基于全生命周期的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑碳足跡研究

蘇鵬宇,姚恩明,李 征

基于全生命周期的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑碳足跡研究

蘇鵬宇,姚恩明,李 征*

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

選取代表性現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑并對其全生命周期碳足跡開展了研究,提出將負(fù)碳建材碳排放拆分為生產(chǎn)過程碳排放和生物固碳值的方法,定量計算了結(jié)構(gòu)生命周期各階段的碳排放量,對木材在不同生命周期間的再利用情況進(jìn)行了分析.結(jié)合傳統(tǒng)材料建筑全生命周期碳排放,對比分析了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑與傳統(tǒng)材料建筑全生命周期碳排放特點.研究結(jié)果顯示,本研究中的木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期碳排放為1.69×107kgCO2e,其中物化階段占比15.56%、使用階段占比84.34%、拆除階段占比0.10%;其物化階段的碳排放比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)均有所降低.

木結(jié)構(gòu)建筑；碳排放；全生命周期；負(fù)碳建材

“碳達(dá)峰碳中和”是我國重要的戰(zhàn)略任務(wù)之一,建筑業(yè)作為我國第一大碳排放部門,其2020年度的碳排放占我國碳排放總量的50.9%[1],而我國作為發(fā)展中國家,每年仍有大量建筑開始建設(shè)和投入使用.因此,降低建筑業(yè)的碳排放是我國雙碳戰(zhàn)略能否實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié).

為提出行之有效的結(jié)構(gòu)減碳建議,建立相關(guān)設(shè)計方法,首先需要量化建筑的碳排放.全生命周期分析(LCA)能從全生命的角度定量分析產(chǎn)品的碳足跡,已成為量化建筑碳排放的主要方法.目前研究通過LCA與物質(zhì)和能量流結(jié)合,將建筑分為物化階段、使用階段和拆除階段,同時提出了建筑碳足跡分析框架[2].并且針對建筑的特定階段也可以用LCA進(jìn)行研究,Rabani等[3]對位于瑞典的一棟建筑的不同改造方案運(yùn)用LCA進(jìn)行了使用階段的碳排放計算.同時基于LCA,發(fā)展出了與成本結(jié)合的分析框架,通過對凈零建筑進(jìn)行全生命周期碳排放和成本分析,進(jìn)一步擴(kuò)大了LCA方法學(xué)在建筑中的應(yīng)用[4-5].

木材是一種生物質(zhì)建筑材料,樹木通過光合作用固定二氧化碳,然而,隨著樹木生長,其光合作用也逐漸減弱.相關(guān)研究分析了混齡南方針葉林的碳積累,結(jié)果表明大齡樹木的碳積累量較大,但單位生物量的增長率較低[6];并且對9～40年齡的灰赤楊林進(jìn)行的生態(tài)系統(tǒng)凈產(chǎn)量研究顯示,老年灰赤楊林生態(tài)系統(tǒng)凈產(chǎn)量為負(fù)值,說明大齡灰赤楊林從碳匯變?yōu)榱颂寂欧旁碵7].因此將大齡樹木合理砍伐后運(yùn)用于建筑當(dāng)中可以將樹木已固定的二氧化碳存儲于建筑當(dāng)中,同時種植新樹木可以繼續(xù)固定二氧化碳.并且使用結(jié)構(gòu)木材可以減少鋼材和混凝土的使用,不但能夠?qū)崿F(xiàn)木材的可持續(xù)利用,還可進(jìn)一步減少建筑的碳排放.

21世紀(jì)以來,隨著我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會進(jìn)步,以及氣候問題越來越受到關(guān)注,我國對綠色和可持續(xù)發(fā)展的重視程度越來越高.在建筑領(lǐng)域,對于可再生結(jié)構(gòu)木材的利用越來越受到關(guān)注.木材及工程木制品在中國展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入了新一輪的發(fā)展階段[8-9].我國政府出臺的相關(guān)政策明確指出要因地制宜發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑,鼓勵木結(jié)構(gòu)建筑在低層公共建筑中的應(yīng)用[10-11].預(yù)計未來我國會有更多木結(jié)構(gòu)中低層建筑投入使用.

針對于木結(jié)構(gòu)建筑的碳足跡研究,目前國外的研究已基于LCA方法,考慮了木材的生物固碳.我國目前也有對于木結(jié)構(gòu)全生命周期碳排放的研究[12-13],但對于木材的生物固碳量的使用并不明確.以往對于木結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已經(jīng)比較充分[14-15],本研究旨在對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行詳細(xì)的考慮木材生物碳的全生命周期碳足跡分析,并對生物固碳量的使用進(jìn)行討論.

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究選擇的研究對象是一棟位于江蘇省無錫市某現(xiàn)代中低層木結(jié)構(gòu)辦公建筑,見圖1,占地面積817.56m2,建筑面積3350.94m2,結(jié)構(gòu)為四層、高17.0m,設(shè)計使用年限為50a,結(jié)構(gòu)形式為膠合木框架結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系、建筑面積及體量在我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑中具有很好的代表性.建筑所在地?zé)o錫市屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候,年平均氣溫15.6℃,最熱月份為七月,月平均氣溫28.0℃,最冷月為1月,月平均氣溫2.9℃.

1.2 建筑全生命周期分析

1.2.1 建筑全生命周期 建筑全生命周期可分為物化階段、使用階段、拆除階段[2,4-5,16],如圖1所示.

建筑全生命周期的碳排放可由式(1)計算:

式中:lc,p,u,e分別為建筑全生命周期、物化階段、使用階段和拆除階段的碳排放,kgCO2e.

(1) 建筑物化階段建筑物化階段包括建材生產(chǎn)與運(yùn)輸、施工現(xiàn)場機(jī)械能耗、施工現(xiàn)場臨時設(shè)施能耗.

物化階段的碳排放可由式(2)計算:

式中:p1,p2,p3分別為建材生產(chǎn)與運(yùn)輸、施工現(xiàn)場機(jī)械能耗、施工現(xiàn)場臨時設(shè)施能耗的碳排放, kgCO2e.

圖1 建筑全生命周期

建材生產(chǎn)與運(yùn)輸?shù)那鍐斡身椖康臎Q算表整理得出.考慮了建材的最初來源地,對于產(chǎn)地缺失的按照規(guī)范《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51366-2019)[17]中的規(guī)定設(shè)置.建材生產(chǎn)與運(yùn)輸?shù)奶寂欧趴捎墒?3)計算:

式中:p是建材的總種類數(shù);m是種材料的消耗總量,kg、m3、件等;EF是種材料的碳排放背景數(shù)據(jù),kgCO2e/m單位;S是種材料的運(yùn)輸距離,km;EFt是種材料的運(yùn)輸工具的單位運(yùn)輸距離碳排放背景數(shù)據(jù),kgCO2e/(kg·km).

施工現(xiàn)場的機(jī)械使用量通過決算單整理出各分部工程的工程量,并根據(jù)《江蘇省建筑與裝飾工程消耗量定額(2022年)》[18]中的單位工程量額定機(jī)械進(jìn)行使用機(jī)械班次計算.根據(jù)《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51366-2019)[17]中的單位班次機(jī)械能耗計算出施工現(xiàn)場的機(jī)械能耗.施工現(xiàn)場機(jī)械能耗的碳排放可由式(4)計算:

式中:p2,i是種機(jī)械的能源(電、柴油等)消耗總量,kW·h、kg;EFp2,i是能源的碳排放背景數(shù)據(jù), kgCO2e/p2,i單位.

施工現(xiàn)場的臨時設(shè)施面積和空調(diào)使用時長由施工方提供,照明通過《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034-2013)[19]進(jìn)行計算.施工現(xiàn)場的臨時設(shè)施的碳排放可由式(5)計算:

式中:p3,i是電器(空調(diào)和照明)的能源消耗, kW·h;EFp3,i是種能源的碳排放背景數(shù)據(jù),kgCO2e/ (kW·h).

(2) 建筑使用階段建筑使用階段包含建筑使用階段能耗和使用階段更新維護(hù).使用階段碳排放按式(6)計算:

式中:u1和u2是使用階段能耗和使用階段更新維護(hù)的碳排放,kgCO2e.

建筑使用階段能耗由DeST-C軟件[20]模擬計算,并參考建筑實際用電量進(jìn)行模擬調(diào)整,使實際用電量與模擬用電量誤差在5%以內(nèi),對建筑使用50a的用電情況進(jìn)行模擬.DeST軟件包含了中國的氣象資料,已被廣泛地用來進(jìn)行建筑能耗模擬[21-22].

建筑的用水量通過實際用水量和《城市公共用水定額及其計算方法》(DB31/T 680-2012)[23]進(jìn)行計算.

使用階段能耗的碳排放按式(7)計算:

式中:u,i是種能源(水、電)的消耗量,kg、kW·h;EFu,i是種能源的碳排放背景數(shù)據(jù),kgCO2e/u,i單位.

建筑使用階段更新維護(hù)的材料更換量由決算單整理得出,對于相關(guān)規(guī)范中有提到使用年限的保溫工程[24]、門窗工程[25]和防水工程[26]的材料都進(jìn)行了計算.建筑使用階段更新維護(hù)的碳排放按式(8)計算:

式中:u是替換建材的總種類數(shù).

(3) 建筑拆除階段建筑拆除階段包括建筑拆除工程和建筑物垃圾的處理與再利用.建筑拆除階段的碳排放按式(9)計算:

式中:e1和e2是建筑拆除階段拆除施工和建筑垃圾處理與再利用的碳排放,kgCO2e.

建筑拆除施工的碳排放相關(guān)研究[2,27]表明約為建筑建設(shè)施工機(jī)械碳排放的0.9.建筑拆除施工的碳排放可按式(10)計算:

對于建筑垃圾的處理與再利用的研究并不完善.建筑垃圾的回收率參考文獻(xiàn)[28].回收率信息見表1.

表1 建筑垃圾回收再利用情況

參考相關(guān)研究[29],建筑垃圾的平均運(yùn)輸距離為25km.

為了使上下游過程都能從建筑垃圾再利用中受益,設(shè)置價格質(zhì)量系數(shù),即再生原料的環(huán)境收益對于下游過程不能全部免費(fèi)獲得,對于上游過程不能全部抵扣.

建筑垃圾處理與利用的碳排放按式(11)～(13)計算:

1.2.2 全生命周期分析方法 根據(jù)ISO14040[30], LCA分析包含目標(biāo)與范圍、生命周期清單分析、影響評估、解釋評價.

(1) 目標(biāo)與范圍 系統(tǒng)邊界為由搖籃到墳?zāi)?功能單位為一棟現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)辦公建筑;使用年限為51a(包含建設(shè)1a,使用50a).

(2) 生命周期清單分析 使用eFootprint平臺[31]進(jìn)行LCA建模,eFootprint包含了中國本土化的CLCD數(shù)據(jù)庫,該平臺和數(shù)據(jù)庫已被廣泛的用于LCA分析[32-33],建筑全生命周期各階段的實景數(shù)據(jù)計算方法見1.2.1.生命周期模型包含了100多種材料和能源輸入,包含生產(chǎn)、使用、廢棄三大模塊,涵蓋了建筑“從搖籃至墳?zāi)埂钡娜^程,LCA部分模型結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 某木結(jié)構(gòu)LCA模型部分結(jié)構(gòu)

主要材料量見表2.

表2 主要材料與能源清單

(3) 影響評估 CLCD數(shù)據(jù)庫包含600多種中國本土化的材料、能源、運(yùn)輸與廢物處理的LCI數(shù)據(jù)集.選擇的輸出類別為全球變暖潛能值(GWP,CO2e).

(4) 結(jié)果分析對研究對象進(jìn)行碳足跡分析,計算全生命周期的碳排放與各階段占比,按式(14)和(15)(16)計算單位面積碳排放強(qiáng)度(碳排放強(qiáng)度)和單位面積年碳排放強(qiáng)度(年碳排放強(qiáng)度),并與傳統(tǒng)建筑的碳排放研究進(jìn)行對比.

式中:D為不同階段的單位面積碳排放強(qiáng)度, kgCO2e/m2;E為不同階段的碳排放,kgCO2e;為建筑面積,共3350.94m2;T為物化階段單位面積年碳排放強(qiáng)度,kgCO2e/(m2·a);L為建筑建造時間,實際建設(shè)時間為7個月,取1a;T為使用階段單位面積年碳排放強(qiáng)度,kgCO2e/(m2·a);L為建筑設(shè)計使用年限,為50a.

1.2.3 木材生物碳 我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑多為膠合木結(jié)構(gòu),生產(chǎn)膠合木的原木多為國外進(jìn)口,并在國內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn).該建筑使用的膠合木其原材料來自加拿大,使用了加拿大雅典娜研究機(jī)構(gòu)對于北美木材的研究報告[34-37],其中給出了每種木材的生物碳存儲量見表3.

目前缺少對于長時間生物碳儲存的明確計算方法,英國規(guī)范PAS2050[38]對2～25a碳存儲的按照存儲時間和二氧化碳隨時間的影響變化進(jìn)行折減.Hawkins等[39]的研究表明,二氧化碳對溫度變化的影響在排放初期較大,并在40a后趨于穩(wěn)定.LCA進(jìn)行碳足跡分析時通常以100a的溫室氣體影響作為氣候變化指標(biāo)來確定不同溫室氣體的貢獻(xiàn)[40].因此本研究僅考慮儲存時間進(jìn)行折減,即建筑設(shè)計使用年限與100a的比值0.5為折減因子.木材的碳排放背景數(shù)據(jù)按(17)計算:

式中:EFt是木材的碳排放背景數(shù)據(jù),kgCO2eq/m3; EFtp種是木材生產(chǎn)過程的碳排放量,kgCO2eq/m3; EFte是木材的生物固碳量,kgCO2eq/m3(表3).

表3 常用結(jié)構(gòu)用木材的生物固碳量(kgCO2e/m3)

2 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期碳足跡分析

2.1 建筑全生命周期碳足跡

該結(jié)構(gòu)建筑全生命周期部分環(huán)境指標(biāo)見表4.

本研究主要討論碳足跡,即GWP指標(biāo).

清單數(shù)據(jù)靈敏度是指清單數(shù)據(jù)單位變化率引起的相應(yīng)指標(biāo)變化率.靈敏度較大的數(shù)據(jù)清單為關(guān)鍵匯總過程(AP),分析關(guān)鍵AP能找出改進(jìn)的關(guān)鍵方向.

表4 某木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期環(huán)境指標(biāo)

由圖3和表5可知,該建筑全生命周期的碳排放總量為1.69×107kgCO2e,其中物化階段碳排放2.63×106kgCO2e,占比15.56%,使用階段碳排放1.42×107kgCO2e,占比84.34%,拆除階段碳排放1.63×104kgCO2e,占比0.10%.由于建筑的長生命周期,使用階段的碳排放依然是建筑全生命周期中碳排放最大的階段,降低使用階段的碳排放是降低建筑全生命周期碳排放的重要方向.

圖3 木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期碳排放分布

建筑使用階段的碳排放來源中電力為關(guān)鍵AP.建筑使用過程中有大量的電力消耗,降低使用階段的能耗是降低建筑全生命周期碳排放的重要方向,發(fā)展綠色建筑、節(jié)能建筑來降低使用階段能耗依然是降低建筑全生命周期碳排放的重要手段.張[41]對南京地區(qū)(北亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候)的三棟傳統(tǒng)材料辦公樓建筑全生命周期碳排放進(jìn)行分析,結(jié)果表明傳統(tǒng)材料建筑使用階段碳排放占全生命周期碳排放的70%～80%,木結(jié)構(gòu)建筑使用階段碳排放占比結(jié)果相較于傳統(tǒng)材料建筑較高[42],本研究為84.34%,說明木材相對于傳統(tǒng)材料建筑能減少物化階段的碳排放,使得木結(jié)構(gòu)建筑使用階段的碳排放占比相較傳統(tǒng)材料建筑較大.而隨著一級能源逐漸脫碳,建筑物化階段碳排放占比將逐漸增大,木材能將生物固定的碳儲存于建筑中,并減少傳統(tǒng)高碳材料鋼材和水泥的使用,因此木結(jié)構(gòu)建筑是建筑減排的理想方向之一.

表5 木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期關(guān)鍵AP

木結(jié)構(gòu)建筑物化階段關(guān)鍵AP及碳排放情況情況見表6和圖4.

表6 木結(jié)構(gòu)建筑物化階段關(guān)鍵AP

由表6和圖4可知,該木結(jié)構(gòu)建筑物化階段的碳排放主要集中在建材的生產(chǎn)上.建材運(yùn)輸?shù)奶寂欧畔鄬^小,并且關(guān)鍵AP木材的固碳量較大,部分木材雖然為進(jìn)口產(chǎn)品,運(yùn)輸距離較遠(yuǎn),但木材的固碳效率遠(yuǎn)大于運(yùn)輸?shù)奶寂欧?未來若有更多的國產(chǎn)工程木材投入使用,能進(jìn)一步降低木結(jié)構(gòu)建筑物化階段的碳排放.

圖4 木結(jié)構(gòu)建筑物化階段碳排放分布

由圖5可知,木結(jié)構(gòu)拆除階段的碳排放強(qiáng)度相對于全生命周期占比較小.加大廢棄物的回收再利用率能降低處理建筑垃圾所產(chǎn)生的碳排放,并通過回收的環(huán)境效益減少兩個生命周期間上游過程拆除階段的碳排放和下游過程生產(chǎn)材料的碳排放.

圖5 木結(jié)構(gòu)建筑拆除階段碳排放分布

回收部分未涉及木材.與其他建筑垃圾相比,回收鋼材作為廢鋼再利用回扣上游過程的碳排放并不突出,該項使用CLCD 0.8的數(shù)據(jù)集廢鋼混合(中國).廢鋼材的再利用應(yīng)該結(jié)合實際的利用過程,同時與使用的數(shù)據(jù)集(碳排放背景數(shù)據(jù))情況進(jìn)行更細(xì)致的研究.

2.2 建筑全生命周期碳排放強(qiáng)度分析

全生命周期各階段的碳排放強(qiáng)度和單位面積碳排放強(qiáng)度見表7.

表7 某木結(jié)構(gòu)全生命周期各階段碳排放強(qiáng)度

由表7可知,雖然從建筑全生命周期上來看使用階段碳排放量大,但從同一時間段角度來講,物化階段的年碳排放強(qiáng)度大,為使用階段的年碳排放強(qiáng)度的9.2倍.

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在基礎(chǔ)工程使用鋼筋混凝土,在上部木構(gòu)件的連接中使用較多金屬連接件,在裝飾工程中使用功能性有機(jī)物及無機(jī)物,使得木結(jié)構(gòu)物化階段年碳排放強(qiáng)度較使用階段年碳排放強(qiáng)度依然較大.對于木結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新,減少傳統(tǒng)材料的使用仍能幫助木結(jié)構(gòu)減少碳排放,降低木結(jié)構(gòu)建筑的碳排放強(qiáng)度.

建筑拆除階段的碳排放占比和碳排放強(qiáng)度較低,但目前我國的建筑垃圾實際回收利用率低于本研究使用的回收利用率[28],并且我國每年將產(chǎn)生大量的建筑垃圾,大約為我國日常生活產(chǎn)生的生活垃圾的5倍[43],應(yīng)從各個層面上加大對建筑垃圾再利用的要求,亦能促進(jìn)建材的可持續(xù)發(fā)展.

2.3 不確定分析

木結(jié)構(gòu)建筑種類較多,隨著膠合木技術(shù)的發(fā)展有大跨度的木結(jié)構(gòu)場館類建筑投入使用;未來隨著重型木結(jié)構(gòu)的發(fā)展,也會有中高層木結(jié)構(gòu)建筑投入使用.本研究無法覆蓋所有的木結(jié)構(gòu)建筑,但對木結(jié)構(gòu)建筑物化階段以及亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候地區(qū)的木結(jié)構(gòu)建筑全生命周期的碳排放有參考意義.

CLCD方法對LCA模型中的清單數(shù)據(jù),通過來源與算法、時間代表性、技術(shù)代表性、地理代表性等四個方面進(jìn)行評估,并對關(guān)聯(lián)背景數(shù)據(jù)庫的消耗,評估其與上游背景過程匹配的不確定度.完成清單不確定度評估后,采用解析公式法計算不確定度傳遞與累積,得到LCA結(jié)果的不確定度[44].

對建筑全生命周期以及物化階段的結(jié)果不確定度進(jìn)行分析.該木結(jié)構(gòu)建筑由EFootprint計算得出的結(jié)果的不確定度如表8.

表8 某木結(jié)構(gòu)建筑碳足跡結(jié)果不確定度

建筑物化階段的不確定度主要由結(jié)構(gòu)用材造成,其中云杉-冷杉-松(SPF)對結(jié)果不確定度的貢獻(xiàn)最大,達(dá)4.13%.建筑全生命周期的不確定度主要由使用階段的電力消耗造成,其對結(jié)果不確定度貢獻(xiàn)達(dá)84.89%.由于模型設(shè)置的技術(shù)代表性為行業(yè)平均,而只有一個建筑的數(shù)據(jù),導(dǎo)致技術(shù)代表性該項存在25%的不確定度,傳遞至最后導(dǎo)致最終碳足跡結(jié)果不確定度較大.但如果僅是針對于該棟建筑碳核算,最終結(jié)果不存在技術(shù)代表性傳遞來的不確定度,結(jié)果是較為準(zhǔn)確的.

為了盡量降低研究結(jié)果的不確定度,本研究的活動數(shù)據(jù)物化階段所有材料及運(yùn)輸數(shù)據(jù)均來自于項目實際的預(yù)決算清單,機(jī)械等使用也都由預(yù)決算清單通過相關(guān)規(guī)范計算出.使用階段能耗模擬也通過和實際情況對比保證可靠性.

對于部分無法計算的材料進(jìn)行了忽略,所有忽略材料都符合cut-off規(guī)則,模型無未定義內(nèi)容,所有缺失數(shù)據(jù)均來自于關(guān)聯(lián)的背景數(shù)據(jù)集.

背景數(shù)據(jù)優(yōu)先采用中國本土化的CLCD數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)集,其次采用Ecoinvent數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù),對于部分缺失的選擇企業(yè)環(huán)評報告和文獻(xiàn)以及Efootprint平臺通過審核的用戶創(chuàng)建的數(shù)據(jù)集,確保了數(shù)據(jù)的代表性以及結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2.4 生物碳討論

Ubando等[45]在對生物質(zhì)燃料進(jìn)行研究時,認(rèn)為通過生物固碳使得生物炭成為負(fù)碳材料.工程木材由于其光合作用固定的生物碳,其實也是一種負(fù)碳材料.目前對于包含生物碳的材料的使用方法并不明確.傳統(tǒng)的LCA方法會在材料回收作為可再生材料再利用時,通過對正碳材料的碳排放背景數(shù)據(jù)添加負(fù)號完成對上游過程的回扣和下游過程的抵扣.若對包含生物碳的負(fù)碳材料使用該方法會出現(xiàn)回收后碳排放為正值.

因此,本研究將負(fù)碳材料的碳排放拆分為生產(chǎn)過程的正值和固定的生物碳的負(fù)值來使用,對于生產(chǎn)過程的正值在回收階段按照常規(guī)的正碳材料的分配過程分配,對于生物碳的負(fù)值則按照使用年限等折減因子直接在不同的循環(huán)過程中進(jìn)行分配.

假定1000m3木材(假設(shè)固定的生物碳總量為1000kgCO2e)經(jīng)歷如圖6的三個生命周期:由圖6中的分配過程可知,將木材的考慮生物固碳量的碳排放拆分為實際生產(chǎn)過程的碳排放背景數(shù)據(jù)和木材的固碳量來使用,在涉及上下游兩個生命周期的回收再利用階段不會涉及固碳量的分配,不會出現(xiàn)回收階段回收再利用材料是正值碳排放的情況.更加符合LCA模型不同生命周期之間處理的邏輯,并且每個階段的GWP值只需將生產(chǎn)過程的碳排放值和生物固碳值進(jìn)行相加,方便處理.

(b) 木材分配過程

圖6 木材循環(huán)和分配過程

Fig.6 Wood recycling and distribution processes

①各過程的生產(chǎn)碳排放值為假定;②兩個生命周期間的回收利用的上游回扣值和下游抵扣值為假設(shè),具體數(shù)值和上下游生產(chǎn)過程以及廢棄物再利用的質(zhì)量價格比和再利用率有關(guān);③木材生物碳的折算僅按相對于100a的時間折減因子

2.5 木結(jié)構(gòu)建筑LCA研究討論

本文通過對某現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)辦公建筑進(jìn)行詳細(xì)的全生命周期分析,量化得出了木結(jié)構(gòu)全生命周期和各階段的碳排放,同時對生物的循環(huán)分配進(jìn)行了討論.本文的研究結(jié)果顯示木材的固碳量對于結(jié)果的影響比較顯著,同時建筑LCA模型的完整性對結(jié)果的影響也較大,應(yīng)根據(jù)研究目的確定木材生物碳的使用和模型的邊界范圍.后續(xù)也將分析該建筑的經(jīng)濟(jì)性,并針對不同材料辦公建筑進(jìn)行對比研究.

3 結(jié)論

3.1 建筑在同一時間段內(nèi)物化階段碳排放強(qiáng)度很大,采用木結(jié)構(gòu)能顯著降低建筑物化階段的碳排放.

3.2 從建筑全生命周期角度分析,該木結(jié)構(gòu)建筑使用階段的碳排放占建筑全生命周期碳排放的84%以上,降低使用階段碳排放依然是降低建筑全生命周期碳排放的手段.

3.3 目前對于生物固碳量在LCA中的應(yīng)用并不明確,在負(fù)碳材料的回收階段存在問題,本研究提出基本的處理方法,將考慮生物碳的負(fù)碳材料的碳排放拆分為生產(chǎn)過程的碳排放和生物固碳值來使用,可實現(xiàn)在不同生命周期之間的循環(huán).

3.4 對于木結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新,減少傳統(tǒng)材料的使用仍能幫助木結(jié)構(gòu)減少碳排放,降低木結(jié)構(gòu)建筑的碳排放強(qiáng)度.

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Investigation into the carbon footprints of modern timber buildings based on life cycle assessment.

SU Peng-yu, YAO En-ming, LI Zheng*

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)., 2023,43(12)：6657～6666

This paper researched the building life cycle carbon footprint based on a representative modern timber building in China, and a method of splitting the carbon emission of negative carbon building materials into the carbon emission of the production process and the biological carbon sequestration value was proposed. The results showed that the carbon emissions of the life cycle of the modern timber office building were 1.69×107kgCO2e, in which the product stage accounted for 15.56%, the use stage accounted for 84.34%, and the end-of-life stage accounted for 0.10%. The carbon emission in the product stage of timber building was lower than that of traditional reinforced concrete or steel buildings.

timber buildings；carbon emission；life cycle assessment；negative carbon building materials

X24

A

1000-6923(2023)12-6657-10

蘇鵬宇,姚恩明,李 征.基于全生命周期的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑碳足跡研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(12):6657-6666.

Su P Y, Yao E M, Li Z.Investigation into the carbon footprints of modern timber buildings based on life cycle assessment [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6657-6666.

2023-04-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(52222802);上海市科技創(chuàng)新行動計劃啟明星項目(21QA1409300)

* 責(zé)任作者, 教授, zhengli@#edu.cn

蘇鵬宇(1998-),男,甘肅蘭州人,同濟(jì)大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為建筑碳排放、生命周期評價及應(yīng)用.ssshc@#edu.cn.