居住区使用阶段碳收支研究

摘 要

摘要：从分析碳源和碳汇出发，提出了居住区使用阶段碳收支计算方法。通过实例的碳收支计算，提出了使用阶段实现低碳、零碳居住区的措施。对建设全生命周期低碳居住区进行了讨论。
摘要：从分析碳源和碳汇出发，提出了居住区使用阶段碳收支计算方法。通过实例的碳收支计算，提出了使用阶段实现低碳、零碳居住区的措施。对建设全生命周期低碳居住区进行了讨论。
关键词：低碳建筑；低碳居住区；使用阶段；零碳居住区
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
    近年来，越来越多的事实证明，温室气体排放的增加和温室效应的增强可能导致了全球气候变暖的趋势，这种趋势所引发的各种气候与环境问题日益突出[1]，如气候带向极地方向移动、海平面上升、物种灭绝、耦合污染等等。因此，控制温室气体净增量成为当前的热点问题。
    目前对温室气体净增量的研究主要集中于陆地[2]、省域、城市[3]、森林[4]、草原、湖泊[5]、农田[6]等大尺度的研究，而针对居住区等小尺度的研究相对较少。联合国经济社会事务部人口司发布的一份报告指出，2008年底世界半数人口居住在城市中，而居住区占城市面积的30%左右且人口密度较大，因此研究居住区温室气体净增量具有重要的现实意义。
    深圳市经过20年的建设，经济总量排名全国第4，根据统计资料，深圳市2008年碳排放量是碳吸收量的60倍。基于深圳市经济发展的先导性和碳失衡的现状，本文以深圳市为例研究居住区碳收支的问题。
2 基本概念
2.1 温室气体
    温室气体是指大气中那些吸收和重新放出红外线辐射的自然的和人为的气体，《京都议定书》的附件中界定了6种温室气体：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氯氟烃(CFCs)、全氟烃(PFCs)、六氟化硫(SF6)[7]。
2.2 碳源和碳汇
    碳源是指向大气中释放温室气体的过程、活动或机制，本文特指使用阶段居住区范围内绿地和人类所排放的温室气体的量。
    碳汇是指从大气中清除温室气体的过程、活动或机制，本文特指使用阶段居住区内绿地所吸收的温室气体数量。
2.3 碳收支
    碳收支计算就是碳源减去碳汇，所得到的净碳量表示大气中温室气体的净变化量。当净碳量为正时，表示大气中的温室气体增加了；为负时，表示大气中的温室气体减少了；为零时，表示实现了碳收支的平衡。只有接近碳收支平衡的系统才是稳定和可持续发展的系统。
2.4 温室气体计量
    相同质量的不同温室气体对气候变暖的影响不同，且二氧化碳对温室效应的贡献率为66%[8]，故引入二氧化碳当量(CO2 equivalent)统一计量温室气体的量。某种温室气体的二氧化碳当量值为其质量乘以全球变暖潜能值(Global Warming Potential，GWP)的积，二氧化碳的GWP值为1。例如，甲烷的GWP值为23，则1kg甲烷的二氧化碳当量为23kg。
    本文中的“碳”泛指温室气体，均以二氧化碳当量来计量。“碳源”和“碳汇”就是指温室气体的排放量和吸收量，均以二氧化碳当量来计量。
3 研究范围
   ① 对象界定
   本文以典型的现有居住区为研究对象，进行使用阶段碳收支的计算。
   ② 空间界定
   由于气体具有流动性和扩散性，居住区和周边环境之间不可避免地存在着气体交换，为使问题简化以获得具有普遍性的评价方法和结论，本文只考虑居住区道路红线范围以内的碳收支。
   ③ 时间界定
   从全生命周期来看，基于目前的技术、经济和社会发展水平，可以考虑建设低碳居住区；若只考察使用阶段，则可以考虑建设零碳居住区(即实现碳收支平衡)。本文在进行碳收支计算时，计算数据取日平均值。
4 计算方法
    本文以统计数据、文献数据、实测数据为基础，综合考察居住区使用阶段的碳源和碳汇，进行碳收支计算。
4.1 居住区每日碳汇计算
居住区碳汇主要考虑绿地中植物对碳的清除作用，则：
 
式中Ca——居住区每日碳汇，kg
    n——居住区中植物种类的总数
    Ca,i——第i种植物每日碳吸收量，k
    Qa,i——第i种植物单位叶面积(叶面积即叶片的单面面积)每日碳吸收量，g/m2
    Ai——居住区内第i种植物叶面积之和，m2
    Ii——第i种植物叶面积指数，指单位水平投影面积上第i种植物叶面积之和
    Sa,i——第i种植物水平投影(覆盖)面积，m2
4.2 居住区每日碳源计算
    本文仅研究居住区内部的碳排放，而电力生产发生在居住区之外，因此碳源考虑以下5个方面：人口呼吸、居民生活、交通、土壤呼吸、植物呼吸，则：
    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——居住区每日碳源，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——居住区内交通每日碳排放量，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——居住区人口总数
    Qe,2——每人每日燃料(天然气)用量，m3
    β2——单位体积燃料燃烧后碳排放量，kg/m3
    Qe,3——居住区汽车拥有量
    L——汽车每次在居住区内行驶距离，km
    N3——汽车每日在居住区内通行次数
    β3——汽车行驶每1km平均碳排放量，kg/km
    Qe,4——土壤日均呼吸速率，kg/m2
    Se,4——土壤面积，m2
4.3 每日净碳量计算
    △C=Ce-Ca    (8)
式中△C——每日净碳量，kg
5 实例分析
    实例为深圳市20世纪80年代建成的居住区——通新岭小区。
5.1 居住区概况
   ① 基本情况
    该居住区内有22幢居民住宅楼，每幢6层，总计792户(66个单元，每单元12户)，2530人(按户均3.2人计)。
   ② 用地现状
该居住区东面为荔枝公园、菜市场、停车场、图书馆，西面为交通繁忙的城市主干道(上步中路)，北面为交通繁忙的城市主干道(红荔路)，南面为城市支路(同福路)和荔园小学。虽然东面的公园可提供补充碳汇，但西面、北面的交通主干道会成为主要碳源，根据本文研究范围的空间界定，不考虑它们的影响。
   ③ 用地指标
   该居住区用地面积为5×104m2，建筑占地面积为1.6×104m2，植被覆盖面积2.25×104m2，道路面积为0.7×104m2，其他面积为0.45×104m2。
5.2 碳汇
    居住区内主要植物共有28种，各种植物的单位叶面积每日碳吸收量Qa,i、叶面积指数Ii、覆盖面积Sa,i、每日碳吸收量Ca,i见表1。
    将表1中数据代入式(1)可得居住区每日碳汇Ca为1496kg。
表1 各种植物相关数据及计算结果
植物名称
Qa,i/(g·m-2)
Sa,i/m2
Ii
Ca,i/kg
植物名称
Qa,i/(g·m-2)
Sa,i/m2
Ii
Ca,i/kg
白兰花
8.27
2120
6.1
106.9
金叶假连翘
4.39
1350
7.9
46.8
阴香
7.78
4200
4.2
137.2
佛肚竹
3.95
800
11.1
35.1
樟树
10.76
3150
3.9
132.2
夹竹桃
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
凤凰木
10.78
2940
1.6
50.7
黄蝉
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
红龙草
18.6
690
1.3
16.7
黄葛树
15.27
2480
3.4
128.8
海芋
14.78
570
0.7
5.9
栾树
5.57
2470
3.7
50.9
蚌花
5.23
270
5.2
7.3
橡胶榕
4.15
1810
2.3
17.3
结缕草
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
叶子花
6.73
99
5.1
3.4
桂花
7.92
600
4.0
19.0
三叶地锦
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为0.9kg[9]，已知居住区人口总数Np为2530人，则根据式(3)可得Ce,1为2277kg。
   ② 居民生活每日碳排放量Ce,2
   该居住区以天然气为炊事和生活热水等生活用能，每人每日天然气用量Qe,2为0.195m3(其中燃气热水器天然气用量为0.117m3)[10]，单位体积天然气燃烧后碳排放量届：为2.184kg/m3(引自政府间气候变化专门委员会《2006年IPCC国家温室气体清单指南》)，则根据式(4)可得Ce,2为1077kg。
   ③ 居住区内交通每日碳排放量Ce,3
   该居住区汽车拥有量Q铂为80辆，由现状图可知汽车从城市支路进入居住区停车位平均行驶距离L为0.14km，汽车每日通行次数批取2次，汽车行驶每1km平均碳排放量岛为0.176kg/km(根据文献[11]和中国汽车工业协会《汽车节能产品评价汇总表》提供的数据)，则根据式(5)可得Ce,3约为4kg。
   ④ 土壤呼吸每日碳排放量Ce,4
   当林木覆盖率达70%时，土壤呼吸年碳排放量为6.47t/hm2[12]，即土壤日均呼吸速率Q“为17.7kg/hm2，已知土壤面积Se,4为2.25hm2，则根据式(6)可得Ce,4为40kg。
    ⑤ 植物呼吸每日碳排放量Ce,5
    由5.2节可知Ca为1496kg，则根据式(7)可得Ce,5为299kg。
    ⑥ 居住区碳源每日碳排放量Ce
    根据式(2)可得Ce为3697kg。
5.4 净碳量
    根据式(8)可得AC为2201kg，即该居住区的碳排放量大于碳吸收量，碳源是碳汇的247%。
5.5 使用阶段实现低碳、零碳居住区的措施
    上面计算的净碳量虽然为正，但是如果从减源和增汇两个方面着手，仍然可以降低碳排放量，甚至实现碳平衡。由于实例为既有居住区，因此可将这些减源增汇措施分为目前可行和不可行2种，其中可行的措施一般投入资金较少而且适于既有居住区，而不可行的措施一般投入资金太多或者不适于既有居住区，但是分析后者对今后进行居住区规划仍然具有指导意义。
   ① 目前可行的减源增汇措施
   将燃气热水器替换成太阳能热水器，每日可减少天然气用量296m3，使每日居民生活碳排放量减少646kg。
    以碳吸收量和绿量(单位绿地面积上的植物叶面积总量)均较高的物种(如小叶榕、扶桑、薜荔等物种)替换部分碳吸收量和绿量均较低的物种(如橡胶榕、黄蝉、棕竹等物种)，每日可增加植物碳吸收量750kg。
    优化植物配置结构，增加灌木层绿量，可增加居住区碳吸收量200kg。
    在现有屋顶及西侧墙面进行绿化，每日可增加植物碳吸收量250kg。
   综合采用上述各种措施后每日可减源增汇1846kg，此时△C为355kg，碳源是碳汇的113%，
碳失衡的状况可以得到明显改善。
   ② 目前不可行的减源增汇措施
   该居住区在规划设计阶段即考虑零碳建设，则可以在满足居住条件的情况下进一步降低净碳量。例如，通过重新规划后集约使用土地就可以增加碳汇：将该居住区建筑改为12层，可增加绿地面积约0.8×104m2，从而增加每日植物碳吸收量532kg。但是此时屋顶面积将减小，因此屋顶及西侧墙面绿化的植物每日碳吸收量降至150kg，比前面①的情况少了100kg。
    由此可见，如果考虑规划方案，则可以进一步减源增汇432kg，此时△C为-77kg，碳源是碳汇的98%，基本实现了碳收支平衡。
6 全生命周期低碳居住区设想
6.1 可行性
    如果从全生命周期考察居住区碳收支，则必须考虑电力生产的碳排放，还要考虑建筑材料生产和工程施工所产生的碳排放，则碳排放量更大，建立零碳社区比较困难。但是，如果从城市这类更大的尺度上进行权衡和统筹，通过相关环节的各种减源和增汇措施将居住区碳排放量降下来，就有可能建立起全生命周期的低碳居住区。
6.2 减源措施
   ① 使用清洁能源
   提倡使用天然气这类清洁能源，其单位能耗碳排放量较小；鼓励使用燃料乙醇车和氢能燃料电池车，替代目前的汽油燃料车。
   ② 利用可再生能源
   深圳地区日照充足，应提倡使用太阳能；条件许可的情况下，考虑使用地源特别是水源热泵；居住区可以利用居民生活排放物制备沼气用于居民生活用能。
   ③ 实现建筑节能
   在设计中可以从优化住宅风环境、光环境、建筑体型，合理采光、遮阳，采用高效设备，增加公共区域的传感、自动控制，行为节能等方面着手实现建筑节能。
6.3 增汇措施
   ① 集约利用土地
   居住区采用高层和小高层可以大大减少建筑用地，从而增加绿化用地，提高居住区植被覆盖率，增加植物的碳吸收量。
    ② 选用碳吸收量和绿量均较高的物种
    不同的物种单位叶面积碳吸收量和单位绿地绿量各不相同，宜选用单位叶面积碳吸收量和单位绿地绿量均比较大的速生物种。
   ③ 优化植物配置结构
   不同的种植结构生态效益不同，在不影响居住区通风、采光的情况下应尽量优化植物配置结构，增加复层绿量，以获取更大的生态效益。
    ④ 采用屋顶绿化和垂直绿化
    屋顶绿化和垂直绿化可以改善屋顶和外墙的热工性能，夏季降温、冬季保温。屋顶绿化可以考虑灌草型的搭配，垂直绿化可以考虑很少开窗的西晒墙面的整体覆盖和其他墙面的部分覆盖。并可统一规划阳台绿化花池，增加建筑本体绿量。
7 结论
    ① 在不考虑电力生产碳排放的前提下，如果仅考虑使用阶段并且范围限制在道路红线以内，通过常规的减源和增汇措施就可能实现碳平衡，即建立起零碳居住区。但是，如果规划设计阶段没有针对性的零碳策略，净碳量仍然可能远大于零，本文实例即说明了这一点。
    ② 如果考虑电力生产和周边环境的影响，则目前要实现全生命周期零碳居住区比较困难。但是，随着节能技术、清洁能源、可再生能源、碳封存技术的发展和应用，完全可以建立起具有合理净碳量的全生命周期低碳居住区。
参考文献：
[1] 李春鞠，顾国维.温室效应与二氧化碳的控制[J].环境保护科学，2000，26(98)：13-15.
[2] 黄耀.中国陆地和近海生态系统碳收支研究[J].中国科学院院刊，2002，(2)：104-107.
[3] 钱杰.大都市碳源碳汇研究——以上海市为例(博士学位论文)[D].上海：华东师范大学，2004.
[4] 王萍.大小兴安岭森林生态系统碳平衡模拟研究(博士学位论文)[D].哈尔滨：东北林业大学，2009.
[5] 杨洪.武汉东湖碳循环过程和碳收支研究(博士学位论文)[D].武汉：中国科学院测量与地球物理研究所，2004.
[6] 韩广轩，周广胜，许振柱.玉米农田生态系统土壤呼吸作用季节动态与碳收支初步估算[J].中国生态农业学报，2009，17(5)：874-879.
[7] 王琛珉.全球气候变化问题的认知比较研究(博士学位论文)[D].青岛：中国海洋大学，2008.
[8] 潘家华，庄贵阳，陈迎.减缓气候变化的经济分析[M].北京：气象出版社，2003.
[9] 金华友.城市绿地系统的功能与总体规划浅析[J].林业调查规划，2003，28(4)：89-93.
[10] 城市社会经济调查总队.中国城市统计年鉴2008[M].北京：中国统计出版社，2008.
[11] GBl9578—2004，乘用车燃料消耗量限值[S].
[12] 方精云，冯宗炜，高林，等.现代生态学的热点问题研究(上册)[M].北京：中国科学技术出版社，1996.
 
(本文作者：何华1、2 龙天渝1 鄢涛2 周智勇1 1.重庆大学 城市建设与环境工程学院 重庆 400045；2.深圳市建筑科学 研究院有限公司 广东深圳 518049)