建筑材料制品碳排放測算模型研究

林興貴 周 濟 程 晶 付菲菲

(華中科技大學工程管理研究所，湖北武漢 430074)

20世紀以來，在全球工業(yè)化迅猛發(fā)展的推動下，溫室氣體排放量急劇增加，全球氣候隨之變暖，自然災(zāi)害和環(huán)境問題頻發(fā)，嚴重危及人類健康及其生存環(huán)境。因此，聯(lián)合國、世界各國及國際組織都開始采取各種措施以抑制溫室氣體的排放。英國政府在近年正致力于低碳建筑的建設(shè)及運用BIM以實現(xiàn)其對建筑低碳的設(shè)想[1]。在由ENCORD發(fā)布的《建設(shè)二氧化碳測算議定書》中具體說明了只有清晰定義碳排放測量邊界才能保證碳足跡計算的完整性、一致性、準確性等，并將碳足跡測算范圍分為三種:直接碳排放、間接碳排放、其他間接碳排放[2]。在2009年11月26號，中國向世界做出承諾，我國到2020年能源消耗的強度要下降40% ～45%，可再生能源比重要提高到15%左右，而且還要增加森林碳匯。因此，作為約束性的指標，我國提出到2015年能源消耗的強度比2010年要下降16%，溫室氣體的排放強度要下降17%，主要污染物的排放總量要下降8% ～10%[3]。其中，在我國建材產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，僅由水泥生產(chǎn)所造成的CO2排放就占全國CO2排放總量的18% ～22%[4-5]，所以減少建筑材料制品碳排放量是我國能否兌現(xiàn)承諾的關(guān)鍵。

1 建筑材料制品碳排放測算研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對于建筑產(chǎn)品等的碳排放計算方法都是基于建筑產(chǎn)品全生命周期的角度出發(fā)的。比如在2006年，ISO發(fā)布了ISO 14040《環(huán)境管理生命周期評價原則與框架》和ISO 14044《環(huán)境管理生命周期評價要求與指南》，明確界定了產(chǎn)品碳排放測算的范圍、功能邊界和基準流。我國根據(jù)上述兩項國際標準相應(yīng)的制定了GB/T 24040－2008《環(huán)境管理生命周期評價原則與框架》和GB/T24044－2008《環(huán)境管理生命周期評價要求與指南》。

但是，對于建筑材料制品的碳排放測算，國內(nèi)外還沒有形成統(tǒng)一的計算方法。例如，研究機構(gòu)中的Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)于2006年發(fā)布《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》(《2006年IPCC指南》)中對于建筑材料制品的碳排放測算局限于建筑材料制品生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的碳排放[6];而美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的Building for Environmental and Economic Sustainability(BEES)軟件的《建設(shè)環(huán)境和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展技術(shù)與用戶手冊》中對于建筑材料制品碳排放測算則是基于全生命周期理論[7]。同時，國內(nèi)外學者也做了大量研究，但側(cè)重點各有不同。國外，Sungho Tae等人提出了基于全生命周期理論的高強混凝土環(huán)境影響值計算方法，通過分析計算得出高強混凝土比一般混凝土能使能源消耗下降15.53%，二氧化碳排放量也降低了 16.70%[8];Ellis Gartner提出了使用水工水泥來替代傳統(tǒng)的波蘭特水泥，并建議在混凝土中摻入適量粉煤灰等以降低混凝土的碳排放量[9];Alexander Stadel等人提出了基于建筑信息模型的碳排放一體化測算，以實現(xiàn)建筑的智能可持續(xù)設(shè)計[10]。國內(nèi)，趙平等通過對我國建筑材料制品生產(chǎn)過程中的資源消耗、能源消耗、CO2排放情況做了相關(guān)調(diào)查、計算和分析，并運用全生命周期理論進行了建筑材料制品對建筑環(huán)境負荷影響的相關(guān)基礎(chǔ)研究[11];帥小根等通過采用生命周期評價體系分析了幾種不同標號的摻與不摻粉煤灰混凝土的物化能耗、原料消耗，并依據(jù)當量法建立資源耗竭指數(shù)定量評價模型，求得資源耗竭指數(shù)[12];賀成龍等用生態(tài)足跡的成分分析方法首次計算了中國水泥生產(chǎn)的生態(tài)足跡，推導(dǎo)出水泥制造業(yè)CO2的碳排放量(排放強度)經(jīng)驗公式并提出減少水泥生產(chǎn)碳排放的有效途徑[13]。

綜上所述，對于國內(nèi)外的現(xiàn)有研究成果，由于各自設(shè)定的計算邊界不同，導(dǎo)致建筑材料制品碳排放測算結(jié)果相差甚大。同時，本文通過對已有研究成果的分析總結(jié)，得出運用全生命周期理論來計算建筑材料制品單位碳排放量正逐步受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛認可。因此，本文基于全生命周期理論，提出了建筑材料制品全生命周期的碳排放測算方法，而如何科學、完整的界定建筑材料制品碳排放測算范圍，構(gòu)建數(shù)據(jù)可獲、科學完整的建筑材料制品碳排放測算模型，是本文的研究重點。

2 建筑材料制品碳排放測算碳源分析

2.1 建筑材料制品全生命周期

建筑生命周期的碳排放量是指把建筑產(chǎn)品的全生命周期看成一個系統(tǒng)的條件下，該系統(tǒng)由于建筑生命延續(xù)的需要而消耗能源、資源向外界環(huán)境排放的總碳量[14]。由此可將建筑生命周期分為原材料獲取階段、建筑材料加工制造階段、建筑材料運輸階段、建筑施工階段、建筑運營使用階段、建筑報廢拆除處置階段[14-15]。而對于建筑材料制品的全生命周期，本文認為建筑材料制品是建筑物形成的實體組成部分，它伴隨著建筑的全生命周期，因此建筑材料制品全生命周期各階段可以根據(jù)建筑全生命周期來劃分，即分為原材料獲取階段、建筑材料加工制造階段、建筑材料制品運輸階段、建筑材料制品使用階段、建筑材料制品拆除及回收階段。

2.2 建筑材料制品全生命周期碳排放分析

建筑材料制品全生命周期的碳排放是指把建筑材料制品的全生命周期看成一個有機體，該有機體由于消耗能源、資源及在加工制造中發(fā)生化學反應(yīng)而產(chǎn)生的總碳排放量。

需要指出的是，對于建筑材料制品碳排放的來源具體可分為能源消耗產(chǎn)生的碳排放和材料化學反應(yīng)產(chǎn)生的碳排放，其中建筑材料制品的能源消耗產(chǎn)生的碳排放貫穿除了建筑材料制品使用階段外的全生命周期，即本文將建筑材料制品使用階段為保證建筑使用、運營的能耗所產(chǎn)生的碳排放不納入到具體建筑材料制品碳排放計算中;同時，對于材料可能發(fā)生化學反應(yīng)所產(chǎn)生的碳排放，本文僅考慮建筑材料制品加工制造階段的化學反應(yīng)，而對于建筑材料制品在原材料獲取、建筑材料制品運輸?shù)入A段是否會發(fā)生化學反應(yīng)而產(chǎn)生碳排放不予考慮。并且拆除、回收階段由于數(shù)據(jù)獲取困難且相對前幾個階段碳排放量很小，故本文不計算拆除、回收階段的碳排放量。綜上所述，建筑材料制品全生命周期及其碳排放來源如圖1所示。

3 建筑材料制品碳排放測算方法與步驟

本文以蒸壓粉煤灰標磚碳排放測算為例具體說明建筑材料制品碳排放測算的方法與步驟。據(jù)有關(guān)資料顯示，到2020年，我國粉煤灰的年總排放量將是現(xiàn)在的三倍，加上目前我國已有的20億噸粉煤灰累積量，總的堆存量將達到30億多噸，如不加以處理將會對環(huán)境造成嚴重的不良影響[16]。同時，利用粉煤灰制造蒸壓粉煤灰標磚還能減少實心粘土磚的使用以節(jié)約耕地，保護農(nóng)田。但是目前國內(nèi)對于蒸壓粉煤灰標磚的研究主要集中在改進蒸壓粉煤灰標磚的制造工藝、配合比等領(lǐng)域，而對于蒸壓粉煤灰標磚的碳排放測算方面研究較少。因此，本文以蒸壓粉煤灰標磚碳排放為例進行計算分析，得出其碳排放量及相應(yīng)的減排措施。

圖1 建筑材料制品全生命周期及其碳源分析

根據(jù)上述對于建筑材料制品碳排放來源分析及其碳排放測算邊界的設(shè)定，蒸壓粉煤灰標磚的單位碳排放量可按式(1)計算:

式中:ECO2——蒸壓粉煤灰標磚的單位碳排放量，t/t;

Erm——蒸壓粉煤灰標磚原材料獲取階段碳排放量，t/t;

Ep——蒸壓粉煤灰標磚生產(chǎn)階段碳排放量，t/t;

Et——蒸壓粉煤灰標磚運輸階段碳排放量，t/t;

Eu——蒸壓粉煤灰標磚使用階段碳排放量，t/t

Ee——蒸壓粉煤灰標磚拆除處置階段碳排放量，t/t。

3.1 單位蒸壓粉煤灰標磚各階段碳排放計算方法

1.原材料獲取階段碳排放計算(Erm)

單位蒸壓粉煤灰標磚原材料獲取階段碳排放來源有兩部分，一是原材料開采獲取的碳排放，二是原材料運輸?shù)郊庸がF(xiàn)場的運輸碳排放，可按式(2)計算:

式中:Erm，i——單位原材料獲取階段碳排放量，t/t;

Em，i——單位原材料開采獲取的碳排放，t/t;

Et，i——單位原材料運輸?shù)奶寂欧?，t/t。

式(2)中，Em，i可按(3)式計算:

式中:Ei，x——單位原材料使用品種能源的碳排放因子，(kg/kg)(見表1);

Q——單位i原材料的能源消耗量，kg。

式(2)，Et，i可按(4)式計算:

式中:CEi，x——單位i原材料使用x品種能源的單位能耗，MJ·km－1(見表1);

D1——單位i原材料的運輸距離，km;

ηx——單位原材料燃料的有效二氧化碳排放因子，kg.TJ－1(見表2)。

表1 不同運輸方式的單位能耗[6，17]

表2 部分燃料的有效二氧化碳排放因子[6]

2.單位蒸壓粉煤灰標磚生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放計算(Ep)

通過對國內(nèi)現(xiàn)有蒸壓粉煤灰標磚生產(chǎn)方式的查找和分析，總結(jié)出國內(nèi)普遍的蒸壓粉煤灰標磚生產(chǎn)流程[18-19]，如圖2 所示。

蒸壓粉煤灰標磚生產(chǎn)階段的碳排放來自粉碎機、攪拌機、輪輾機、蒸壓釜的電耗，而其主要原料粉煤灰是火力發(fā)電廠的煤燃燒后留下的廢棄物，即粉煤灰本身不產(chǎn)生碳排放，同時粉煤灰是煤燃燒的環(huán)境流出物，不計其碳排放，故此階段碳排放可按式(5)計算:

圖2 蒸壓粉煤灰標磚生產(chǎn)流程

ηe——電能的二氧化碳排放因子，kg/kWh(取值 0.8592kg/kWh[20]);

M——蒸壓粉煤灰標磚的相應(yīng)產(chǎn)量，t。

3.單位蒸壓粉煤灰標磚運輸油耗產(chǎn)生的碳排放計算(Et)

的計算同理公式(4)可得，即:

其中，CEx——單位該種建筑材料使用x品種能源的單位能耗，MJ.km－1(見表1)#;

D2——單位該種建筑材料的運輸距離，km。

4.單位蒸壓粉煤灰標磚使用階段和拆除處置階段的碳排放計算(Eu、Ee)

在使用階段，通過對國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的分析總結(jié)，可以得出蒸壓粉煤灰標磚在使用階段的碳排放可忽略不計，需要指出的是在使用階段，為了保證建筑的使用而消耗的能源不計入建筑材料的碳排放中，因為這部分碳排放并不是為了保證建筑材料的某種需求而產(chǎn)生的。并且拆除處置階段由于數(shù)據(jù)獲取困難且相對前幾個階段碳排放量很小，故本文不計算拆除處置階段的碳排放量，即蒸壓粉煤灰標磚使用階段碳排放計算式如下:

綜上所述，蒸壓粉煤灰標磚的單位碳排放量(t/t)計算公式可表示為:

3.2 蒸壓粉煤灰標磚的計算與分析

由于各地蒸壓粉煤灰標磚的原材料產(chǎn)地不同，其成分和運輸距離等也會有所差異。因此，本文以位于鄂州建材產(chǎn)業(yè)園某6億塊/年蒸壓粉煤灰標磚生產(chǎn)項目為例說明建筑材料制品碳排放測算的原理和方法。通過對鄂州建材產(chǎn)業(yè)園某6億塊/年蒸壓粉煤灰標磚生產(chǎn)項目的不完全統(tǒng)計[21]，以及運用現(xiàn)階段已知權(quán)威發(fā)布的各類原材料和能源碳排放因子的情況下，計算單位蒸壓粉煤灰標磚的碳排放量并分析各原材料及各階段對蒸壓粉煤灰標磚單位碳排放的影響值，以提出降低其碳排放的途徑方法。在對鄂州該項目及有關(guān)蒸壓粉煤灰標磚文獻的總結(jié)分析后確定本文蒸壓粉煤灰標磚各原材料的配合比，即粉煤灰∶細骨料∶石灰∶石膏=63∶25∶10∶2[18-19]。原材料來源調(diào)研數(shù)據(jù)及蒸壓粉煤灰標磚的產(chǎn)量及銷售范圍如表3所示。

表3 原材料來源及蒸壓粉煤灰標磚調(diào)研數(shù)據(jù)[21]

續(xù)表

根據(jù)上述調(diào)研結(jié)果，帶入式(1)～(7)，單位蒸壓粉煤灰標磚碳排放量計算結(jié)果見表4。

表4 單位蒸壓粉煤灰標磚碳排放量計算結(jié)果

由以上計算可知，影響蒸壓粉煤灰標磚碳排放的主要因素是原材料中的石灰生產(chǎn)獲取的碳排放(占47.9%)和蒸壓粉煤灰標磚生產(chǎn)階段蒸壓碳排放(占29.1%)。因此，要降低蒸壓粉煤灰標磚碳排放的有效途徑一是改進石灰生產(chǎn)工藝，減少石灰碳排放;二是要繼續(xù)改進蒸壓釜，以電力驅(qū)動的蒸壓釜代替燃煤蒸壓釜，提高蒸壓釜的封閉性和保溫性，最大程度減少能量損耗。

4 總結(jié)

如今，我國十分重視溫室氣體減排，并向全世界莊嚴許下我國的減排目標。而要實現(xiàn)這一減排目標，建筑行業(yè)減排勢在必行。因此，本文通過分析已有研究成果，提出基于全生命周期理論，將建筑材料制品碳排放測算分為五個階段，詳細分析每個階段碳排放來源及制定了相應(yīng)階段的碳排放計算公式，并將研究成果應(yīng)用于蒸壓粉煤灰標磚單位碳排放測算中，得出了蒸壓粉煤灰標磚的單位碳排放量，促進了蒸壓粉煤灰標磚碳排放研究。結(jié)果表明本文的研究成果較為全面、科學的分析測算了建筑材料制品碳排放量，并為減少建筑材料制品碳排放的努力方向提供了依據(jù)。希望通過本文的介紹，能夠?qū)ㄖ牧现破诽寂欧畔禂?shù)的測定提供參考，推動建筑行業(yè)減排事業(yè)的發(fā)展。

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