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原創(chuàng)零碳達人立青綠建節(jié)能方向標2022-06-16 07:30發(fā)表于北京

持續(xù)分享國內(nèi)外關于零能耗與零碳建筑相關的標準、技術等

公眾號

SWA 的外圍護節(jié)能小組敏銳地意識到，保溫是最重要的單一材料選擇，以最大限度地提高外圍護在其使用壽命期間的熱阻。我們建筑行業(yè)的許多人認為，結合良好的連續(xù)空氣密封，最高的熱阻值可以打造最環(huán)保的外圍護，有助于減少結構的碳足跡和應對氣候變化。因此，令人驚訝的是，一些最常用的保溫材料制造及安裝的碳含量如此之高，以至于幾十年來它們消除了它們本應提供的碳能源節(jié)約。以下詳細討論了這種情況的發(fā)生方式和原因，以及行業(yè)正在采取哪些措施來改變這種情況。

建筑環(huán)境在氣候圖景中顯得尤為重要，因為每年進入地球大氣的碳總量中，近40%都來自建筑。在過去 30 年的綠色建筑中，我們主要關注運行碳排放——建筑物在使用過程中排放的碳。直到最近我們才開始關注隱含碳– 用于建造建筑物的碳，通常遠高于建筑運行前幾十年所節(jié)省的能源。能源法規(guī)的變化針對的是運營碳，即使是那些一直處于促進可持續(xù)建筑 [LEED, PH] 前沿的組織和標準也沒有量化或限制隱含碳，盡管它們引起了人們的關注。

假設一座建筑物存在數(shù)十年甚至數(shù)百年，其運行碳將在其生命周期內(nèi)超過其隱含碳，因此在計算建筑物的碳生命周期評估 (LCA) 時，運行碳節(jié)省將比隱含碳更重要從長遠來看已保存/花費。為什么隱含碳應該與運行碳同等重要？由于全球建筑物的總碳排放量，28%與隱含碳掛鉤。我國建筑領域的碳排放，建材生產(chǎn)制造的碳排放占據(jù)社會總排放的22%以上，跟運行碳排放不相上下。這已經(jīng)是一個很大的百分比，但是當您考慮近期，即建筑物生命的前 30 年時，該百分比會躍升至 50% 左右。實際上，每座新建筑在建成時都會產(chǎn)生碳債，因為建造它時會排放大量碳（所有建筑材料，鋼筋，水泥，鋁合金，玻璃等）。為了讓氣候受益于隔熱和密封的外殼和高效能源系統(tǒng)，建筑物需要持續(xù)和使用很長時間。問題是我們可能沒有 30 年，更不用說 60 年來償還碳債務了。

在建筑物使用壽命的前 30 年中，其總碳排放量的 50% 仍然是隱含碳

關于由于空氣中的碳含量而導致的全球氣溫上升何時可能達到臨界點并引發(fā)一系列具有災難性后果的級聯(lián)氣候事件，有不同的預測。大多數(shù)預測是在相對近期的——10-30 年。這意味著我們再也負擔不起讓我們在未來幾十年還清碳債務的選擇。大氣中的碳含量現(xiàn)在接近 410 ppm。根據(jù)彭博社碳時鐘，20 年后可能達到 450 ppm，即預測的觸發(fā)水平。這些是絕對數(shù)字，所以我們現(xiàn)在排放到空氣中的每一點碳都很重要。

空氣中的碳含量（ppm）：左邊是 1960 年的碳含量，大致是過去 12,000 年的水平。右邊是目前的碳水平

體現(xiàn)和操作的碳——陰和陽的表現(xiàn)

我們并不是建議我們現(xiàn)在應該將重點從減少運營碳轉移到主要（或完全）關注隱含碳。相反，運營碳排放量越低，碳債務償還的速度就越快。因此，隔熱對于建筑物償還債務的能力至關重要。相反，建筑物的隱含碳越低，其運營效率就越高。這兩個價值觀是密不可分的。當設計試圖最大限度地減少這兩種排放時，由此產(chǎn)生的建筑物可以從根本上減少碳排放，有助于減少大氣中的碳，從而使我們遠離臨界點。

隔熱的主要目的是提供通過建筑物外圍護的熱傳遞阻力，通常量化為 R 值。R值越高，保溫性能越好。除了建筑物主要是玻璃幕墻的情況外，保溫層是任何外圍護表面（地板、墻壁和屋頂）潛在 R 值的主要決定因素。市場上的保溫材料太多了，這里就不一一討論了。關于紐約地區(qū)的商業(yè)建筑，總體上常用的材料有以下三種：

（1）泡沫塑料，噴涂或板狀，膨脹或擠壓；

（2）板狀、絮狀或噴涂形式的礦物纖維；

（3）有機纖維，絮狀或噴涂形式

想得到最高的 R 值（5 或 6.5/英寸）與塑料泡沫有關。礦物纖維的最大值往往為每英寸 R4，而有機纖維則在 R3 范圍內(nèi)。在所有其他條件相同的情況下，您希望每英寸擁有最高的 R 值，但這并不是那么簡單。即使不考慮隱含碳，也必須考慮許多其他因素。備注，國外已經(jīng)把衡量圍護結構熱工性能的參數(shù)用R表示，我們一般用傳熱系數(shù)。

事實證明，提供最高 R 值的兩種塑料泡沫——閉孔聚氨酯噴涂（SPF-HFC 型）和擠塑聚苯板（XPS）——也具有最高的隱含碳；不是一點點，而是幾個數(shù)量級。這是因為它們都是用氫氟烴 (HFC) 發(fā)泡劑制成的，該發(fā)泡劑的全球變暖潛勢 (GWP) 是二氧化碳的 1000 倍以上。一項研究發(fā)現(xiàn) HFC 吹制 XPS 或 SPF 的運營碳節(jié)省來償還其制造和安裝所產(chǎn)生的排放所需的時間可能在 40 到 60 多年之間，具體取決于 R10 和 R25 之間提供的總 R 值。如果保溫需要這么長時間才能收回成本，那么它就不會開始為任何其他隱含的碳買單。在商業(yè)建筑中，保溫材料通常只占建筑隱含碳的一小部分——低至 5-10%。這意味著大約 90% 的建筑物至少要在運行 40 或 50 年后才能開始實現(xiàn)隔熱碳減排。

除 HFC 吹制 XPS 和 SPF 外，外推常見保溫材料的隱含碳能量回收期

相比之下，同一項研究發(fā)現(xiàn)，對于相同的 R 值，任何其他類型的保溫材料（包括使用 HFC 以外的試劑吹制的塑料）的投資回收期在 1 到 4 年之間。僅從隱含碳的角度來看，很難不得出結論，HFC 吹塑塑料應該被淘汰并盡快退出市場。但是 SPF 和 XPS 絕緣材料無處不在，而且不僅是它們的高熱性能使它們?nèi)绱耸軞g迎。我們已經(jīng)變得依賴 SPF 和 XPS，因為它們除了提供高 R 值之外還可以做很多事情。

出于所有實際目的，XPS 板是防水的并用作蒸汽屏障。如果用膠帶和密封，這些板是一個空氣屏障。因此，這種保溫類型可以代替墻壁組件中的蒸汽屏障或空氣屏障。而且，具有從 25 psf 到 100 psf 的各種抗壓強度水平，它也具有真正的結構價值。XPS板通常用作膜的保護板，并且由于其長期承受靜水壓力的能力，因此是基礎防水的首選保溫材料。此外，它尺寸穩(wěn)定，具有良好的長期 R 值保持性。

閉孔 聚氨酯SPF 同樣具有高度防水性，但與 XPS（在靜水壓力下）的程度不同。而且，閉孔 SPF 是一種更好的空氣屏障，因為作為一種噴涂材料，它符合各種不規(guī)則性并且是無縫的。當安裝厚度至少為 1.5 英寸時，它也是 I 類蒸汽緩凝劑。噴涂在 SPF 上時會變得非常堅硬，如果需要，它可以在某些墻壁系統(tǒng)中提供結構剛度。與 XPS 類似，它具有尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

除 HFC 吹制 XPS 和 SPF 外，外推常見保溫材料的隱含碳能量回收期

任何其他保溫材料，即使是非 HFC 吹塑塑料，都不能完全復制 HFC 吹塑 SPF 和 XPS 的所有特性。塑料泡沫通常是高度易燃的，并不是最適合每種應用，但我們?nèi)绾尾拍軓浹a使我們?nèi)绱藦V泛依賴它們的有益品質(zhì)組合的損失呢？如果我們不使用這些保溫材料，我們?nèi)绾尾拍軓浹a使我們依賴它們的有益品質(zhì)的損失？

部分答案來自新材料的開發(fā)。在過去十年中，霍尼韋爾在歐洲開發(fā)了一種新型發(fā)泡劑，即氫氟烯烴 (HFO)，它聲稱其全球變暖潛勢 (GWP) 小于 1，低于二氧化碳。首先在歐洲，現(xiàn)在在美國，Demilec 和 Carlisle 等制造商正在向市場推出使用這種發(fā)泡劑的閉孔聚氨酯噴涂泡沫，而不是 GWP 超過 1,000 的 HFC。這些噴涂泡沫的 R 值比它們的高碳前輩稍好，并且具有使它們在多種環(huán)境中有用的相同品質(zhì)——空氣/蒸汽阻隔能力、對不規(guī)則性和滲透的順應性等。但是，它們也有許多相同的缺點 - 高可燃性，

大豆基塑料噴霧泡沫，包括開孔和閉孔，最近已被開發(fā)為 HFC 聚氨酯泡沫的低碳、低毒性替代品。這些是水吹的（GWP=0），制造商聲稱它們不會排放氣體，因為它們不包含尿素/甲醛。然而，大豆泡沫仍然是用聚氨酯作為粘合劑制成的，并且可以高達 85% 的聚氨酯，因此最終它們?nèi)匀皇且环N具有碳足跡和可燃性的石油產(chǎn)品。閉孔版本具有充當空氣/蒸汽屏障的優(yōu)勢，但它們的 R 值（~R5 與 R6.7-6.9 相比）明顯低于 HFO/HFC 發(fā)泡聚氨酯泡沫。由于這個原因和整體可擴展性，這些泡沫的制造商在住宅/單戶市場競爭，而不是城市高層市場。

已經(jīng)在市場上銷售了幾十年的幾種膨脹塑料保溫材料是用低或零 GWP 試劑吹制的。例如，發(fā)泡聚苯乙烯 (EPS) 板 (R3.9/英寸) 和聚異氰脲酸酯泡沫板 (R6/英寸) 用戊烷 (GWP 7) 吹制。箔面或真空包裝已與這些（以及礦物和玻璃纖維保溫）一起使用，以提供蒸汽屏障。然而，到目前為止，還沒有任何東西可以復制 HFC 吹制 XPS 絕緣板的有益品質(zhì)組合，特別是對于路基應用。是否有可能開發(fā)出 XPS 板的 HFO 吹制版本？礦物或有機纖維板材料能否以與 XPS 一樣有效的方式進行包裹或處理，特別是在路基應用中？

礦物纖維（羊毛）有板狀、絮狀和可噴涂形式，已成為紐約市及其他地區(qū)具有可持續(xù)發(fā)展意識的商業(yè)建筑的常見選擇。除了可維修的 R-4 外，這些產(chǎn)品還具有耐火性，以至于它們通常用作所需的防火組件的一部分。礦棉板可以達到與 XPS 板相同的抗壓強度，并且不受水的影響（它們不會塌陷或失去 R 值），因此它們可以成功地用于類似的應用，最重要的是在其上形成厚的連續(xù)保溫層建筑結構的外部（覆層或灰泥下方）。然而，與 SPF 和 XPS 不同，礦物纖維保溫材料不是空氣或蒸汽屏障。

玻璃纖維氈，不久前在商業(yè)和住宅應用中無處不在的無機纖維保溫材料，隨著可持續(xù)性和更嚴格的規(guī)范要求越來越多地推動保溫材料的選擇而變得不那么有吸引力。玻璃纖維氈的較低 R- 3.3 加上它對水或濕氣的脆弱性，使礦物纖維氈成為更好的隔熱選擇。一般而言，氈變得越來越?jīng)]用，因為它們在內(nèi)部螺柱框架空腔中的預期用途現(xiàn)在被認為是一種非常低效的材料使用。特別是在金屬框架中，棉絮保溫最多只能獲得其標稱 R 值的 40%，并且易于促進每個螺柱腔邊緣周圍的內(nèi)部對流。這不是對隱含碳或運營碳的負責任或可持續(xù)使用。

礦物纖維是由巖石制成的，而玻璃纖維是基于二氧化硅的——因此兩者的制造都是能源密集型的，并且需要從地下清除材料。因此，它們可能具有很高的隱含碳成本，在使用它們時也必須權衡。

基于有機纖維的保溫材料（木材、大麻、稻草）更容易擴展并用于單戶和小型商業(yè)或住宅建筑，盡管正在進行的研究和潛力都非常出色。有機纖維背后的埃爾多拉多認為，通過負責任地管理林業(yè)或作物生長以及低化石燃料或無化石燃料燃燒的加工和運輸，這些材料中的許多可能是碳負的在建筑中，這意味著它們最終將導致從大氣中去除碳（封存）。有充分的理由盡可能大力地追求這條發(fā)展路線，但復雜的一系列因素使得有機物還不容易適用于許多商業(yè)城市建設。由回收/再利用材料（如消費后纖維素、牛仔布和塑料）開發(fā)的保溫材料也屬于這一類。

有很多選擇，但除了碳足跡和 R 值外，設計師還必須了解各種保溫質(zhì)量的關鍵影響。例如，如果不考慮空氣屏障和水屏障的有效性，就有可能發(fā)生災難，主要表現(xiàn)為冷凝和隨之而來的霉菌生長，但也有其他方式。在 SWA 的外殼團隊中，我們的主要任務之一是了解圍繞保溫（或任何材料）選擇的所有因素之間的復雜相互作用，并就某些選擇的隱患和最佳選擇向建筑師和業(yè)主提供建議。健康）狀況。

碳足跡分析（LCA 的一個子集）考慮了與建筑物或材料從搖籃到墳墓（即回收或處置點）相關的所有碳排放（排放到大氣中的溫室氣體），包括體現(xiàn)和運營碳排放?，F(xiàn)在有越來越多的公司專門從事這類分析，建筑行業(yè)專業(yè)人士、政府官員、業(yè)主和制造商越來越多地使用這種分析。此外，隨著 LCA 和碳足跡所基于的概念和事實越來越熟悉，建筑專業(yè)人士現(xiàn)在可以利用已開發(fā)的幾種計算機應用程序來評估和比較建筑材料和工藝的碳價值。例如 Athena、LCA One-click、Tally、以及最近的 EC3。我們的建筑很復雜，它們背后的數(shù)學也很復雜。全面了解什么是熱點，什么不是，關系和比例，將使我們能夠在設計概念、初始階段以及整個設計和施工過程中做出更好的決策，這將最終影響氣候變化的進程。

每當我們建造新產(chǎn)品時，我們都有機會設計任何組件并從各種材料中進行選擇。如果我們決定某些材料不再是可接受的選擇，我們還有其他選擇。通過深思熟慮的設計，我們可以從新建筑中消除 HFC 吹制的 XPS 和 SPF。絕緣是（正在融化的）冰山一角；然而，新建筑的結構和覆層約占其隱含碳的 80%。

從更大的角度來看，大多數(shù)新建筑——甚至是運營中的凈零建筑——都會產(chǎn)生巨大的碳債務，直接增加了開燈前大氣中的碳負荷。而且，如果現(xiàn)有建筑物被毀以為新建筑物讓路，則情況會更加復雜。因此，人們越來越意識到和接受已經(jīng)存在的建筑是最環(huán)保的建筑，這在十年前由國家歷史保護信托基金的綠色實驗室發(fā)表的開創(chuàng)性研究充分證明了這一點。從 LCA/隱含碳的角度來看，合乎邏輯的結論是，現(xiàn)有建筑物的保護和再利用應優(yōu)先于新建筑。

由于舊建筑的隱含碳債務已經(jīng)償還或償還，舊建筑代表了無與倫比的碳減排機會，特別是如果它們經(jīng)過改造以降低其運營碳，因此 HFC 吹制的 XPS 絕緣材料可能仍會發(fā)揮作用產(chǎn)品。此類產(chǎn)品可能是特定條件下的最佳解決方案，因為這些絕緣材料獨特地結合了熱、水分和空氣管理優(yōu)勢。那么，不拆除建筑物和不建造新建筑物所節(jié)省的費用可能會抵消絕緣材料本身相對較小的碳消耗。用于量化隱含碳的新的和改進的工具將增加我們對隱含碳和決策過程的理解。

我們能做到！

人們很容易被氣候變化的巨大性和我們賴以生存的操作的復雜性所淹沒，但是我們應該記住運動員的格言，當最接近目標時阻力最大。 我們可能會覺得我們已經(jīng)努力了幾十年，但仍然有很多浪費，而且碳線還在繼續(xù)上升。也許我們應該花點時間來認識一下我們已經(jīng)走了多遠，我們?nèi)〉昧耸裁闯删?，我們已?jīng)完成了多少，以及我們離目標有多近。這是一個堅持、內(nèi)心和意志的問題，我們可以做到。本文由高級建筑圍護顧問凱瑟琳·帕普林（Catherine Paplin）撰寫。