)