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碳中和目标下轻型木结构建筑碳排放计算及降碳策略研究*

2022-10-30蒋柯夫

林产工业 2022年10期
关键词:木结构能源消耗木材

蒋柯夫 杨 瑛

(1.中南林业科技大学,湖南 长沙 410001;2.湖南省自然保护地风景资源大数据工程技术研究中心,湖南 长沙 410001;3.中国建筑第五工程局有限公司,湖南 长沙 410001)

因温室气体加剧排放导致的全球气候变暖问题日益受到重视。根据《巴黎协定》温控目标,全球将在2065—2070年实现碳中和[1]。我国提出将提升国家自主贡献力,承诺2060年实现碳中和[2]。建筑业在我国经济中占据重要地位,其碳排放量占全国总碳排量的20%以上,且呈逐年递增的趋势[3]。

木材是森林碳汇的延续,碳以材料的形式固定在森林中。与其他常用建筑材料相比,木材是唯一可以循环使用的可再生绿色材料[4]。轻型木结构建筑拥有建设整体能耗低、建设周期短、设计灵活、材料环保节能、抗震性能优异等突出优点[5],可根据各地的人文景观特色展现不同的建筑风格,在许多国家和地区获得了广泛的应用,也得到了我国国家建设部住宅产业发展中心等相关部门的大力推广与支持[6],发展潜力巨大。在我国当前碳中和目标要求背景之下,对轻型木结构建筑全生命周期的碳排放进行计算量化,并在降碳策略方面进行研究,能有效提升轻型木结构建筑的节能减排优势,有利于控制并减少建筑业碳排放总量。目前,建筑碳排放计算已有一定研究基础[7-11],但轻型木结构建筑相关的碳排放计算研究很少[12]。虽然国家在整体建筑碳排放计算相关标准方面有了更新[13],但还尚未形成适合轻型木结构建筑的碳排放计算标准。

本研究基于全生命周期评价理论(Life Cycle Assessment,即LCA),依照GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》[13],界定轻型木结构建筑生命周期各个阶段,优化建立适合轻型木结构建筑特点的全生命周期碳排放计算方法,并在此基础上针对各阶段提出降碳策略。

1 全生命周期界定

全生命周期评价起源于1969年美国中西部资源研究所(MRI),是评价一种产品或工艺,从产品原材料采集到产品生产、运输、销售、使用再到最终处置与整个生命周期各阶段相关的环境负荷的过程[14]。作为一种环境影响评估方法,全生命周期评价早已在其他领域的产品及服务评估中得到了广泛应用,近年来也被逐渐用于建筑领域[15]。全生命周期评价包括四个部分,即确定研究目标与研究范围、清单分析、影响评价和改善评价。确定研究目标与研究范围是全生命周期评价研究中的第一步,也是最重要的部分,因此轻型木结构建筑全生命周期的范围界定尤为重要。

从建筑的碳排放计算考虑,建筑全生命周期是指从建筑材料生产与运输、建设与施工、运行与使用最后到建筑拆除与处理的全过程,且在计算的建筑物范围内,植物吸收并存储的二氧化碳量视为建筑碳汇[13]。木材固碳的计算量化是轻型木结构建筑碳排放计算研究中不可忽视的部分。本研究根据轻型木结构建筑绿色生态特点,将全生命周期划分为木材固碳阶段、建筑材料生产与运输阶段、建筑建设施工阶段、建筑运行使用阶段、建筑拆除与处理五个阶段(图1)。

图1 轻型木结构建筑全生命周期界定Fig. 1 Definition of the whole life cycle of light timber structure building

2 碳排放计算

依照GB/T 51366—2019[13]的规定,轻型木结构建筑全生命周期碳排放计算应根据划分的五个阶段进行分段计算,并将分段计算结果进行累计。

2.1 碳吸收阶段计算

轻型木结构建筑结构体系由木框架剪力墙、木楼盖和木屋盖构成[16],主要建筑材料为木材。木材的碳储量决定了该阶段轻型木结构建筑的碳吸收量。

轻型木结构建筑木材碳储量计算公式[17]:

式中:CXS为轻型木结构建筑木材碳储量,kgCO2;ρ为木材基本密度,kg/m3;Mt为轻型木结构建筑木材总量,m3;Cr为木材含碳率,%。

由式(1)可以看出,木材碳储量与木材基本密度和含碳率呈正相关。木材基本密度是将材积转化为生物量的重要因子,与木材的树种有关[18]。在相关木材含碳量研究中,常用0.5 作为木材含碳率的通用值,但不同树种以及同树种不同器官的碳含率存在差异。褚芷萱等[19]统计分析了365 种树木,发现不同树种固碳能力差异明显。宋良友等[20]研究发现,幼龄林各器官含碳量大小依次为干>根>叶>枝>皮,中林龄和成熟林各器官含碳量大小依次为干>根>皮>叶>枝,近熟林各器官含碳量大小依次为干>根>枝>皮>叶。

木材是树木采伐后经过初步加工的树干或者大枝,是植物碳吸收的主要器官,也是轻型木结构建筑主要用材。为使碳吸收阶段计算更为准确,应根据不同树种树干器官的基本密度及含碳率来取值。

秦飞等[21]收集了100 多个乔、灌木的含碳率数据。曾伟生[22]利用各树种木材的基本密度数据,建立了我国34 个树种(组)的木材密度数据库。综合上述研究成果,整理出建筑常用木材树种树干器官的基本密度和含碳率(见表1)。

由表1研究统计结果可以看出,虽然测算方法及试验环境不同,但从整体数据趋势可以看出,针叶树树干含碳率普遍高于阔叶树。同时针叶树基本密度相对较低,质软加工较易,生长迅速,符合轻型木结构建筑选材特点[23]。

表1 常用树种基本密度和含碳率Tab.1 Basic density and carbon content of common tree species

2.2 碳排放阶段计算

轻型木结构建筑碳排放阶段计算应根据自身建筑特点将建筑材料生产与运输阶段、建筑建设施工阶段、建筑运行使用阶段、建筑拆除与处理四个阶段碳排放量进行分段计算,四个阶段计算结果的累计即为轻型木结构建筑碳排放阶段的总量[13]。

2.2.1 建筑材料生产与运输阶段碳排放量

轻型木结构建筑材料生产与运输阶段的碳排放量应为建筑木材生产加工阶段碳排放与建筑木材运输阶段碳排放的合计。计算公式[13]:

式中:CJC为轻型木结构建筑建材生产与运输阶段碳排放量,kgCO2;CSC为轻型木结构建筑建材生产阶段碳排放量,kgCO2;CYS为轻型木结构建筑建材运输阶段碳排放量,kgCO2。

参照标准[13]要求,纳入排碳计算的建筑材料的总重量不应低于建筑中建筑耗材总重量的95%[13]。轻型木结构建筑的工程木材主要为定向刨花板和锯材[16]。根据木材的固碳特征,生产阶段的碳排放计算应包括在加工过程中间废弃木材的固碳量损失,以及木材加工过程中因能源消耗而产生的碳排放,如电力消耗、热力消耗、水消耗等[24]。根据木材的绿色再生特点,依照标准,产生的可再生建筑废料,按其可替代的初生原料的碳排放的50%计算,并应从建筑碳排放中扣除[13]。

轻型木结构建筑建材生产阶段碳排放量计算公式为:

式中:CSC为轻型木结构建筑建材生产阶段碳排放量,kgCO2;Esc,i为轻型木结构建筑建材生产阶段第i类能源消耗量,kWh;EFi为第i类能源消耗对应的碳排放因子,按标准取值(表2);Csh为废弃木材损耗的固碳量损失,kgCO2。

由于能耗种类较多,其计量单位不易统一,在木材生产过程中多种能源损耗计算可按照木材生产加工的技术步骤[25]计算统计各能耗总量,再参考GB/T 51366—2019 中主要碳排放因子取值进行换算(见表2)。废弃木材的固碳量损失可按照轻型木结构建筑碳吸收阶段木材碳储量公式(1)来进行计算:

表2 能源碳排放因子Tab.2 Energy carbon emission factor

式中:CYS为轻型木结构建筑建材运输阶段碳排放量,kgCO2;M为木材的消耗量,t;D为木材运输的距离,km;T为参照木材运输的方式,单位重量运输相应碳排放因子,按标准取值(见表3)。

由公式(4)可以看出,轻型木结构建筑建材运输阶段碳排放量与建材的运输距离呈正相关[26],木材的消耗量直接影响建材的运输方式,通过GB/T 51366—2019中不同运输方式对应碳排放因子进行碳排放计算(见表3)。

表3 交通碳排放因子Tab.3 Transportation carbon emission factor

2.2.2 建筑建设施工阶段碳排放量

轻型木结构建筑建设施工阶段的碳排放量应根据轻型木结构建筑建设施工工序,计算分步实施过程产生的碳排放总和。计算公式:

式中:CJZ为轻型木结构建筑建筑建设施工阶段碳排放量,kgCO2;Ejz,i为各步骤第i步施工能源消耗总量,kWh;EFi为第i类能源消耗对应的碳排放因子,按标准取值(见表2)。

轻型木结构建筑施工基本流程为楼盖施工-墙体施工-屋盖施工-门窗与装修-防火与木结构防护[27]。施工各阶段的碳排放计算主要为施工过程中的能源、动力消耗总和[28]。计算方法参考公式(3)中轻型木结构建筑建材生产阶段碳能源消耗的碳排放计算。

轻型木结构建筑建设阶段碳排放量也可采用在实际建设施工中得到的数据清单进行计算,通过详细记录机械台班的使用,包括各机械自身功率、使用数量、使用时长等,通过统计消耗动力换算碳排放量。

2.2.3 建筑运行使用阶段碳排放量

轻型木结构建筑运行阶段碳排放量应计算建筑运行期间内消耗其他能源产生的碳排放和利用可再生能源所降低的碳排放的合计[13]。轻型木结构建筑运行阶段的碳排放量是整个建筑全生命周期的主要碳排放源[29],计算公式[13]:

式中:CYX为轻型木结构建筑建设施工阶段碳排放量,kgCO2;Ei为轻型木结构建筑使用期间第i类能源消耗总量,kWh;EFi为第i类能源消耗对应的碳排放因子,按标准取值(见表2);

式中:Ei,j为轻型木结构建筑j类系统中第i类能源消耗总量,kWh;ERi,j为j类系统消耗由可再生能源系统降低的第i类能源消耗量,kWh;i为轻型木结构建筑建筑消耗终端能源类型,包括电力、燃气等。

轻型木结构建筑运行使用阶段能源消耗包括照明用电、暖通空调、燃气加热等。该阶段的碳排放量需要分户或分区域进行能源消耗的测算统计[30],再根据碳排放因子进行碳排放量的换算。

在轻型木结构建筑运行使用中,可再生能源主要集中在太阳能、地热能和风能上。在可再生能源利用情景下,可通过地源热泵、太阳能光伏发电降低暖通空调冷热源系统及建筑用电的能源损耗[31]。是轻型木结构建筑运行使用阶段重要的减碳措施。

2.2.4 建筑拆除与处理阶段碳排放量

轻型木结构建筑拆除与处理阶段碳排放量为拆除阶段碳排放量与材料处理阶段碳排放量的总和。建筑拆除阶段计算公式为:

式中:CCC为轻型木结构建筑拆除阶段碳排放总量,kgCO2;Ecc,i为轻型木结构建筑拆除第i步拆除能源消耗量,kWh;EFi为第i类能源消耗对应的碳排放因子,按标准取值(见表2)。

轻型木结构建筑拆除阶段的碳排放计算与建设施工阶段的碳排放计算类似,计算分步实施拆除过程产生的碳排放总和,详细计算方法参照公式(3)中建材生产阶段碳能源消耗的碳排放计算。

在拆除木材处理方面,LY/T 3032—2018《废弃木质材料储存保管规范》[32]等相关规范为废弃木材分类的方式及处理方法提供了参考依据。木材的循环利用可以提高木材的使用周期和利用率,对降低环境总能耗、减少碳排放总量有着积极作用[33],但减少的碳排放应计算在下一个木制品的生命周期中去,因此轻型木结构建筑废弃木材处理的碳排放不纳入其全生命周期的计算中。

2.3 全生命周期碳排放计算

综合上述研究,轻型木结构建筑全生命周期碳排放量应为建筑材料生产与运输阶段、建筑建设施工阶段、建筑运行使用阶段、建筑拆除与处理阶段等四个阶段碳排放量的合计减去木材固碳长阶段碳吸收量,计算公式为:

式中:CM为轻型木结构建筑碳排放总量,kgCO2;CSC为轻型木结构建筑建材生产阶段碳排放总量(kgCO2);CYS为轻型木结构建筑建材运输阶段碳排放总量,kgCO2;CYX为轻型木结构建筑建设施工阶段碳排放总量,kgCO2;CCC为轻型木结构建筑拆除阶段碳排放总量,kgCO2;CXS为轻型木结构建筑木材碳储总量,kgCO2。

3 降碳策略

根据轻型木结构建筑全生命周期碳排放计算公式,分析各个阶段计算公式中碳排放影响因子。通过各项策略措施,提升全生命周期碳吸收阶段的固碳量,降低碳排放阶段的碳排量,使轻型木结构建筑更充分发挥其绿色生态作用,在整个生命周期内达到“碳中和”甚至“负碳”的理想状态。

3.1 建筑材料合理选择

通过分析木材固碳阶段碳吸收影响因子,木材的固碳率和基本密度越大,木材固碳量越高。但木材的硬度和同体积下的重量随着密度的增加而增加。木材硬度增加使得木材的加工难度以及加工过程中能源的消耗增加,重量增加使木材在材料运输过程中的碳排放量增加。因此,轻型木结构建筑在建筑木材的选择中,在满足建筑结构特点、基本建筑性能、材料加工等要求的前提下,还应综合考虑所选木材的固碳率、基本密度以及材料在加工及运输中的碳排放。可通过计算进行建筑材料的合理选择,提升轻型木结构建筑在木材固碳阶段碳吸收量,降低建材生产与运输阶段的碳排放量。也可发展本地原料林基地,通过选择本地木材缩短建材运输距离的同时增加当地的森林碳汇。

3.2 木材储碳周期延长

轻型木结构建筑在木材生产阶段材料加工工艺技术方面的优化升级,降低加工时木材损耗,提升材料性能和固碳率,提高木材中碳的固定时间和固定量。一方面降低了木材生产阶段的碳排放,另一方面又延长了轻型木结构建筑的使用阶段周期,进而延长木材的储碳周期。虽然,建筑拆除阶段废弃木材的固碳量不计算在轻型木结构建筑全生命周期碳排放之内,但提高废弃木材的回收利用效率,实现木材的循环经济利用[34],可充分发挥木材对于碳中和目标的碳储作用。

3.3 能源消耗结构优化

在轻型木结构建筑使用阶段,应降低传统高能耗、高污染能源消耗比例,如石油、煤炭等化石能源。增加可循环、可再生的非化石能源的使用比例,如太阳能、风能、地热能等。通过优化能源消耗结构,降低轻型木结构建筑使用阶段的碳排放,以“节能”促“减排”。在轻型木结构建筑木材加工生产阶段,应加强能源消耗的计量与管理,提升能源利用率,优化木材加工的工艺技术和设备,从而降低整个木材生产阶段的能耗及碳排放。

3.4 工程施工科学管理

在轻型木结构建筑建设及拆除等施工阶段,降低碳排放必须对整个施工流程进行科学管理,制定具有针对性的施工管理方案。加强建筑木材管理和应用,减少木材在建筑施工过程中的浪费及能源消耗,提升建筑拆除施工后木材的回收与利用。综合考虑轻型木结构建筑具体工程规模、施工周期、工作量等因素,加强工程施工技术管理,降低施工资源及成本浪费;加强施工人员管理保证工程质量,提高建筑使用寿命减少房屋建设修缮频率。

4 结论

参照GB/T 51366—2019 相关标准,结合建筑木材贮碳降碳的生态特性,优化并建立适合轻型木结构建筑特点的全生命周期碳排放计算公式,为相关类型木结构建筑碳排放计算提供方法指导。通过计算公式中各影响因子分析,提出了合理选择建筑木材、延长木材储碳周期、优化能源消耗结构、科学管理工程施工等降碳策略,为轻型木结构建筑设计、建设、运行及拆除处理等阶段相关方案优化提供参考依据。

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