基于LCA法的木結構建筑使用階段碳排放探討?

徐偉濤

（國家林業和草原局林產工業規劃設計院，北京 100010）

全球年溫室氣體排放量中約30%來自建筑業，因此建筑形式對氣候變化起著至關重要的作用[1-2]。木材是一種可以固碳的綠色材料，生長每立方米木材可減少約1 t二氧化碳的排放[3-4]。木質建材在其生命周期中的碳排放量遠低于現代建材，用其建造的木結構建筑在節能、抗震、環保、耐久等方面的性能均優于鋼筋混凝土建筑[5-8]。在木結構建筑生命周期中，建筑使用維護階段是持續時間最長、對碳排放影響最大的階段。本文采用生命周期分析法，研究木結構建筑在使用過程中影響其碳排放的主要因素和量化方法，在此基礎上針對性地提出了減少木結構建筑碳排放的具體措施。

1 木結構建筑生命周期

產品生命周期一般理解為一件產品從產生到消亡的過程，這個過程構成了一個完整的產品生命循環。生命周期分析（Life cycle analysis, LCA）是一項用于量化產品從原材料開采、運輸、生產、使用到廢棄處理或回收利用的過程中各個環節對環境影響的方法[9-11]。

在LCA視角下，建筑的生命周期包括以下幾個階段[12-15]：1）資源開采階段：原材料資源的開采和運輸； 2）建材生產階段：建材的生產、加工、運輸等；3）建筑建造階段：建材的安裝固定、建筑的構建等；4）建筑使用維護階段：建筑在使用過程中采暖、通風、供水、空調、照明等的能耗，是整個建筑生命周期中最長的階段；5）建筑拆除回收階段：包括建筑結構的拆卸和材料處理、廢棄物的回收和再利用等。木結構建筑的生命周期包含同樣的五個階段，北美采用LCA法系統地評價了現代木結構建筑對環境的影響，包括對原材料開采、設備生產和構件加工制造、建筑工程施工安裝、運行維護和拆除回收等各個環節進行跟蹤和分析評估，建立起木結構材料環境性能的數據庫[16]。LCA經過不斷的發展和完善，目前已成為評估木結構建筑環境性能的主要方法之一[17-20]。

2 木結構建筑碳排放

2.1 建筑碳排放概述

LCA中一項重要的環境評價指標是碳排放量。GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》中定義建筑碳排放是指建筑物在與其有關的建材生產及運輸、建造及拆除、運行階段產生的溫室氣體排放的總和。據《中國建筑能耗研究報告（2019）》統計，2017 年，我國建筑碳排放總量為22.4 億t二氧化碳，占全國的19.5%。

2.2 使用階段碳排放研究概論

建筑使用和維護階段指從建筑建成至建筑拆除的這一段時間[21]。建筑使用維護階段是木結構建筑生命周期中時間最長的階段，也是影響碳排放的最重要環節。中國建筑科學研究院對木結構建筑在生命周期不同階段的碳排放進行了比較研究[22]，結果顯示：如果將建筑整個生命周期碳排放以100%來計，建筑在使用和維護過程中的碳排放占整個生命周期碳排放的82.8%～95.4%。其他階段碳排放分別為：建材開采和生產碳排放占0.8%～12.1%，建材運輸碳排放占0.1%～0.3%，建筑建造和拆除碳排放占1.9%～2.4%。

2.3 使用階段碳排放量化指標

木結構建筑使用過程中，采用LCA法量化計算碳排放主要考慮兩個方面：

一是建筑使用時消耗的終端能源類型以及能源結構形式。建筑在使用過程中消耗的能源結構形式以終端能源計算，包括固體化石燃料、各種廢棄物及各類生物燃料等，這些不同類型的能源消耗匯總為總能耗；再根據不同能源的碳排放因子（參照GB/T 51366—2019中附錄A選?。┯嬎愠鼋ㄖ锟偟奶寂欧帕俊＞唧w計算過程考慮以下幾個因素[22]：1）暖通空調系統能耗包括冷熱源能耗、輸配系統及末端空氣處理設備能耗；2）生活熱水年耗熱量根據建筑的實際使用情況計算，考慮用水人數、用水溫度和使用習慣等參數；3）照明系統能耗計算采用的照明功率密度應同設計文件一致，并考慮自然采光、控制方式和使用習慣等因素；4）電梯系統能耗考慮電梯速度、額定載重量、特定能量消耗等參數；5）可再生能源系統包括太陽能熱水系統、光伏系統、地源熱泵系統和風力發電系統。

二是建筑設計使用壽命，即耗能持續時間。 GB 50352—2019《民用建筑設計統一標準》將普通建筑設計使用壽命定為50 年。基于以上兩個方面，建筑使用階段單位建筑面積的總碳排放量（CM）按下列公式計算：

式中：CM為建筑運行階段碳排放量，kgCO2/m2；Ei為建筑第i類能源年消耗量，kg/a；EFi為第i類能源的碳排放因子；Ei,j為j類系統的第i類能源消耗量，kg/a；ERi,j為j類系統消耗由可再生能源系統提供的第i類能源量，kg/a；i為建筑消耗終端能源類型，包括電力、燃氣、石油、市政熱力等；j為建筑用能系統類型，包括供暖空調、照明、生活熱水系統等；Cp為建筑綠地碳匯系統年減碳量，kgCO2/a；y為建筑設計使用壽命，a；A為建筑面積，m2。

3 減少木結構建筑碳排放措施

國內目前城鎮化建設、城鄉改造都需要大量建造住宅建筑，其中多數建筑在使用期間將消耗大量能源，造成更多溫室氣體排放[23]。建筑的生命周期一般長達幾十年，如何通過節能減排措施減少碳排放，是一個備受關注的環境問題。對此，可著重于以下幾個方面進行研究與應用實踐。

3.1 采用新型建材或先進建造技術

近年來研發應用的低能耗建筑、節能建筑、綠色建筑等多是針對建筑的使用階段研究設計的，通過新型建材或先進建造技術降低建筑使用階段的能耗，從而降低建筑的碳排放量[24]。例如優化建筑外形設計，控制建筑體型系數，使建筑盡量設計規整，減少外圍面積的散熱；加強新型建筑材料和技術的研發和應用，在建筑與外界接觸部分盡量采用高效保溫復合材料及新型墻體保溫材料，提高門窗、外墻、屋頂和地面的保溫能力，減少熱損失。

3.2 著力延長木結構建筑使用壽命

由于大量的碳儲存在木結構建筑的木制構件中，因此延長木質建材的使用壽命可確保碳儲存時間盡可能延長，從而減少碳排放[25]。因此需要做到科學的產品設計，施工期間做好防潮、防腐、防火以及使用過程中良好的維護保養。例如，經過防腐處理的木材平均使用壽命可延長3～5 倍；經過阻燃處理的木材可以顯著提高木結構構件的耐火性能；經過科學設計的木質建材可以大幅度提高物理力學性能，增強建筑結構的耐久性。

3.3 采用多項節電節能措施

大量采用節能家電和照明器具，發展和完善以集中供熱為主、多種供熱方式相結合的城鎮供熱采暖系統。依據上文中建筑使用階段單位建筑面積的總碳排放量計算公式，對于同一個建筑，即使能耗不變，通過更改能源結構形式，碳排放量也會發生很大變化，因此應充分利用風能、太陽能、地熱能、生物質能等自然資源，降低能源的碳排放因子，可以使計算得到的總碳排放量數值減少。

4 結語

使用木結構建筑并采取節能減排措施可以顯著減少建筑使用過程中的碳排放，從而降低其整個生命周期的總碳排放量，以此減輕對環境的負面影響，在應對全球氣候變化的背景下具有重要的現實意義。木結構建筑是節能環保的綠色建筑，在適宜的區域和條件下大力發展木結構建筑有利于更快更好地實現綠色和可持續發展。