木结构建筑节碳固碳效应研究现状

张彩奕， 王 意， 王志强

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

1 背景及意义

随着国际上对碳排放量的重视，世界上各个国家都开始出台相应的政策。英国是首批提出“低碳”概念的国家之一，并将其与“低碳经济”相结合，其主张建立一种能让自然、经济、社会协调统一发展的新模式，这种发展模式既能满足当代人的需求，又不会损害社会长久的利益，从而使经济和社会健康稳定发展。而我国作为一个发展中国家，也将发展低碳经济列为重要内容之一，是因为研究和制定符合我国国情的低碳发展战略十分重要，而现阶段我国的低碳政策还不完善，有待进一步发展。

2007年6月，我国政府发布了首项针对发展中国家的气候变化问题的政策文件——《中国气候变化国家行动计划》，并出台了一系列减少碳排放和缓解气候变化的措施。2010年3月，中国政府宣布将努力降低单位GDP的碳排放量，低碳经济和社会已成为未来发展的重要指导原则。同年，国务院出台了全面推进节能减排工作方针，提出了低碳这一概念。由于我国以前重点发展工业，城市化进程加快，再加上人口激增，消费模式改变和城市建设等原因，使得我国的能源需求和温室气体排放增加。如今我国的能源消费主要是化石燃料，如石油和煤炭，这种以牺牲环境为代价的传统经济模式是导致资源短缺的重要原因之一。虽然我国在第九个五年计划中已经提出要刺激经济增长由慢变强，但十多年过去了，中国工业还处于较低水平，工业技术含量与发达国家相比还有很大差距，而且承接了相当一部分高能耗，高污染的产业，所以现在中国已经是全球碳排放量最大的国家。依据《bp世界能源统计年鉴2021》可知，2020年全球二氧化碳排放总量将超过300亿吨，而其中中国占据了全球近1/3的碳排，美国、印度、俄罗斯、日本占比分别为13.81%、7.13%、4.59%、3.18%。

建筑是世界高耗能行业，在全球碳排放总量中占据了近1/3的比例。在中国，建筑业是三大能源聚集度行业之一，也是三大碳聚集度行业之一。根据清华大学建筑节能研究中心对于中国建筑领域用能及排放的核算结果，2019年中国建筑造和运行用能占全社会总能耗的33%[1]。为了实现我国2060年“碳中和”的目标，必须在一定时期内考虑减排与增汇问题，因此我国出台了很多政策。中共中央办公厅，国务院办公厅于2021年10月前后发布了《关于推动城乡建设绿色发展的意见》，提出要大规模推广高质量的绿色建筑，大力鼓励建设极低能耗和接近零能耗的建筑，大力发展低碳建筑。中国人口众多，能源资源相对匮乏，在建筑节能方面有很大潜力。对低碳绿色建筑的研究可以更直观地展示木结构建筑的优势，为实现双碳目标提供基础数据，促进现代木结构建筑的发展，同时为建筑业降低能耗探索一种新的建筑形式，刺激绿色建筑在中国的蓬勃发展，从而降低建筑业的整体碳排放，进而实现国家“碳中和”的目标。

2 国内外建筑碳排放计算研究现状

2.1 有关木结构全生命周期的研究

为更好地开展建筑碳排放量测算研究，国内外学者均是先从建筑生命周期角度进行分析；生命周期分析(Life cycle analysis，LCA)是用于定量分析原料，运输，生产，使用，处置或再循环等环节对环境的影响的方法[2]。建筑物的整个生命周期分为四个主要方面：材料收集、设计和施工、运营和报废后的废物回收。从原料收集到建筑的设计、建设再到运营管理和废旧回收再利用，这四个环节构成了整个生命周期；每个部分又可细分为若干子环节，如建材采购与供应、建筑工地现场材料运输、建筑施工等等。建材采购，构件制作，建筑修建和运行以及拆卸和资源回收共同构成了一个完整的建筑生命周期。LCA法在北美被用来系统地评估现代木材建筑的环境影响，并建立了一个基于环境特性的木材结构的资料库。自上个世纪九十年代以来，这项技术成为一种判断其对环境的作用的措施，在建筑业得到了广泛的应用。

在国内的研究中，刘念雄等假定将建筑物的所有生命周期分为四个阶段：建材的筹备、施工、建筑物的运行和保护以及建筑物的废除；与刘念雄不同，张智慧等把建筑物的生命周期被总结为物理阶段、运行阶段、拆除阶段和处置阶段，以及列出了每个阶段的二氧化碳排放源；除此之外，Chen[3]等将建筑物的全部生命周期分为九个阶段：修建、装修、外部工程、运输、运营、废料处置、物业管理、拆毁和废料处置，并对各个阶段的潜在碳排放情况进行了详细分析。

在国外的研究中，Bribian[4]等根据居住用途把生命周期分为四个阶段：建筑材料的筹办、施工、建筑物的利用和拆毁。为简单起见，将生命周期分析分为两个系统：施工和利用；而Gustavsson[5]等将建筑的全生命周期分为四个阶段：原料出产、修筑、应用、拆毁和资源再生；Gerilla[6]等没有把原材料生产阶段纳入考虑范围，而是将施工，维护，运行和处理这4个环节纳入考虑范围；除此之外，Cole[7]将建筑的生命周期分为原料制造、建造建筑、建筑装修、维修、搬迁拆除四个阶段，其中第一阶段又细分为工人运送、材料运送、主要设备运送、建筑设备消耗和建筑配套措施五个环节，调查不同类型建筑的碳排放形式。

随着国内外研究者对建筑物全生命周期研究的持续深入，针对其不同阶段进行了较为准确的划分，在目前的研究中，将建筑物主要分为以下五个阶段进行了基本界定：(1)资源开采阶段：包括原材料的采集与加工以及产品的运输与销售；(2)建筑材料出产阶段：指对采掘和搬运建材等阶段；(3)建筑建设阶段：设计和建造建筑物；(4)建筑维护阶段：供暖、空调及照明等建筑的基本使用性能的维修；(5)建筑物在整个生命周期中所消耗的能量最多，也是建筑生命周期中的寿命最长阶段，即建筑拆除后的再利用阶段[8-10]。

2.2 碳排放计算

自上世纪九十年代起，外国专家对不同结构建筑的能耗和碳排放进行探讨。自此以后，各国学者陆续将眼光聚焦在“低碳”这一主题上。2010年12月，联合国环境大会通过了《哥本哈根协议》，建议将气候变化纳入人类发展议程。至此，政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)聚集了全球1 000多位科学家，已编制了10余份关于全球气候变化、土地变化和碳评估范式的报告和指南，并大致制定了一个涵盖一系列主题领域、地理因素和生产过程的碳排放估算框架，以及在区域实践中成功应用的碳源清单和核算方法。今天世界上大多数国家都依赖于IPCC制定的碳计算系统。其中，排放因子法(Emission-Factor Approach或EFA)最早被提出，并且在国际上被广泛采用。它的基础是计算二氧化碳排放量的共同框架，即详细研究所有温室气体及其来源，根据某些原则对其进行分类，并建立相应数据库。一般逻辑是根据清单收集各排放单位的活动数据及排放因子，以它们乘积的结果为碳估计值，具体量化情况如下：

Emissions=AD×EF

(1)

式中：Emissions为总体的碳估计值(如CO2、CH4等)，AD为活动数据，详细表现为各来源的特定用量和投入量，与二氧化碳排放有直接关系，EF为排放因子，即单位使用量排放源中温室气体的排放量，效率数据主要来源于国家统计，清单和污染源调查监测资料。每单元来源的温室气体排放量，其性能数据主要来自国家统计、来源列表和观察、观测数据等。对于排放因子，可以使用IPCC报告中的缺省值，即按照全世界碳排放平均值给出的参考值，也可根据《国内外碳排放核算方法研究进展》自行构建获取途径如表1[11]。

表1 排放因子数值获取来源

2.3 碳排放计算国内研究现状

我国对建筑碳排放的探讨更侧重从微观角度计算碳排放，即建筑在全部生命周期内的碳排放，这也是本文的重点。本文总结了关于建筑生命周期不同部分的温室气体排放的现有文献，以及用于计算的方法。虽然目前已经进行了许多研究，但不同研究中的生命周期阶段分布不同，导致研究范围不一致计算模型也有很大差异，再加上，由于各区域、各时期的资料来源差异，导致不同的研究对象的二氧化碳排放量也不尽相同。

我国对于建筑结构碳排放计算方法主要依据于国家标准《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366-2019)、协会标准《建筑碳排放计量标准》(CECS374-2014)以及各种地方政策标准等。

在我国标准中，计算建筑材料制造阶段的公式如下：

(2)

式中：CSC为生产制造阶段产生的碳排量，kg CO2e；Mi为第i种主要建材的耗材量；Fi为第i种主要建材的碳排放因子，kg CO2e/单位建材数量[12]。

在建材运输阶段中，碳排放可被计算为：

(3)

式中：Cys为运载运输过程产生的碳排放，kg CO2e；MI为i第种主要建材的消耗量，t；DI为第i种建材平均运输距离km。除此之外，TI为第i种建材通过某种方式被运送到建造地后，其单位重量运输距离的碳排放因子，kg CO2e/(t×km)，具体来说，混凝土的默认运输距离为40 km，其他建材的默认运输距离为500 km[12]。

对于建筑建造阶段的碳排放量计算公式表示为：

(4)

式中：Cyz为单位面积建筑建造阶段的碳排放量，kg CO2/m2；Ejz，i为建筑建造阶段第i种能源总用量，kWh或kg；EFi为第i类能源的碳排放因子，kg CO2/kWh或kg CO2/kg；A为建筑面积[12]。

3 结束语

木结构建筑虽然是主要的绿色建筑形式之一，但目前关于木结构建筑的节碳固碳效应研究依旧较少。未来随着全球气候变暖和建筑行业的快速发展，如何降低建筑全生命周期碳排放量一问题将更加突出。木结构建筑因其具备较好的节碳化效应而受到重视，并且引起世界各国专家学者的注意。持续深化木结构建筑节碳和固碳效应的研究和探讨，对实现我国“碳中和”和“碳达峰”方针政策具备重要推动作用。