基于LCA法的木結(jié)構(gòu)建筑使用階段碳排放探討?

徐偉濤

（國(guó)家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100010）

全球年溫室氣體排放量中約30%來(lái)自建筑業(yè)，因此建筑形式對(duì)氣候變化起著至關(guān)重要的作用[1-2]。木材是一種可以固碳的綠色材料，生長(zhǎng)每立方米木材可減少約1 t二氧化碳的排放[3-4]。木質(zhì)建材在其生命周期中的碳排放量遠(yuǎn)低于現(xiàn)代建材，用其建造的木結(jié)構(gòu)建筑在節(jié)能、抗震、環(huán)保、耐久等方面的性能均優(yōu)于鋼筋混凝土建筑[5-8]。在木結(jié)構(gòu)建筑生命周期中，建筑使用維護(hù)階段是持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、對(duì)碳排放影響最大的階段。本文采用生命周期分析法，研究木結(jié)構(gòu)建筑在使用過(guò)程中影響其碳排放的主要因素和量化方法，在此基礎(chǔ)上針對(duì)性地提出了減少木結(jié)構(gòu)建筑碳排放的具體措施。

1 木結(jié)構(gòu)建筑生命周期

產(chǎn)品生命周期一般理解為一件產(chǎn)品從產(chǎn)生到消亡的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)完整的產(chǎn)品生命循環(huán)。生命周期分析（Life cycle analysis, LCA）是一項(xiàng)用于量化產(chǎn)品從原材料開(kāi)采、運(yùn)輸、生產(chǎn)、使用到廢棄處理或回收利用的過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境影響的方法[9-11]。

在LCA視角下，建筑的生命周期包括以下幾個(gè)階段[12-15]：1）資源開(kāi)采階段：原材料資源的開(kāi)采和運(yùn)輸； 2）建材生產(chǎn)階段：建材的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸?shù)龋?）建筑建造階段：建材的安裝固定、建筑的構(gòu)建等；4）建筑使用維護(hù)階段：建筑在使用過(guò)程中采暖、通風(fēng)、供水、空調(diào)、照明等的能耗，是整個(gè)建筑生命周期中最長(zhǎng)的階段；5）建筑拆除回收階段：包括建筑結(jié)構(gòu)的拆卸和材料處理、廢棄物的回收和再利用等。木結(jié)構(gòu)建筑的生命周期包含同樣的五個(gè)階段，北美采用LCA法系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)環(huán)境的影響，包括對(duì)原材料開(kāi)采、設(shè)備生產(chǎn)和構(gòu)件加工制造、建筑工程施工安裝、運(yùn)行維護(hù)和拆除回收等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行跟蹤和分析評(píng)估，建立起木結(jié)構(gòu)材料環(huán)境性能的數(shù)據(jù)庫(kù)[16]。LCA經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和完善，目前已成為評(píng)估木結(jié)構(gòu)建筑環(huán)境性能的主要方法之一[17-20]。

2 木結(jié)構(gòu)建筑碳排放

2.1 建筑碳排放概述

LCA中一項(xiàng)重要的環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)是碳排放量。GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中定義建筑碳排放是指建筑物在與其有關(guān)的建材生產(chǎn)及運(yùn)輸、建造及拆除、運(yùn)行階段產(chǎn)生的溫室氣體排放的總和。據(jù)《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2019）》統(tǒng)計(jì)，2017 年，我國(guó)建筑碳排放總量為22.4 億t二氧化碳，占全國(guó)的19.5%。

2.2 使用階段碳排放研究概論

建筑使用和維護(hù)階段指從建筑建成至建筑拆除的這一段時(shí)間[21]。建筑使用維護(hù)階段是木結(jié)構(gòu)建筑生命周期中時(shí)間最長(zhǎng)的階段，也是影響碳排放的最重要環(huán)節(jié)。中國(guó)建筑科學(xué)研究院對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑在生命周期不同階段的碳排放進(jìn)行了比較研究[22]，結(jié)果顯示：如果將建筑整個(gè)生命周期碳排放以100%來(lái)計(jì)，建筑在使用和維護(hù)過(guò)程中的碳排放占整個(gè)生命周期碳排放的82.8%～95.4%。其他階段碳排放分別為：建材開(kāi)采和生產(chǎn)碳排放占0.8%～12.1%，建材運(yùn)輸碳排放占0.1%～0.3%，建筑建造和拆除碳排放占1.9%～2.4%。

2.3 使用階段碳排放量化指標(biāo)

木結(jié)構(gòu)建筑使用過(guò)程中，采用LCA法量化計(jì)算碳排放主要考慮兩個(gè)方面：

一是建筑使用時(shí)消耗的終端能源類型以及能源結(jié)構(gòu)形式。建筑在使用過(guò)程中消耗的能源結(jié)構(gòu)形式以終端能源計(jì)算，包括固體化石燃料、各種廢棄物及各類生物燃料等，這些不同類型的能源消耗匯總為總能耗；再根據(jù)不同能源的碳排放因子（參照GB/T 51366—2019中附錄A選?。┯?jì)算出建筑物總的碳排放量。具體計(jì)算過(guò)程考慮以下幾個(gè)因素[22]：1）暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗包括冷熱源能耗、輸配系統(tǒng)及末端空氣處理設(shè)備能耗；2）生活熱水年耗熱量根據(jù)建筑的實(shí)際使用情況計(jì)算，考慮用水人數(shù)、用水溫度和使用習(xí)慣等參數(shù)；3）照明系統(tǒng)能耗計(jì)算采用的照明功率密度應(yīng)同設(shè)計(jì)文件一致，并考慮自然采光、控制方式和使用習(xí)慣等因素；4）電梯系統(tǒng)能耗考慮電梯速度、額定載重量、特定能量消耗等參數(shù)；5）可再生能源系統(tǒng)包括太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

二是建筑設(shè)計(jì)使用壽命，即耗能持續(xù)時(shí)間。 GB 50352—2019《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》將普通建筑設(shè)計(jì)使用壽命定為50 年。基于以上兩個(gè)方面，建筑使用階段單位建筑面積的總碳排放量（CM）按下列公式計(jì)算：

式中：CM為建筑運(yùn)行階段碳排放量，kgCO2/m2；Ei為建筑第i類能源年消耗量，kg/a；EFi為第i類能源的碳排放因子；Ei,j為j類系統(tǒng)的第i類能源消耗量，kg/a；ERi,j為j類系統(tǒng)消耗由可再生能源系統(tǒng)提供的第i類能源量，kg/a；i為建筑消耗終端能源類型，包括電力、燃?xì)?、石油、市政熱力等；j為建筑用能系統(tǒng)類型，包括供暖空調(diào)、照明、生活熱水系統(tǒng)等；Cp為建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量，kgCO2/a；y為建筑設(shè)計(jì)使用壽命，a；A為建筑面積，m2。

3 減少木結(jié)構(gòu)建筑碳排放措施

國(guó)內(nèi)目前城鎮(zhèn)化建設(shè)、城鄉(xiāng)改造都需要大量建造住宅建筑，其中多數(shù)建筑在使用期間將消耗大量能源，造成更多溫室氣體排放[23]。建筑的生命周期一般長(zhǎng)達(dá)幾十年，如何通過(guò)節(jié)能減排措施減少碳排放，是一個(gè)備受關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。對(duì)此，可著重于以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究與應(yīng)用實(shí)踐。

3.1 采用新型建材或先進(jìn)建造技術(shù)

近年來(lái)研發(fā)應(yīng)用的低能耗建筑、節(jié)能建筑、綠色建筑等多是針對(duì)建筑的使用階段研究設(shè)計(jì)的，通過(guò)新型建材或先進(jìn)建造技術(shù)降低建筑使用階段的能耗，從而降低建筑的碳排放量[24]。例如優(yōu)化建筑外形設(shè)計(jì)，控制建筑體型系數(shù)，使建筑盡量設(shè)計(jì)規(guī)整，減少外圍面積的散熱；加強(qiáng)新型建筑材料和技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，在建筑與外界接觸部分盡量采用高效保溫復(fù)合材料及新型墻體保溫材料，提高門窗、外墻、屋頂和地面的保溫能力，減少熱損失。

3.2 著力延長(zhǎng)木結(jié)構(gòu)建筑使用壽命

由于大量的碳儲(chǔ)存在木結(jié)構(gòu)建筑的木制構(gòu)件中，因此延長(zhǎng)木質(zhì)建材的使用壽命可確保碳儲(chǔ)存時(shí)間盡可能延長(zhǎng)，從而減少碳排放[25]。因此需要做到科學(xué)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，施工期間做好防潮、防腐、防火以及使用過(guò)程中良好的維護(hù)保養(yǎng)。例如，經(jīng)過(guò)防腐處理的木材平均使用壽命可延長(zhǎng)3～5 倍；經(jīng)過(guò)阻燃處理的木材可以顯著提高木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火性能；經(jīng)過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)的木質(zhì)建材可以大幅度提高物理力學(xué)性能，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。

3.3 采用多項(xiàng)節(jié)電節(jié)能措施

大量采用節(jié)能家電和照明器具，發(fā)展和完善以集中供熱為主、多種供熱方式相結(jié)合的城鎮(zhèn)供熱采暖系統(tǒng)。依據(jù)上文中建筑使用階段單位建筑面積的總碳排放量計(jì)算公式，對(duì)于同一個(gè)建筑，即使能耗不變，通過(guò)更改能源結(jié)構(gòu)形式，碳排放量也會(huì)發(fā)生很大變化，因此應(yīng)充分利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等自然資源，降低能源的碳排放因子，可以使計(jì)算得到的總碳排放量數(shù)值減少。

4 結(jié)語(yǔ)

使用木結(jié)構(gòu)建筑并采取節(jié)能減排措施可以顯著減少建筑使用過(guò)程中的碳排放，從而降低其整個(gè)生命周期的總碳排放量，以此減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，在應(yīng)對(duì)全球氣候變化的背景下具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。木結(jié)構(gòu)建筑是節(jié)能環(huán)保的綠色建筑，在適宜的區(qū)域和條件下大力發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑有利于更快更好地實(shí)現(xiàn)綠色和可持續(xù)發(fā)展。