圓竹結(jié)構(gòu)景觀建筑全生命周期碳排放分析*

張展誠, 李 瑜, 孟鑫淼, 劉可為, 高 穎, 王軍龍

(1 北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083；2 北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院，北京 100083；3 國際竹藤組織，北京 100102；4 清華大學土木水利學院，北京 100084；5 杭州邦博科技有限公司，杭州 310018)

0 引言

人類溫室氣體排放量的增加將導(dǎo)致全球變暖、氣候極端事件的發(fā)生,氣候變化已經(jīng)成為人類發(fā)展面臨的最大的非傳統(tǒng)安全挑戰(zhàn)[1-2]。國際能源署《2022年二氧化碳排放》顯示,中國是世界上最大的碳排放國,在全球氣候治理中起著關(guān)鍵作用。建筑行業(yè)是造成直接和間接碳排放的主要責任領(lǐng)域之一[3]。而建筑材料的生態(tài)、保溫等特性會直接影響到建筑自身的碳排放量。因此,推行綠色低碳建筑材料是建筑業(yè)碳減排的有效方案之一。

圓竹是具有天然固碳特性的生態(tài)建材。圓竹儲量大、分布廣[4],而且具有輕質(zhì)高強的物理特性[5],是一種理想的建筑材料。近代以來,竹材仍憑借其與儒家文化的關(guān)系和其自身的竹文化,活躍在裝飾、景觀建筑中[6]。針對圓竹結(jié)構(gòu)力學性能研究已經(jīng)非常深入[7-12],但有關(guān)圓竹結(jié)構(gòu)碳排放的研究較少。雖然圓竹被普遍認為是一種低碳材料,但由于缺少圓竹碳排放因子,尚無法定量地分析圓竹結(jié)構(gòu)的碳排放量及其減碳潛力。

因此,本文通過調(diào)研圓竹加工處理的實際數(shù)據(jù),計算結(jié)構(gòu)用圓竹的碳排放因子。進一步以揚州世界園藝博覽會國際竹藤組織館“魚樂竹館”為案例,基于全生命周期評價法,對建筑物碳排放進行計算,并考慮圓竹生物固碳特性,分析圓竹建材的減排效果。最后基于清潔能源和可再生能源的使用提出圓竹結(jié)構(gòu)景觀建筑實現(xiàn)全周期減碳的路徑。

1 圓竹建材碳排放因子確定方法

1.1 圓竹建材碳排放因子的組成

根據(jù)《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366—2019)[13](簡稱碳排放標準),建筑碳排放因子是指將能源與材料消耗量與二氧化碳排放相對應(yīng)的系數(shù),用于量化建筑物不同階段相關(guān)活動的碳排放。圓竹為“魚樂竹館”建筑上部結(jié)構(gòu)的主要建筑材料,是上部結(jié)構(gòu)碳排放的主要來源。但是,圓竹的碳排放因子缺乏可靠的數(shù)據(jù)參考。因此,確定圓竹的碳排放因子是計算建筑碳排放的必要部分。圓竹的生產(chǎn)包括原材料獲取、運輸?shù)郊庸すS和建材加工三階段。其中原材料獲取階段全部由人工采伐完成,沒有消耗能源和材料。在運輸階段,圓竹是由重型柴油貨車從采伐地運輸?shù)郊庸すS,運輸距離根據(jù)實際取為75km。在建材的生產(chǎn)加工階段,需要考慮圓竹處理流程,如圖1所示。

圖1 圓竹的處理流程

1.2 圓竹建材碳排放因子的計算

基于工廠調(diào)研數(shù)據(jù),圓竹建材生產(chǎn)各階段的碳排放量如表1[14-15]所示?！棒~樂竹館”占地面積約300m3,高度約11m,使用4m長圓竹約2 000根,竹瓦約800 m2。在鋸切過程中,需要把砍伐后的圓竹切割成長度約4m的竹桿,平均每根竹桿需要被切割1.5次,每次的切割時間在6s左右,切割機的功率為2.2kW,完成2 000根4m長圓竹的切割需要用電11kWh。在蒸煮脫糖處理中,需要將圓竹在90℃堿性環(huán)境中蒸煮30min。蒸煮鍋每次可蒸煮圓竹約150根,蒸煮建筑所需圓竹需要14鍋。蒸煮鍋加熱使用竹材廢棄料為燃料,蒸煮1鍋圓竹需要消耗約300kg的竹材廢棄料。假設(shè)有2/3的竹材廢棄料充分燃燒,根據(jù)《竹材制品碳計量規(guī)程》(LY/T 3197—2020)[16],竹材的含碳率為0.5[16],每千克竹材燃燒生成約1.83kgCO2e。經(jīng)過計算,在蒸煮脫糖處理的燃燒階段碳排放為5 133.33kg二氧化碳。在蒸煮過程中共使用了8kg的氫氧化鈉,其碳排放因子參考相關(guān)文獻[14]中的數(shù)據(jù),計算得氫氧化鈉生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放量為5.06kgCO2e。因此,蒸煮脫糖處理過程中產(chǎn)生的總碳排放量為5 138.39kgCO2e;圓竹自然晾曬處理不考慮二氧化碳的排放。在通節(jié)處理中,通節(jié)設(shè)備的功率為5kW,通節(jié)設(shè)備每小時可加工4m長圓竹約50根,完成2 000根4m長圓竹的通節(jié)需要用電200kWh;在熱彎矯直處理中,矯直采用液化天然氣明火加熱,通過人工壓拉調(diào)直,每罐(約50m3)液化天然氣可矯直圓竹約100根,因此需要液化天然氣20罐。在拋光處理中,拋光機功率1.5kW,拋光機每小時可拋光4m長圓竹約100根,總耗電量30kWh;在化學藥劑處理中,直徑100mm、每根長度4m的圓竹藥劑涂布量約25g,總藥劑用量為50kg。在圓竹處理流程中,處理工具所使用的能源包括天然氣和電;其中天然氣采用碳排放標準中的主要能源碳排放因子,為55.54TJ/tCO2。天然氣的熱值采用《天然氣》(GB 17820—2018)[17]的數(shù)據(jù),為34.0 MJ /m3。電能碳排放因子選擇華東區(qū)域電網(wǎng)碳排放因子,源自《2019年度減排項目中國區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子》[18],為0.58kgCO2e/kWh。在碳排放因子的計算過程中,用到了部分化學藥品,而取得每種化學試劑碳排放因子的難度較大,同時化學試劑的用量較少,所產(chǎn)生的碳排放量對結(jié)果的影響較小,本文統(tǒng)一采用崔鵬[15]研究中化學試劑的碳排放因子簡化計算。最后由建材生產(chǎn)階段的總排放量比工程所用圓竹的質(zhì)量,計算得圓竹的碳排放因子為0.327kgCO2e/kg。在圓竹的建材加工中,圓竹的蒸煮脫糖和熱彎矯直所產(chǎn)生的碳排放較多,占全流程的93.45%。這是由于該流程熱彎所用燃料為竹材廢棄料和天然氣,能量利用效率低,在經(jīng)濟性和環(huán)保性方面都有較大提升空間。如果改用電能[19]等能源進行加熱和熱彎,可進一步降低圓竹的碳排放因子。

表1 圓竹建材各階段碳排放量

在“魚樂竹館”的建造過程中還用到了約800 m2的竹瓦。竹瓦與圓竹采用相同的運輸車輛,運輸過程中產(chǎn)生的碳排放量為70.74kg CO2e。竹瓦采用竹展開技術(shù),是由壓機將圓竹壓平后再進行二次復(fù)合壓制而成。壓機的功率為5kW,壓機每小時可壓制竹瓦約20m2,總耗電量200kWh。在竹瓦的鋸切過程中,需要把壓制而成的竹瓦切割成尺寸為0.3m×0.2m的瓦片,平均每片竹瓦需要被切割1次,每次的切割時間在3s左右,切割機的功率為2.2kW,完成800m2竹瓦的切割需要用電24.4kWh。由竹瓦生產(chǎn)階段的總排放量比工程所用竹瓦的質(zhì)量,計算得竹瓦的碳排放因子為0.027kgCO2e/kg。

2 “魚樂竹館”碳排放計算方法

2.1 碳排放邊界

揚州世園會“魚樂竹館”的鳥瞰圖和內(nèi)飾圖如圖2所示,本研究建筑工程的面積為280m2,采用建筑建設(shè)工程規(guī)劃許可范圍內(nèi),基礎(chǔ)底部水平面到最高點水平面之間的假想立體空間內(nèi)的全生命周期作為系統(tǒng)邊界。該范圍內(nèi)的材料和能源消耗產(chǎn)生的正碳排放以及可再生能源和材料帶來的負碳排放均計算在建筑全生命周期的碳排放量中。工程使用年限為20年。另外,本計算為建筑建造后對碳排放當量進行的計算。

圖2 揚州世園會“魚樂竹館”[20]

對于計算邊界,建筑全生命周期是指從建材原料開采到建筑拆除處置的全過程。根據(jù)碳排放標準規(guī)定,建筑物碳排放計算可劃分為建材生產(chǎn)及運輸階段、運行階段與建造及拆除階段。本文依據(jù)碳排放標準的方法對“魚樂竹館”的碳排放量進行計算。由于在碳排放標準規(guī)定的碳排放計算方法中缺少對建筑拆除后建材處置階段碳排放的規(guī)定,本文參考EPD(environmental product declaration)[21-22]的數(shù)據(jù)對建筑處置階段的碳排放量進行了估計。最后對使用碳排放標準計算出的建筑物碳排放結(jié)果進行分析。

2.2 碳排放計算方法

2.2.1 運行階段

根據(jù)碳排放標準的規(guī)定,建筑運行階段的碳排放量為建筑消耗的能源量乘其對應(yīng)的碳排放因子。本研究中,運行階段的碳排放源自景觀建筑內(nèi)部的吊扇和照明系統(tǒng),因此,運行階段所使用的能源為電能,選擇華東區(qū)域電網(wǎng)碳排放因子。在碳排放標準中規(guī)定的建筑物運行特征中,沒有景觀建筑相關(guān)的房間類型。本文根據(jù)實際使用需要,制作“魚樂竹館”的運行特征,其中照明部分的特征如表2所示。此外,考慮到世園會期間,揚州進入春夏季節(jié),空氣潮濕,“魚樂竹館”東西通透,在室內(nèi)設(shè)置有吊扇三臺(僅在夏季使用),功率為100W。

表2 “魚樂竹館”照明系統(tǒng)運行特征

2.2.2 建造及拆除階段

建筑建造階段的碳排放應(yīng)包括各分部分項工程施工產(chǎn)生的碳排放和各項措施項目實施過程中產(chǎn)生的碳排放。本研究中的搭建施工周期為30d,搭建中土方工程和屋架安裝需要機械的參與,各工序的工程消耗量由《房屋建筑與裝飾工程消耗量定額》確定。根據(jù)碳排放標準的規(guī)定,建筑建造及拆除階段的碳排放量為建筑建造及拆除消耗的能源量乘其對應(yīng)的碳排放因子。在建筑的建造和拆除過程中,施工機械所使用的能源為柴油。柴油的碳排放因子采用崔鵬[15]的研究數(shù)據(jù),為3.67kgCO2/kg。

因為“魚樂竹館”仍在使用期間,無法對其拆除后的建材處置方法進行確定。對于竹木制建材,如果對其進行生物質(zhì)材焚燒或作為生物質(zhì)燃料,其所固碳將被重新排入大氣中,增加碳排放量。如果采用填埋方式處理,經(jīng)過微生物分解后的竹木固碳仍會以微生物代謝的方式進入大氣。若能對竹木制建材進行回收利用,以極低的材料成本制作成竹工藝品或其他產(chǎn)品,便可減輕建材處置過程中竹木固碳重新返回大氣的影響。對于建筑使用到的其他建材,本文使用EPD中的數(shù)據(jù)對其拆除后的建材處置的碳排放量進行估計。其中竹木制建材的處置方法為焚燒。鋼材和混凝土的處置方法為回收利用。其他建材的處置方法為填埋。處置階段的碳排放因子均包括材料運輸?shù)椒謷龌蚧厥請龅?、用于再利用或再循環(huán)的材料的解構(gòu)和廢物處理。其中回收利用的材料還考慮了材料回收帶來的潛在收益。

2.2.3 建材生產(chǎn)及運輸階段

根據(jù)碳排放標準規(guī)定,建材生產(chǎn)階段的碳排放量為每種主要建材的消耗量乘其對應(yīng)的碳排放因子。每種主要建材的碳排放因子為該建材的消耗量與該建材的平均運輸距離以及該建材的運輸方式下,單位重量運輸距離的碳排放因子的積。

根據(jù)“魚樂竹館”的《分部分項工程量清單》,主要建材包括竹齡四年以上、直徑100mm壁厚5mm以上的毛竹,以及竹瓦、填心木、鋼筋、混凝土、螺栓連接件等9種建材。圓竹的碳排放因子在1.2節(jié)中已經(jīng)進行了確定,其余建材碳排放因子Fi和建材運輸碳排放因子Ti依據(jù)碳排放標準或相關(guān)研究進行選擇,本研究采用的建材碳排放因子及運輸碳排放因子清單見表3、4。其中圓竹和竹瓦的運輸距離為319km,選用重型柴油貨車(18t)運輸。混凝土的運輸距離取40km,選用重型柴油貨車(46t)運輸。其余建筑材料的運輸距離取500km,由于其余建材均未超過2t,所以選用輕型汽油貨車運輸(2t)。

表3 建材碳排放因子/(kgCO2e/kg)

表4 建材運輸碳排放因子

因此,本研究參考李瑜等[25]的研究,在碳排放標準中建材碳排放因子Fi1基礎(chǔ)上增添單位竹木材的固碳量,得到了考慮固碳的碳排放因子Fi2,得到的竹木制建材碳排放因子如表5所示。其中木材固碳量參考EPD中軟木的數(shù)據(jù)。本研究分別采用兩種竹木制建材碳排放因子進行計算與分析。

表5 竹木制建材碳排放因子

3 結(jié)果與分析

3.1 “魚樂竹館”全生命周期碳排放計算結(jié)果

“魚樂竹館”的全生命周期碳排放如表6所示。在不考慮竹木制建材自身固碳的情況下,“魚樂竹館”的全生命周期碳排放量為37 362.96kgCO2e。考慮固碳時,全生命周期碳排放量為-19 559.91kgCO2e,相比于未考慮固碳時降低約152.35%,實現(xiàn)了碳中和。在建材生產(chǎn)階段,考慮固碳特性后“魚樂竹館”的碳排放相比于未考慮固碳時降低約228.40%。由于該館運行階段在全生命周期碳排放量中占有一定比重,同時運行階段的碳排放不受圓竹建材固碳作用的影響。因此,來用圓竹建材生產(chǎn)階段的碳排放降低率評價圓竹固碳特性更加客觀。

表6 “魚樂竹館”全生命周期碳放量/(kgCO2e)

在不考慮竹木制建材自身固碳的情況下,“魚樂竹館”運行階段、建造及拆除階段、建材生產(chǎn)及運輸階段的全生命周期碳排放占比如圖3所示。從圖3可以看出,“魚樂竹館”的全生命周期碳排放超過一半源自建材生產(chǎn)階段,其碳排放量占比66.70%,該階段的碳排放受材料碳排放因子的影響很大,在3.2節(jié)將做具體分析?！棒~樂竹館”的建造及拆除階段碳排放量占比僅0.25%,這是由于圓竹結(jié)構(gòu)景觀建筑易于搭建。對于建筑的地上部分,僅腳手架的搭建和龍骨的吊裝需要用到機器,其余均可人工完成;對于基礎(chǔ)部分,由于圓竹結(jié)構(gòu)重量輕,對基礎(chǔ)的需求低,工程量少,因此機械的消耗量也少?！棒~樂竹館”的運行階段碳排放量占比為24.63%,是除建材生產(chǎn)階段外全生命周期碳排放占比最大的階段,這是由于建筑的使用年限為20年,碳排放積累量大。因此,運行階段具有很大的碳減排潛力。因為運行階段所消耗的能源均為電能,如果采用可再生能源或者太陽能等更清潔低碳的電能獲取方式代替運行階段的電能,便可以降低運行階段的碳排放。

圖3 “魚樂竹館”全生命周期各階段碳排放量占比

3.2 “魚樂竹館”建材生產(chǎn)階段碳排放分析

“魚樂竹館”在建材生產(chǎn)階段上部結(jié)構(gòu)碳排放與總碳排放對比結(jié)果如圖4所示。在不考慮竹木制建材的固碳特性時,建筑上部結(jié)構(gòu)碳排占總碳排放的47.91%,為11 940.45kgCO2e,這是由于建筑主體結(jié)構(gòu)和裝飾面層均由竹材構(gòu)成,而竹材碳排放因子低,碳排放量少。在考慮竹木制建材的固碳特性時,建筑的上部結(jié)構(gòu)碳排放為負值,說明竹木制建材的固碳特性使得該建筑實現(xiàn)了上部結(jié)構(gòu)在建材生產(chǎn)階段的負碳設(shè)計。而建筑的總碳排放為負值也表明了上部結(jié)構(gòu)的固碳大于基礎(chǔ)部分的碳排放,在建材生產(chǎn)階段建筑實現(xiàn)了總體負碳的目標。

圖4 “魚樂竹館”建材生產(chǎn)階段上部結(jié)構(gòu)碳排放與碳排放總量對比

圖5是“魚樂竹館”中各類建材碳排放量在生產(chǎn)階段的占比圖。圖5(a)為不考慮竹木制建材固碳時的碳排放量占比,雖然竹材的碳排放因子低,但是竹材用量大,竹木制建材的碳排放量在生產(chǎn)階段總排放量占比為31.40%。在考慮固碳時,由于竹木制建材的總碳排放量為負值,故沒有在圖中進行表示。由圖5(b)可以看出,基礎(chǔ)中使用的鋼筋混凝土和上部結(jié)構(gòu)中使用的金屬連接件的碳排放量在考慮固碳時占碳排放總量的比重高達77.41%。其中上部結(jié)構(gòu)金屬連接件中的鋼材用量僅為基礎(chǔ)部分鋼材用量的4.97%。所以基礎(chǔ)部分的建材是“魚樂竹館”碳排放量的主要貢獻者。另外,在“魚樂竹館”中,用于節(jié)點連接的有機玻璃在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放占碳排放總量的15.46%(全部建材)和22.54%(非竹木制建材),是除了混凝土、鋼材外的碳排放量的最大貢獻者。

圖5 “魚樂竹館”中各類建材碳排放在生產(chǎn)階段的占比

4 結(jié)論

本文提出了一種圓竹碳排放因子的計算方法。并根據(jù)圓竹在生產(chǎn)加工中能源的消耗,對“魚樂竹館”進行了全生命周期碳排放計算研究,通過對比分析,評估了圓竹結(jié)構(gòu)景觀建筑的減碳效果,并得出以下結(jié)論:

(1)通過原材料獲取、運輸?shù)郊庸すS和建材加工三階段碳排放的計算,得到了圓竹的碳排放因子。在不考慮圓竹自身固碳的情況下,圓竹的碳排放因子為0.327kgCO2e/kg,考慮固碳時為-1.506kgCO2e/kg。在圓竹的建材加工中,蒸煮脫糖和熱彎矯直所產(chǎn)生的碳排放較多。這是由于流程蒸煮和熱彎的過程中,所用燃料包括竹材廢棄料和天然氣,然而燃料的能量利用效率低,這為提升經(jīng)濟性和環(huán)保性提供了較大的空間。如果改用電能、太陽能等能源進行加熱,就可以降低圓竹的碳排放因子。

(2)“魚樂竹館”的全生命周期碳排放量為37 362.96kgCO2e,其中建材生產(chǎn)階段碳排放量占總碳排放量的比重較大,為66.70%?？紤]固碳的全生命周期碳排放量為-19 559.91kgCO2e,降低了約152.35%,實現(xiàn)了碳中和。“魚樂竹館”在建材生產(chǎn)階段碳排放量為24 922.72kgCO2e,考慮固碳時為-32 000.15kgCO2e,降低了約228.40%,在該階段實現(xiàn)了負碳設(shè)計。

(3)在建材生產(chǎn)階段,建筑基礎(chǔ)部分的碳排放量約為24 922.72kgCO2e,占碳排放總量的比重很大,約為52.09%,具有很大的碳排放降低潛力。而上部結(jié)構(gòu)中木制建材(主要是圓竹)的固碳特性減少的碳排放量可以完全抵消基礎(chǔ)部分的碳排放量,使整棟建筑在建材生產(chǎn)過程中總碳排放量為負值,實現(xiàn)建材生產(chǎn)階段的負碳設(shè)計,表明竹材固碳作用顯著,這種固碳作用對建筑減排有較大貢獻。

(4)雖然景觀建筑相對于其他公共建筑運行階段的碳排放很低,但運行階段的電力消耗產(chǎn)生的碳排放量仍在圓竹結(jié)構(gòu)景觀建筑全生命周期碳排放量中占比24.63%,具有很大的減碳潛力。如果利用太陽能、風能等清潔能源,可進一步降低運行階段的碳排放。