竹木结构建筑物化阶段碳排放量和碳汇评估*

2022-10-08李宏敏许鑫凯王雨桐朱一辛

林产工业 2022年9期

李宏敏许鑫凯王雨桐朱一辛

（南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210037）

气候变化是人类面临的全球性挑战，我国一直致力于绿色低碳可持续发展。建筑业作为我国重要的基础产业，其对自然资源的消耗及对环境的污染与绿色发展理念相矛盾。继“双碳”目标提出后，《2030年前碳达峰行动方案》明确提出加快推动建材行业碳达峰，加强木竹等低碳建材产品研发应用。

竹木结构建筑的能耗和碳排放量受到学者们的广泛关注。黄冬梅[1]利用生命周期评价方法对竹、木和砖混三种民宅结构进行了评估，发现木结构在资源、能源消耗和环境排放方面表现最优，竹结构对碳平衡具有积极作用。YU等[2]研究表明与砖混建筑相比，竹结构在满足相同功能要求时，其能耗和碳排放量更少。既有研究表明：竹木结构建筑在节能减排方面具有显著优势。目前关于木结构、钢结构和钢筋混凝土结构的碳排放对比计算研究较多[3-5]，但较少关注竹结构和竹木结构在碳排放量方面的差异。此外，关于连接件的碳排放量计算方法，及其在不同类型建筑中的贡献度等问题尚未阐明，导致难以准确评估竹木结构的碳排放量。

针对以上问题，本文对比分析了多种建材的碳排放量，基于建筑物施工生命周期内总能量消耗，采用模型分析法对比分析了轻型木结构和竹木结构建筑物化阶段的碳排放量和碳汇，提出了考虑连接件碳排放量的计算方法，评估了连接件碳排放量在物化阶段碳排放量中的贡献度，可为竹木结构建筑碳排放量和碳汇计算提供依据。

1 建筑业碳排放

碳达峰过程包括碳排放平台期及平稳下降期[6]，是实现碳中和的前提条件。竹材和木材属于可再生材料，竹木结构建筑具有低碳、固碳、节约能源的作用，能够助力实现碳达峰。实现双碳目标需要控制碳排放量。碳排放是指人类生产经营活动过程中向外界排放温室气体的过程。反之，从空气中清除二氧化碳的过程则称为碳汇[7]。1990—2019年中国碳排放主要来源中建筑业碳排放量稳定在前四名[6]，其碳排放占世界总排放量的25%左右[8]。故，建筑业亟需增加碳汇量，减少碳排放，推广绿色建筑是实现建筑业低碳的有效途径。相较于钢材和混凝土等传统建材，木材和竹材作为环境友好型绿色材料，具有能耗低、碳排放量少、力学性能优良[9-10]等特点，正在被广泛推广应用。

2 建筑材料碳排放量计算方法

在建筑生命周期内，年均碳排放量最大的阶段为物化阶段[8]。竹木结构建筑在物化过程中同样存在碳排放，主要包括砍伐运输、制造加工、其它非竹木制材料生产及施工等过程的碳排放。其中，生产过程产生的碳排放量占比最大。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）采用碳排放清单计算法，通过计算能源消耗来计算碳排放量[11]，这也是国际主流方法。常用的碳排放量计算方法[12]为排放因子法、质量平衡法、实测法、模型分析法和投入产出法。其中，排放因子法便于计算，运用较多，但适用于自然排放源较简单的情况。

本文采用模型分析法对轻型木结构和竹结构的碳排放量进行估算，考虑了直接碳排放（包括运输、施工和拆除阶段）和间接碳排放（包括建材生产和金属连接件），结合建筑物施工生命周期内总能量消耗[13]进行计算。

建筑物施工生命周期即物化阶段总能量消耗包括制造、运输和施工过程的能耗，根据式（1）进行计算：

式中：Ec为建筑物施工初始能耗，MJ；Ee为建材制造能耗，MJ；Et为建材运输能耗，MJ；Ep为建筑施工能耗，MJ。Ee可由式（2）进行计算。

式中：m为建材质量，t；ρ为建材密度，kg/m3；Q为生产每单位建材能耗，MJ/m3。质量和密度取值依据规范[14]确定。

假定所有建筑材料使用5 t卡车运输[15]，运输能耗强度取值为0.8 MJ/t，每平米建筑面积施工能耗取500 MJ[16]，则Et和Ep计算公式分别见式（3）和（4）：

式中：S为建筑总面积，m2。式（1）～（4）计算结果均为能耗量，需要将能耗转化为碳排放量。燃烧1 kg标准煤产生29.271 MJ的内能，节约1 kg标准煤相当于减排2.493 kg CO2，即减排0.68 kgC[17]。因此每1 MJ的能耗相当于0.091 kg的碳排放量，固碳量按式（5）计算。

式中：Gc为固碳量，kg；C%为竹材或木材的含碳量，%；含碳质量用Cm表示。

3 物化阶段碳排放量和固碳量计算

建筑物物化阶段碳排放量计算选取轻型木结构与竹结构两种不同的结构形式，探究碳排放总量和金属连接件碳排放量在不同结构形式中的贡献度差异。

3.1 轻型木结构物化阶段碳排放估算

以都江堰市向峨小学某三层宿舍楼为研究对象[18]，该楼为典型的轻型木结构形式。长26.4 m，宽15.8 m，层高3.6 m，建筑总面积为1 210 m2，主要结构用材为SPF和定向刨花板（OSB）（表2），所用连接件为齿板、加强带、钢钉和锚固件（表3），细部构造见文献[18-19]。根据结构用木材含碳量估算固碳量[20]，其主要材料生产能耗见表1[16]。

表1 木结构建筑主要材料生产能耗Tab.1 Production energy consumption of main materials for wood structure buildings

表2 宿舍楼所用木材能耗和碳储量Tab.2 Energy consumption and carbon storage of wood used in dormitory building

表3 宿舍楼金属连接件能耗Tab.3 Energy consumption of metal connectors in dormitory building

连接件中，齿板型号按M-20[21]计算，尺寸为38 mm×76 mm×0.95 mm；钢钉按φ3.7×90 mm计算[22]；钉间距采用75、100、150 mm三种；其他连接件类型包括加强带和锚固件等[19]。所有连接件质量根据体积和密度计算，钢材密度取7.85 g/cm3。

综合表2和表3得出，该宿舍楼结构部分Ec约为1.686 × 106MJ，相当于燃烧5.760 × 104kg标准煤，碳排放量约为1.436 × 105kg，单位建筑面积碳排放量为1.187 × 102kg/m2。由表2可知，该宿舍楼结构部分木制品总含碳量为3.244×104kg，可以固定1.189×105kg二氧化碳，单位建筑面积固碳量为9.828×10 kg/m2。宿舍楼单位建筑面积固碳量为碳排放量的82.80%，说明轻型木结构建筑的固碳量可以抵消大部分碳排放量，是低碳建筑。

由表3可得，连接件总碳排放量约为1.976×104kg，占整个建筑物化阶段的13.76%。若不考虑连接件，碳排放量约为1.238×105kg，固碳量为碳排放量的96.04%。轻型木结构宿舍楼几乎不产生碳排放量，因此轻型木结构中连接件的碳排放量计算不可或缺。

3.2 竹结构物化阶段碳排放估算

以南京林业大学某二层竹结构别墅[1]为研究对象，其主要结构用材重组竹（BS）、竹胶板（PB）和竹层积材（BLB）见表4，所用连接件为M20 锚栓、梁柱连接件和对拉螺栓（表5）。根据标准[23]对竹材制品碳含量的规定，对竹楼结构部分的碳排放和碳储量进行估算。

表4 竹楼所用竹制品能耗Tab.4 Energy consumption of bamboo products used in bamboo building

表5 竹楼金属连接件能耗Tab.5 Energy consumption of metal connectors of bamboo building

由表4和表5可见，竹楼结构部分Ec约为3.540×105MJ，相当于燃烧1.209×104kg标准煤，碳排放量约为3.015×104kg，单位建筑面积碳排放量为1.600×102kg/m2。由表4可知，竹楼结构部分竹制品总含碳量为1.004×104kg，可固定3.680×104kg二氧化碳，单位建筑面积固碳量为2.039×102kg/m2。竹楼单位建筑面积固碳量为碳排放量的1.27倍，竹结构在进行碳排放的同时可以固定更多的碳，说明竹结构建筑是负碳建筑。

由表5 可得，连接件总碳排放量占建筑物化阶段的35.32%。若不考虑连接件，碳排放量约为1.950×104kg，固碳量为碳排放量的1.89 倍，接近于考虑金属连接件碳排放量的2 倍。因此，竹结构中连接件的碳排放量计算不可或缺。

3.3 结果分析

竹木结构建筑碳排放显著低于钢筋混凝土结构和钢结构[4]，轻型木结构单位建筑面积碳排放量仅为钢筋混凝土结构和钢结构的35.09%和42.73%，竹结构相应占比分别为47.30%和57.60%（图1）。这是由于混凝土和钢材的碳排放系数分别为1 220 kg CO2/t和6 470 kg CO2/t，远高于木材和竹材[3]。

图1 不同结构建筑单位面积碳排放量Fig.1 Carbon emissions per unit area of buildings with different structures

竹结构单位建筑面积碳排放量高于轻型木结构，但竹结构固碳量是轻型木结构的2.07 倍。其它建材多为不可再生的材料如钢筋和水泥，不具有固碳作用。因此，建筑业可通过使用竹木材料替代高碳排放量的矿物基结构材料，增加碳汇[24]。

不同类型的木结构物化阶段碳排放量也存在较大差异[9]（图2）。井干式木结构单位建筑面积碳排放量最少，是轻型木结构的55.16%；现代木框架结构最多，是轻型木结构的1.14倍；这主要是由于构造做法不同。图2中轻型木结构碳排放量比3.1章节中高的原因在于计算时加入了钢筋混凝土基础。对比图1和图2可知，相较于钢筋混凝土结构和钢结构，木结构的碳排放量较低，未来可以推广。在整个生命周期评价中，大多数工程木产品具有相似的碳排放特性[3,25]，符合建筑低碳的发展要求。