基于全生命周期的现代木结构建筑碳足迹研究

苏鹏宇,姚恩明,李 征

基于全生命周期的现代木结构建筑碳足迹研究

苏鹏宇,姚恩明,李 征*

(同济大学土木工程学院,上海 200092)

选取代表性现代木结构建筑并对其全生命周期碳足迹开展了研究,提出将负碳建材碳排放拆分为生产过程碳排放和生物固碳值的方法,定量计算了结构生命周期各阶段的碳排放量,对木材在不同生命周期间的再利用情况进行了分析.结合传统材料建筑全生命周期碳排放,对比分析了现代木结构建筑与传统材料建筑全生命周期碳排放特点.研究结果显示,本研究中的木结构建筑全生命周期碳排放为1.69×107kgCO2e,其中物化阶段占比15.56%、使用阶段占比84.34%、拆除阶段占比0.10%;其物化阶段的碳排放比传统钢筋混凝土结构和钢结构均有所降低.

木结构建筑；碳排放；全生命周期；负碳建材

“碳达峰碳中和”是我国重要的战略任务之一,建筑业作为我国第一大碳排放部门,其2020年度的碳排放占我国碳排放总量的50.9%[1],而我国作为发展中国家,每年仍有大量建筑开始建设和投入使用.因此,降低建筑业的碳排放是我国双碳战略能否实现的重要环节.

为提出行之有效的结构减碳建议,建立相关设计方法,首先需要量化建筑的碳排放.全生命周期分析(LCA)能从全生命的角度定量分析产品的碳足迹,已成为量化建筑碳排放的主要方法.目前研究通过LCA与物质和能量流结合,将建筑分为物化阶段、使用阶段和拆除阶段,同时提出了建筑碳足迹分析框架[2].并且针对建筑的特定阶段也可以用LCA进行研究,Rabani等[3]对位于瑞典的一栋建筑的不同改造方案运用LCA进行了使用阶段的碳排放计算.同时基于LCA,发展出了与成本结合的分析框架,通过对净零建筑进行全生命周期碳排放和成本分析,进一步扩大了LCA方法学在建筑中的应用[4-5].

木材是一种生物质建筑材料,树木通过光合作用固定二氧化碳,然而,随着树木生长,其光合作用也逐渐减弱.相关研究分析了混龄南方针叶林的碳积累,结果表明大龄树木的碳积累量较大,但单位生物量的增长率较低[6];并且对9～40年龄的灰赤杨林进行的生态系统净产量研究显示,老年灰赤杨林生态系统净产量为负值,说明大龄灰赤杨林从碳汇变为了碳排放源[7].因此将大龄树木合理砍伐后运用于建筑当中可以将树木已固定的二氧化碳存储于建筑当中,同时种植新树木可以继续固定二氧化碳.并且使用结构木材可以减少钢材和混凝土的使用,不但能够实现木材的可持续利用,还可进一步减少建筑的碳排放.

21世纪以来,随着我国国民经济发展与社会进步,以及气候问题越来越受到关注,我国对绿色和可持续发展的重视程度越来越高.在建筑领域,对于可再生结构木材的利用越来越受到关注.木材及工程木制品在中国展现出巨大的发展潜力,木结构建筑进入了新一轮的发展阶段[8-9].我国政府出台的相关政策明确指出要因地制宜发展木结构建筑,鼓励木结构建筑在低层公共建筑中的应用[10-11].预计未来我国会有更多木结构中低层建筑投入使用.

针对于木结构建筑的碳足迹研究,目前国外的研究已基于LCA方法,考虑了木材的生物固碳.我国目前也有对于木结构全生命周期碳排放的研究[12-13],但对于木材的生物固碳量的使用并不明确.以往对于木结构在结构中的应用已经比较充分[14-15],本研究旨在对现代木结构建筑进行详细的考虑木材生物碳的全生命周期碳足迹分析,并对生物固碳量的使用进行讨论.

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究选择的研究对象是一栋位于江苏省无锡市某现代中低层木结构办公建筑,见图1,占地面积817.56m2,建筑面积3350.94m2,结构为四层、高17.0m,设计使用年限为50a,结构形式为胶合木框架结构,此结构的结构体系、建筑面积及体量在我国现代木结构建筑中具有很好的代表性.建筑所在地无锡市属北亚热带季风湿润性气候,年平均气温15.6℃,最热月份为七月,月平均气温28.0℃,最冷月为1月,月平均气温2.9℃.

1.2 建筑全生命周期分析

1.2.1 建筑全生命周期 建筑全生命周期可分为物化阶段、使用阶段、拆除阶段[2,4-5,16],如图1所示.

建筑全生命周期的碳排放可由式(1)计算:

式中:lc,p,u,e分别为建筑全生命周期、物化阶段、使用阶段和拆除阶段的碳排放,kgCO2e.

(1) 建筑物化阶段建筑物化阶段包括建材生产与运输、施工现场机械能耗、施工现场临时设施能耗.

物化阶段的碳排放可由式(2)计算:

式中:p1,p2,p3分别为建材生产与运输、施工现场机械能耗、施工现场临时设施能耗的碳排放, kgCO2e.

图1 建筑全生命周期

建材生产与运输的清单由项目的决算表整理得出.考虑了建材的最初来源地,对于产地缺失的按照规范《建筑碳排放计算标准》(GB/T51366-2019)[17]中的规定设置.建材生产与运输的碳排放可由式(3)计算:

式中:p是建材的总种类数;m是种材料的消耗总量,kg、m3、件等;EF是种材料的碳排放背景数据,kgCO2e/m单位;S是种材料的运输距离,km;EFt是种材料的运输工具的单位运输距离碳排放背景数据,kgCO2e/(kg·km).

施工现场的机械使用量通过决算单整理出各分部工程的工程量,并根据《江苏省建筑与装饰工程消耗量定额(2022年)》[18]中的单位工程量额定机械进行使用机械班次计算.根据《建筑碳排放计算标准》(GB/T51366-2019)[17]中的单位班次机械能耗计算出施工现场的机械能耗.施工现场机械能耗的碳排放可由式(4)计算:

式中:p2,i是种机械的能源(电、柴油等)消耗总量,kW·h、kg;EFp2,i是能源的碳排放背景数据, kgCO2e/p2,i单位.

施工现场的临时设施面积和空调使用时长由施工方提供,照明通过《建筑照明设计标准》(GB 50034-2013)[19]进行计算.施工现场的临时设施的碳排放可由式(5)计算:

式中:p3,i是电器(空调和照明)的能源消耗, kW·h;EFp3,i是种能源的碳排放背景数据,kgCO2e/ (kW·h).

(2) 建筑使用阶段建筑使用阶段包含建筑使用阶段能耗和使用阶段更新维护.使用阶段碳排放按式(6)计算:

式中:u1和u2是使用阶段能耗和使用阶段更新维护的碳排放,kgCO2e.

建筑使用阶段能耗由DeST-C软件[20]模拟计算,并参考建筑实际用电量进行模拟调整,使实际用电量与模拟用电量误差在5%以内,对建筑使用50a的用电情况进行模拟.DeST软件包含了中国的气象资料,已被广泛地用来进行建筑能耗模拟[21-22].

建筑的用水量通过实际用水量和《城市公共用水定额及其计算方法》(DB31/T 680-2012)[23]进行计算.

使用阶段能耗的碳排放按式(7)计算:

式中:u,i是种能源(水、电)的消耗量,kg、kW·h;EFu,i是种能源的碳排放背景数据,kgCO2e/u,i单位.

建筑使用阶段更新维护的材料更换量由决算单整理得出,对于相关规范中有提到使用年限的保温工程[24]、门窗工程[25]和防水工程[26]的材料都进行了计算.建筑使用阶段更新维护的碳排放按式(8)计算:

式中:u是替换建材的总种类数.

(3) 建筑拆除阶段建筑拆除阶段包括建筑拆除工程和建筑物垃圾的处理与再利用.建筑拆除阶段的碳排放按式(9)计算:

式中:e1和e2是建筑拆除阶段拆除施工和建筑垃圾处理与再利用的碳排放,kgCO2e.

建筑拆除施工的碳排放相关研究[2,27]表明约为建筑建设施工机械碳排放的0.9.建筑拆除施工的碳排放可按式(10)计算:

对于建筑垃圾的处理与再利用的研究并不完善.建筑垃圾的回收率参考文献[28].回收率信息见表1.

表1 建筑垃圾回收再利用情况

参考相关研究[29],建筑垃圾的平均运输距离为25km.

为了使上下游过程都能从建筑垃圾再利用中受益,设置价格质量系数,即再生原料的环境收益对于下游过程不能全部免费获得,对于上游过程不能全部抵扣.

建筑垃圾处理与利用的碳排放按式(11)～(13)计算:

1.2.2 全生命周期分析方法 根据ISO14040[30], LCA分析包含目标与范围、生命周期清单分析、影响评估、解释评价.

(1) 目标与范围 系统边界为由摇篮到坟墓;功能单位为一栋现代木结构办公建筑;使用年限为51a(包含建设1a,使用50a).

(2) 生命周期清单分析 使用eFootprint平台[31]进行LCA建模,eFootprint包含了中国本土化的CLCD数据库,该平台和数据库已被广泛的用于LCA分析[32-33],建筑全生命周期各阶段的实景数据计算方法见1.2.1.生命周期模型包含了100多种材料和能源输入,包含生产、使用、废弃三大模块,涵盖了建筑“从摇篮至坟墓”的全生命过程,LCA部分模型结构见图2.

图2 某木结构LCA模型部分结构

主要材料量见表2.

表2 主要材料与能源清单

(3) 影响评估 CLCD数据库包含600多种中国本土化的材料、能源、运输与废物处理的LCI数据集.选择的输出类别为全球变暖潜能值(GWP,CO2e).

(4) 结果分析对研究对象进行碳足迹分析,计算全生命周期的碳排放与各阶段占比,按式(14)和(15)(16)计算单位面积碳排放强度(碳排放强度)和单位面积年碳排放强度(年碳排放强度),并与传统建筑的碳排放研究进行对比.

式中:D为不同阶段的单位面积碳排放强度, kgCO2e/m2;E为不同阶段的碳排放,kgCO2e;为建筑面积,共3350.94m2;T为物化阶段单位面积年碳排放强度,kgCO2e/(m2·a);L为建筑建造时间,实际建设时间为7个月,取1a;T为使用阶段单位面积年碳排放强度,kgCO2e/(m2·a);L为建筑设计使用年限,为50a.

1.2.3 木材生物碳 我国现代木结构建筑多为胶合木结构,生产胶合木的原木多为国外进口,并在国内进行生产.该建筑使用的胶合木其原材料来自加拿大,使用了加拿大雅典娜研究机构对于北美木材的研究报告[34-37],其中给出了每种木材的生物碳存储量见表3.

目前缺少对于长时间生物碳储存的明确计算方法,英国规范PAS2050[38]对2～25a碳存储的按照存储时间和二氧化碳随时间的影响变化进行折减.Hawkins等[39]的研究表明,二氧化碳对温度变化的影响在排放初期较大,并在40a后趋于稳定.LCA进行碳足迹分析时通常以100a的温室气体影响作为气候变化指标来确定不同温室气体的贡献[40].因此本研究仅考虑储存时间进行折减,即建筑设计使用年限与100a的比值0.5为折减因子.木材的碳排放背景数据按(17)计算:

式中:EFt是木材的碳排放背景数据,kgCO2eq/m3; EFtp种是木材生产过程的碳排放量,kgCO2eq/m3; EFte是木材的生物固碳量,kgCO2eq/m3(表3).

表3 常用结构用木材的生物固碳量(kgCO2e/m3)

2 现代木结构建筑全生命周期碳足迹分析

2.1 建筑全生命周期碳足迹

该结构建筑全生命周期部分环境指标见表4.

本研究主要讨论碳足迹,即GWP指标.

清单数据灵敏度是指清单数据单位变化率引起的相应指标变化率.灵敏度较大的数据清单为关键汇总过程(AP),分析关键AP能找出改进的关键方向.

表4 某木结构建筑全生命周期环境指标

由图3和表5可知,该建筑全生命周期的碳排放总量为1.69×107kgCO2e,其中物化阶段碳排放2.63×106kgCO2e,占比15.56%,使用阶段碳排放1.42×107kgCO2e,占比84.34%,拆除阶段碳排放1.63×104kgCO2e,占比0.10%.由于建筑的长生命周期,使用阶段的碳排放依然是建筑全生命周期中碳排放最大的阶段,降低使用阶段的碳排放是降低建筑全生命周期碳排放的重要方向.

图3 木结构建筑全生命周期碳排放分布

建筑使用阶段的碳排放来源中电力为关键AP.建筑使用过程中有大量的电力消耗,降低使用阶段的能耗是降低建筑全生命周期碳排放的重要方向,发展绿色建筑、节能建筑来降低使用阶段能耗依然是降低建筑全生命周期碳排放的重要手段.张[41]对南京地区(北亚热带季风湿润性气候)的三栋传统材料办公楼建筑全生命周期碳排放进行分析,结果表明传统材料建筑使用阶段碳排放占全生命周期碳排放的70%～80%,木结构建筑使用阶段碳排放占比结果相较于传统材料建筑较高[42],本研究为84.34%,说明木材相对于传统材料建筑能减少物化阶段的碳排放,使得木结构建筑使用阶段的碳排放占比相较传统材料建筑较大.而随着一级能源逐渐脱碳,建筑物化阶段碳排放占比将逐渐增大,木材能将生物固定的碳储存于建筑中,并减少传统高碳材料钢材和水泥的使用,因此木结构建筑是建筑减排的理想方向之一.

表5 木结构建筑全生命周期关键AP

木结构建筑物化阶段关键AP及碳排放情况情况见表6和图4.

表6 木结构建筑物化阶段关键AP

由表6和图4可知,该木结构建筑物化阶段的碳排放主要集中在建材的生产上.建材运输的碳排放相对较小,并且关键AP木材的固碳量较大,部分木材虽然为进口产品,运输距离较远,但木材的固碳效率远大于运输的碳排放,未来若有更多的国产工程木材投入使用,能进一步降低木结构建筑物化阶段的碳排放.

图4 木结构建筑物化阶段碳排放分布

由图5可知,木结构拆除阶段的碳排放强度相对于全生命周期占比较小.加大废弃物的回收再利用率能降低处理建筑垃圾所产生的碳排放,并通过回收的环境效益减少两个生命周期间上游过程拆除阶段的碳排放和下游过程生产材料的碳排放.

图5 木结构建筑拆除阶段碳排放分布

回收部分未涉及木材.与其他建筑垃圾相比,回收钢材作为废钢再利用回扣上游过程的碳排放并不突出,该项使用CLCD 0.8的数据集废钢混合(中国).废钢材的再利用应该结合实际的利用过程,同时与使用的数据集(碳排放背景数据)情况进行更细致的研究.

2.2 建筑全生命周期碳排放强度分析

全生命周期各阶段的碳排放强度和单位面积碳排放强度见表7.

表7 某木结构全生命周期各阶段碳排放强度

由表7可知,虽然从建筑全生命周期上来看使用阶段碳排放量大,但从同一时间段角度来讲,物化阶段的年碳排放强度大,为使用阶段的年碳排放强度的9.2倍.

现代木结构建筑在基础工程使用钢筋混凝土,在上部木构件的连接中使用较多金属连接件,在装饰工程中使用功能性有机物及无机物,使得木结构物化阶段年碳排放强度较使用阶段年碳排放强度依然较大.对于木结构结构体系的创新,减少传统材料的使用仍能帮助木结构减少碳排放,降低木结构建筑的碳排放强度.

建筑拆除阶段的碳排放占比和碳排放强度较低,但目前我国的建筑垃圾实际回收利用率低于本研究使用的回收利用率[28],并且我国每年将产生大量的建筑垃圾,大约为我国日常生活产生的生活垃圾的5倍[43],应从各个层面上加大对建筑垃圾再利用的要求,亦能促进建材的可持续发展.

2.3 不确定分析

木结构建筑种类较多,随着胶合木技术的发展有大跨度的木结构场馆类建筑投入使用;未来随着重型木结构的发展,也会有中高层木结构建筑投入使用.本研究无法覆盖所有的木结构建筑,但对木结构建筑物化阶段以及亚热带季风湿润性气候地区的木结构建筑全生命周期的碳排放有参考意义.

CLCD方法对LCA模型中的清单数据,通过来源与算法、时间代表性、技术代表性、地理代表性等四个方面进行评估,并对关联背景数据库的消耗,评估其与上游背景过程匹配的不确定度.完成清单不确定度评估后,采用解析公式法计算不确定度传递与累积,得到LCA结果的不确定度[44].

对建筑全生命周期以及物化阶段的结果不确定度进行分析.该木结构建筑由EFootprint计算得出的结果的不确定度如表8.

表8 某木结构建筑碳足迹结果不确定度

建筑物化阶段的不确定度主要由结构用材造成,其中云杉-冷杉-松(SPF)对结果不确定度的贡献最大,达4.13%.建筑全生命周期的不确定度主要由使用阶段的电力消耗造成,其对结果不确定度贡献达84.89%.由于模型设置的技术代表性为行业平均,而只有一个建筑的数据,导致技术代表性该项存在25%的不确定度,传递至最后导致最终碳足迹结果不确定度较大.但如果仅是针对于该栋建筑碳核算,最终结果不存在技术代表性传递来的不确定度,结果是较为准确的.

为了尽量降低研究结果的不确定度,本研究的活动数据物化阶段所有材料及运输数据均来自于项目实际的预决算清单,机械等使用也都由预决算清单通过相关规范计算出.使用阶段能耗模拟也通过和实际情况对比保证可靠性.

对于部分无法计算的材料进行了忽略,所有忽略材料都符合cut-off规则,模型无未定义内容,所有缺失数据均来自于关联的背景数据集.

背景数据优先采用中国本土化的CLCD数据库中的数据集,其次采用Ecoinvent数据库的数据,对于部分缺失的选择企业环评报告和文献以及Efootprint平台通过审核的用户创建的数据集,确保了数据的代表性以及结果的准确性.

2.4 生物碳讨论

Ubando等[45]在对生物质燃料进行研究时,认为通过生物固碳使得生物炭成为负碳材料.工程木材由于其光合作用固定的生物碳,其实也是一种负碳材料.目前对于包含生物碳的材料的使用方法并不明确.传统的LCA方法会在材料回收作为可再生材料再利用时,通过对正碳材料的碳排放背景数据添加负号完成对上游过程的回扣和下游过程的抵扣.若对包含生物碳的负碳材料使用该方法会出现回收后碳排放为正值.

因此,本研究将负碳材料的碳排放拆分为生产过程的正值和固定的生物碳的负值来使用,对于生产过程的正值在回收阶段按照常规的正碳材料的分配过程分配,对于生物碳的负值则按照使用年限等折减因子直接在不同的循环过程中进行分配.

假定1000m3木材(假设固定的生物碳总量为1000kgCO2e)经历如图6的三个生命周期:由图6中的分配过程可知,将木材的考虑生物固碳量的碳排放拆分为实际生产过程的碳排放背景数据和木材的固碳量来使用,在涉及上下游两个生命周期的回收再利用阶段不会涉及固碳量的分配,不会出现回收阶段回收再利用材料是正值碳排放的情况.更加符合LCA模型不同生命周期之间处理的逻辑,并且每个阶段的GWP值只需将生产过程的碳排放值和生物固碳值进行相加,方便处理.

(b) 木材分配过程

图6 木材循环和分配过程

Fig.6 Wood recycling and distribution processes

①各过程的生产碳排放值为假定;②两个生命周期间的回收利用的上游回扣值和下游抵扣值为假设,具体数值和上下游生产过程以及废弃物再利用的质量价格比和再利用率有关;③木材生物碳的折算仅按相对于100a的时间折减因子

2.5 木结构建筑LCA研究讨论

本文通过对某现代木结构办公建筑进行详细的全生命周期分析,量化得出了木结构全生命周期和各阶段的碳排放,同时对生物的循环分配进行了讨论.本文的研究结果显示木材的固碳量对于结果的影响比较显著,同时建筑LCA模型的完整性对结果的影响也较大,应根据研究目的确定木材生物碳的使用和模型的边界范围.后续也将分析该建筑的经济性,并针对不同材料办公建筑进行对比研究.

3 结论

3.1 建筑在同一时间段内物化阶段碳排放强度很大,采用木结构能显著降低建筑物化阶段的碳排放.

3.2 从建筑全生命周期角度分析,该木结构建筑使用阶段的碳排放占建筑全生命周期碳排放的84%以上,降低使用阶段碳排放依然是降低建筑全生命周期碳排放的手段.

3.3 目前对于生物固碳量在LCA中的应用并不明确,在负碳材料的回收阶段存在问题,本研究提出基本的处理方法,将考虑生物碳的负碳材料的碳排放拆分为生产过程的碳排放和生物固碳值来使用,可实现在不同生命周期之间的循环.

3.4 对于木结构结构体系的创新,减少传统材料的使用仍能帮助木结构减少碳排放,降低木结构建筑的碳排放强度.

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Investigation into the carbon footprints of modern timber buildings based on life cycle assessment.

SU Peng-yu, YAO En-ming, LI Zheng*

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)., 2023,43(12)：6657～6666

This paper researched the building life cycle carbon footprint based on a representative modern timber building in China, and a method of splitting the carbon emission of negative carbon building materials into the carbon emission of the production process and the biological carbon sequestration value was proposed. The results showed that the carbon emissions of the life cycle of the modern timber office building were 1.69×107kgCO2e, in which the product stage accounted for 15.56%, the use stage accounted for 84.34%, and the end-of-life stage accounted for 0.10%. The carbon emission in the product stage of timber building was lower than that of traditional reinforced concrete or steel buildings.

timber buildings；carbon emission；life cycle assessment；negative carbon building materials

X24

A

1000-6923(2023)12-6657-10

苏鹏宇,姚恩明,李 征.基于全生命周期的现代木结构建筑碳足迹研究 [J]. 中国环境科学, 2023,43(12):6657-6666.

Su P Y, Yao E M, Li Z.Investigation into the carbon footprints of modern timber buildings based on life cycle assessment [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6657-6666.

2023-04-29

国家自然科学基金资助项目(52222802);上海市科技创新行动计划启明星项目(21QA1409300)

* 责任作者, 教授, zhengli@tongji.edu.cn

苏鹏宇(1998-),男,甘肃兰州人,同济大学硕士研究生,主要研究方向为建筑碳排放、生命周期评价及应用.ssshc@tongji.edu.cn.