竹建筑材料全生命周期碳足跡測算及碳匯優(yōu)勢研究

許培玉 朱建君 徐霄梟 李海濤 熊振華

摘要：

為了緩解全球變暖的嚴峻形勢，響應“2030碳達峰、2060碳中和”目標，實現(xiàn)建筑業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，研究選定竹集成材為研究對象，利用碳排放因子法，識別并探討竹建筑材料全生命周期的碳源和碳匯。在實地調(diào)研的基礎上，分析了竹集成材在生產(chǎn)制作、材料運輸及施工安裝階段的資源消耗量和碳排放，研究了原竹種植與竹建筑構(gòu)件拆除回收階段的碳匯特性。研究發(fā)現(xiàn)：單位體積（1 m3）的竹結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件全生命周期的平均碳足跡為-187 kg CO2，碳匯可能性達67.06%，即竹建筑材料的全生命周期碳足跡總體表現(xiàn)為碳匯，有利于控制氣候變暖。在對比分析了不同建筑構(gòu)件在物化階段的碳足跡后，明確了竹建筑材料的碳儲存優(yōu)勢。

關(guān) 鍵 詞：

竹建筑材料； 竹集成材； 全生命周期； 碳匯； 碳排放因子法

中圖法分類號： TU72；TU-023

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.012

0 引 言

建筑業(yè)是全球溫室氣體排放的主要來源之一。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告，全球36%的碳排放源于建筑業(yè)的能源使用，占全球溫室氣體總排放量的1/4［1］，全球變暖已成為目前亟待解決的嚴峻問題。在此背景下，中國已提出“2030碳達峰、2060碳中和”目標，建筑業(yè)節(jié)能減排勢在必行。中國“十四五”規(guī)劃明確指出，需要增加森林覆蓋率、推進建材行業(yè)綠色化改造［2］。竹材作為一種可持續(xù)性建材，每公頃竹林固碳量達5.09 t，是杉木的1.46倍，熱帶雨林的1.33倍［3］；且相同生長條件下，竹子年產(chǎn)值可達78.3 t，是木材的4.47倍，其可持續(xù)性是木材的20倍以上［4］。因此增加竹產(chǎn)品的碳儲量對實現(xiàn)“森林增匯”、緩解全球變暖具有重要意義。

竹材具有良好的機械性能［5］和觀賞性［6］，竹材從力學特性上已被證實具有替代混凝土和木結(jié)構(gòu)的能力［7］。然而其生態(tài)固碳方面的優(yōu)勢未被發(fā)掘，僅有少量學者進行了竹建筑材料的全球變暖優(yōu)勢研究。荷蘭MOSO研究中心基于生命周期評價（LCA），討論了工業(yè)竹制品的環(huán)境影響及碳匯的定義與計算［8］；Restrepo等通過消費指數(shù)進行能量分析，討論研究了哥倫比亞竹板制造過程中的能量和碳足跡分析［9］；李佳等

深化竹林全生命周期碳匯功能的科學評估，闡明了典型竹產(chǎn)品加工過程碳足跡的特征變化［10］；費本華等具體闡述了竹材固碳能力，從竹材碳足跡角度驗證其對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的調(diào)控作用［11］；Zhang等研究了住宅新型鋼竹復合框架結(jié)構(gòu)的生命周期碳減排潛力［12］。

建筑業(yè)碳足跡研究在明確傳統(tǒng)建材制造產(chǎn)生大量CO2排放的同時，還發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)建材進行技術(shù)改革所能緩解的碳排放是十分有限的，因此多數(shù)學者提出發(fā)展綠色建材的需求［13-14］。然而，作為綠色建材的典型代表之一，竹結(jié)構(gòu)建筑的減碳優(yōu)勢并沒有被很好地論證，竹建筑材料是需要深入研究的。因此，論文旨在量化竹建筑材料的全生命周期碳足跡，闡明其碳儲存優(yōu)勢，提供建筑業(yè)家園群落的“碳中和”路徑。

1 竹建筑材料全生命周期碳足跡理論基礎

1.1 竹建筑材料全生命周期

竹建筑材料主要是指以竹復合型材為建材的裝配式建筑主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件［6］。其中，研究選擇的竹集成材（LBL）是目前竹建筑市場使用率最高的竹建筑材料。在分析并考慮竹集成材作為生物質(zhì)資源的固碳特性及僅針對竹建筑構(gòu)件而言的運行及維護過程幾乎沒有碳的流動等特征，本文定義竹建筑材料的全生命周期為原竹種植階段，竹集成材的生產(chǎn)階段、運輸階段、施工階段和拆除回收階段等5個關(guān)鍵階段（見圖1）。

1.2 碳足跡測算方法及測算邊界界定

碳足跡的測算方法主要包括排放系數(shù)法、物料衡算法、實測法、生命周期評價法、基于過程的清單分析法和投入產(chǎn)出法等6種［15］。研究發(fā)現(xiàn)，相較于其他測算方法存在數(shù)據(jù)獲取困難、數(shù)據(jù)影響因素多、時間成本大和社會應用率低等弊端，排放系數(shù)法具有簡明清晰、易于理解和測算體系完善等優(yōu)勢，是目前學術(shù)界應用最廣泛的碳足跡計算方法，因此選取排放系數(shù)法來定量分析竹集成材的全生命周期碳足跡。

碳足跡測算邊界的界定需要根據(jù)研究對象差異具體分析，是碳足跡測算的前提和基礎［16］。竹建筑材料全生命周期碳足跡測算邊界的界定依據(jù)其全生命周期（圖1）和實質(zhì)性排放的調(diào)查，確定了人工、材料和機械能源碳足跡3類（見表1），其中“+”代表碳足跡顯示為碳源；“-”代表碳足跡顯示為碳匯，而對于邊界內(nèi)小于碳足跡總量1%的非實質(zhì)性碳足跡不予考慮［17］。

2 竹建筑材料全生命周期碳足跡測算模型

2.1 碳足跡測算依據(jù)

根據(jù)國際產(chǎn)品碳足跡評估標準PAS 2050提供的標準化方法，研究結(jié)合中國GB/T 51366-2019《建筑碳排放計算標準》進行本土化調(diào)整，按照碳排放系數(shù)法，參照碳足跡測算邊界綜合構(gòu)建竹建筑材料的全生命周期碳足跡測算模型。

3 竹建筑材料全生命周期碳足跡分析

3.1 原竹種植階段碳匯分析

竹集成材品種為最適宜建筑使用的毛竹，因此研究選擇的竹產(chǎn)地為中國長江-南嶺竹區(qū)，這里是中國毛竹研究的典型地理區(qū)域，這里不僅是中國毛竹種植量最大的區(qū)域，占據(jù)中國毛竹種植面積的80%，還是竹集成材生產(chǎn)企業(yè)的核心地區(qū)。

原竹種植階段的碳匯是基于樣地勘測進行的生物量測算，這是目前國際計量竹林固碳量的主要方法?；诖?，根據(jù)位于浙江的毛竹林的生態(tài)系統(tǒng)通量觀測報告，2011～2014年的4 a間，毛竹每年每平方米的碳匯貢獻量（S）分別為668.40，546.29，506.95 g和630.36 g，而且依據(jù)實地調(diào)研原竹種植階段的活動數(shù)據(jù)（見表2），根據(jù)式（9）得到了原竹種植階段的碳匯量。

3.2 竹建筑材料生產(chǎn)階段碳源分析

3.2.1 工藝流程

基于實地調(diào)研某竹木有限公司，獲得了竹集成材（LBL）生產(chǎn)階段的工藝流程，包括前端工廠生產(chǎn)和后端工廠生產(chǎn)兩部分，如圖2所示。

3.2.2 資源消耗量

在中國的建筑業(yè)中，竹建筑產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，掌握成熟的生產(chǎn)技術(shù)的竹產(chǎn)業(yè)數(shù)量少、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模較小。因此，為了確定有效和足夠的資源消耗量數(shù)據(jù)，研究小組接觸了竹建筑企業(yè)和大學的專業(yè)人士和教授，邀請了5位具有5～10 a竹建筑材料實踐經(jīng)驗的專業(yè)人士參加訪談，最終確定竹建筑材料在生產(chǎn)、運輸和施工階段的資源消耗特征。

基于訪談結(jié)果，研究小組對兩家竹建筑企業(yè)進行了實地調(diào)查。調(diào)查選擇的竹建筑企業(yè)在竹集成材的生產(chǎn)工藝和技術(shù)方面都有很好的代表性，是中國竹建筑領域的前沿企業(yè)，在工藝流程、資源消耗等方面可以反映目前整個竹建筑行業(yè)的基本情況。在現(xiàn)場調(diào)查中，項目小組確定了不同環(huán)節(jié)的具體工藝（見圖2），詳細觀察和記錄了每個過程中涉及的人工、材料和機械能源消耗，并全面收集了公司近3 a所有相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。其中，每項活動的人工、材料和能源的消耗都按照最小值、最大值和最可能值進行收集，基于大量的生產(chǎn)記錄信息，最終篩選確定了竹集成材生產(chǎn)階段的資源消耗量的最可能情況，如表3所示。

值得說明的是，實地調(diào)研獲得竹集成材“干燥”環(huán)節(jié)使用的生物質(zhì)燃料為173 kg，但由于生物質(zhì)燃料作為碳儲存產(chǎn)品，其燃燒所釋放的CO2來源于原材料作為有機生物生長時吸收固定的碳，不應作為其他產(chǎn)品碳足跡的組成部分［19］。

3.3 竹建筑材料運輸及安裝階段碳源分析

3.3.1 運輸階段資源消耗量

運輸是一個資源消耗差異性很大的過程，運輸方式、運輸距離等都會對資源消耗結(jié)果產(chǎn)生不同的效果。由于產(chǎn)品性質(zhì)以及國內(nèi)供求關(guān)系等因素，中國境內(nèi)竹制品的運輸主要采用公路運輸，運輸載具主要是重型柴油卡車。實地調(diào)研結(jié)果顯示，竹建筑材料運輸階段主要包括從原竹種植區(qū)到前端工廠、從前端工廠到后端工廠和從后端工廠到施工現(xiàn)場3部分?；谥窠ㄖ髽I(yè)近3 a的訂單記錄確定的運輸細節(jié)如表4所列。

3.3.2 施工階段資源消耗量

竹結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件作為一種預制建筑構(gòu)件，施工過程受企業(yè)能力、施工環(huán)境等因素影響較大，而且竹結(jié)構(gòu)建筑作為一種新型建筑模式，竣工項目稀少，難以說明竹建筑材料基本的施工消耗。為了消減這種影響，論文根據(jù)住房建設部2016年發(fā)行的TY 01-01（01）-2016《裝配式建筑工程消耗量定額》中裝配式木結(jié)構(gòu)建筑工程安裝定額，結(jié)合調(diào)查企業(yè)參與竣工的竹建筑項目的施工數(shù)據(jù)，最終確定了竹建筑材料在施工階段的資源消耗數(shù)據(jù)，如表5所列。

3.4 竹建筑材料拆除回收階段碳匯分析

竹建筑材料作為一種可回收利用的建材，應根據(jù)其再利用途徑進行碳匯的分類探討。由文獻檢索及實地調(diào)研得知，竹建筑材料拆除回收再利用的途徑主要作為其他竹產(chǎn)品或生物質(zhì)燃料的原材料銷售。竹建筑材料被拆除后，如果經(jīng)檢查認定性能良好，則作為其他竹產(chǎn)品的原材料處理，而對于剩余竹建材，則以生物質(zhì)燃料的形式出售。

竹建筑材料以原材料的形式參與其他竹產(chǎn)品的生產(chǎn)階段（竹木材回收利用率γ至少達80%［19］），替代了同體積的竹材料的使用，換言之，不僅額外生產(chǎn)了更多的產(chǎn)品，還減少了原本應加工此竹材造成的CO2排放。因此，通常認定此過程中被再利用的竹建筑材料減少了原本應生產(chǎn)的CO2排放，是一種特殊形式的碳匯。除此之外，對于剩余未處理的竹建材，則以生物質(zhì)燃料進行出售。但由于竹集成材是一種碳儲存產(chǎn)品，作為生物質(zhì)燃燒時并不會造成額外的CO2排放，僅是將其相應體積的毛竹在種植階段固定并儲存的碳排出。竹建筑材料作為一種可持續(xù)性利用的綠色建材，其回收利用提供了巨大的建筑減碳空間［20］。

3.5 碳排放因子分析

本文選取了中國工程院、國家發(fā)展和改革委員會能源研究所和IPCC國家溫室氣體排放清單指南等權(quán)威機構(gòu)研究數(shù)據(jù)，綜合考慮碳排放因子選取的可靠性原則、就近性原則與平均性原則［21］，確定了人工、材料資源和機械能源（化石能源和電力）的碳足跡因子數(shù)據(jù)。相關(guān)數(shù)據(jù)如表6所列。

4 結(jié)果與討論

4.1 竹建筑材料全生命周期碳足跡測算

本文基于1 000次的蒙特卡洛模擬分析，確定了竹建筑材料在全生命周期的碳足跡分布情況。由于考慮供應運輸（從后端工廠到施工現(xiàn)場）范圍的全面性，本研究首先將此環(huán)節(jié)的運輸距離定義在100～1 000 km的最大范圍，結(jié)果顯示，竹集成材在全生命周期具有37.66%的概率實現(xiàn)CO2的凈儲存（EFt<0），平均碳足跡為59.70 kgCO2（圖3（a））。而實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，竹建筑企業(yè)的主要供應運輸范圍在100～600 km。因此，研究再次將此環(huán)節(jié)的運輸距離定義為最可能范圍，結(jié)果顯示，竹建筑材料全生命周期的平均碳足跡基本穩(wěn)定在-31 kgCO2，碳匯可能性達到54.04%（圖3（b）），即在正常供應范圍內(nèi)，可以認定表現(xiàn)為碳匯。這一結(jié)果積極地表明，只要合理控制各階段的CO2排放，就可以實現(xiàn)竹建筑材料的碳中和，甚至是碳匯。同時，這一結(jié)果變化也指明了竹建筑領域產(chǎn)業(yè)化低的弊端，更為竹建筑企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化提供了方向。

在不同階段中，竹建筑材料在原竹種植階段與拆除回收階段體現(xiàn)為碳匯，其中以原竹種植階段碳匯量最大。盡管原竹種植階段存在因砍伐、澆灌和施肥等活動產(chǎn)生的CO2，但仍遠小于其光合作用固定的碳。生產(chǎn)階段、運輸階段和施工階段則體現(xiàn)為碳源，生產(chǎn)階段是碳排放的最大貢獻者，排放了全生命周期約83%的CO2，這大概是由于生產(chǎn)階段復雜的工藝流程和龐大的資源消耗產(chǎn)生的；其次為運輸階段，這是由于預制構(gòu)件運輸難以規(guī)避的弊端導致的。因此，想要進一步提升竹建筑材料的碳匯優(yōu)勢，有必要對其各階段進行詳細分析，針對性地優(yōu)化。

4.2 竹建筑材料全生命周期減碳分析

基于實地調(diào)查情況，竹建筑材料全生命周期相關(guān)資源存在過度使用的情況，并且部分運輸環(huán)節(jié)由于技術(shù)升級可以進行規(guī)避，因此可將資源進行調(diào)整，而不影響企業(yè)正常的生產(chǎn)（見表7）。

基于資源調(diào)整，研究以蒙特卡洛進行了竹建筑材料的減碳分析。最終，測算得出1 m3竹建筑材料的平均碳足跡為-187 kgCO2，碳匯可能性達67.06%（見圖4）。竹建筑材料全生命周期碳足跡表現(xiàn)為碳匯，有利于控制氣候變暖。

4.3 不同建筑構(gòu)件碳足跡對比分析

目前學術(shù)界對不同建材碳足跡的研究，一般集中在物化階段，因此，研究為了充分比較分析不同建筑構(gòu)件的碳足跡量，以物化階段為邊界，分析探討竹建筑材料的碳匯優(yōu)勢（見表8）。

基于國際文獻研究，確定了不同建筑材料的碳足跡情況。此外，文獻顯示，鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件物化階段可以比現(xiàn)澆式建筑節(jié)約30%碳排放［25］。因此，不同建筑構(gòu)件物化階段的碳足跡量表現(xiàn)為現(xiàn)澆混凝土建筑構(gòu)件＞裝配式混凝土建筑構(gòu)件＞鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件＞木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件＞竹結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件，竹結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件碳匯性能優(yōu)越。

5 結(jié) 語

本文基于碳排放因子法，測算竹建筑材料全生命周期的碳足跡，研究了竹建筑材料全生命周期碳源、碳匯特征，對竹結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件全生命周期碳足跡進行定量分析，彌補了碳足跡分析中關(guān)于竹結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件研究的短缺。研究顯示，中國目前的竹集成材企業(yè)每生產(chǎn)1 m3的竹結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件，其全生命周期可以穩(wěn)定儲存約187 kg的CO2，竹建筑材料全生命周期碳足跡表現(xiàn)為碳匯，有利于控制氣候變暖，是一種能夠促進建筑業(yè)綠色發(fā)展的可持續(xù)性建材。并且通過對比分析，竹結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件在同體積建筑構(gòu)件的物化階段具有明顯的減碳優(yōu)勢，竹建筑材料是一種優(yōu)于同類型建筑構(gòu)件的長期碳儲存的綠色產(chǎn)品。

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（編輯：黃文晉）

Abstract：

In order to alleviate the severe situation of global warming and to achieve green and sustainable development of the construction industry in response to the goal of 2030 carbon peak and 2060 carbon neutral，we selected laminated bamboo lumber as the research object，and used the carbon emission factor method to identify and explore the carbon sources and sinks of bamboo construction materials throughout the life cycle.Based on a field research，the resource consumption and carbon emission of laminated bamboo lumber in the production，material transportation and construction phases were analyzed，and the carbon sink characteristics of raw bamboo planting and dismantling and recycling of bamboo building components were studied.It was found that the average carbon footprint of bamboo building components per unit volume（1m3）over the whole life cycle was-187 kgCO2，with a carbon sink possibility of 6706%，i.e.the whole life cycle carbon footprint of bamboo construction materials was generally a carbon sink，which was beneficial to climate warming control.Finally，the carbon footprints of different building elements at the materialization phase were compared and analyzed，and the carbon storage advantages of bamboo construction materials were clarified.

Key words：

bamboo construction materials；laminated bamboo lumber；whole life cycle；carbon sink；carbon emission factor method