基于全生命周期的現代木結構建筑碳足跡研究

蘇鵬宇,姚恩明,李 征

基于全生命周期的現代木結構建筑碳足跡研究

蘇鵬宇,姚恩明,李 征*

(同濟大學土木工程學院,上海 200092)

選取代表性現代木結構建筑并對其全生命周期碳足跡開展了研究,提出將負碳建材碳排放拆分為生產過程碳排放和生物固碳值的方法,定量計算了結構生命周期各階段的碳排放量,對木材在不同生命周期間的再利用情況進行了分析.結合傳統材料建筑全生命周期碳排放,對比分析了現代木結構建筑與傳統材料建筑全生命周期碳排放特點.研究結果顯示,本研究中的木結構建筑全生命周期碳排放為1.69×107kgCO2e,其中物化階段占比15.56%、使用階段占比84.34%、拆除階段占比0.10%;其物化階段的碳排放比傳統鋼筋混凝土結構和鋼結構均有所降低.

木結構建筑；碳排放；全生命周期；負碳建材

“碳達峰碳中和”是我國重要的戰略任務之一,建筑業作為我國第一大碳排放部門,其2020年度的碳排放占我國碳排放總量的50.9%[1],而我國作為發展中國家,每年仍有大量建筑開始建設和投入使用.因此,降低建筑業的碳排放是我國雙碳戰略能否實現的重要環節.

為提出行之有效的結構減碳建議,建立相關設計方法,首先需要量化建筑的碳排放.全生命周期分析(LCA)能從全生命的角度定量分析產品的碳足跡,已成為量化建筑碳排放的主要方法.目前研究通過LCA與物質和能量流結合,將建筑分為物化階段、使用階段和拆除階段,同時提出了建筑碳足跡分析框架[2].并且針對建筑的特定階段也可以用LCA進行研究,Rabani等[3]對位于瑞典的一棟建筑的不同改造方案運用LCA進行了使用階段的碳排放計算.同時基于LCA,發展出了與成本結合的分析框架,通過對凈零建筑進行全生命周期碳排放和成本分析,進一步擴大了LCA方法學在建筑中的應用[4-5].

木材是一種生物質建筑材料,樹木通過光合作用固定二氧化碳,然而,隨著樹木生長,其光合作用也逐漸減弱.相關研究分析了混齡南方針葉林的碳積累,結果表明大齡樹木的碳積累量較大,但單位生物量的增長率較低[6];并且對9～40年齡的灰赤楊林進行的生態系統凈產量研究顯示,老年灰赤楊林生態系統凈產量為負值,說明大齡灰赤楊林從碳匯變為了碳排放源[7].因此將大齡樹木合理砍伐后運用于建筑當中可以將樹木已固定的二氧化碳存儲于建筑當中,同時種植新樹木可以繼續固定二氧化碳.并且使用結構木材可以減少鋼材和混凝土的使用,不但能夠實現木材的可持續利用,還可進一步減少建筑的碳排放.

21世紀以來,隨著我國國民經濟發展與社會進步,以及氣候問題越來越受到關注,我國對綠色和可持續發展的重視程度越來越高.在建筑領域,對于可再生結構木材的利用越來越受到關注.木材及工程木制品在中國展現出巨大的發展潛力,木結構建筑進入了新一輪的發展階段[8-9].我國政府出臺的相關政策明確指出要因地制宜發展木結構建筑,鼓勵木結構建筑在低層公共建筑中的應用[10-11].預計未來我國會有更多木結構中低層建筑投入使用.

針對于木結構建筑的碳足跡研究,目前國外的研究已基于LCA方法,考慮了木材的生物固碳.我國目前也有對于木結構全生命周期碳排放的研究[12-13],但對于木材的生物固碳量的使用并不明確.以往對于木結構在結構中的應用已經比較充分[14-15],本研究旨在對現代木結構建筑進行詳細的考慮木材生物碳的全生命周期碳足跡分析,并對生物固碳量的使用進行討論.

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究選擇的研究對象是一棟位于江蘇省無錫市某現代中低層木結構辦公建筑,見圖1,占地面積817.56m2,建筑面積3350.94m2,結構為四層、高17.0m,設計使用年限為50a,結構形式為膠合木框架結構,此結構的結構體系、建筑面積及體量在我國現代木結構建筑中具有很好的代表性.建筑所在地無錫市屬北亞熱帶季風濕潤性氣候,年平均氣溫15.6℃,最熱月份為七月,月平均氣溫28.0℃,最冷月為1月,月平均氣溫2.9℃.

1.2 建筑全生命周期分析

1.2.1 建筑全生命周期 建筑全生命周期可分為物化階段、使用階段、拆除階段[2,4-5,16],如圖1所示.

建筑全生命周期的碳排放可由式(1)計算:

式中:lc,p,u,e分別為建筑全生命周期、物化階段、使用階段和拆除階段的碳排放,kgCO2e.

(1) 建筑物化階段建筑物化階段包括建材生產與運輸、施工現場機械能耗、施工現場臨時設施能耗.

物化階段的碳排放可由式(2)計算:

式中:p1,p2,p3分別為建材生產與運輸、施工現場機械能耗、施工現場臨時設施能耗的碳排放, kgCO2e.

圖1 建筑全生命周期

建材生產與運輸的清單由項目的決算表整理得出.考慮了建材的最初來源地,對于產地缺失的按照規范《建筑碳排放計算標準》(GB/T51366-2019)[17]中的規定設置.建材生產與運輸的碳排放可由式(3)計算:

式中:p是建材的總種類數;m是種材料的消耗總量,kg、m3、件等;EF是種材料的碳排放背景數據,kgCO2e/m單位;S是種材料的運輸距離,km;EFt是種材料的運輸工具的單位運輸距離碳排放背景數據,kgCO2e/(kg·km).

施工現場的機械使用量通過決算單整理出各分部工程的工程量,并根據《江蘇省建筑與裝飾工程消耗量定額(2022年)》[18]中的單位工程量額定機械進行使用機械班次計算.根據《建筑碳排放計算標準》(GB/T51366-2019)[17]中的單位班次機械能耗計算出施工現場的機械能耗.施工現場機械能耗的碳排放可由式(4)計算:

式中:p2,i是種機械的能源(電、柴油等)消耗總量,kW·h、kg;EFp2,i是能源的碳排放背景數據, kgCO2e/p2,i單位.

施工現場的臨時設施面積和空調使用時長由施工方提供,照明通過《建筑照明設計標準》(GB 50034-2013)[19]進行計算.施工現場的臨時設施的碳排放可由式(5)計算:

式中:p3,i是電器(空調和照明)的能源消耗, kW·h;EFp3,i是種能源的碳排放背景數據,kgCO2e/ (kW·h).

(2) 建筑使用階段建筑使用階段包含建筑使用階段能耗和使用階段更新維護.使用階段碳排放按式(6)計算:

式中:u1和u2是使用階段能耗和使用階段更新維護的碳排放,kgCO2e.

建筑使用階段能耗由DeST-C軟件[20]模擬計算,并參考建筑實際用電量進行模擬調整,使實際用電量與模擬用電量誤差在5%以內,對建筑使用50a的用電情況進行模擬.DeST軟件包含了中國的氣象資料,已被廣泛地用來進行建筑能耗模擬[21-22].

建筑的用水量通過實際用水量和《城市公共用水定額及其計算方法》(DB31/T 680-2012)[23]進行計算.

使用階段能耗的碳排放按式(7)計算:

式中:u,i是種能源(水、電)的消耗量,kg、kW·h;EFu,i是種能源的碳排放背景數據,kgCO2e/u,i單位.

建筑使用階段更新維護的材料更換量由決算單整理得出,對于相關規范中有提到使用年限的保溫工程[24]、門窗工程[25]和防水工程[26]的材料都進行了計算.建筑使用階段更新維護的碳排放按式(8)計算:

式中:u是替換建材的總種類數.

(3) 建筑拆除階段建筑拆除階段包括建筑拆除工程和建筑物垃圾的處理與再利用.建筑拆除階段的碳排放按式(9)計算:

式中:e1和e2是建筑拆除階段拆除施工和建筑垃圾處理與再利用的碳排放,kgCO2e.

建筑拆除施工的碳排放相關研究[2,27]表明約為建筑建設施工機械碳排放的0.9.建筑拆除施工的碳排放可按式(10)計算:

對于建筑垃圾的處理與再利用的研究并不完善.建筑垃圾的回收率參考文獻[28].回收率信息見表1.

表1 建筑垃圾回收再利用情況

參考相關研究[29],建筑垃圾的平均運輸距離為25km.

為了使上下游過程都能從建筑垃圾再利用中受益,設置價格質量系數,即再生原料的環境收益對于下游過程不能全部免費獲得,對于上游過程不能全部抵扣.

建筑垃圾處理與利用的碳排放按式(11)～(13)計算:

1.2.2 全生命周期分析方法 根據ISO14040[30], LCA分析包含目標與范圍、生命周期清單分析、影響評估、解釋評價.

(1) 目標與范圍 系統邊界為由搖籃到墳墓;功能單位為一棟現代木結構辦公建筑;使用年限為51a(包含建設1a,使用50a).

(2) 生命周期清單分析 使用eFootprint平臺[31]進行LCA建模,eFootprint包含了中國本土化的CLCD數據庫,該平臺和數據庫已被廣泛的用于LCA分析[32-33],建筑全生命周期各階段的實景數據計算方法見1.2.1.生命周期模型包含了100多種材料和能源輸入,包含生產、使用、廢棄三大模塊,涵蓋了建筑“從搖籃至墳墓”的全生命過程,LCA部分模型結構見圖2.

圖2 某木結構LCA模型部分結構

主要材料量見表2.

表2 主要材料與能源清單

(3) 影響評估 CLCD數據庫包含600多種中國本土化的材料、能源、運輸與廢物處理的LCI數據集.選擇的輸出類別為全球變暖潛能值(GWP,CO2e).

(4) 結果分析對研究對象進行碳足跡分析,計算全生命周期的碳排放與各階段占比,按式(14)和(15)(16)計算單位面積碳排放強度(碳排放強度)和單位面積年碳排放強度(年碳排放強度),并與傳統建筑的碳排放研究進行對比.

式中:D為不同階段的單位面積碳排放強度, kgCO2e/m2;E為不同階段的碳排放,kgCO2e;為建筑面積,共3350.94m2;T為物化階段單位面積年碳排放強度,kgCO2e/(m2·a);L為建筑建造時間,實際建設時間為7個月,取1a;T為使用階段單位面積年碳排放強度,kgCO2e/(m2·a);L為建筑設計使用年限,為50a.

1.2.3 木材生物碳 我國現代木結構建筑多為膠合木結構,生產膠合木的原木多為國外進口,并在國內進行生產.該建筑使用的膠合木其原材料來自加拿大,使用了加拿大雅典娜研究機構對于北美木材的研究報告[34-37],其中給出了每種木材的生物碳存儲量見表3.

目前缺少對于長時間生物碳儲存的明確計算方法,英國規范PAS2050[38]對2～25a碳存儲的按照存儲時間和二氧化碳隨時間的影響變化進行折減.Hawkins等[39]的研究表明,二氧化碳對溫度變化的影響在排放初期較大,并在40a后趨于穩定.LCA進行碳足跡分析時通常以100a的溫室氣體影響作為氣候變化指標來確定不同溫室氣體的貢獻[40].因此本研究僅考慮儲存時間進行折減,即建筑設計使用年限與100a的比值0.5為折減因子.木材的碳排放背景數據按(17)計算:

式中:EFt是木材的碳排放背景數據,kgCO2eq/m3; EFtp種是木材生產過程的碳排放量,kgCO2eq/m3; EFte是木材的生物固碳量,kgCO2eq/m3(表3).

表3 常用結構用木材的生物固碳量(kgCO2e/m3)

2 現代木結構建筑全生命周期碳足跡分析

2.1 建筑全生命周期碳足跡

該結構建筑全生命周期部分環境指標見表4.

本研究主要討論碳足跡,即GWP指標.

清單數據靈敏度是指清單數據單位變化率引起的相應指標變化率.靈敏度較大的數據清單為關鍵匯總過程(AP),分析關鍵AP能找出改進的關鍵方向.

表4 某木結構建筑全生命周期環境指標

由圖3和表5可知,該建筑全生命周期的碳排放總量為1.69×107kgCO2e,其中物化階段碳排放2.63×106kgCO2e,占比15.56%,使用階段碳排放1.42×107kgCO2e,占比84.34%,拆除階段碳排放1.63×104kgCO2e,占比0.10%.由于建筑的長生命周期,使用階段的碳排放依然是建筑全生命周期中碳排放最大的階段,降低使用階段的碳排放是降低建筑全生命周期碳排放的重要方向.

圖3 木結構建筑全生命周期碳排放分布

建筑使用階段的碳排放來源中電力為關鍵AP.建筑使用過程中有大量的電力消耗,降低使用階段的能耗是降低建筑全生命周期碳排放的重要方向,發展綠色建筑、節能建筑來降低使用階段能耗依然是降低建筑全生命周期碳排放的重要手段.張[41]對南京地區(北亞熱帶季風濕潤性氣候)的三棟傳統材料辦公樓建筑全生命周期碳排放進行分析,結果表明傳統材料建筑使用階段碳排放占全生命周期碳排放的70%～80%,木結構建筑使用階段碳排放占比結果相較于傳統材料建筑較高[42],本研究為84.34%,說明木材相對于傳統材料建筑能減少物化階段的碳排放,使得木結構建筑使用階段的碳排放占比相較傳統材料建筑較大.而隨著一級能源逐漸脫碳,建筑物化階段碳排放占比將逐漸增大,木材能將生物固定的碳儲存于建筑中,并減少傳統高碳材料鋼材和水泥的使用,因此木結構建筑是建筑減排的理想方向之一.

表5 木結構建筑全生命周期關鍵AP

木結構建筑物化階段關鍵AP及碳排放情況情況見表6和圖4.

表6 木結構建筑物化階段關鍵AP

由表6和圖4可知,該木結構建筑物化階段的碳排放主要集中在建材的生產上.建材運輸的碳排放相對較小,并且關鍵AP木材的固碳量較大,部分木材雖然為進口產品,運輸距離較遠,但木材的固碳效率遠大于運輸的碳排放,未來若有更多的國產工程木材投入使用,能進一步降低木結構建筑物化階段的碳排放.

圖4 木結構建筑物化階段碳排放分布

由圖5可知,木結構拆除階段的碳排放強度相對于全生命周期占比較小.加大廢棄物的回收再利用率能降低處理建筑垃圾所產生的碳排放,并通過回收的環境效益減少兩個生命周期間上游過程拆除階段的碳排放和下游過程生產材料的碳排放.

圖5 木結構建筑拆除階段碳排放分布

回收部分未涉及木材.與其他建筑垃圾相比,回收鋼材作為廢鋼再利用回扣上游過程的碳排放并不突出,該項使用CLCD 0.8的數據集廢鋼混合(中國).廢鋼材的再利用應該結合實際的利用過程,同時與使用的數據集(碳排放背景數據)情況進行更細致的研究.

2.2 建筑全生命周期碳排放強度分析

全生命周期各階段的碳排放強度和單位面積碳排放強度見表7.

表7 某木結構全生命周期各階段碳排放強度

由表7可知,雖然從建筑全生命周期上來看使用階段碳排放量大,但從同一時間段角度來講,物化階段的年碳排放強度大,為使用階段的年碳排放強度的9.2倍.

現代木結構建筑在基礎工程使用鋼筋混凝土,在上部木構件的連接中使用較多金屬連接件,在裝飾工程中使用功能性有機物及無機物,使得木結構物化階段年碳排放強度較使用階段年碳排放強度依然較大.對于木結構結構體系的創新,減少傳統材料的使用仍能幫助木結構減少碳排放,降低木結構建筑的碳排放強度.

建筑拆除階段的碳排放占比和碳排放強度較低,但目前我國的建筑垃圾實際回收利用率低于本研究使用的回收利用率[28],并且我國每年將產生大量的建筑垃圾,大約為我國日常生活產生的生活垃圾的5倍[43],應從各個層面上加大對建筑垃圾再利用的要求,亦能促進建材的可持續發展.

2.3 不確定分析

木結構建筑種類較多,隨著膠合木技術的發展有大跨度的木結構場館類建筑投入使用;未來隨著重型木結構的發展,也會有中高層木結構建筑投入使用.本研究無法覆蓋所有的木結構建筑,但對木結構建筑物化階段以及亞熱帶季風濕潤性氣候地區的木結構建筑全生命周期的碳排放有參考意義.

CLCD方法對LCA模型中的清單數據,通過來源與算法、時間代表性、技術代表性、地理代表性等四個方面進行評估,并對關聯背景數據庫的消耗,評估其與上游背景過程匹配的不確定度.完成清單不確定度評估后,采用解析公式法計算不確定度傳遞與累積,得到LCA結果的不確定度[44].

對建筑全生命周期以及物化階段的結果不確定度進行分析.該木結構建筑由EFootprint計算得出的結果的不確定度如表8.

表8 某木結構建筑碳足跡結果不確定度

建筑物化階段的不確定度主要由結構用材造成,其中云杉-冷杉-松(SPF)對結果不確定度的貢獻最大,達4.13%.建筑全生命周期的不確定度主要由使用階段的電力消耗造成,其對結果不確定度貢獻達84.89%.由于模型設置的技術代表性為行業平均,而只有一個建筑的數據,導致技術代表性該項存在25%的不確定度,傳遞至最后導致最終碳足跡結果不確定度較大.但如果僅是針對于該棟建筑碳核算,最終結果不存在技術代表性傳遞來的不確定度,結果是較為準確的.

為了盡量降低研究結果的不確定度,本研究的活動數據物化階段所有材料及運輸數據均來自于項目實際的預決算清單,機械等使用也都由預決算清單通過相關規范計算出.使用階段能耗模擬也通過和實際情況對比保證可靠性.

對于部分無法計算的材料進行了忽略,所有忽略材料都符合cut-off規則,模型無未定義內容,所有缺失數據均來自于關聯的背景數據集.

背景數據優先采用中國本土化的CLCD數據庫中的數據集,其次采用Ecoinvent數據庫的數據,對于部分缺失的選擇企業環評報告和文獻以及Efootprint平臺通過審核的用戶創建的數據集,確保了數據的代表性以及結果的準確性.

2.4 生物碳討論

Ubando等[45]在對生物質燃料進行研究時,認為通過生物固碳使得生物炭成為負碳材料.工程木材由于其光合作用固定的生物碳,其實也是一種負碳材料.目前對于包含生物碳的材料的使用方法并不明確.傳統的LCA方法會在材料回收作為可再生材料再利用時,通過對正碳材料的碳排放背景數據添加負號完成對上游過程的回扣和下游過程的抵扣.若對包含生物碳的負碳材料使用該方法會出現回收后碳排放為正值.

因此,本研究將負碳材料的碳排放拆分為生產過程的正值和固定的生物碳的負值來使用,對于生產過程的正值在回收階段按照常規的正碳材料的分配過程分配,對于生物碳的負值則按照使用年限等折減因子直接在不同的循環過程中進行分配.

假定1000m3木材(假設固定的生物碳總量為1000kgCO2e)經歷如圖6的三個生命周期:由圖6中的分配過程可知,將木材的考慮生物固碳量的碳排放拆分為實際生產過程的碳排放背景數據和木材的固碳量來使用,在涉及上下游兩個生命周期的回收再利用階段不會涉及固碳量的分配,不會出現回收階段回收再利用材料是正值碳排放的情況.更加符合LCA模型不同生命周期之間處理的邏輯,并且每個階段的GWP值只需將生產過程的碳排放值和生物固碳值進行相加,方便處理.

(b) 木材分配過程

圖6 木材循環和分配過程

Fig.6 Wood recycling and distribution processes

①各過程的生產碳排放值為假定;②兩個生命周期間的回收利用的上游回扣值和下游抵扣值為假設,具體數值和上下游生產過程以及廢棄物再利用的質量價格比和再利用率有關;③木材生物碳的折算僅按相對于100a的時間折減因子

2.5 木結構建筑LCA研究討論

本文通過對某現代木結構辦公建筑進行詳細的全生命周期分析,量化得出了木結構全生命周期和各階段的碳排放,同時對生物的循環分配進行了討論.本文的研究結果顯示木材的固碳量對于結果的影響比較顯著,同時建筑LCA模型的完整性對結果的影響也較大,應根據研究目的確定木材生物碳的使用和模型的邊界范圍.后續也將分析該建筑的經濟性,并針對不同材料辦公建筑進行對比研究.

3 結論

3.1 建筑在同一時間段內物化階段碳排放強度很大,采用木結構能顯著降低建筑物化階段的碳排放.

3.2 從建筑全生命周期角度分析,該木結構建筑使用階段的碳排放占建筑全生命周期碳排放的84%以上,降低使用階段碳排放依然是降低建筑全生命周期碳排放的手段.

3.3 目前對于生物固碳量在LCA中的應用并不明確,在負碳材料的回收階段存在問題,本研究提出基本的處理方法,將考慮生物碳的負碳材料的碳排放拆分為生產過程的碳排放和生物固碳值來使用,可實現在不同生命周期之間的循環.

3.4 對于木結構結構體系的創新,減少傳統材料的使用仍能幫助木結構減少碳排放,降低木結構建筑的碳排放強度.

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Investigation into the carbon footprints of modern timber buildings based on life cycle assessment.

SU Peng-yu, YAO En-ming, LI Zheng*

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)., 2023,43(12)：6657～6666

This paper researched the building life cycle carbon footprint based on a representative modern timber building in China, and a method of splitting the carbon emission of negative carbon building materials into the carbon emission of the production process and the biological carbon sequestration value was proposed. The results showed that the carbon emissions of the life cycle of the modern timber office building were 1.69×107kgCO2e, in which the product stage accounted for 15.56%, the use stage accounted for 84.34%, and the end-of-life stage accounted for 0.10%. The carbon emission in the product stage of timber building was lower than that of traditional reinforced concrete or steel buildings.

timber buildings；carbon emission；life cycle assessment；negative carbon building materials

X24

A

1000-6923(2023)12-6657-10

蘇鵬宇,姚恩明,李 征.基于全生命周期的現代木結構建筑碳足跡研究 [J]. 中國環境科學, 2023,43(12):6657-6666.

Su P Y, Yao E M, Li Z.Investigation into the carbon footprints of modern timber buildings based on life cycle assessment [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6657-6666.

2023-04-29

國家自然科學基金資助項目(52222802);上海市科技創新行動計劃啟明星項目(21QA1409300)

* 責任作者, 教授, zhengli@tongji.edu.cn

蘇鵬宇(1998-),男,甘肅蘭州人,同濟大學碩士研究生,主要研究方向為建筑碳排放、生命周期評價及應用.ssshc@tongji.edu.cn.