基于LCA法的木结构建筑使用阶段碳排放探讨∗

2021-03-11徐伟涛

林产工业 2021年2期

徐伟涛

（国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京 100010）

全球年温室气体排放量中约30%来自建筑业，因此建筑形式对气候变化起着至关重要的作用[1-2]。木材是一种可以固碳的绿色材料，生长每立方米木材可减少约1 t二氧化碳的排放[3-4]。木质建材在其生命周期中的碳排放量远低于现代建材，用其建造的木结构建筑在节能、抗震、环保、耐久等方面的性能均优于钢筋混凝土建筑[5-8]。在木结构建筑生命周期中，建筑使用维护阶段是持续时间最长、对碳排放影响最大的阶段。本文采用生命周期分析法，研究木结构建筑在使用过程中影响其碳排放的主要因素和量化方法，在此基础上针对性地提出了减少木结构建筑碳排放的具体措施。

1 木结构建筑生命周期

产品生命周期一般理解为一件产品从产生到消亡的过程，这个过程构成了一个完整的产品生命循环。生命周期分析（Life cycle analysis, LCA）是一项用于量化产品从原材料开采、运输、生产、使用到废弃处理或回收利用的过程中各个环节对环境影响的方法[9-11]。

在LCA视角下，建筑的生命周期包括以下几个阶段[12-15]：1）资源开采阶段：原材料资源的开采和运输； 2）建材生产阶段：建材的生产、加工、运输等；3）建筑建造阶段：建材的安装固定、建筑的构建等；4）建筑使用维护阶段：建筑在使用过程中采暖、通风、供水、空调、照明等的能耗，是整个建筑生命周期中最长的阶段；5）建筑拆除回收阶段：包括建筑结构的拆卸和材料处理、废弃物的回收和再利用等。木结构建筑的生命周期包含同样的五个阶段，北美采用LCA法系统地评价了现代木结构建筑对环境的影响，包括对原材料开采、设备生产和构件加工制造、建筑工程施工安装、运行维护和拆除回收等各个环节进行跟踪和分析评估，建立起木结构材料环境性能的数据库[16]。LCA经过不断的发展和完善，目前已成为评估木结构建筑环境性能的主要方法之一[17-20]。

2 木结构建筑碳排放

2.1 建筑碳排放概述

LCA中一项重要的环境评价指标是碳排放量。GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》中定义建筑碳排放是指建筑物在与其有关的建材生产及运输、建造及拆除、运行阶段产生的温室气体排放的总和。据《中国建筑能耗研究报告（2019）》统计，2017 年，我国建筑碳排放总量为22.4 亿t二氧化碳，占全国的19.5%。

2.2 使用阶段碳排放研究概论

建筑使用和维护阶段指从建筑建成至建筑拆除的这一段时间[21]。建筑使用维护阶段是木结构建筑生命周期中时间最长的阶段，也是影响碳排放的最重要环节。中国建筑科学研究院对木结构建筑在生命周期不同阶段的碳排放进行了比较研究[22]，结果显示：如果将建筑整个生命周期碳排放以100%来计，建筑在使用和维护过程中的碳排放占整个生命周期碳排放的82.8%～95.4%。其他阶段碳排放分别为：建材开采和生产碳排放占0.8%～12.1%，建材运输碳排放占0.1%～0.3%，建筑建造和拆除碳排放占1.9%～2.4%。

2.3 使用阶段碳排放量化指标

木结构建筑使用过程中，采用LCA法量化计算碳排放主要考虑两个方面：

一是建筑使用时消耗的终端能源类型以及能源结构形式。建筑在使用过程中消耗的能源结构形式以终端能源计算，包括固体化石燃料、各种废弃物及各类生物燃料等，这些不同类型的能源消耗汇总为总能耗；再根据不同能源的碳排放因子（参照GB/T 51366—2019中附录A选取）计算出建筑物总的碳排放量。具体计算过程考虑以下几个因素[22]：1）暖通空调系统能耗包括冷热源能耗、输配系统及末端空气处理设备能耗；2）生活热水年耗热量根据建筑的实际使用情况计算，考虑用水人数、用水温度和使用习惯等参数；3）照明系统能耗计算采用的照明功率密度应同设计文件一致，并考虑自然采光、控制方式和使用习惯等因素；4）电梯系统能耗考虑电梯速度、额定载重量、特定能量消耗等参数；5）可再生能源系统包括太阳能热水系统、光伏系统、地源热泵系统和风力发电系统。

二是建筑设计使用寿命，即耗能持续时间。 GB 50352—2019《民用建筑设计统一标准》将普通建筑设计使用寿命定为50 年。基于以上两个方面，建筑使用阶段单位建筑面积的总碳排放量（CM）按下列公式计算：

式中：CM为建筑运行阶段碳排放量，kgCO2/m2；Ei为建筑第i类能源年消耗量，kg/a；EFi为第i类能源的碳排放因子；Ei,j为j类系统的第i类能源消耗量，kg/a；ERi,j为j类系统消耗由可再生能源系统提供的第i类能源量，kg/a；i为建筑消耗终端能源类型，包括电力、燃气、石油、市政热力等；j为建筑用能系统类型，包括供暖空调、照明、生活热水系统等；Cp为建筑绿地碳汇系统年减碳量，kgCO2/a；y为建筑设计使用寿命，a；A为建筑面积，m2。

3 减少木结构建筑碳排放措施

国内目前城镇化建设、城乡改造都需要大量建造住宅建筑，其中多数建筑在使用期间将消耗大量能源，造成更多温室气体排放[23]。建筑的生命周期一般长达几十年，如何通过节能减排措施减少碳排放，是一个备受关注的环境问题。对此，可着重于以下几个方面进行研究与应用实践。

3.1 采用新型建材或先进建造技术

近年来研发应用的低能耗建筑、节能建筑、绿色建筑等多是针对建筑的使用阶段研究设计的，通过新型建材或先进建造技术降低建筑使用阶段的能耗，从而降低建筑的碳排放量[24]。例如优化建筑外形设计，控制建筑体型系数，使建筑尽量设计规整，减少外围面积的散热；加强新型建筑材料和技术的研发和应用，在建筑与外界接触部分尽量采用高效保温复合材料及新型墙体保温材料，提高门窗、外墙、屋顶和地面的保温能力，减少热损失。

3.2 着力延长木结构建筑使用寿命

由于大量的碳储存在木结构建筑的木制构件中，因此延长木质建材的使用寿命可确保碳储存时间尽可能延长，从而减少碳排放[25]。因此需要做到科学的产品设计，施工期间做好防潮、防腐、防火以及使用过程中良好的维护保养。例如，经过防腐处理的木材平均使用寿命可延长3～5 倍；经过阻燃处理的木材可以显著提高木结构构件的耐火性能；经过科学设计的木质建材可以大幅度提高物理力学性能，增强建筑结构的耐久性。

3.3 采用多项节电节能措施

大量采用节能家电和照明器具，发展和完善以集中供热为主、多种供热方式相结合的城镇供热采暖系统。依据上文中建筑使用阶段单位建筑面积的总碳排放量计算公式，对于同一个建筑，即使能耗不变，通过更改能源结构形式，碳排放量也会发生很大变化，因此应充分利用风能、太阳能、地热能、生物质能等自然资源，降低能源的碳排放因子，可以使计算得到的总碳排放量数值减少。