雙碳背景下鋼結構碳排放研究進展*

李慶偉, 岳清瑞, 金紅偉, 馮 鵬

(1 清華大學土木工程系，北京 100084；2 中國鋼結構協會，北京 100088；3 北京科技大學城鎮(zhèn)化與城市安全研究院，北京 100083)

0 引言

近年來世界各地出現了較多的極端天氣事件,導致數以萬計的人流離失所,造成巨額經濟損失。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2021～2022年陸續(xù)發(fā)布了第六次評估報告的三個工作組報告。其中第一工作組報告《氣候變化 2021:自然科學基礎》[1]明確指出,地球平均氣溫相比工業(yè)革命前已經升高1.1℃,全球升溫主要歸因于人類活動、燃燒化石燃料和土地利用造成的溫室氣體排放。國際能源署發(fā)布《全球能源回顧:2021年二氧化碳排放》[2]指出,2021年,全球能源領域碳排放達到363億t,創(chuàng)下歷史最高紀錄,中國碳排放量約占世界總碳排放量的30%。聯合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布《2021年全球建筑建造業(yè)現狀報告》[3]指出,2020年建筑業(yè)碳排放占全球碳排放的37%,其他基建領域占10%,全球建筑業(yè)碳排放量十分巨大。中國建筑節(jié)能協會發(fā)布的《中國建筑能耗與碳排放研究報告(2021)》[4]指出,建筑領域(含鋼鐵、水泥等建材)碳排放占比為50.6%。建筑業(yè)作為能源消耗和碳排放量較高的傳統行業(yè),應積極采取轉型升級措施,降低能源消耗,減少碳排放,實現綠色可持續(xù)發(fā)展。

基于以上研究背景,建筑碳排放研究迅速成為建筑行業(yè)研究熱點。建筑常用結構形式包括鋼筋混凝土結構、鋼結構、木結構等。木結構在我國應用較少,混凝土結構和鋼結構應用相對廣泛。與混凝土結構相比,鋼結構具有輕質高強、抗震性能好、施工周期短、綠色環(huán)保、便于工業(yè)化生產、可循環(huán)利用等優(yōu)點,屬于典型的綠色環(huán)保節(jié)能型結構,符合循環(huán)經濟和低碳綠色發(fā)展的要求,近年來得到土木工程領域的持續(xù)關注,并迅速發(fā)展。根據中國鋼結構協會統計數據[5],2021年我國鋼結構產量達到了9700萬t,近10年來平均增長率達10%以上,如圖1所示。十三五期間,北京大興國際機場航站樓項目、500m口徑球面射電望遠鏡項目、國家速滑館項目、北京中信大廈項目等一系列標志性建筑順利完成,彰顯了鋼結構的優(yōu)勢。積極推廣應用鋼結構有助于實現藏鋼于民的國家戰(zhàn)略,有助于推動我國建筑業(yè)節(jié)能減排工作,有助于加快實現建筑工業(yè)化、標準化、數字化,促進建筑業(yè)轉型升級和高質量發(fā)展,因此積極開展鋼結構建筑碳排放研究具有重要的戰(zhàn)略意義、生態(tài)意義和社會意義。

圖1 近10年鋼結構加工量趨勢圖

1 國內外研究進展

鋼結構與傳統現澆混凝土結構相比,制造安裝及拆除回收等過程具有明顯不同,其碳排放研究與混凝土結構有很大區(qū)別。第一,鋼結構的主體材料為鋼材,用鋼量要比一般混凝土結構要高,鋼材的碳排放因子取值很重要,直接關系到鋼結構碳排放量計算的準確程度;第二,鋼構件通常在加工廠內制作加工,加工精度及制作質量都要比現場施工好很多,工廠內的能耗和碳排放量需要重點關注;第三,鋼結構現場安裝通常需要大型吊裝設備,工期短,需要的勞動力較少,濕作業(yè)極少,與現澆混凝土結構有明顯不同;第四,鋼結構在消納階段,相比混凝土結構更容易拆除,且回收率高,部分構件可以直接重復利用,極大減少了碳排放量。

目前國內外針對鋼結構建筑的碳排放僅有少量研究,多是定性闡述鋼結構建筑相比混凝土建筑在能源消耗及碳排放方面具備一定優(yōu)勢,同時對建筑用鋼材碳排放因子、全生命周期碳排放計算、碳減排措施等做了一些研究。

1.1 建筑用鋼材碳排放因子研究

建筑用鋼材碳排放因子是鋼結構碳排放量化分析的基礎,直接關系到碳排放量核算的準確程度。鋼鐵產品生產過程工序多,流程長,包括煉焦、燒結、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼、深加工等環(huán)節(jié)。目前對鋼板、H型鋼、鋼筋等建筑常用鋼鐵產品的碳排放因子取值存在較大的差異。表1為研究學者對長流程鋼鐵企業(yè)鋼鐵產品碳排放因子的研究匯總。

表1 長流程鋼鐵企業(yè)鋼鐵產品碳排放因子系數研究匯總

研究學者針對部分中長流程或短流程工藝的鋼鐵企業(yè)計算了碳排放因子。中長流程工藝指不包含焦化、燒結等部分工藝,短流程工藝主要指電爐煉鋼。其碳排放因子系數如表2所示。

表2 中短流程鋼鐵企業(yè)鋼鐵產品碳排放因子系數研究匯總

建筑行業(yè)的研究學者計算了建筑用鋼碳排放因子,高源雪[15]針對全工序碳排放計算出大型鋼材、中小型鋼、中小線材、熱軋帶鋼、冷軋帶鋼的長流程工藝碳排放因子分別為2.8、2.32、2.30、2.43、2.94,相應的短流程煉鋼的碳排放因子分別為0.411、0.328、0.325、0.344、0.460。張孝存[16]經過計算得出大型型鋼、中小型鋼、鋼線材、熱軋帶鋼的碳排放因子分別為2.907、2.308、2.31、2.425。王玉[17]通過計算得出大型鋼材、中小型鋼材、冷軋帶鋼、熱軋帶鋼的碳排放因子分別為1.722、1.382、2.206、2.757。

由以上研究成果可知,鋼材碳排放因子相差較大,原因在于核算方法、數據統計口徑、核算界面劃分不同,給鋼結構碳排放計算造成了極大的困擾。研究結果中對建筑用鋼材沒有做統一細致劃分,常用鋼鐵產品如鋼板、鋼筋、H型鋼、鋼管等,每種產品的加工工藝均不相同,生產能耗也不同,碳排放因子應該予以區(qū)分。同時部分學者采用的鋼鐵廠生產數據較為陳舊,沒有考慮近年來鋼鐵企業(yè)在節(jié)能減排方面的巨大進步。因此需要鋼鐵行業(yè)與建筑行業(yè)合作,結合建筑業(yè)需求,共同給出建筑常用鋼材產品碳排放因子的權威統一數值,并根據鋼鐵行業(yè)技術進步予以定時更新,為鋼結構碳排放核算奠定堅實的數據基礎。

1.2 建筑全生命周期階段劃分研究

全生命周期理論在建筑碳排放研究中應用較廣,建筑全生命周期是指建筑物從設計到最后拆除的全過程,國內外研究學者對建筑全生命周期的階段劃分做了研究。歐洲標準BS EN 15978∶2011(建筑工程的可持續(xù)性,建筑物環(huán)境性能的評估、計算方法)[18]中明確將全生命周期分為產品階段、建造過程階段、使用階段、拆除階段共4個階段。其中產品階段分為原材料供應、運輸、加工3個子階段;建造階段分為運輸、建造安裝2個子階段;使用階段分為使用、維護、修理、更新、替換、能源消費、水消費7個子階段;拆除階段分為拆除、運輸、廢物處理、棄置4個子階段。其他研究學者對建筑全生命周期階段劃分各有不同,如表3所示。

表3 全生命周期階段劃分典型研究成果匯總

在建筑全生命周期碳排放計算方面,Shen等[20]將建筑全生命周期分為5個階段,提出了基于系數法和清單分析的計算模型,以廣州某療養(yǎng)院綜合樓為案例進行了碳排放分析。L.Luo等[21]將裝配式建筑全生命周期碳排放階段分為4個階段,并以哈爾濱、石家莊、南京、昆明、廣州等城市為例,對不同地區(qū)建筑全生命周期碳排放做了研究,認為嚴寒地區(qū)>寒冷地區(qū)>夏熱冬冷地區(qū)>溫和地區(qū)>夏熱冬暖地區(qū),且使用階段和建材生產階段碳排放量最大,是減碳重點階段。李靜等[22]建立了全生命周期碳排放計算模型,并通過北京某廠房項目計算,認為物化階段是正常使用階段一年碳排放的4.3倍,物化階段碳排放時間段,強度大,應予以重視。王曉丹[27]以天津某住宅項目為例,分析了全生命周期各階段碳排放量,認為建筑使用階段占比最大,達73.02%,建材生產階段占比23.88%。

由上述研究成果可知,歐洲標準BS EN 15978∶2011明確將全生命周期統一劃分為4個階段,而國內全生命周期階段劃分研究成果差別較大,分為3、4、5、6階段的提法都有,這給后續(xù)的全生命周期碳排放研究帶來了極大的困擾與不便。因為階段劃分不同,界面劃分不清晰,導致碳排放計算時造成漏算或重復計算的可能,使得各研究成果不具備可比性。因此鋼結構建筑應統一并明確全生命周期的各個階段劃分。

1.3 鋼結構建筑碳排放對比研究

國內外研究學者對鋼結構與混凝土結構的碳排放量進行了對比分析研究。王玉[17]對4個低層住宅建筑碳排放進行分析,其結構形式分別為重型結構(鋼結構、混凝土結構)和輕型結構(木結構、輕鋼結構),其中鋼結構比混凝土結構碳排放減少8.4%,輕鋼結構比混凝土結構減少13.6%。尚春靜等[24]對北方地區(qū)3個別墅建筑碳排放進行對比分析,其結構形式分別為木結構、輕鋼結構、鋼筋混凝土結構,結果鋼結構碳排比木結構大,比鋼筋混凝土結構小。周觀根等[25]以杭州某鋼結構人才用房為例,計算全生命周期碳排放為1 940kg/m2,比混凝土結構碳排放減少30%以上。龔先政等[26]對北京地區(qū)3個住宅建筑碳排放進行對比分析,其結構形式分別為木結構、輕鋼結構、鋼筋混凝土結構,其中鋼筋混凝土結構碳排放比輕鋼結構高44%。Zhu等[28]通過對某鋼結構住宅項目碳排放進行計算分析,得出鋼結構比混凝土結構單位面積碳排放減少5.5%,能耗減少12%。R.J.Cole[29]是較早研究混凝土結構、鋼結構、木結構的碳排放對比的學者,通過實例分析發(fā)現建造階段混凝土結構碳排放最高,鋼結構碳排放最低。鄭曉云等[30]對重慶地區(qū)一棟2層別墅碳排放進行分析,發(fā)現鋼結構比混凝土結構碳排放減少23%。W. Hawkins等[31]對混凝土結構、鋼結構、木結構等進行全生命周期碳排放對比,發(fā)現各個階段鋼結構比混凝土結構碳排放減少22%左右。Su X等[32]認為鋼結構與混凝土結構相比濕作業(yè)少,更利于保護環(huán)境,并通過案例分析表明鋼結構碳排放比混凝土結構少48.1%,鋼結構圍護結構平均傳熱系數高于混凝土,應提高保溫性能可降低使用期間能耗。A. Zeitz等[33]通過對4個不同結構形式的停車樓進行碳排放研究,發(fā)現在不考慮材料回收時,鋼結構碳排放最大。考慮鋼材回收后,鋼結構碳排放僅為原來的38.3%,且遠小于混凝土結構的碳排放量。

分析以上研究成果可知,鋼結構建筑是綠色環(huán)保型建筑,與混凝土結構相比,可減少全生命周期碳排放15%～45%,不同地區(qū)、不同結構形式、不同功能用途的建筑可能會有所差異。如果鋼構件可以直接重復利用,會有更好的碳減排效果。同時鋼結構符合我國藏鋼于民、藏鋼于建筑的國家戰(zhàn)略,作為廢鋼儲備,是唯一可替代鐵礦石的含鐵原料,是鋼鐵工業(yè)可持續(xù)展開的重要資源,應進一步推廣應用鋼結構并加強對其碳排放研究。

1.4 鋼結構建筑碳減排措施研究

鋼結構建筑規(guī)劃設計階段對全生命周期碳排放量影響最大,國內外研究學者強調要重視優(yōu)化設計工作。C.F. Dunant等[34]強調鋼結構建筑優(yōu)化設計的重要性,認為設計中應盡可能地選擇規(guī)則的網格布置,通過設計優(yōu)化最多可減少50%的建材隱含碳排放。M.P. Drewniok等[35]認為鋼結構建筑碳排放與建材用量直接相關,優(yōu)化設計是碳減排的有力措施。B. D’Amico等[36]認為設計優(yōu)化或改進是最有效的減少鋼結構建筑建材碳排放的措施,對于典型鋼框架建筑,通過設計優(yōu)化可減少碳排放23%,且不影響工期。S. Eleftheriadis等[37]認為鋼結構框架通常存在較大的優(yōu)化空間,可優(yōu)化的鋼材達到35%～46%。通過設計優(yōu)化可獲得更合適的截面,并大幅降低工程成本和碳排放量。

鋼結構加工安裝通過采用精益管理來降低成本,減少碳排放。G. Heravi等[38-39]對VSM價值流程圖管理模式在鋼結構生產線上的應用做了研究,采用精益加工可節(jié)省工期34%,降低成本16%,同時可有效降低鋼構件生產過程的碳排放量。通過案例分析認為采用精益管理方式如價值流程圖(VSM)、準時制生產(JIT)、連續(xù)流、全員維護(TPM)等可將建筑能耗和碳排放分別降低9.2%和4.4%,并大幅度減少了工作時間,降低了成本。F. Fu等[40]建議對鋼結構工程施工過程中采用精益施工原則,提高施工效率并降低碳排放。以某展館桁架工程為例,精益施工減少碳排放43.7t,碳減排效果明顯。

消納階段鋼材回收再利用對減少碳排放有重要作用。M. Pongiglione等[41]通過意大利的一個車站項目討論了鋼結構回收再利用帶來的效益,通過采用回收利用和完全使用新構件兩種方式的對比,認為回收再利用至少可減少碳排放30%。C.Z. Qiao等[42]以北京某售樓處為案例,分析了鋼結構回收再利用的效益,認為可減少80%的碳排放,回收過程中應考慮運輸距離和回收率等因素,最大限度減少碳排放。R. Minunno[43]認為回收鋼材回爐冶煉可減少碳排放60%,如果在新項目中直接使用回收鋼構件,可減少碳排放88%,效果十分明顯。A.J. Davies[44]認為鋼鐵幾乎可以無限循環(huán)使用,并以英國某鋼結構平臺為例,拆除所得鋼結構可直接用于其他項目中,可減排5.5萬t二氧化碳,若將其回收再冶煉可減少2.5萬t二氧化碳。

另外,有學者對建筑業(yè)碳稅做了研究,表明采用適當的碳稅政策有助于碳減排。Q W Shi[45]認為中國建筑業(yè)適當的碳稅為60元/t,最多不超過80元/t,既可實現碳減排目標,又可最大限度減少對宏觀經濟的影響。

2 研究中存在問題

我國建筑領域碳排放計算研究相對起步較晚,缺乏統一公認的碳排放核算方法,碳排放相關數據缺乏,碳排放核算和碳減排措施分析工作進展緩慢。尤其是針對鋼結構建筑的碳排放僅有少量研究,缺少必要的基礎數據支撐。對鋼結構明顯區(qū)別于混凝土結構的消納階段,對碳減排的貢獻及藏鋼于民戰(zhàn)略實施效果缺少有效分析。總結研究中存在的問題如下。

2.1 鋼材碳排放因子等基礎數據研究不足

鋼材碳排放因子是進行鋼結構碳排放量化分析的基礎數據,由于生產技術條件、生產工藝、不同地域、不同氣候條件等相關因素影響,不同研究人員的結果差異很大,如圖2所示。目前我國缺少相對統一且權威的鋼材碳排放因子數據。國外有較完善的數據庫,但與中國國情不同,不能直接照搬應用。應針對我國國情和鋼鐵實際生產情況,對相關參數與影響因素詳細分析,提出合理可靠的建筑用鋼材碳排放因子,為建立鋼結構全生命周期碳排放的精準計算奠定基礎。

圖2 鋼鐵產品碳排放因子散點圖

2.2 鋼結構碳排放核算體系不完善,不方便實際應用

建筑碳排放的研究多采用全生命周期理論,但不同研究人員對全生命周期的假設與限定條件不同,使得階段劃分、系統邊界等差異很大,缺乏統一、規(guī)范的核算體系與方法。部分學者按照全生命周期進行碳排放研究,但有意或無意地忽略了如鋼構件加工生產階段、使用階段中維護修繕、消納階段等碳排放的影響,造成研究結果不完整、不科學。同時因相關數據的統計半徑不同,無法與其他研究成果形成有效的對比,降低了研究成果的科學性與可靠性。目前相關標準規(guī)范中給出的建筑碳排放計算公式比較復雜,相關計算過程過于繁瑣,工作量大,難以實際操作,指導建筑設計和施工的作用十分有限。

2.3 物化和消納階段碳排放研究不足

對鋼結構建筑來說,研究物化階段和消納階段碳排放非常重要。目前使用階段碳排放研究成果豐富,但對物化階段和消納階段碳排放重視程度不夠。我國現階段建設體量巨大,建設過程周期短,物化階段碳排放貢獻十分突出。尤其是施工建造階段,工序復雜繁瑣,排放集中,需要系統收集工程量數據及施工方案信息,目前相關研究成果非常少。

拆除回收再利用是鋼結構區(qū)別于混凝土結構的顯著標志,鋼材理論上可無限循環(huán)使用,且部分應用場景下,鋼構件可以直接重復利用,減排效果非常明顯,但目前缺乏鋼結構消納階段的碳排放研究。應針對鋼結構拆除與回收再利用環(huán)節(jié),進一步梳理影響因素,設計階段即做好有利于拆除回收的節(jié)點構造,提高鋼結構回收效率,降低碳排放和能耗。

2.4 建筑碳減排措施研究不足

目前研究中對鋼結構碳減排技術進行了少量的研究與總結,但相關的分析與評價體系尚不完善,在技術措施的比選與評估中存在較大的主觀性,無法正確指導建造方案的實施。由于缺少全生命周期的考慮,很多減排措施達不到預期效果。我國建筑行業(yè)的國情與歐美等發(fā)達國家不同,由于施工規(guī)模巨大,排放相對集中,缺少針對性的建筑減排措施,尤其是針對鋼結構的相關節(jié)能減排研究很不充分,亟需盡快開展研究分析。

3 研究方向與展望

針對以上研究中存在的問題,通過梳理分析,鋼結構碳排放研究需要重點關注以下幾個方向。

3.1 建筑鋼材碳排放因子的研究

建筑鋼材碳排放因子的取值是鋼結構建筑碳排放研究的基礎數據,必須要可靠統一?，F在鋼鐵業(yè)主流是轉爐煉鋼,即由鐵礦石通過系列冶煉成鋼坯,然后通過不同的軋鋼工藝生成不同的鋼鐵產品,如圖3所示。電爐煉鋼主要是用廢鋼作原料生成鋼坯,二者的碳排放量差異非常大。目前國內電爐煉鋼占比僅為10%左右,建議采用加權平均方式確定鋼材碳排放因子取值。對于各種鋼鐵產品來說,粗鋼生產過程基本一致,然后根據后續(xù)不同軋鋼工藝的耗電、耗氣、耗油等能源消耗情況,計算不同產品的碳排放情況。筆者研究團隊目前正聯合中國鋼鐵工業(yè)協會進行鋼鐵行業(yè)相關碳排放數據收集,根據收集數據和鋼鐵行業(yè)實際生產情況進行研究分析,提出適合我國國情的建筑常用鋼材碳排放因子。

圖3 建筑鋼材生產工藝流程示意圖

3.2 鋼結構全生命周期碳排放計算模型

目前國內對建筑全生命周期的劃分存在差異,劃分范圍和界限不統一,造成了研究建筑碳排放的項目案例無法進行有效對比。對鋼結構建筑來說,全生命周期理論同樣非常適用,應建立起統一的全生命周期階段劃分。建議將鋼結構全生命周期劃分為3個階段,即物化階段、使用階段、消納階段,各個階段再細分為不同環(huán)節(jié),如圖4所示。全生命周期階段劃分要在鋼結構領域形成統一標準并予以權威發(fā)布。

圖4 鋼結構全生命周期階段劃分

根據鋼結構各個階段碳排放情況,建立碳排放核算模型。重點是物化階段和消納階段的分析,使用階段參照現有的研究成果,同時要考慮日常維修環(huán)節(jié)和改造大修環(huán)節(jié)的碳排放量。計算模型要準確可行,方便計算。為方便項目設計階段對碳排放量有所預估,應通過大量實際案例分析,對各個階段給出碳排放估算公式,方便在項目初期快速估算出該階段碳排放量。同時開展生產階段不同鋼構件加工碳排放數據庫、施工階段多目標最優(yōu)化建造方案研究、消納階段鋼結構最優(yōu)回收方案等重點專題研究。構建鋼結構碳排放模型過程如圖5所示。

圖5 構建鋼結構全生命周期碳排放核算模型

3.3 鋼結構建筑減排措施研究

應重點研究規(guī)劃設計環(huán)節(jié)鋼結構優(yōu)化、構件生產環(huán)節(jié)精益加工研究、構件運輸環(huán)節(jié)合理布局、建造安裝環(huán)節(jié)和使用階段的節(jié)能減排措施、消納階段相關措施如使用可拆卸結構、加強高性能與高效能鋼材的推廣應用等。

4 結語

鋼結構建筑是綠色環(huán)保型建筑,符合我國綠色可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經濟的理念。積極開展鋼結構碳排放研究,大力推廣應用鋼結構,是保障建筑業(yè)整體實現雙碳目標的必要手段和措施,同時有助于加強國家對鋼鐵資源的戰(zhàn)略儲備,意義十分重大。

(1)鋼結構與現澆混凝土結構相比,全生命周期內可減少碳排放15%～45%。不同地區(qū)、不同功能用途的建筑可能會有些差異。鋼結構物化階段和消納階段的碳排放是今后的研究重點。

(2)鋼結構碳減排措施研究應從全生命周期角度綜合考慮,重視設計優(yōu)化、精益建造、拆除回收等重點環(huán)節(jié)。部分應用場景下,鋼構件可以直接重復利用,會有更好的碳減排效果。

(3)在國家高度重視碳排放的新形勢下,鋼結構迎來了更好的發(fā)展機會,應在建筑業(yè)碳減排中發(fā)揮更大的作用。雙碳目標下,鋼結構行業(yè)必須要緊緊抓住重大戰(zhàn)略機遇,努力實現從鋼結構大國向鋼結構強國的轉變。