碳中和目標(biāo)下輕型木結(jié)構(gòu)建筑碳排放計(jì)算及降碳策略研究*

蔣柯夫 楊 瑛

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410001；2.湖南省自然保護(hù)地風(fēng)景資源大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410001；3.中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410001）

因溫室氣體加劇排放導(dǎo)致的全球氣候變暖問(wèn)題日益受到重視。根據(jù)《巴黎協(xié)定》溫控目標(biāo)，全球?qū)⒃?065—2070年實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。我國(guó)提出將提升國(guó)家自主貢獻(xiàn)力，承諾2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[2]。建筑業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位，其碳排放量占全國(guó)總碳排量的20%以上，且呈逐年遞增的趨勢(shì)[3]。

木材是森林碳匯的延續(xù)，碳以材料的形式固定在森林中。與其他常用建筑材料相比，木材是唯一可以循環(huán)使用的可再生綠色材料[4]。輕型木結(jié)構(gòu)建筑擁有建設(shè)整體能耗低、建設(shè)周期短、設(shè)計(jì)靈活、材料環(huán)保節(jié)能、抗震性能優(yōu)異等突出優(yōu)點(diǎn)[5]，可根據(jù)各地的人文景觀特色展現(xiàn)不同的建筑風(fēng)格，在許多國(guó)家和地區(qū)獲得了廣泛的應(yīng)用，也得到了我國(guó)國(guó)家建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心等相關(guān)部門(mén)的大力推廣與支持[6]，發(fā)展?jié)摿薮?。在我?guó)當(dāng)前碳中和目標(biāo)要求背景之下，對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期的碳排放進(jìn)行計(jì)算量化，并在降碳策略方面進(jìn)行研究，能有效提升輕型木結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，有利于控制并減少建筑業(yè)碳排放總量。目前，建筑碳排放計(jì)算已有一定研究基礎(chǔ)[7-11]，但輕型木結(jié)構(gòu)建筑相關(guān)的碳排放計(jì)算研究很少[12]。雖然國(guó)家在整體建筑碳排放計(jì)算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面有了更新[13]，但還尚未形成適合輕型木結(jié)構(gòu)建筑的碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

本研究基于全生命周期評(píng)價(jià)理論(Life Cycle Assessment，即LCA)，依照GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[13]，界定輕型木結(jié)構(gòu)建筑生命周期各個(gè)階段，優(yōu)化建立適合輕型木結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)的全生命周期碳排放計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)各階段提出降碳策略。

1 全生命周期界定

全生命周期評(píng)價(jià)起源于1969年美國(guó)中西部資源研究所（MRI），是評(píng)價(jià)一種產(chǎn)品或工藝，從產(chǎn)品原材料采集到產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、使用再到最終處置與整個(gè)生命周期各階段相關(guān)的環(huán)境負(fù)荷的過(guò)程[14]。作為一種環(huán)境影響評(píng)估方法，全生命周期評(píng)價(jià)早已在其他領(lǐng)域的產(chǎn)品及服務(wù)評(píng)估中得到了廣泛應(yīng)用，近年來(lái)也被逐漸用于建筑領(lǐng)域[15]。全生命周期評(píng)價(jià)包括四個(gè)部分，即確定研究目標(biāo)與研究范圍、清單分析、影響評(píng)價(jià)和改善評(píng)價(jià)。確定研究目標(biāo)與研究范圍是全生命周期評(píng)價(jià)研究中的第一步，也是最重要的部分，因此輕型木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期的范圍界定尤為重要。

從建筑的碳排放計(jì)算考慮，建筑全生命周期是指從建筑材料生產(chǎn)與運(yùn)輸、建設(shè)與施工、運(yùn)行與使用最后到建筑拆除與處理的全過(guò)程，且在計(jì)算的建筑物范圍內(nèi)，植物吸收并存儲(chǔ)的二氧化碳量視為建筑碳匯[13]。木材固碳的計(jì)算量化是輕型木結(jié)構(gòu)建筑碳排放計(jì)算研究中不可忽視的部分。本研究根據(jù)輕型木結(jié)構(gòu)建筑綠色生態(tài)特點(diǎn)，將全生命周期劃分為木材固碳階段、建筑材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段、建筑建設(shè)施工階段、建筑運(yùn)行使用階段、建筑拆除與處理五個(gè)階段（圖1）。

圖1 輕型木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期界定Fig. 1 Definition of the whole life cycle of light timber structure building

2 碳排放計(jì)算

依照GB/T 51366—2019[13]的規(guī)定，輕型木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期碳排放計(jì)算應(yīng)根據(jù)劃分的五個(gè)階段進(jìn)行分段計(jì)算，并將分段計(jì)算結(jié)果進(jìn)行累計(jì)。

2.1 碳吸收階段計(jì)算

輕型木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系由木框架剪力墻、木樓蓋和木屋蓋構(gòu)成[16]，主要建筑材料為木材。木材的碳儲(chǔ)量決定了該階段輕型木結(jié)構(gòu)建筑的碳吸收量。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑木材碳儲(chǔ)量計(jì)算公式[17]:

式中：CXS為輕型木結(jié)構(gòu)建筑木材碳儲(chǔ)量，kgCO2；ρ為木材基本密度，kg/m3；Mt為輕型木結(jié)構(gòu)建筑木材總量，m3；Cr為木材含碳率，%。

由式（1）可以看出，木材碳儲(chǔ)量與木材基本密度和含碳率呈正相關(guān)。木材基本密度是將材積轉(zhuǎn)化為生物量的重要因子，與木材的樹(shù)種有關(guān)[18]。在相關(guān)木材含碳量研究中，常用0.5 作為木材含碳率的通用值，但不同樹(shù)種以及同樹(shù)種不同器官的碳含率存在差異。褚芷萱等[19]統(tǒng)計(jì)分析了365 種樹(shù)木，發(fā)現(xiàn)不同樹(shù)種固碳能力差異明顯。宋良友等[20]研究發(fā)現(xiàn)，幼齡林各器官含碳量大小依次為干＞根＞葉＞枝＞皮，中林齡和成熟林各器官含碳量大小依次為干＞根＞皮＞葉＞枝，近熟林各器官含碳量大小依次為干＞根＞枝＞皮＞葉。

木材是樹(shù)木采伐后經(jīng)過(guò)初步加工的樹(shù)干或者大枝，是植物碳吸收的主要器官，也是輕型木結(jié)構(gòu)建筑主要用材。為使碳吸收階段計(jì)算更為準(zhǔn)確，應(yīng)根據(jù)不同樹(shù)種樹(shù)干器官的基本密度及含碳率來(lái)取值。

秦飛等[21]收集了100 多個(gè)喬、灌木的含碳率數(shù)據(jù)。曾偉生[22]利用各樹(shù)種木材的基本密度數(shù)據(jù)，建立了我國(guó)34 個(gè)樹(shù)種（組）的木材密度數(shù)據(jù)庫(kù)。綜合上述研究成果，整理出建筑常用木材樹(shù)種樹(shù)干器官的基本密度和含碳率（見(jiàn)表1）。

由表1研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，雖然測(cè)算方法及試驗(yàn)環(huán)境不同，但從整體數(shù)據(jù)趨勢(shì)可以看出，針葉樹(shù)樹(shù)干含碳率普遍高于闊葉樹(shù)。同時(shí)針葉樹(shù)基本密度相對(duì)較低，質(zhì)軟加工較易，生長(zhǎng)迅速，符合輕型木結(jié)構(gòu)建筑選材特點(diǎn)[23]。

表1 常用樹(shù)種基本密度和含碳率Tab.1 Basic density and carbon content of common tree species

2.2 碳排放階段計(jì)算

輕型木結(jié)構(gòu)建筑碳排放階段計(jì)算應(yīng)根據(jù)自身建筑特點(diǎn)將建筑材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段、建筑建設(shè)施工階段、建筑運(yùn)行使用階段、建筑拆除與處理四個(gè)階段碳排放量進(jìn)行分段計(jì)算，四個(gè)階段計(jì)算結(jié)果的累計(jì)即為輕型木結(jié)構(gòu)建筑碳排放階段的總量[13]。

2.2.1 建筑材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段碳排放量

輕型木結(jié)構(gòu)建筑材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段的碳排放量應(yīng)為建筑木材生產(chǎn)加工階段碳排放與建筑木材運(yùn)輸階段碳排放的合計(jì)。計(jì)算公式[13]：

式中：CJC為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材生產(chǎn)與運(yùn)輸階段碳排放量，kgCO2；CSC為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材生產(chǎn)階段碳排放量，kgCO2；CYS為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材運(yùn)輸階段碳排放量，kgCO2。

參照標(biāo)準(zhǔn)[13]要求，納入排碳計(jì)算的建筑材料的總重量不應(yīng)低于建筑中建筑耗材總重量的95%[13]。輕型木結(jié)構(gòu)建筑的工程木材主要為定向刨花板和鋸材[16]。根據(jù)木材的固碳特征，生產(chǎn)階段的碳排放計(jì)算應(yīng)包括在加工過(guò)程中間廢棄木材的固碳量損失，以及木材加工過(guò)程中因能源消耗而產(chǎn)生的碳排放，如電力消耗、熱力消耗、水消耗等[24]。根據(jù)木材的綠色再生特點(diǎn)，依照標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生的可再生建筑廢料，按其可替代的初生原料的碳排放的50%計(jì)算，并應(yīng)從建筑碳排放中扣除[13]。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材生產(chǎn)階段碳排放量計(jì)算公式為：

式中：CSC為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材生產(chǎn)階段碳排放量，kgCO2；Esc,i為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材生產(chǎn)階段第i類(lèi)能源消耗量，kWh；EFi為第i類(lèi)能源消耗對(duì)應(yīng)的碳排放因子，按標(biāo)準(zhǔn)取值(表2)；Csh為廢棄木材損耗的固碳量損失，kgCO2。

由于能耗種類(lèi)較多，其計(jì)量單位不易統(tǒng)一，在木材生產(chǎn)過(guò)程中多種能源損耗計(jì)算可按照木材生產(chǎn)加工的技術(shù)步驟[25]計(jì)算統(tǒng)計(jì)各能耗總量，再參考GB/T 51366—2019 中主要碳排放因子取值進(jìn)行換算（見(jiàn)表2）。廢棄木材的固碳量損失可按照輕型木結(jié)構(gòu)建筑碳吸收階段木材碳儲(chǔ)量公式（1）來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

表2 能源碳排放因子Tab.2 Energy carbon emission factor

式中：CYS為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材運(yùn)輸階段碳排放量，kgCO2；M為木材的消耗量，t；D為木材運(yùn)輸?shù)木嚯x，km；T為參照木材運(yùn)輸?shù)姆绞?，單位重量運(yùn)輸相應(yīng)碳排放因子，按標(biāo)準(zhǔn)取值（見(jiàn)表3）。

由公式（4）可以看出，輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材運(yùn)輸階段碳排放量與建材的運(yùn)輸距離呈正相關(guān)[26]，木材的消耗量直接影響建材的運(yùn)輸方式，通過(guò)GB/T 51366—2019中不同運(yùn)輸方式對(duì)應(yīng)碳排放因子進(jìn)行碳排放計(jì)算（見(jiàn)表3）。

表3 交通碳排放因子Tab.3 Transportation carbon emission factor

2.2.2 建筑建設(shè)施工階段碳排放量

輕型木結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)施工階段的碳排放量應(yīng)根據(jù)輕型木結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)施工工序，計(jì)算分步實(shí)施過(guò)程產(chǎn)生的碳排放總和。計(jì)算公式：

式中：CJZ為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建筑建設(shè)施工階段碳排放量，kgCO2；Ejz,i為各步驟第i步施工能源消耗總量，kWh；EFi為第i類(lèi)能源消耗對(duì)應(yīng)的碳排放因子，按標(biāo)準(zhǔn)取值(見(jiàn)表2)。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑施工基本流程為樓蓋施工-墻體施工-屋蓋施工-門(mén)窗與裝修-防火與木結(jié)構(gòu)防護(hù)[27]。施工各階段的碳排放計(jì)算主要為施工過(guò)程中的能源、動(dòng)力消耗總和[28]。計(jì)算方法參考公式（3）中輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材生產(chǎn)階段碳能源消耗的碳排放計(jì)算。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)階段碳排放量也可采用在實(shí)際建設(shè)施工中得到的數(shù)據(jù)清單進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)詳細(xì)記錄機(jī)械臺(tái)班的使用，包括各機(jī)械自身功率、使用數(shù)量、使用時(shí)長(zhǎng)等，通過(guò)統(tǒng)計(jì)消耗動(dòng)力換算碳排放量。

2.2.3 建筑運(yùn)行使用階段碳排放量

輕型木結(jié)構(gòu)建筑運(yùn)行階段碳排放量應(yīng)計(jì)算建筑運(yùn)行期間內(nèi)消耗其他能源產(chǎn)生的碳排放和利用可再生能源所降低的碳排放的合計(jì)[13]。輕型木結(jié)構(gòu)建筑運(yùn)行階段的碳排放量是整個(gè)建筑全生命周期的主要碳排放源[29]，計(jì)算公式[13]：

式中：CYX為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)施工階段碳排放量，kgCO2；Ei為輕型木結(jié)構(gòu)建筑使用期間第i類(lèi)能源消耗總量，kWh；EFi為第i類(lèi)能源消耗對(duì)應(yīng)的碳排放因子，按標(biāo)準(zhǔn)取值(見(jiàn)表2)；

式中：Ei,j為輕型木結(jié)構(gòu)建筑j類(lèi)系統(tǒng)中第i類(lèi)能源消耗總量，kWh；ERi,j為j類(lèi)系統(tǒng)消耗由可再生能源系統(tǒng)降低的第i類(lèi)能源消耗量，kWh；i為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建筑消耗終端能源類(lèi)型，包括電力、燃?xì)獾取?/p>

輕型木結(jié)構(gòu)建筑運(yùn)行使用階段能源消耗包括照明用電、暖通空調(diào)、燃?xì)饧訜岬?。該階段的碳排放量需要分戶(hù)或分區(qū)域進(jìn)行能源消耗的測(cè)算統(tǒng)計(jì)[30]，再根據(jù)碳排放因子進(jìn)行碳排放量的換算。

在輕型木結(jié)構(gòu)建筑運(yùn)行使用中，可再生能源主要集中在太陽(yáng)能、地?zé)崮芎惋L(fēng)能上。在可再生能源利用情景下，可通過(guò)地源熱泵、太陽(yáng)能光伏發(fā)電降低暖通空調(diào)冷熱源系統(tǒng)及建筑用電的能源損耗[31]。是輕型木結(jié)構(gòu)建筑運(yùn)行使用階段重要的減碳措施。

2.2.4 建筑拆除與處理階段碳排放量

輕型木結(jié)構(gòu)建筑拆除與處理階段碳排放量為拆除階段碳排放量與材料處理階段碳排放量的總和。建筑拆除階段計(jì)算公式為：

式中：CCC為輕型木結(jié)構(gòu)建筑拆除階段碳排放總量，kgCO2；Ecc,i為輕型木結(jié)構(gòu)建筑拆除第i步拆除能源消耗量，kWh；EFi為第i類(lèi)能源消耗對(duì)應(yīng)的碳排放因子，按標(biāo)準(zhǔn)取值(見(jiàn)表2)。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑拆除階段的碳排放計(jì)算與建設(shè)施工階段的碳排放計(jì)算類(lèi)似，計(jì)算分步實(shí)施拆除過(guò)程產(chǎn)生的碳排放總和，詳細(xì)計(jì)算方法參照公式（3）中建材生產(chǎn)階段碳能源消耗的碳排放計(jì)算。

在拆除木材處理方面，LY/T 3032—2018《廢棄木質(zhì)材料儲(chǔ)存保管規(guī)范》[32]等相關(guān)規(guī)范為廢棄木材分類(lèi)的方式及處理方法提供了參考依據(jù)。木材的循環(huán)利用可以提高木材的使用周期和利用率，對(duì)降低環(huán)境總能耗、減少碳排放總量有著積極作用[33]，但減少的碳排放應(yīng)計(jì)算在下一個(gè)木制品的生命周期中去，因此輕型木結(jié)構(gòu)建筑廢棄木材處理的碳排放不納入其全生命周期的計(jì)算中。

2.3 全生命周期碳排放計(jì)算

綜合上述研究，輕型木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期碳排放量應(yīng)為建筑材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段、建筑建設(shè)施工階段、建筑運(yùn)行使用階段、建筑拆除與處理階段等四個(gè)階段碳排放量的合計(jì)減去木材固碳長(zhǎng)階段碳吸收量，計(jì)算公式為：

式中：CM為輕型木結(jié)構(gòu)建筑碳排放總量，kgCO2；CSC為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材生產(chǎn)階段碳排放總量（kgCO2）；CYS為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建材運(yùn)輸階段碳排放總量，kgCO2；CYX為輕型木結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)施工階段碳排放總量，kgCO2；CCC為輕型木結(jié)構(gòu)建筑拆除階段碳排放總量，kgCO2；CXS為輕型木結(jié)構(gòu)建筑木材碳儲(chǔ)總量，kgCO2。

3 降碳策略

根據(jù)輕型木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期碳排放計(jì)算公式，分析各個(gè)階段計(jì)算公式中碳排放影響因子。通過(guò)各項(xiàng)策略措施，提升全生命周期碳吸收階段的固碳量，降低碳排放階段的碳排量，使輕型木結(jié)構(gòu)建筑更充分發(fā)揮其綠色生態(tài)作用，在整個(gè)生命周期內(nèi)達(dá)到“碳中和”甚至“負(fù)碳”的理想狀態(tài)。

3.1 建筑材料合理選擇

通過(guò)分析木材固碳階段碳吸收影響因子，木材的固碳率和基本密度越大，木材固碳量越高。但木材的硬度和同體積下的重量隨著密度的增加而增加。木材硬度增加使得木材的加工難度以及加工過(guò)程中能源的消耗增加，重量增加使木材在材料運(yùn)輸過(guò)程中的碳排放量增加。因此，輕型木結(jié)構(gòu)建筑在建筑木材的選擇中，在滿(mǎn)足建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本建筑性能、材料加工等要求的前提下，還應(yīng)綜合考慮所選木材的固碳率、基本密度以及材料在加工及運(yùn)輸中的碳排放?？赏ㄟ^(guò)計(jì)算進(jìn)行建筑材料的合理選擇，提升輕型木結(jié)構(gòu)建筑在木材固碳階段碳吸收量，降低建材生產(chǎn)與運(yùn)輸階段的碳排放量。也可發(fā)展本地原料林基地，通過(guò)選擇本地木材縮短建材運(yùn)輸距離的同時(shí)增加當(dāng)?shù)氐纳痔紖R。

3.2 木材儲(chǔ)碳周期延長(zhǎng)

輕型木結(jié)構(gòu)建筑在木材生產(chǎn)階段材料加工工藝技術(shù)方面的優(yōu)化升級(jí)，降低加工時(shí)木材損耗，提升材料性能和固碳率，提高木材中碳的固定時(shí)間和固定量。一方面降低了木材生產(chǎn)階段的碳排放，另一方面又延長(zhǎng)了輕型木結(jié)構(gòu)建筑的使用階段周期，進(jìn)而延長(zhǎng)木材的儲(chǔ)碳周期。雖然，建筑拆除階段廢棄木材的固碳量不計(jì)算在輕型木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期碳排放之內(nèi)，但提高廢棄木材的回收利用效率，實(shí)現(xiàn)木材的循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用[34]，可充分發(fā)揮木材對(duì)于碳中和目標(biāo)的碳儲(chǔ)作用。

3.3 能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在輕型木結(jié)構(gòu)建筑使用階段，應(yīng)降低傳統(tǒng)高能耗、高污染能源消耗比例，如石油、煤炭等化石能源。增加可循環(huán)、可再生的非化石能源的使用比例，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。通過(guò)優(yōu)化能源消耗結(jié)構(gòu)，降低輕型木結(jié)構(gòu)建筑使用階段的碳排放，以“節(jié)能”促“減排”。在輕型木結(jié)構(gòu)建筑木材加工生產(chǎn)階段，應(yīng)加強(qiáng)能源消耗的計(jì)量與管理，提升能源利用率，優(yōu)化木材加工的工藝技術(shù)和設(shè)備，從而降低整個(gè)木材生產(chǎn)階段的能耗及碳排放。

3.4 工程施工科學(xué)管理

在輕型木結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)及拆除等施工階段，降低碳排放必須對(duì)整個(gè)施工流程進(jìn)行科學(xué)管理，制定具有針對(duì)性的施工管理方案。加強(qiáng)建筑木材管理和應(yīng)用，減少木材在建筑施工過(guò)程中的浪費(fèi)及能源消耗，提升建筑拆除施工后木材的回收與利用。綜合考慮輕型木結(jié)構(gòu)建筑具體工程規(guī)模、施工周期、工作量等因素，加強(qiáng)工程施工技術(shù)管理，降低施工資源及成本浪費(fèi)；加強(qiáng)施工人員管理保證工程質(zhì)量，提高建筑使用壽命減少房屋建設(shè)修繕頻率。

4 結(jié)論

參照GB/T 51366—2019 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合建筑木材貯碳降碳的生態(tài)特性，優(yōu)化并建立適合輕型木結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)的全生命周期碳排放計(jì)算公式，為相關(guān)類(lèi)型木結(jié)構(gòu)建筑碳排放計(jì)算提供方法指導(dǎo)。通過(guò)計(jì)算公式中各影響因子分析，提出了合理選擇建筑木材、延長(zhǎng)木材儲(chǔ)碳周期、優(yōu)化能源消耗結(jié)構(gòu)、科學(xué)管理工程施工等降碳策略，為輕型木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行及拆除處理等階段相關(guān)方案優(yōu)化提供參考依據(jù)。