不同結(jié)構(gòu)建筑的能源消耗與碳排放國(guó)外研究述評(píng)

不同結(jié)構(gòu)建筑的能源消耗與碳排放國(guó)外研究述評(píng)*

溫日琨，沈俊杰，陳亞坤，張雅婷

(浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300)

摘要：綜述了國(guó)外關(guān)于木、混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等3類建筑能耗、碳排放的研究進(jìn)展及研究成果.國(guó)外研究結(jié)果表明，木結(jié)構(gòu)建筑能耗與碳排放比混凝土結(jié)構(gòu)建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑低，木結(jié)構(gòu)建筑具有碳儲(chǔ)存功能以及木結(jié)構(gòu)廢棄物燃燒具有化石能源的替代效應(yīng)，在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)消耗更多的能源，在同等邊界條件下混凝土結(jié)構(gòu)建筑比鋼結(jié)構(gòu)建筑有更低的隱含能與隱含碳，若考慮鋼材回收則兩者的能耗與碳排放相當(dāng).這些研究成果可為國(guó)內(nèi)不同結(jié)構(gòu)建筑能耗與碳排放的研究提供借鑒和參考.

關(guān)鍵詞：國(guó)外；木結(jié)構(gòu)建筑；混凝土結(jié)構(gòu)建筑；鋼結(jié)構(gòu)建筑；能耗；碳排放

文章編號(hào)：1007-2985(2015)01-0067-08

中圖分類號(hào)：TQ127.11;F127文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-2985.2015.01.015

收稿日期：*2014-08-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家教育部2013年人文社會(huì)科學(xué)規(guī)劃青年基金資助項(xiàng)目(13YJCZH194)；浙江農(nóng)林大學(xué)人才引進(jìn)資助項(xiàng)目(2012FR029)

作者簡(jiǎn)介：溫日琨(1976—)，女，廣西來賓人，浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事低碳建筑與工程管理研究.

建筑是社會(huì)最大的耗能單元.在美國(guó)，能源消費(fèi)直接或間接地與建筑及建筑的建設(shè)、使用有關(guān)，其中商業(yè)和辦公建筑最為典型.對(duì)建筑能耗的研究國(guó)外從20世紀(jì)90年代開始陸續(xù)開展，涉及到建筑材料生產(chǎn)、建筑設(shè)計(jì)、建筑建設(shè)、建筑使用和建筑全生命周期等各方面內(nèi)容.從20世紀(jì)90年代開始至今，部分學(xué)者對(duì)木結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)建筑的能源消耗開始進(jìn)行深入思考，而對(duì)不同結(jié)構(gòu)建筑碳排放的研究往往與建筑能源消耗的研究相伴.作為政府行政主管部門和建設(shè)單位而言，希望知道不同結(jié)構(gòu)形式建筑在其全生命周期中的能源消耗和碳排放是否有明顯區(qū)別，以利于引導(dǎo)投資方向.對(duì)于工程技術(shù)人員而言，也希望了解不同結(jié)構(gòu)形式建筑在設(shè)計(jì)、建造中的能源消耗及碳排放是否有明顯區(qū)別，以利于調(diào)整和優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)與建造.

國(guó)外對(duì)不同結(jié)構(gòu)建筑能耗及碳排放的研究自1990年加拿大能源礦產(chǎn)資源部研究不同燃料的排放因子開始，1992年美國(guó)馬薩諸薩洲Means公司研究制定了工人施工時(shí)的工時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，1999年該公司發(fā)布了建筑建設(shè)階段的成本數(shù)據(jù).Cole于1992年開始討論建筑材料的能源和空氣污染指數(shù)，即建筑建設(shè)過程的環(huán)境審計(jì)，1998年完成了不同結(jié)構(gòu)建筑在建設(shè)階段能源和碳排放量的研究.1996年Bj?rklund對(duì)不同結(jié)構(gòu)建筑全生命周期能源消耗的研究，對(duì)比了混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)全生命周期的環(huán)境影響.1997年加拿大木材協(xié)會(huì)通過案例研究，對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)的環(huán)境影響.1998年美國(guó)能源部頒布了一份報(bào)告DOE/EIA-0625，報(bào)告對(duì)某商業(yè)建筑1995年的能源消耗進(jìn)行了調(diào)查.1999年英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)Gorgolewski做了鋼樁環(huán)境評(píng)估的研究.1998年Hendrickson等[10-11]開始采用經(jīng)濟(jì)上的投入產(chǎn)出模型研究建筑全生命周期環(huán)境評(píng)估，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型橋梁的環(huán)境影響進(jìn)行了對(duì)比研究.1999年美國(guó)建筑協(xié)會(huì)[12]頒布了環(huán)境資源導(dǎo)則.2002年美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)頒布了“排放量和生成資源整合數(shù)據(jù)庫(kù)EGRID[13].美國(guó)林業(yè)協(xié)會(huì)Joanna Glover[14]做了木結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)住宅能源消耗的對(duì)比，論文站在了美國(guó)林業(yè)協(xié)會(huì)的立場(chǎng).2002年美國(guó)硅酸鹽水泥協(xié)會(huì)Medgar等工程師[15]研究并出具了一系列關(guān)于以水泥為基礎(chǔ)材料的環(huán)境影響評(píng)估報(bào)告，其中序列2 571號(hào)評(píng)估報(bào)告研究了不同結(jié)構(gòu)墻體住宅的環(huán)境影響評(píng)價(jià)，采用Simpro軟件進(jìn)行仿真，對(duì)美國(guó)5個(gè)不同氣候條件的城市進(jìn)行對(duì)比，此研究站在了美國(guó)硅酸鹽水泥協(xié)會(huì)的立場(chǎng).2003年美國(guó)加利佛尼亞大學(xué)土木與環(huán)境工程系Guggemos[16-17]做了不同結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)過程的環(huán)境評(píng)估.2005年Guggemos[18]發(fā)表了鋼結(jié)構(gòu)建筑與混凝土結(jié)構(gòu)建筑環(huán)境影響對(duì)比評(píng)估的研究論文.2006年中瑞典大學(xué)Gustavsson[19]指出在建材生產(chǎn)和使用過程中形成碳排放平衡的最主要因素，分析是否存在以及在怎樣的環(huán)境下，木結(jié)構(gòu)建筑比混凝土結(jié)構(gòu)建筑有更高的能源消耗耗和碳排放.2006年Gerilla[20]根據(jù)日本佐賀市的實(shí)際，采用投入產(chǎn)出法評(píng)估木結(jié)構(gòu)建筑與混凝土結(jié)構(gòu)建筑的環(huán)境影響，Gerilla的建筑環(huán)境影響評(píng)估考慮了4種排放類型，把系統(tǒng)邊界設(shè)定為建筑的全生命周期階段，并考慮了使用階段采用太陽能帶來的碳排放減少量.2010年Arima[21]把日本城市的木結(jié)構(gòu)建筑群稱為“城市森林”，特別強(qiáng)調(diào)了木結(jié)構(gòu)建筑的碳儲(chǔ)存功能.2012年比利時(shí)Rossi[22]在對(duì)布魯塞爾某居住建筑2種不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)全生命周期能耗及碳排放進(jìn)行評(píng)估時(shí)，采用軟件模擬與手工計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，得出在考慮回收率后，鋼結(jié)構(gòu)較之砌體結(jié)構(gòu)具有更少的隱含能(隱含碳).臺(tái)灣學(xué)者Li[23]有多篇研究木結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)能耗及碳排放的文章，結(jié)論都是木結(jié)構(gòu)相較另2種結(jié)構(gòu)有更低的環(huán)境負(fù)荷.2013年美國(guó)學(xué)者Schmidt[24]分析了CLT建筑(交叉層積材木結(jié)構(gòu)建筑)在美國(guó)的應(yīng)用障礙并強(qiáng)調(diào)CLT建筑在美國(guó)使用的潛力.Griffin[25]指出一個(gè)典型辦公建筑的結(jié)構(gòu)大約貢獻(xiàn)了1/4的總隱含能.然而，他認(rèn)為最有效的結(jié)構(gòu)方案可能不是可持續(xù)發(fā)展層面上最好的，結(jié)構(gòu)方案的選擇應(yīng)該依賴于多方面的標(biāo)準(zhǔn).Brinnel[26]認(rèn)為可持續(xù)建筑的發(fā)展涉及工程和社會(huì)2個(gè)層面.優(yōu)化建筑生態(tài)效率的方法是拓展建筑的生命周期，為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，建筑在生命周期內(nèi)可以被替換組件要成為可能.韓國(guó)學(xué)者Kim[27]采用投入產(chǎn)出法在4個(gè)不同結(jié)構(gòu)商業(yè)辦公建筑材料分析基礎(chǔ)上，得出混凝土結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)在能源消耗、碳排放、碳排放成本方面有優(yōu)勢(shì).2014年P(guān)ongiglione[28]報(bào)告了鋼結(jié)構(gòu)重新利用的方法，通過利用某工業(yè)廠房廢棄鋼建造鐵路車站的案例，采用世界鋼協(xié)會(huì)的LCI數(shù)據(jù)，對(duì)比2種不同的方案，得出鋼的回收利用比之傳統(tǒng)建造可以帶來30%的能源節(jié)約和碳排放減少[28].

1不同結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)階段能源消耗與碳排放

最早對(duì)不同結(jié)構(gòu)建筑能耗與碳排放進(jìn)行研究的學(xué)者是加拿大的Cole.Cole研究木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)過程的能耗占建筑總能耗的比例以及3種結(jié)構(gòu)建設(shè)過程的能耗是否有明顯不同.其研究采用加拿大ATHENATM生命周期評(píng)估工具.ATHENATM被用來測(cè)算結(jié)構(gòu)部品最初的隱含能.這個(gè)測(cè)算中沒有包括工人交通的能源消耗，但Cole的研究中考慮了，其研究的主要數(shù)據(jù)來源于R.S.Means Catalogues和電話訪問及調(diào)查.在研究中Cole將隱含能定義為建筑產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝時(shí)直接和非直接的能源消耗.表1是Cole對(duì)不同結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)階段能耗、碳排放及相應(yīng)所占隱含能、隱含碳的比例.

表1　Cole不同結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)階段能耗與碳排放

美國(guó)Guggemos[18]的研究是在Bj?rklund、Gorgolewski 及美國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)頒布的環(huán)境資源導(dǎo)則[12]

圖1　鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)能耗對(duì)比

基礎(chǔ)上完成的，采用基于過程的LCA分析(CEDST)和基于投入產(chǎn)出的LCA分析(EIO-LCA)2種方法.在建設(shè)階段，Guggemos認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)的能耗比鋼結(jié)構(gòu)大，建設(shè)周期也更更長(zhǎng).鋼結(jié)構(gòu)有機(jī)廢料和重金屬的排放更高.指標(biāo)為鋼結(jié)構(gòu)418 MJ/m2，混凝土結(jié)構(gòu)939 MJ/m2.此研究結(jié)果與Cole的研究結(jié)論一致，但數(shù)值差距較大，原因是兩者對(duì)設(shè)備的考慮不同.Guggemos考慮了重型設(shè)備(70%)，而Cole沒有.圖1是Cole和Guggemos研究成果的對(duì)比.

2不同結(jié)構(gòu)建筑的隱含能與隱含碳

關(guān)于建筑產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝階段所消耗的隱含能和排放的隱含碳，Alcorn and Baird[29]、Buchanan and Honey[30]、Bjorklund、lawson[31]、CWC[32]等做過前期研究，有研究成果數(shù)據(jù).Guggemos[18]的研究邊界是美國(guó)中西部2棟面積為4 400 m2的5層辦公建筑的全生命周期，但針對(duì)案例的隱含能和隱含碳，Guggemos得出混凝土結(jié)構(gòu)分別是8 300 MJ/m2和550 kg/m2，鋼結(jié)構(gòu)分別是9 500 MJ/m2和620 kg/m2.日本學(xué)者Arima[21]根據(jù)《京都議定書》計(jì)算不同回收方式時(shí)結(jié)構(gòu)的碳排放.臺(tái)灣學(xué)者Li[23]在統(tǒng)計(jì)建筑所需鋼材、混凝土、木材、膠合板需要量后，采用基于過程的LCA分析方法，得出混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)建筑隱含能與隱含碳成果.Rossi[22]對(duì)布魯塞爾某居住建筑進(jìn)行研究時(shí)，使用Pleaides+軟件進(jìn)行模擬，結(jié)合手工計(jì)算，得出混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的隱含碳成果.2013年，Griffin[25]采用Hammond和Jones的ICE數(shù)據(jù)庫(kù)研究某大學(xué)禮堂大跨度結(jié)構(gòu)的隱含能和隱含碳.結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的隱含能和隱含碳在計(jì)算時(shí)分原始材料和非原始材料2類.混凝土結(jié)構(gòu)分桁架混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu).桁架混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)采用原始材料時(shí)對(duì)應(yīng)的隱含能分別為808 MJ/m2和1 036 MJ/m2，對(duì)應(yīng)的隱含碳為100 kg/m2和133 kg/m2.Kim[27]采用投入產(chǎn)出法，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)建筑主要材料的消耗量和韓國(guó)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算建筑能耗與碳排放.研究特別分析了螺紋鋼、型鋼占建筑總能耗與碳排放的比例.

Buchanan and Honey、Bjorklund、CWC、Guggemos、Arima、Rossi、Sheng-Han Li、Griffin和Kim等對(duì)不同結(jié)構(gòu)建筑隱含能與隱含碳的研究成果匯總于表2,3.

表2　不同結(jié)構(gòu)建筑的隱含能　MJ/m 2

表3　不同結(jié)構(gòu)建筑的隱含碳　kg/m 2

表2，3反映多數(shù)研究者認(rèn)為木結(jié)構(gòu)建筑比混凝土結(jié)構(gòu)建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑有更低的隱含能和隱含碳.另一方面，單從隱含能的角度，CORRIM[33]、UN-HABITAT[34]、Buchanan and Levine[35]的研究也顯示，木結(jié)構(gòu)住宅相較混凝土結(jié)構(gòu)住宅有更低的隱含能.Borjesson and Gustavsson[36]考慮土地使用和替代的影響，得出同樣結(jié)論.瑞典和挪威學(xué)者Peteson and Solberg[37]依賴建筑材料、廢棄物管理和森林碳匯流，也得出同樣結(jié)論.Lenzan and Treloar[38]參考澳大利亞材料價(jià)格采用投入產(chǎn)出法分析了Borjesson and Gustavsson的研究數(shù)據(jù)，得出隱含能是Borjesson and Gustavsson研究結(jié)果的2倍，但也有同樣的結(jié)論.從結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響角度，日本Gerilla用全球變暖潛力來描述建筑的環(huán)境影響，認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)比之木結(jié)構(gòu)有更高的環(huán)境影響(多23%).其他方面，Li研究木結(jié)構(gòu)替代混凝土結(jié)構(gòu)以及木結(jié)構(gòu)替代鋼結(jié)構(gòu)的替代效應(yīng)因子.Arima認(rèn)為木結(jié)構(gòu)建筑有碳儲(chǔ)存功能，由于碳儲(chǔ)存的原因，Arima把城市木建筑群稱為“城市森林”，指出日本城市中的碳儲(chǔ)存為1.5 ×108t碳，超過日本森林6.8×108t碳儲(chǔ)存的20%.從建筑結(jié)構(gòu)類型看，木結(jié)構(gòu)碳排放的減量是混凝土結(jié)構(gòu)的1/2，是鋼結(jié)構(gòu)的2/3.Griffin認(rèn)為木結(jié)構(gòu)在隱含能、隱含碳和重量方面有利，但木結(jié)構(gòu)有很差的隔聲性能，同時(shí)需要配備石膏板防火系統(tǒng)和自動(dòng)噴淋系統(tǒng)以滿足防火的要求.Schmidt在Gagono、Pirun及Crespell、Gagnon研究的基礎(chǔ)上以某高層住宅為例，研究CLT交叉層積材結(jié)構(gòu)在美國(guó)使用的潛力.研究指出CLT結(jié)構(gòu)的防火性能可以滿足法律的要求.相較混凝土結(jié)構(gòu)而言，由于CLT結(jié)構(gòu)采用了更少的勞力及材料成本更低，有更低的隱含能和隱含碳.

關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，Guggemos認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)建筑在使用階段的能源消耗沒有區(qū)別.盡管在建設(shè)階段鋼結(jié)構(gòu)的能源消耗指標(biāo)比混凝土結(jié)構(gòu)要小很多，然而需要注意的是，鋼結(jié)構(gòu)材料在生產(chǎn)過程中的能耗一定程度上超過了其在建設(shè)階段、廢棄階段相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的能源節(jié)約.所以Guggemos認(rèn)為從全生命周期的角度來看，鋼結(jié)構(gòu)并不會(huì)比混凝土結(jié)構(gòu)更優(yōu)越.Kim認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)相較鋼結(jié)構(gòu)具有減少能耗、減少建設(shè)成本(含碳排放成本)的優(yōu)勢(shì).Griffin認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)如果考慮足夠高的回收率的話，它的隱含能與混凝土結(jié)構(gòu)是有可比性的，但鋼結(jié)構(gòu)的隔熱性能不好，隔聲和防火性能也是最差的.簡(jiǎn)言之，Guggemos認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)階段和工程建設(shè)階段的能耗與碳排放高低互補(bǔ)，以致2種結(jié)構(gòu)隱含能與隱含碳近似.而Kim和Griffin的研究結(jié)論比較一致，即在同等邊界條件下混凝土結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)有更低的隱含能和隱含碳.但如果考慮鋼材的回收利用，則鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的能耗與碳排放亦相當(dāng).

圖2，3反映了不同時(shí)期、不同學(xué)者對(duì)木結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)建筑隱含能與隱含碳研究的數(shù)據(jù)集群.從圖2，3可知，研究成果不具有隨著時(shí)間增加或減少的趨勢(shì)，而且數(shù)據(jù)成果差異度較大.研究成果主要與研究者的研究邊界、研究方法以及采用的數(shù)據(jù)來源(數(shù)據(jù)庫(kù))密切相關(guān).但總體上，木結(jié)構(gòu)建筑的隱含能與隱含碳低于混凝土結(jié)構(gòu)建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑，混凝土結(jié)構(gòu)建筑的隱含能與隱含碳在同等邊界條件下低于鋼結(jié)構(gòu)建筑.

圖2　不同結(jié)構(gòu)建筑的隱含能

圖3　不同結(jié)構(gòu)建筑的隱含碳

3不同結(jié)構(gòu)建筑的環(huán)境影響

圖4　主要材料能耗占建筑能耗的百分比

結(jié)構(gòu)形式的不同并不意味著材料的單一性.Buchanan和Honey的研究顯示，混凝土結(jié)構(gòu)住宅中含有鋼材和木材，鋼結(jié)構(gòu)住宅中含有混凝土和木材，木結(jié)構(gòu)住宅中含有鋼材和混凝土.表4為Buchanan和Honey研究木結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)建筑能耗時(shí)，得出的不同材料能耗在建筑能耗中所占的百分比.由圖4可知，鋼材、混凝土和木材能耗分別在鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)建筑能耗中的比例都是最高的.從材料的能耗分配看，鋼結(jié)構(gòu)中鋼材能耗占3種結(jié)構(gòu)鋼材全部能耗的50%以上，混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土能耗占3種結(jié)構(gòu)混凝土能耗約50%，木結(jié)構(gòu)中木材能耗占3種結(jié)構(gòu)木材能耗的80%.

表4　不同結(jié)構(gòu)住宅材料能耗占比

考慮建筑運(yùn)營(yíng)階段，Rossi認(rèn)為50年生命周期混凝土結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)碳排放加隱含碳是200～1 500 kg/m2，鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)碳排放加隱含碳是180～1 250 kg/m2.Rossi強(qiáng)調(diào)運(yùn)營(yíng)階段的環(huán)境影響占建筑全生命周期環(huán)境影響的62%～98%，而能源結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈影響著運(yùn)營(yíng)階段的碳排放.將現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)向可再生能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，是Rossi提出的可持續(xù)建筑的發(fā)展之道,只有當(dāng)能源結(jié)構(gòu)更環(huán)保以后，結(jié)構(gòu)隱含能在建筑全生命周期中才更具有代表性.

關(guān)于頗具爭(zhēng)議的“盈余森林”和“負(fù)碳排放”，中瑞典大學(xué)Gustavsson指出，木結(jié)構(gòu)建筑由于采用了生物燃料替代了化石燃料，有更高的“負(fù)碳排放”.混凝土結(jié)構(gòu)建筑全生命周期的碳排放是負(fù)值，原因是“盈余森林”的存在，即混凝土結(jié)構(gòu)建筑由于需要更少的木材，提高了建筑生命周期的生物質(zhì)能.從建筑的能量平衡和碳平衡看，Gustavsson指出木結(jié)構(gòu)建筑的能量平衡及碳平衡除了不考慮木材加工殘留物或廢棄木材作為燃料再恢復(fù)使用外都是負(fù)的.木結(jié)構(gòu)建筑比混凝土結(jié)構(gòu)建筑有更低的碳排放.表5是Gustavsson案例在最佳情境和最不利情境下的能量平衡和碳平衡(某公寓住宅建筑面積為1 190m2).圖5，6是Gustavsson案例最佳情境時(shí)能量平衡與碳平衡的過程示意圖.

表5　Gustavsson混凝土結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)建筑的能量平衡與碳平衡

圖5　Gustavsson的能量平衡

圖6　Gustavsson的碳平衡

4不同墻體建筑的碳排放

美國(guó)硅酸鹽水泥協(xié)會(huì)Medgar L.Marcean[15]等研究2種不同結(jié)構(gòu)墻體(木框架墻和混凝土隔熱墻)住宅的生命周期評(píng)估.圖7，8為2種墻體不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，二者差異在于木框架檣以合板為主要材料，混凝土隔熱墻以混凝土為主.報(bào)告采用Simapro軟件[39]對(duì)某2層住宅案例進(jìn)行模擬，并考慮住宅分布在美國(guó)的5個(gè)城市(代表美國(guó)5種不同的氣候)以對(duì)比分析.案例住宅設(shè)計(jì)滿足美國(guó)1998年國(guó)際能源保護(hù)法(IECC)[40]的需要.在軟件模擬中采用了Eco-indicator99(荷蘭和瑞士),EDIP/UMIP96(丹麥),EPS2000(瑞典)3種不同的準(zhǔn)則.并在Eco-indicator99中采用了不同的權(quán)重設(shè)置(共有3種情境).在建筑的運(yùn)營(yíng)階段，采用Visual DOE2.6軟件[41]模擬家庭能源消費(fèi)，因?yàn)樵撥浖谀M家庭能源消耗方面比其他軟件更精確.該報(bào)告的LCA評(píng)估在ISO14040框架[42]下執(zhí)行.研究案例的系統(tǒng)邊界包括能源和材料的輸入和輸出、使用和維護(hù)，但不包括廢棄情境和廢棄物處理.LCA評(píng)估中使用的LCI數(shù)據(jù)來源于公開發(fā)表的報(bào)告和可獲取的商業(yè)數(shù)據(jù).同一住宅在5種不同準(zhǔn)則(情境)下的環(huán)境影響被歸一化和加權(quán)為一個(gè)沒有單位的環(huán)境負(fù)荷分?jǐn)?shù).研究數(shù)據(jù)顯示，幾乎在5種準(zhǔn)則(情境)所有情況下，木框架墻住宅的環(huán)境影響指標(biāo)比混凝土隔熱墻住宅的環(huán)境影響指標(biāo)要大，混凝土隔熱墻住宅有更低的環(huán)境影響分?jǐn)?shù).如果僅考慮建筑材料，木材和銅管的環(huán)境影響排放第1位和第2位，以水泥為基礎(chǔ)的材料排第3.

圖7　Marcean木框架墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

圖8　Marcean混凝土隔熱墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

5結(jié)論

(1)從研究邊界看，將結(jié)構(gòu)碳排放的研究邊界定義為材料輸入、輸出的文獻(xiàn)比較多，尤其是早期研究及采用投入產(chǎn)出法完成的研究(Marcean、Kim和Gerilla).其次是針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)隱含能與隱含碳的研究，Cole、Guggemos、Gerilla、Glover、Griffin、Schmidt、Li、Pongiglione和Rossi等文章研究的重點(diǎn)是隱含能和隱含碳.但各研究成果數(shù)據(jù)差異度較大，且不具有隨著時(shí)間增加或減少的趨勢(shì)，成果主要與研究者的研究邊界設(shè)置、研究方法以及采用的數(shù)據(jù)來源(數(shù)據(jù)庫(kù))密切相關(guān).第3，有的研究涉及材料生產(chǎn)和材料廢棄，Gustavsson,Pongiglione和 Li在討論不同結(jié)構(gòu)建筑碳排放時(shí)，只考慮此邊界.最后是針對(duì)全生命周期的研究，Guggemos,Rossi,Gerilla的研究都考慮了建筑從材料生產(chǎn)、建設(shè)(含運(yùn)輸)、運(yùn)營(yíng)以及廢棄50年的生命周期，單獨(dú)針對(duì)施工能耗及施工碳排放的研究只有Cole.在諸多研究中，結(jié)構(gòu)與材料交織，結(jié)構(gòu)碳排放的研究往往以其所需主要材料碳排放的研究為途徑，有的研究在此基礎(chǔ)上直接得出結(jié)論(或考慮材料廢棄)，有的研究還考慮建筑的使用和維護(hù).

(2)從研究方法看，基于過程的生命周期評(píng)估(LCA)和基于投入產(chǎn)出法的生命周期評(píng)估(EIO)是2種主要方法.前者對(duì)建筑碳排放的考慮更加全面，后者對(duì)建筑碳排放的計(jì)算更加簡(jiǎn)易方便.Cole、Guggemos、Griffin,Li、Arima、Pongiglione和Rossi等都采用基于過程的生命周期評(píng)估法測(cè)算不同結(jié)構(gòu)建筑的能源消耗與碳排放.只是考慮的過程和采用的LCI數(shù)據(jù)庫(kù)不同.Hendrickson、Kim和Gerilla 采用投入產(chǎn)出法計(jì)算不同結(jié)構(gòu)建筑的能源消耗與碳排放，數(shù)據(jù)采用所在國(guó)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù).除了這2種方法外，Rossi、Marcean等還采用軟件模擬結(jié)合手工計(jì)算對(duì)比得出結(jié)論.Guggemos的研究既采用基于過程的LCA評(píng)估方法，也采用基于投入產(chǎn)出法的LCA評(píng)估方法.Gustavsson提出能量平衡與碳平衡的方法，針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)建筑提出“盈余森林”的概念.

(3)從研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)看，R.S.Means,U.S.EPA,BEES,CRTI,WORLDSTEEL,世界鋼協(xié)的LCI，Hammond和Jones、所在國(guó)經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等都是國(guó)外對(duì)不同結(jié)構(gòu)建筑能耗與碳排放研究的數(shù)據(jù)庫(kù).

(4)從研究結(jié)論看，木結(jié)構(gòu)建筑能耗、碳排放比混凝土結(jié)構(gòu)建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑要低.美國(guó)Glover、Schmidt、Griffin，瑞典Gustavsson，日本Gerilla、Arima，中國(guó)臺(tái)灣Li等研究及其前期研究結(jié)論比較一致.Gustavsson和Arima特別強(qiáng)調(diào)木結(jié)構(gòu)建筑的碳儲(chǔ)存功能及其廢棄物燃燒帶來化石能源的替代效應(yīng).關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，Guggemo認(rèn)為從全生命周期的角度來看，鋼結(jié)構(gòu)并不會(huì)比混凝土結(jié)構(gòu)更優(yōu)越.Bjorklund亦認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)有相當(dāng)?shù)沫h(huán)境影響，而Glover、Kim和Griffin認(rèn)為在同等邊界條件下，鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)有更高的能耗與碳排放，只有在考慮回收之后，兩者的能耗與碳排放才相當(dāng).在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)，混凝土結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)消耗更多的能源，Cole和Guggemo對(duì)此意見一致，只是差異度不同.由于“盈余森林”的存在，Gustavsson得出混凝土結(jié)構(gòu)建筑全生命周期碳排放是負(fù)值.但即使考慮“盈余森林”，混凝土結(jié)構(gòu)建筑全生命周期碳排放還是比木結(jié)構(gòu)建筑高.另一方面，Marcea認(rèn)為木框架墻住宅比混凝土隔熱墻住宅的環(huán)境影響指標(biāo)要大，混凝土隔熱墻住宅有更低的環(huán)境影響分?jǐn)?shù).

綜上所述，國(guó)外對(duì)不同結(jié)構(gòu)建筑能耗與碳排放的研究不一.研究邊界包括材料生產(chǎn)、材料生產(chǎn)與廢棄、材料生產(chǎn)運(yùn)輸安裝(建筑隱含能與隱含碳)、建筑的全生命周期等；研究方法包含基于過程的LCA分析、基于投入產(chǎn)出法的LCA分析以及軟件模擬等；研究數(shù)據(jù)庫(kù)有美國(guó)、加拿大、歐洲的數(shù)據(jù)庫(kù)等.研究邊界選擇、方法選擇、數(shù)據(jù)庫(kù)選擇與研究者國(guó)別、研究立足點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫(kù)的可得性有關(guān).比較一致的結(jié)論是：相較混凝土結(jié)構(gòu)建筑與鋼結(jié)構(gòu)建筑，木結(jié)構(gòu)建筑有更低的隱含能與隱含碳，木結(jié)構(gòu)建筑具有碳儲(chǔ)存功能以及木結(jié)構(gòu)廢棄物燃燒具有化石能源的替代效應(yīng).在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)，混凝土結(jié)構(gòu)建筑比鋼結(jié)構(gòu)建筑能耗與碳排放高.在同等邊界條件下，混凝土結(jié)構(gòu)建筑比鋼結(jié)構(gòu)建筑有更低的隱含能和隱含碳，但如果考慮鋼材回收，則兩者的能耗與碳排放相當(dāng).

參考文獻(xiàn)：

[1]Ad Hoc Committee on Emission Factors.Emission Factors for Greenhouse and Other Gases by Fuel Type:an Inventory.Canada：EMR,1990.

[2]R.S.Means Company.Means Man Hour Standards for Construction.America:Massachusetts,1992.

[3]R.S.Means Company.Building Construction Cost Data.Canada:Kingston,1999.

[4]COLE R J,ROUSSEAU D.Environmental Auditing for Buildings Construction:Energy and Air Pollution Indices for Building Materials.Buildings and Environment,1992，27(1):23-30.

[5]COLE R J.Energy and Greenhouse Gas Emissions Associated with the Construction of Alternative Structural Systems.Building and Environment,1999，34:335-348.

[6]BJ?RKLUND T,J?NSSON ?,TILLMAN A M.LCA of Building Frame Structures:Environmental Impact over the Life Cycle of Concrete and Steel Frames.International Journal of Life Cycle Assessment 1998,3(4):216-224.

[7]CANADIAN W C.A Case Study:Comparing the Environmental Effects of Building Systems.Canada:Ottawa，1997.

[8]Energy Information Administration.A Look at Commercial Buildings in 1995:Characteristics,Energy Consumption and Energy Expenditures.America:Washington,1998.

[9]GORGOLEWSKI M.Environmental Assessment of Steel Piling.England:Berkshire,1999.

[10] HENDRICKSON C,HORVATH A,JOSHI S,et al.Economic Input-Output Models for Environmental Life-Cycle Assessment.Environ.Sci. Technol.，1998，32(7):184-191.

[11] HORVATH A,HENDRICKSON C T.Steel Versus Steel Reinforced Concrete Bridges:Environmental Assessment.J.Infrastruct.Syst.,1998,4(3):111-117.

[12] American Institute of Architects(AIA).Environmental Resource Guide.America:New York,1999.

[13] U.S.Environmental Protection Agency.The Emissions and Generation Resource Integrated Database(EGRID)[EB/OL].[2014-08-20].http://www.epa.gov/airmarkets/egrid/html.

[14] JOANNA G,DONALD O W,TIMOTHY A G.Langrish,Wood Versus Concrete and Steel in House Construction—A Life Cycle Assessment.Journal of Forestry,2002,100(8):34-41.

[15] MEDGAR L.MARCEAN,MARTHA G.VanGeem,Life Cycle Assessment of an Insulating Concrete Form House Compared to A Wood Frame House.America:PCAR & D,2002.

[16] GUGGEMOSc A A.Environmental Impacts of On-Site Construction Processes:Focus on Structural Frames.Berkeley:University of California,2003.

[17] GUGGEMOS A A,HORVATH A.Framework for Environmental Analysis of Commercial Building Structures.Proc.,Construction Research Congress,Construction Research Council.America:ASCE,2003.

[18] GUGGEMOS A A,HORVATH A.Comparison of Environmental Effects of Steel and Concrete-Framed Buildings.Journal of Infrastructure Systems,2005,11(2):93-101.

[19] GUSTAVSSION L,ROGER S.Variability in Energy and Carbon Dioxide Balances of Wood and Concrete Building Maerials,Building and Environment,2006,41(7):940-951.

[20] GERILLA G P,TEKNOMO K,HOKAO K.An Environmental Assessment of Wood and Steel Reinforced Concrete Housing Construction.Building and Environment,2007,42(7):2 778-2 784.

[21] ARIMA T.Wood construction as “Urban Forest Reserves”.Italy:Trentino,2010.

[22] ROSSI B,ANNE-FRANCOISE M,SIGRID R.Life-Cycle Assessment of Residential Building in Three Different European Locations,Case Study.Building and Environment,2012,51(5):402-407.

[23] LI Shenghan.Embodied Environmental Burdens of Wood Structure in Taiwan Compared with Reinsforced Concrete and Steel Structures with Various Recovery Rates.Applied Mechanics and Materials,2012,174:202-210.

[24] SCHMIDT J,GRIFFIN C T.Barriers to the Design and Use of Cross-Laminated Timber Structures in High-Rise Multi-Family Housing in the United States.Portugal:Guimaraes,2013.

[25] GRIFFIN C T,DONVILLE E,THOMPSON B,et al.A Multi-Performance Comparison of Long-Span Structural Systems.Porgugal:Guimaraes,2013.

[26] BRINNEL V,MUNSTERMANN S,BLECK W,et al.Sturctural Requirements and Material Solutions for Sustainable Buildings.Revue de Metallurgie,2013,110:37-46.

[27] KIM S,MOON J H,SHIN Y,et al.Life Comparative Analysis of Energy Consumption and CO2Emissions of Different Building Structural Frame Types.The Scientific World Journal，2013，2013:1-5.

[28] PONGIGLIONE M,CALDERINI C.Material Savings Through Structural Steel Reuse:A Case Study in Genoa.Resoures,Conservation and Recycling,2014,86(5):87-92.

[29] ALCORN J A,BAIRD G.Use of a Hybrid Energy Analysis Method for Evaluating the Embodied Energy of Building Materials.Renewable Energy,1996，8(1-4):319-322.

[30] BUCHANAN A H,HONEY B G.Energy and Carbon Dioxide Implications of Building Construction.Energy and Buildings,1994，20(3):205-217.

[31] LAWSON W.Embodied Energy of Building Materials.Melbourne:Royal Australian Institute of Architects,1995.

[32] CANADIAN WOOD COUNCIL (CWC).Life Cycle Analysis for Residential Buildings[EB/OL].[2014-08-20].www.cwc.ca/ publications/tech_bulletins/tech_bull_5/html.

[33] LIPPKE B,WILSON J,PEREZ-GARCIA J,et al.CORRIM:Life-Cycle Environmental Performance of Renewable Building Materials.Forest Products Journal 2004，54(6):8-19.

[34] United Nations Centre for Human Settlements.Energy for building.Nairobi:UN-HABITAT，1992.

[35] BUCHANAN A H,LEVINE S B.Wood-Based Building Materials and Atmospheric Carbon Emissions.Environmental Science & Policy 1999，2(6):427-437.

[36] BORJESSON P,GUSTAVSSON L.Greenhouse Gas Balances in Building Construction:Wood Versus Concrete from Lifecycle and Forest Landuse Perspectives.Energy Policy,2000，28(9):575-88.

[37] PETERSEN A K,SOLBERG B.Environmental and Economic Impacts of Substitution Between Wood Products and Alternative Materials:A Review of Micro-Level Analyses From Norway and Sweden.Forest Policy and Economics 2005，7(3):249-259.

[38] LENZEN M,TRELOAR G.Embodied Energy in Buildings:Wood Versus Concrete—Reply to Borjesson and Gustavsson.Energy Policy,2002，30(3):249-255.

[39] SimaPro.PRéConsultants,Amersfoort[CP/OL].[2014-08-20].www.pre.nl/simapro/html.

[40] International Code Council.International Energy Conservation Code.America:Falls Church,1998.

[41] Visual doe 2.6.Eley Associates[CP/OL].[2014-08-20].http://www.eley.com/gdt/visualdoe/index.html.

[42] International Organization for Standardization.Environmental Management-Life Cycle Assessment-Principles and Framework ISO14040.Switzerland:Geneva,1997.

Abroad Research Review of Literatures About Energy Consumption and

Carbon Emissions of Different Building Structures

WEN Rikun,SHEN Junjie,CHEN yakun,ZHANG Yating

(College of Landscape Architecture,Zhejiang University of Agriculture and Forestry,Hangzhou 311300,Zhejiang China)

Abstract:Literatures abroad on energy consumption and carbon emissions of different building structures are reviewed,with focus on the research progress and research results about the energy consumption and carbon emissions of wooden structures,concrete structures and steel structures.The article draws the conclusion that the energy consumption and carbon emissions of wooden structures is lower than those of the concrete and steel ones;wooden structure has a carbon storage function and waste wood burning can substitute fossil fuels;at construction sites,concrete structures consume more energy than steel structures do;under the same boundary conditions,concrete structures have lower implied energy and implied carbon than steel structures;but if the steel recovery is considered,energy consumption and carbon emissions of both the structures are appropriate.This conclusion can provide reference for the domestic study on energy consumption and carbon emissions of different building structures in China.

Key words:abroad;wooden structures;concrete structures;steel structures;energy consumption;carbon emissions

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))