木結(jié)構(gòu)建筑節(jié)碳固碳效應(yīng)研究現(xiàn)狀

張彩奕， 王 意， 王志強

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

1 背景及意義

隨著國際上對碳排放量的重視，世界上各個國家都開始出臺相應(yīng)的政策。英國是首批提出“低碳”概念的國家之一，并將其與“低碳經(jīng)濟”相結(jié)合，其主張建立一種能讓自然、經(jīng)濟、社會協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展的新模式，這種發(fā)展模式既能滿足當代人的需求，又不會損害社會長久的利益，從而使經(jīng)濟和社會健康穩(wěn)定發(fā)展。而我國作為一個發(fā)展中國家，也將發(fā)展低碳經(jīng)濟列為重要內(nèi)容之一，是因為研究和制定符合我國國情的低碳發(fā)展戰(zhàn)略十分重要，而現(xiàn)階段我國的低碳政策還不完善，有待進一步發(fā)展。

2007年6月，我國政府發(fā)布了首項針對發(fā)展中國家的氣候變化問題的政策文件——《中國氣候變化國家行動計劃》，并出臺了一系列減少碳排放和緩解氣候變化的措施。2010年3月，中國政府宣布將努力降低單位GDP的碳排放量，低碳經(jīng)濟和社會已成為未來發(fā)展的重要指導(dǎo)原則。同年，國務(wù)院出臺了全面推進節(jié)能減排工作方針，提出了低碳這一概念。由于我國以前重點發(fā)展工業(yè)，城市化進程加快，再加上人口激增，消費模式改變和城市建設(shè)等原因，使得我國的能源需求和溫室氣體排放增加。如今我國的能源消費主要是化石燃料，如石油和煤炭，這種以犧牲環(huán)境為代價的傳統(tǒng)經(jīng)濟模式是導(dǎo)致資源短缺的重要原因之一。雖然我國在第九個五年計劃中已經(jīng)提出要刺激經(jīng)濟增長由慢變強，但十多年過去了，中國工業(yè)還處于較低水平，工業(yè)技術(shù)含量與發(fā)達國家相比還有很大差距，而且承接了相當一部分高能耗，高污染的產(chǎn)業(yè)，所以現(xiàn)在中國已經(jīng)是全球碳排放量最大的國家。依據(jù)《bp世界能源統(tǒng)計年鑒2021》可知，2020年全球二氧化碳排放總量將超過300億噸，而其中中國占據(jù)了全球近1/3的碳排，美國、印度、俄羅斯、日本占比分別為13.81%、7.13%、4.59%、3.18%。

建筑是世界高耗能行業(yè)，在全球碳排放總量中占據(jù)了近1/3的比例。在中國，建筑業(yè)是三大能源聚集度行業(yè)之一，也是三大碳聚集度行業(yè)之一。根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心對于中國建筑領(lǐng)域用能及排放的核算結(jié)果，2019年中國建筑造和運行用能占全社會總能耗的33%[1]。為了實現(xiàn)我國2060年“碳中和”的目標，必須在一定時期內(nèi)考慮減排與增匯問題，因此我國出臺了很多政策。中共中央辦公廳，國務(wù)院辦公廳于2021年10月前后發(fā)布了《關(guān)于推動城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》，提出要大規(guī)模推廣高質(zhì)量的綠色建筑，大力鼓勵建設(shè)極低能耗和接近零能耗的建筑，大力發(fā)展低碳建筑。中國人口眾多，能源資源相對匱乏，在建筑節(jié)能方面有很大潛力。對低碳綠色建筑的研究可以更直觀地展示木結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)勢，為實現(xiàn)雙碳目標提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，同時為建筑業(yè)降低能耗探索一種新的建筑形式，刺激綠色建筑在中國的蓬勃發(fā)展，從而降低建筑業(yè)的整體碳排放，進而實現(xiàn)國家“碳中和”的目標。

2 國內(nèi)外建筑碳排放計算研究現(xiàn)狀

2.1 有關(guān)木結(jié)構(gòu)全生命周期的研究

為更好地開展建筑碳排放量測算研究，國內(nèi)外學(xué)者均是先從建筑生命周期角度進行分析；生命周期分析(Life cycle analysis，LCA)是用于定量分析原料，運輸，生產(chǎn)，使用，處置或再循環(huán)等環(huán)節(jié)對環(huán)境的影響的方法[2]。建筑物的整個生命周期分為四個主要方面：材料收集、設(shè)計和施工、運營和報廢后的廢物回收。從原料收集到建筑的設(shè)計、建設(shè)再到運營管理和廢舊回收再利用，這四個環(huán)節(jié)構(gòu)成了整個生命周期；每個部分又可細分為若干子環(huán)節(jié)，如建材采購與供應(yīng)、建筑工地現(xiàn)場材料運輸、建筑施工等等。建材采購，構(gòu)件制作，建筑修建和運行以及拆卸和資源回收共同構(gòu)成了一個完整的建筑生命周期。LCA法在北美被用來系統(tǒng)地評估現(xiàn)代木材建筑的環(huán)境影響，并建立了一個基于環(huán)境特性的木材結(jié)構(gòu)的資料庫。自上個世紀九十年代以來，這項技術(shù)成為一種判斷其對環(huán)境的作用的措施，在建筑業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

在國內(nèi)的研究中，劉念雄等假定將建筑物的所有生命周期分為四個階段：建材的籌備、施工、建筑物的運行和保護以及建筑物的廢除；與劉念雄不同，張智慧等把建筑物的生命周期被總結(jié)為物理階段、運行階段、拆除階段和處置階段，以及列出了每個階段的二氧化碳排放源；除此之外，Chen[3]等將建筑物的全部生命周期分為九個階段：修建、裝修、外部工程、運輸、運營、廢料處置、物業(yè)管理、拆毀和廢料處置，并對各個階段的潛在碳排放情況進行了詳細分析。

在國外的研究中，Bribian[4]等根據(jù)居住用途把生命周期分為四個階段：建筑材料的籌辦、施工、建筑物的利用和拆毀。為簡單起見，將生命周期分析分為兩個系統(tǒng)：施工和利用；而Gustavsson[5]等將建筑的全生命周期分為四個階段：原料出產(chǎn)、修筑、應(yīng)用、拆毀和資源再生；Gerilla[6]等沒有把原材料生產(chǎn)階段納入考慮范圍，而是將施工，維護，運行和處理這4個環(huán)節(jié)納入考慮范圍；除此之外，Cole[7]將建筑的生命周期分為原料制造、建造建筑、建筑裝修、維修、搬遷拆除四個階段，其中第一階段又細分為工人運送、材料運送、主要設(shè)備運送、建筑設(shè)備消耗和建筑配套措施五個環(huán)節(jié)，調(diào)查不同類型建筑的碳排放形式。

隨著國內(nèi)外研究者對建筑物全生命周期研究的持續(xù)深入，針對其不同階段進行了較為準確的劃分，在目前的研究中，將建筑物主要分為以下五個階段進行了基本界定：(1)資源開采階段：包括原材料的采集與加工以及產(chǎn)品的運輸與銷售；(2)建筑材料出產(chǎn)階段：指對采掘和搬運建材等階段；(3)建筑建設(shè)階段：設(shè)計和建造建筑物；(4)建筑維護階段：供暖、空調(diào)及照明等建筑的基本使用性能的維修；(5)建筑物在整個生命周期中所消耗的能量最多，也是建筑生命周期中的壽命最長階段，即建筑拆除后的再利用階段[8-10]。

2.2 碳排放計算

自上世紀九十年代起，外國專家對不同結(jié)構(gòu)建筑的能耗和碳排放進行探討。自此以后，各國學(xué)者陸續(xù)將眼光聚焦在“低碳”這一主題上。2010年12月，聯(lián)合國環(huán)境大會通過了《哥本哈根協(xié)議》，建議將氣候變化納入人類發(fā)展議程。至此，政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)聚集了全球1 000多位科學(xué)家，已編制了10余份關(guān)于全球氣候變化、土地變化和碳評估范式的報告和指南，并大致制定了一個涵蓋一系列主題領(lǐng)域、地理因素和生產(chǎn)過程的碳排放估算框架，以及在區(qū)域?qū)嵺`中成功應(yīng)用的碳源清單和核算方法。今天世界上大多數(shù)國家都依賴于IPCC制定的碳計算系統(tǒng)。其中，排放因子法(Emission-Factor Approach或EFA)最早被提出，并且在國際上被廣泛采用。它的基礎(chǔ)是計算二氧化碳排放量的共同框架，即詳細研究所有溫室氣體及其來源，根據(jù)某些原則對其進行分類，并建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫。一般邏輯是根據(jù)清單收集各排放單位的活動數(shù)據(jù)及排放因子，以它們乘積的結(jié)果為碳估計值，具體量化情況如下：

Emissions=AD×EF

(1)

式中：Emissions為總體的碳估計值(如CO2、CH4等)，AD為活動數(shù)據(jù)，詳細表現(xiàn)為各來源的特定用量和投入量，與二氧化碳排放有直接關(guān)系，EF為排放因子，即單位使用量排放源中溫室氣體的排放量，效率數(shù)據(jù)主要來源于國家統(tǒng)計，清單和污染源調(diào)查監(jiān)測資料。每單元來源的溫室氣體排放量，其性能數(shù)據(jù)主要來自國家統(tǒng)計、來源列表和觀察、觀測數(shù)據(jù)等。對于排放因子，可以使用IPCC報告中的缺省值，即按照全世界碳排放平均值給出的參考值，也可根據(jù)《國內(nèi)外碳排放核算方法研究進展》自行構(gòu)建獲取途徑如表1[11]。

表1 排放因子數(shù)值獲取來源

2.3 碳排放計算國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對建筑碳排放的探討更側(cè)重從微觀角度計算碳排放，即建筑在全部生命周期內(nèi)的碳排放，這也是本文的重點。本文總結(jié)了關(guān)于建筑生命周期不同部分的溫室氣體排放的現(xiàn)有文獻，以及用于計算的方法。雖然目前已經(jīng)進行了許多研究，但不同研究中的生命周期階段分布不同，導(dǎo)致研究范圍不一致計算模型也有很大差異，再加上，由于各區(qū)域、各時期的資料來源差異，導(dǎo)致不同的研究對象的二氧化碳排放量也不盡相同。

我國對于建筑結(jié)構(gòu)碳排放計算方法主要依據(jù)于國家標準《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366-2019)、協(xié)會標準《建筑碳排放計量標準》(CECS374-2014)以及各種地方政策標準等。

在我國標準中，計算建筑材料制造階段的公式如下：

(2)

式中：CSC為生產(chǎn)制造階段產(chǎn)生的碳排量，kg CO2e；Mi為第i種主要建材的耗材量；Fi為第i種主要建材的碳排放因子，kg CO2e/單位建材數(shù)量[12]。

在建材運輸階段中，碳排放可被計算為：

(3)

式中：Cys為運載運輸過程產(chǎn)生的碳排放，kg CO2e；MI為i第種主要建材的消耗量，t；DI為第i種建材平均運輸距離km。除此之外，TI為第i種建材通過某種方式被運送到建造地后，其單位重量運輸距離的碳排放因子，kg CO2e/(t×km)，具體來說，混凝土的默認運輸距離為40 km，其他建材的默認運輸距離為500 km[12]。

對于建筑建造階段的碳排放量計算公式表示為：

(4)

式中：Cyz為單位面積建筑建造階段的碳排放量，kg CO2/m2；Ejz，i為建筑建造階段第i種能源總用量，kWh或kg；EFi為第i類能源的碳排放因子，kg CO2/kWh或kg CO2/kg；A為建筑面積[12]。

3 結(jié)束語

木結(jié)構(gòu)建筑雖然是主要的綠色建筑形式之一，但目前關(guān)于木結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)碳固碳效應(yīng)研究依舊較少。未來隨著全球氣候變暖和建筑行業(yè)的快速發(fā)展，如何降低建筑全生命周期碳排放量一問題將更加突出。木結(jié)構(gòu)建筑因其具備較好的節(jié)碳化效應(yīng)而受到重視，并且引起世界各國專家學(xué)者的注意。持續(xù)深化木結(jié)構(gòu)建筑節(jié)碳和固碳效應(yīng)的研究和探討，對實現(xiàn)我國“碳中和”和“碳達峰”方針政策具備重要推動作用。