竹木結(jié)構(gòu)建筑物化階段碳排放量和碳匯評估*

李宏敏 許鑫凱 王雨桐 朱一辛

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

氣候變化是人類面臨的全球性挑戰(zhàn)，我國一直致力于綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。建筑業(yè)作為我國重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其對自然資源的消耗及對環(huán)境的污染與綠色發(fā)展理念相矛盾。繼“雙碳”目標(biāo)提出后，《2030年前碳達(dá)峰行動方案》明確提出加快推動建材行業(yè)碳達(dá)峰，加強(qiáng)木竹等低碳建材產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用。

竹木結(jié)構(gòu)建筑的能耗和碳排放量受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。黃冬梅[1]利用生命周期評價方法對竹、木和磚混三種民宅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)在資源、能源消耗和環(huán)境排放方面表現(xiàn)最優(yōu)，竹結(jié)構(gòu)對碳平衡具有積極作用。YU等[2]研究表明與磚混建筑相比，竹結(jié)構(gòu)在滿足相同功能要求時，其能耗和碳排放量更少。既有研究表明：竹木結(jié)構(gòu)建筑在節(jié)能減排方面具有顯著優(yōu)勢。目前關(guān)于木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳排放對比計(jì)算研究較多[3-5]，但較少關(guān)注竹結(jié)構(gòu)和竹木結(jié)構(gòu)在碳排放量方面的差異。此外，關(guān)于連接件的碳排放量計(jì)算方法，及其在不同類型建筑中的貢獻(xiàn)度等問題尚未闡明，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確評估竹木結(jié)構(gòu)的碳排放量。

針對以上問題，本文對比分析了多種建材的碳排放量，基于建筑物施工生命周期內(nèi)總能量消耗，采用模型分析法對比分析了輕型木結(jié)構(gòu)和竹木結(jié)構(gòu)建筑物化階段的碳排放量和碳匯，提出了考慮連接件碳排放量的計(jì)算方法，評估了連接件碳排放量在物化階段碳排放量中的貢獻(xiàn)度，可為竹木結(jié)構(gòu)建筑碳排放量和碳匯計(jì)算提供依據(jù)。

1 建筑業(yè)碳排放

碳達(dá)峰過程包括碳排放平臺期及平穩(wěn)下降期[6]，是實(shí)現(xiàn)碳中和的前提條件。竹材和木材屬于可再生材料，竹木結(jié)構(gòu)建筑具有低碳、固碳、節(jié)約能源的作用，能夠助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)需要控制碳排放量。碳排放是指人類生產(chǎn)經(jīng)營活動過程中向外界排放溫室氣體的過程。反之，從空氣中清除二氧化碳的過程則稱為碳匯[7]。1990—2019年中國碳排放主要來源中建筑業(yè)碳排放量穩(wěn)定在前四名[6]，其碳排放占世界總排放量的25%左 右[8]。故，建筑業(yè)亟需增加碳匯量，減少碳排放，推廣綠色建筑是實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)低碳的有效途徑。相較于鋼材和混凝土等傳統(tǒng)建材，木材和竹材作為環(huán)境友好型綠色材料，具有能耗低、碳排放量少、力學(xué)性能優(yōu)良[9-10]等特點(diǎn)，正在被廣泛推廣應(yīng)用。

2 建筑材料碳排放量計(jì)算方法

在建筑生命周期內(nèi)，年均碳排放量最大的階段為物化階段[8]。竹木結(jié)構(gòu)建筑在物化過程中同樣存在碳排放，主要包括砍伐運(yùn)輸、制造加工、其它非竹木制材料生產(chǎn)及施工等過程的碳排放。其中，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放量占比最大。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）采用碳排放清單計(jì)算法，通過計(jì)算能源消耗來計(jì)算碳排放量[11]，這也是國際主流方法。常用的碳排放量計(jì)算方法[12]為排放因子法、質(zhì)量平衡法、實(shí)測法、模型分析法和投入產(chǎn)出法。其中，排放因子法便于計(jì)算，運(yùn)用較多，但適用于自然排放源較簡單的情況。

本文采用模型分析法對輕型木結(jié)構(gòu)和竹結(jié)構(gòu)的碳排放量進(jìn)行估算，考慮了直接碳排放（包括運(yùn)輸、施工和拆除階段）和間接碳排放（包括建材生產(chǎn)和金屬連接件），結(jié)合建筑物施工生命周期內(nèi)總能量消耗[13]進(jìn)行計(jì)算。

建筑物施工生命周期即物化階段總能量消耗包括制造、運(yùn)輸和施工過程的能耗，根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ec為建筑物施工初始能耗，MJ；Ee為建材制造能耗，MJ；Et為建材運(yùn)輸能耗，MJ；Ep為建筑施工能耗，MJ。Ee可由式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：m為建材質(zhì)量，t；ρ為建材密度，kg/m3；Q為生產(chǎn)每單位建材能耗，MJ/m3。質(zhì)量和密度取值依據(jù)規(guī)范[14]確定。

假定所有建筑材料使用5 t卡車運(yùn)輸[15]，運(yùn)輸能耗強(qiáng)度取值為0.8 MJ/t，每平米建筑面積施工能耗取500 MJ[16]，則Et和Ep計(jì)算公式分別見式（3）和（4）：

式中：S為建筑總面積，m2。式（1）～（4）計(jì)算結(jié)果均為能耗量，需要將能耗轉(zhuǎn)化為碳排放量。燃燒1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生29.271 MJ的內(nèi)能，節(jié)約1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)于減排2.493 kg CO2，即減排0.68 kgC[17]。因此每1 MJ的能耗相當(dāng)于0.091 kg的碳排放量，固碳量按式（5）計(jì)算。

式中：Gc為固碳量，kg；C%為竹材或木材的含碳量，%；含碳質(zhì)量用Cm表示。

3 物化階段碳排放量和固碳量計(jì)算

建筑物物化階段碳排放量計(jì)算選取輕型木結(jié)構(gòu)與竹結(jié)構(gòu)兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，探究碳排放總量和金屬連接件碳排放量在不同結(jié)構(gòu)形式中的貢獻(xiàn)度差異。

3.1 輕型木結(jié)構(gòu)物化階段碳排放估算

以都江堰市向峨小學(xué)某三層宿舍樓為研究對象[18]，該樓為典型的輕型木結(jié)構(gòu)形式。長26.4 m，寬15.8 m，層高3.6 m，建筑總面積為1 210 m2，主要結(jié)構(gòu)用材為SPF和定向刨花板（OSB） （表2），所用連接件為齒板、加強(qiáng)帶、鋼釘和錨固件（表3），細(xì)部構(gòu)造見文獻(xiàn)[18-19]。根據(jù)結(jié)構(gòu)用木材含碳量估算固碳量[20]，其主要材料生產(chǎn)能耗見表1[16]。

表1 木結(jié)構(gòu)建筑主要材料生產(chǎn)能耗Tab.1 Production energy consumption of main materials for wood structure buildings

表2 宿舍樓所用木材能耗和碳儲量Tab.2 Energy consumption and carbon storage of wood used in dormitory building

表3 宿舍樓金屬連接件能耗Tab.3 Energy consumption of metal connectors in dormitory building

連接件中，齒板型號按M-20[21]計(jì)算，尺寸為38 mm×76 mm×0.95 mm；鋼釘按φ3.7×90 mm計(jì)算[22]；釘間距采用75、100、150 mm三種；其他連接件類型包括加強(qiáng)帶和錨固件等[19]。所有連接件質(zhì)量根據(jù)體積和密度計(jì)算，鋼材密度取7.85 g/cm3。

綜合表2和表3得出，該宿舍樓結(jié)構(gòu)部分Ec約為1.686 × 106MJ，相當(dāng)于燃燒5.760 × 104kg標(biāo)準(zhǔn)煤，碳排放量約為1.436 × 105kg，單位建筑面積碳排放量為1.187 × 102kg/m2。由表2可知，該宿舍樓結(jié)構(gòu)部分木制品總含碳量為3.244×104kg，可以固定1.189×105kg二氧化碳，單位建筑面積固碳量為9.828×10 kg/m2。宿舍樓單位建筑面積固碳量為碳排放量的82.80%，說明輕型木結(jié)構(gòu)建筑的固碳量可以抵消大部分碳排放量，是低碳建筑。

由表3可得，連接件總碳排放量約為1.976×104kg，占整個建筑物化階段的13.76%。若不考慮連接件，碳排放量約為1.238×105kg，固碳量為碳排放量的96.04%。輕型木結(jié)構(gòu)宿舍樓幾乎不產(chǎn)生碳排放量，因此輕型木結(jié)構(gòu)中連接件的碳排放量計(jì)算不可或缺。

3.2 竹結(jié)構(gòu)物化階段碳排放估算

以南京林業(yè)大學(xué)某二層竹結(jié)構(gòu)別墅[1]為研究對象，其主要結(jié)構(gòu)用材重組竹（BS）、竹膠板（PB）和竹層積材（BLB）見表4，所用連接件為M20 錨栓、梁柱連接件和對拉螺栓（表5）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[23]對竹材制品碳含量的規(guī)定，對竹樓結(jié)構(gòu)部分的碳排放和碳儲量進(jìn)行估算。

表4 竹樓所用竹制品能耗Tab.4 Energy consumption of bamboo products used in bamboo building

表5 竹樓金屬連接件能耗Tab.5 Energy consumption of metal connectors of bamboo building

由表4和表5可見，竹樓結(jié)構(gòu)部分Ec約為3.540×105MJ，相當(dāng)于燃燒1.209×104kg標(biāo)準(zhǔn)煤，碳排放量約為3.015×104kg，單位建筑面積碳排放量為1.600×102kg/m2。由表4可知，竹樓結(jié)構(gòu)部分竹制品總含碳量為1.004×104kg，可固定3.680×104kg二氧化碳，單位建筑面積固碳量為2.039×102kg/m2。竹樓單位建筑面積固碳量為碳排放量的1.27倍，竹結(jié)構(gòu)在進(jìn)行碳排放的同時可以固定更多的碳，說明竹結(jié)構(gòu)建筑是負(fù)碳建筑。

由表5 可得，連接件總碳排放量占建筑物化階段的35.32%。若不考慮連接件，碳排放量約為1.950×104kg，固碳量為碳排放量的1.89 倍，接近于考慮金屬連接件碳排放量的2 倍。因此，竹結(jié)構(gòu)中連接件的碳排放量計(jì)算不可或缺。

3.3 結(jié)果分析

竹木結(jié)構(gòu)建筑碳排放顯著低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)[4]，輕型木結(jié)構(gòu)單位建筑面積碳排放量僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的35.09%和42.73%，竹結(jié)構(gòu)相應(yīng)占比分別為47.30%和57.60%（圖1）。這是由于混凝土和鋼材的碳排放系數(shù)分別為1 220 kg CO2/t和6 470 kg CO2/t，遠(yuǎn)高于木材和竹材[3]。

圖1 不同結(jié)構(gòu)建筑單位面積碳排放量Fig.1 Carbon emissions per unit area of buildings with different structures

竹結(jié)構(gòu)單位建筑面積碳排放量高于輕型木結(jié)構(gòu)，但竹結(jié)構(gòu)固碳量是輕型木結(jié)構(gòu)的2.07 倍。其它建材多為不可再生的材料如鋼筋和水泥，不具有固碳作用。因此，建筑業(yè)可通過使用竹木材料替代高碳排放量的礦物基結(jié)構(gòu)材料，增加碳匯[24]。

不同類型的木結(jié)構(gòu)物化階段碳排放量也存在較大差異[9]（圖2）。井干式木結(jié)構(gòu)單位建筑面積碳排放量最少，是輕型木結(jié)構(gòu)的55.16%；現(xiàn)代木框架結(jié)構(gòu)最多，是輕型木結(jié)構(gòu)的1.14倍；這主要是由于構(gòu)造做法不同。圖2中輕型木結(jié)構(gòu)碳排放量比3.1章節(jié)中高的原因在于計(jì)算時加入了鋼筋混凝土基礎(chǔ)。對比圖1和圖2可知，相較于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)的碳排放量較低，未來可以推廣。在整個生命周期評價中，大多數(shù)工程木產(chǎn)品具有相似的碳排放特性[3,25]，符合建筑低碳的發(fā)展要求。

圖2 不同類型木結(jié)構(gòu)的單位面積碳排放量Fig.2 Carbon emissions per unit area of different types of wood structures

4 結(jié)論

本研究通過對輕型木結(jié)構(gòu)宿舍樓和竹結(jié)構(gòu)建筑的碳排放量和碳匯的對比計(jì)算，得出以下主要結(jié)論：

1） 竹結(jié)構(gòu)單位建筑面積碳排放量是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的47.30%和57.60%，輕型木結(jié)構(gòu)的對應(yīng)占比為35.09%和42.73%，輕型木結(jié)構(gòu)單位建筑面積碳排放量最低。

2） 輕型木結(jié)構(gòu)單位建筑面積固碳量為碳排放量的82.80%，固碳量可以抵消大部分碳排放量，是低碳建筑。不同類型的木結(jié)構(gòu)碳排放量存在差異，但均低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，符合木材低碳的特性。

3） 竹結(jié)構(gòu)單位建筑面積固碳量為碳排放量的1.27倍，是負(fù)碳建筑。

4） 金屬連接件在輕型木結(jié)構(gòu)和竹結(jié)構(gòu)中碳排放量占比分別為13.76%和35.32%，因而其碳排放量貢獻(xiàn)度不可忽略。