建筑材料制品碳排放测算模型研究

2012-08-08林兴贵付菲菲

土木建筑工程信息技术 2012年3期

林兴贵周济程晶付菲菲

(华中科技大学工程管理研究所，湖北武汉 430074)

20世纪以来，在全球工业化迅猛发展的推动下，温室气体排放量急剧增加，全球气候随之变暖，自然灾害和环境问题频发，严重危及人类健康及其生存环境。因此，联合国、世界各国及国际组织都开始采取各种措施以抑制温室气体的排放。英国政府在近年正致力于低碳建筑的建设及运用BIM以实现其对建筑低碳的设想[1]。在由ENCORD发布的《建设二氧化碳测算议定书》中具体说明了只有清晰定义碳排放测量边界才能保证碳足迹计算的完整性、一致性、准确性等，并将碳足迹测算范围分为三种:直接碳排放、间接碳排放、其他间接碳排放[2]。在2009年11月26号，中国向世界做出承诺，我国到2020年能源消耗的强度要下降40% ～45%，可再生能源比重要提高到15%左右，而且还要增加森林碳汇。因此，作为约束性的指标，我国提出到2015年能源消耗的强度比2010年要下降16%，温室气体的排放强度要下降17%，主要污染物的排放总量要下降8% ～10%[3]。其中，在我国建材产业领域，仅由水泥生产所造成的CO2排放就占全国CO2排放总量的18% ～22%[4-5]，所以减少建筑材料制品碳排放量是我国能否兑现承诺的关键。

1 建筑材料制品碳排放测算研究现状

目前，国内外对于建筑产品等的碳排放计算方法都是基于建筑产品全生命周期的角度出发的。比如在2006年，ISO发布了ISO 14040《环境管理生命周期评价原则与框架》和ISO 14044《环境管理生命周期评价要求与指南》，明确界定了产品碳排放测算的范围、功能边界和基准流。我国根据上述两项国际标准相应的制定了GB/T 24040－2008《环境管理生命周期评价原则与框架》和GB/T24044－2008《环境管理生命周期评价要求与指南》。

但是，对于建筑材料制品的碳排放测算，国内外还没有形成统一的计算方法。例如，研究机构中的Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)于2006年发布《2006年IPCC国家温室气体清单指南》(《2006年IPCC指南》)中对于建筑材料制品的碳排放测算局限于建筑材料制品生产阶段所产生的碳排放[6];而美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的Building for Environmental and Economic Sustainability(BEES)软件的《建设环境和经济可持续发展技术与用户手册》中对于建筑材料制品碳排放测算则是基于全生命周期理论[7]。同时，国内外学者也做了大量研究，但侧重点各有不同。国外，Sungho Tae等人提出了基于全生命周期理论的高强混凝土环境影响值计算方法，通过分析计算得出高强混凝土比一般混凝土能使能源消耗下降15.53%，二氧化碳排放量也降低了 16.70%[8];Ellis Gartner提出了使用水工水泥来替代传统的波兰特水泥，并建议在混凝土中掺入适量粉煤灰等以降低混凝土的碳排放量[9];Alexander Stadel等人提出了基于建筑信息模型的碳排放一体化测算，以实现建筑的智能可持续设计[10]。国内，赵平等通过对我国建筑材料制品生产过程中的资源消耗、能源消耗、CO2排放情况做了相关调查、计算和分析，并运用全生命周期理论进行了建筑材料制品对建筑环境负荷影响的相关基础研究[11];帅小根等通过采用生命周期评价体系分析了几种不同标号的掺与不掺粉煤灰混凝土的物化能耗、原料消耗，并依据当量法建立资源耗竭指数定量评价模型，求得资源耗竭指数[12];贺成龙等用生态足迹的成分分析方法首次计算了中国水泥生产的生态足迹，推导出水泥制造业CO2的碳排放量(排放强度)经验公式并提出减少水泥生产碳排放的有效途径[13]。

综上所述，对于国内外的现有研究成果，由于各自设定的计算边界不同，导致建筑材料制品碳排放测算结果相差甚大。同时，本文通过对已有研究成果的分析总结，得出运用全生命周期理论来计算建筑材料制品单位碳排放量正逐步受到业内人士的广泛认可。因此，本文基于全生命周期理论，提出了建筑材料制品全生命周期的碳排放测算方法，而如何科学、完整的界定建筑材料制品碳排放测算范围，构建数据可获、科学完整的建筑材料制品碳排放测算模型，是本文的研究重点。

2 建筑材料制品碳排放测算碳源分析

2.1 建筑材料制品全生命周期

建筑生命周期的碳排放量是指把建筑产品的全生命周期看成一个系统的条件下，该系统由于建筑生命延续的需要而消耗能源、资源向外界环境排放的总碳量[14]。由此可将建筑生命周期分为原材料获取阶段、建筑材料加工制造阶段、建筑材料运输阶段、建筑施工阶段、建筑运营使用阶段、建筑报废拆除处置阶段[14-15]。而对于建筑材料制品的全生命周期，本文认为建筑材料制品是建筑物形成的实体组成部分，它伴随着建筑的全生命周期，因此建筑材料制品全生命周期各阶段可以根据建筑全生命周期来划分，即分为原材料获取阶段、建筑材料加工制造阶段、建筑材料制品运输阶段、建筑材料制品使用阶段、建筑材料制品拆除及回收阶段。

2.2 建筑材料制品全生命周期碳排放分析

建筑材料制品全生命周期的碳排放是指把建筑材料制品的全生命周期看成一个有机体，该有机体由于消耗能源、资源及在加工制造中发生化学反应而产生的总碳排放量。

需要指出的是，对于建筑材料制品碳排放的来源具体可分为能源消耗产生的碳排放和材料化学反应产生的碳排放，其中建筑材料制品的能源消耗产生的碳排放贯穿除了建筑材料制品使用阶段外的全生命周期，即本文将建筑材料制品使用阶段为保证建筑使用、运营的能耗所产生的碳排放不纳入到具体建筑材料制品碳排放计算中;同时，对于材料可能发生化学反应所产生的碳排放，本文仅考虑建筑材料制品加工制造阶段的化学反应，而对于建筑材料制品在原材料获取、建筑材料制品运输等阶段是否会发生化学反应而产生碳排放不予考虑。并且拆除、回收阶段由于数据获取困难且相对前几个阶段碳排放量很小，故本文不计算拆除、回收阶段的碳排放量。综上所述，建筑材料制品全生命周期及其碳排放来源如图1所示。

3 建筑材料制品碳排放测算方法与步骤

本文以蒸压粉煤灰标砖碳排放测算为例具体说明建筑材料制品碳排放测算的方法与步骤。据有关资料显示，到2020年，我国粉煤灰的年总排放量将是现在的三倍，加上目前我国已有的20亿吨粉煤灰累积量，总的堆存量将达到30亿多吨，如不加以处理将会对环境造成严重的不良影响[16]。同时，利用粉煤灰制造蒸压粉煤灰标砖还能减少实心粘土砖的使用以节约耕地，保护农田。但是目前国内对于蒸压粉煤灰标砖的研究主要集中在改进蒸压粉煤灰标砖的制造工艺、配合比等领域，而对于蒸压粉煤灰标砖的碳排放测算方面研究较少。因此，本文以蒸压粉煤灰标砖碳排放为例进行计算分析，得出其碳排放量及相应的减排措施。

图1 建筑材料制品全生命周期及其碳源分析

根据上述对于建筑材料制品碳排放来源分析及其碳排放测算边界的设定，蒸压粉煤灰标砖的单位碳排放量可按式(1)计算:

式中:ECO2——蒸压粉煤灰标砖的单位碳排放量，t/t;

Erm——蒸压粉煤灰标砖原材料获取阶段碳排放量，t/t;

Ep——蒸压粉煤灰标砖生产阶段碳排放量，t/t;

Et——蒸压粉煤灰标砖运输阶段碳排放量，t/t;

Eu——蒸压粉煤灰标砖使用阶段碳排放量，t/t

Ee——蒸压粉煤灰标砖拆除处置阶段碳排放量，t/t。

3.1 单位蒸压粉煤灰标砖各阶段碳排放计算方法

1.原材料获取阶段碳排放计算(Erm)

单位蒸压粉煤灰标砖原材料获取阶段碳排放来源有两部分，一是原材料开采获取的碳排放，二是原材料运输到加工现场的运输碳排放，可按式(2)计算:

式中:Erm，i——单位原材料获取阶段碳排放量，t/t;

Em，i——单位原材料开采获取的碳排放，t/t;

Et，i——单位原材料运输的碳排放，t/t。

式(2)中，Em，i可按(3)式计算:

式中:Ei，x——单位原材料使用品种能源的碳排放因子，(kg/kg)(见表1);

Q——单位i原材料的能源消耗量，kg。

式(2)，Et，i可按(4)式计算:

式中:CEi，x——单位i原材料使用x品种能源的单位能耗，MJ·km－1(见表1);

D1——单位i原材料的运输距离，km;

ηx——单位原材料燃料的有效二氧化碳排放因子，kg.TJ－1(见表2)。

表1 不同运输方式的单位能耗[6，17]

表2 部分燃料的有效二氧化碳排放因子[6]

2.单位蒸压粉煤灰标砖生产产生的碳排放计算(Ep)

通过对国内现有蒸压粉煤灰标砖生产方式的查找和分析，总结出国内普遍的蒸压粉煤灰标砖生产流程[18-19]，如图2 所示。

蒸压粉煤灰标砖生产阶段的碳排放来自粉碎机、搅拌机、轮辗机、蒸压釜的电耗，而其主要原料粉煤灰是火力发电厂的煤燃烧后留下的废弃物，即粉煤灰本身不产生碳排放，同时粉煤灰是煤燃烧的环境流出物，不计其碳排放，故此阶段碳排放可按式(5)计算:

图2 蒸压粉煤灰标砖生产流程

ηe——电能的二氧化碳排放因子，kg/kWh(取值 0.8592kg/kWh[20]);

M——蒸压粉煤灰标砖的相应产量，t。

3.单位蒸压粉煤灰标砖运输油耗产生的碳排放计算(Et)

的计算同理公式(4)可得，即:

其中，CEx——单位该种建筑材料使用x品种能源的单位能耗，MJ.km－1(见表1)#;

D2——单位该种建筑材料的运输距离，km。

4.单位蒸压粉煤灰标砖使用阶段和拆除处置阶段的碳排放计算(Eu、Ee)

在使用阶段，通过对国内外现有研究成果的分析总结，可以得出蒸压粉煤灰标砖在使用阶段的碳排放可忽略不计，需要指出的是在使用阶段，为了保证建筑的使用而消耗的能源不计入建筑材料的碳排放中，因为这部分碳排放并不是为了保证建筑材料的某种需求而产生的。并且拆除处置阶段由于数据获取困难且相对前几个阶段碳排放量很小，故本文不计算拆除处置阶段的碳排放量，即蒸压粉煤灰标砖使用阶段碳排放计算式如下:

综上所述，蒸压粉煤灰标砖的单位碳排放量(t/t)计算公式可表示为:

3.2 蒸压粉煤灰标砖的计算与分析

由于各地蒸压粉煤灰标砖的原材料产地不同，其成分和运输距离等也会有所差异。因此，本文以位于鄂州建材产业园某6亿块/年蒸压粉煤灰标砖生产项目为例说明建筑材料制品碳排放测算的原理和方法。通过对鄂州建材产业园某6亿块/年蒸压粉煤灰标砖生产项目的不完全统计[21]，以及运用现阶段已知权威发布的各类原材料和能源碳排放因子的情况下，计算单位蒸压粉煤灰标砖的碳排放量并分析各原材料及各阶段对蒸压粉煤灰标砖单位碳排放的影响值，以提出降低其碳排放的途径方法。在对鄂州该项目及有关蒸压粉煤灰标砖文献的总结分析后确定本文蒸压粉煤灰标砖各原材料的配合比，即粉煤灰∶细骨料∶石灰∶石膏=63∶25∶10∶2[18-19]。原材料来源调研数据及蒸压粉煤灰标砖的产量及销售范围如表3所示。

表3 原材料来源及蒸压粉煤灰标砖调研数据[21]

续表

根据上述调研结果，带入式(1)～(7)，单位蒸压粉煤灰标砖碳排放量计算结果见表4。

表4 单位蒸压粉煤灰标砖碳排放量计算结果

由以上计算可知，影响蒸压粉煤灰标砖碳排放的主要因素是原材料中的石灰生产获取的碳排放(占47.9%)和蒸压粉煤灰标砖生产阶段蒸压碳排放(占29.1%)。因此，要降低蒸压粉煤灰标砖碳排放的有效途径一是改进石灰生产工艺，减少石灰碳排放;二是要继续改进蒸压釜，以电力驱动的蒸压釜代替燃煤蒸压釜，提高蒸压釜的封闭性和保温性，最大程度减少能量损耗。

4 总结

如今，我国十分重视温室气体减排，并向全世界庄严许下我国的减排目标。而要实现这一减排目标，建筑行业减排势在必行。因此，本文通过分析已有研究成果，提出基于全生命周期理论，将建筑材料制品碳排放测算分为五个阶段，详细分析每个阶段碳排放来源及制定了相应阶段的碳排放计算公式，并将研究成果应用于蒸压粉煤灰标砖单位碳排放测算中，得出了蒸压粉煤灰标砖的单位碳排放量，促进了蒸压粉煤灰标砖碳排放研究。结果表明本文的研究成果较为全面、科学的分析测算了建筑材料制品碳排放量，并为减少建筑材料制品碳排放的努力方向提供了依据。希望通过本文的介绍，能够对建筑材料制品碳排放系数的测定提供参考，推动建筑行业减排事业的发展。

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