不同结构建筑的能源消耗与碳排放国外研究述评

不同结构建筑的能源消耗与碳排放国外研究述评*

温日琨，沈俊杰，陈亚坤，张雅婷

(浙江农林大学风景园林与建筑学院，浙江 杭州 311300)

摘要：综述了国外关于木、混凝土和钢结构等3类建筑能耗、碳排放的研究进展及研究成果.国外研究结果表明，木结构建筑能耗与碳排放比混凝土结构建筑和钢结构建筑低，木结构建筑具有碳储存功能以及木结构废弃物燃烧具有化石能源的替代效应，在建筑施工现场混凝土结构比钢结构消耗更多的能源，在同等边界条件下混凝土结构建筑比钢结构建筑有更低的隐含能与隐含碳，若考虑钢材回收则两者的能耗与碳排放相当.这些研究成果可为国内不同结构建筑能耗与碳排放的研究提供借鉴和参考.

关键词：国外；木结构建筑；混凝土结构建筑；钢结构建筑；能耗；碳排放

文章编号：1007-2985(2015)01-0067-08

中图分类号：TQ127.11;F127文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-2985.2015.01.015

收稿日期：*2014-08-25

基金项目：国家教育部2013年人文社会科学规划青年基金资助项目(13YJCZH194)；浙江农林大学人才引进资助项目(2012FR029)

作者简介：温日琨(1976—)，女，广西来宾人，浙江农林大学风景园林与建筑学院副教授，硕士生导师，主要从事低碳建筑与工程管理研究.

建筑是社会最大的耗能单元.在美国，能源消费直接或间接地与建筑及建筑的建设、使用有关，其中商业和办公建筑最为典型.对建筑能耗的研究国外从20世纪90年代开始陆续开展，涉及到建筑材料生产、建筑设计、建筑建设、建筑使用和建筑全生命周期等各方面内容.从20世纪90年代开始至今，部分学者对木结构、混凝土结构和钢结构建筑的能源消耗开始进行深入思考，而对不同结构建筑碳排放的研究往往与建筑能源消耗的研究相伴.作为政府行政主管部门和建设单位而言，希望知道不同结构形式建筑在其全生命周期中的能源消耗和碳排放是否有明显区别，以利于引导投资方向.对于工程技术人员而言，也希望了解不同结构形式建筑在设计、建造中的能源消耗及碳排放是否有明显区别，以利于调整和优化建筑设计与建造.

国外对不同结构建筑能耗及碳排放的研究自1990年加拿大能源矿产资源部研究不同燃料的排放因子开始，1992年美国马萨诸萨洲Means公司研究制定了工人施工时的工时标准，1999年该公司发布了建筑建设阶段的成本数据.Cole于1992年开始讨论建筑材料的能源和空气污染指数，即建筑建设过程的环境审计，1998年完成了不同结构建筑在建设阶段能源和碳排放量的研究.1996年Björklund对不同结构建筑全生命周期能源消耗的研究，对比了混凝土结构和钢结构全生命周期的环境影响.1997年加拿大木材协会通过案例研究，对比了不同结构建筑系统的环境影响.1998年美国能源部颁布了一份报告DOE/EIA-0625，报告对某商业建筑1995年的能源消耗进行了调查.1999年英国钢结构协会Gorgolewski做了钢桩环境评估的研究.1998年Hendrickson等[10-11]开始采用经济上的投入产出模型研究建筑全生命周期环境评估，对钢结构和钢筋混凝土结构型桥梁的环境影响进行了对比研究.1999年美国建筑协会[12]颁布了环境资源导则.2002年美国环境保护局(EPA)颁布了“排放量和生成资源整合数据库EGRID[13].美国林业协会Joanna Glover[14]做了木结构、混凝土结构和钢结构住宅能源消耗的对比，论文站在了美国林业协会的立场.2002年美国硅酸盐水泥协会Medgar等工程师[15]研究并出具了一系列关于以水泥为基础材料的环境影响评估报告，其中序列2 571号评估报告研究了不同结构墙体住宅的环境影响评价，采用Simpro软件进行仿真，对美国5个不同气候条件的城市进行对比，此研究站在了美国硅酸盐水泥协会的立场.2003年美国加利佛尼亚大学土木与环境工程系Guggemos[16-17]做了不同结构建筑建设过程的环境评估.2005年Guggemos[18]发表了钢结构建筑与混凝土结构建筑环境影响对比评估的研究论文.2006年中瑞典大学Gustavsson[19]指出在建材生产和使用过程中形成碳排放平衡的最主要因素，分析是否存在以及在怎样的环境下，木结构建筑比混凝土结构建筑有更高的能源消耗耗和碳排放.2006年Gerilla[20]根据日本佐贺市的实际，采用投入产出法评估木结构建筑与混凝土结构建筑的环境影响，Gerilla的建筑环境影响评估考虑了4种排放类型，把系统边界设定为建筑的全生命周期阶段，并考虑了使用阶段采用太阳能带来的碳排放减少量.2010年Arima[21]把日本城市的木结构建筑群称为“城市森林”，特别强调了木结构建筑的碳储存功能.2012年比利时Rossi[22]在对布鲁塞尔某居住建筑2种不同结构系统全生命周期能耗及碳排放进行评估时，采用软件模拟与手工计算进行对比，得出在考虑回收率后，钢结构较之砌体结构具有更少的隐含能(隐含碳).台湾学者Li[23]有多篇研究木结构、混凝土结构和钢结构能耗及碳排放的文章，结论都是木结构相较另2种结构有更低的环境负荷.2013年美国学者Schmidt[24]分析了CLT建筑(交叉层积材木结构建筑)在美国的应用障碍并强调CLT建筑在美国使用的潜力.Griffin[25]指出一个典型办公建筑的结构大约贡献了1/4的总隐含能.然而，他认为最有效的结构方案可能不是可持续发展层面上最好的，结构方案的选择应该依赖于多方面的标准.Brinnel[26]认为可持续建筑的发展涉及工程和社会2个层面.优化建筑生态效率的方法是拓展建筑的生命周期，为实现此目标，建筑在生命周期内可以被替换组件要成为可能.韩国学者Kim[27]采用投入产出法在4个不同结构商业办公建筑材料分析基础上，得出混凝土结构比钢结构在能源消耗、碳排放、碳排放成本方面有优势.2014年Pongiglione[28]报告了钢结构重新利用的方法，通过利用某工业厂房废弃钢建造铁路车站的案例，采用世界钢协会的LCI数据，对比2种不同的方案，得出钢的回收利用比之传统建造可以带来30%的能源节约和碳排放减少[28].

1不同结构建筑建设阶段能源消耗与碳排放

最早对不同结构建筑能耗与碳排放进行研究的学者是加拿大的Cole.Cole研究木结构、钢结构、混凝土结构建设过程的能耗占建筑总能耗的比例以及3种结构建设过程的能耗是否有明显不同.其研究采用加拿大ATHENATM生命周期评估工具.ATHENATM被用来测算结构部品最初的隐含能.这个测算中没有包括工人交通的能源消耗，但Cole的研究中考虑了，其研究的主要数据来源于R.S.Means Catalogues和电话访问及调查.在研究中Cole将隐含能定义为建筑产品生产、运输和安装时直接和非直接的能源消耗.表1是Cole对不同结构建筑建设阶段能耗、碳排放及相应所占隐含能、隐含碳的比例.

表1　Cole不同结构建筑建设阶段能耗与碳排放

美国Guggemos[18]的研究是在Björklund、Gorgolewski 及美国建筑业协会颁布的环境资源导则[12]

图1　钢结构与混凝土结构施工现场能耗对比

基础上完成的，采用基于过程的LCA分析(CEDST)和基于投入产出的LCA分析(EIO-LCA)2种方法.在建设阶段，Guggemos认为混凝土结构的能耗比钢结构大，建设周期也更更长.钢结构有机废料和重金属的排放更高.指标为钢结构418 MJ/m2，混凝土结构939 MJ/m2.此研究结果与Cole的研究结论一致，但数值差距较大，原因是两者对设备的考虑不同.Guggemos考虑了重型设备(70%)，而Cole没有.图1是Cole和Guggemos研究成果的对比.

2不同结构建筑的隐含能与隐含碳

关于建筑产品生产、运输和安装阶段所消耗的隐含能和排放的隐含碳，Alcorn and Baird[29]、Buchanan and Honey[30]、Bjorklund、lawson[31]、CWC[32]等做过前期研究，有研究成果数据.Guggemos[18]的研究边界是美国中西部2栋面积为4 400 m2的5层办公建筑的全生命周期，但针对案例的隐含能和隐含碳，Guggemos得出混凝土结构分别是8 300 MJ/m2和550 kg/m2，钢结构分别是9 500 MJ/m2和620 kg/m2.日本学者Arima[21]根据《京都议定书》计算不同回收方式时结构的碳排放.台湾学者Li[23]在统计建筑所需钢材、混凝土、木材、胶合板需要量后，采用基于过程的LCA分析方法，得出混凝土结构、钢结构和木结构建筑隐含能与隐含碳成果.Rossi[22]对布鲁塞尔某居住建筑进行研究时，使用Pleaides+软件进行模拟，结合手工计算，得出混凝土结构和钢结构的隐含碳成果.2013年，Griffin[25]采用Hammond和Jones的ICE数据库研究某大学礼堂大跨度结构的隐含能和隐含碳.结构系统的隐含能和隐含碳在计算时分原始材料和非原始材料2类.混凝土结构分桁架混凝土结构和预应力混凝土结构.桁架混凝土结构和预应力混凝土结构采用原始材料时对应的隐含能分别为808 MJ/m2和1 036 MJ/m2，对应的隐含碳为100 kg/m2和133 kg/m2.Kim[27]采用投入产出法，根据不同结构建筑主要材料的消耗量和韩国经济基础数据计算建筑能耗与碳排放.研究特别分析了螺纹钢、型钢占建筑总能耗与碳排放的比例.

Buchanan and Honey、Bjorklund、CWC、Guggemos、Arima、Rossi、Sheng-Han Li、Griffin和Kim等对不同结构建筑隐含能与隐含碳的研究成果汇总于表2,3.

表2　不同结构建筑的隐含能　MJ/m 2

表3　不同结构建筑的隐含碳　kg/m 2

表2，3反映多数研究者认为木结构建筑比混凝土结构建筑和钢结构建筑有更低的隐含能和隐含碳.另一方面，单从隐含能的角度，CORRIM[33]、UN-HABITAT[34]、Buchanan and Levine[35]的研究也显示，木结构住宅相较混凝土结构住宅有更低的隐含能.Borjesson and Gustavsson[36]考虑土地使用和替代的影响，得出同样结论.瑞典和挪威学者Peteson and Solberg[37]依赖建筑材料、废弃物管理和森林碳汇流，也得出同样结论.Lenzan and Treloar[38]参考澳大利亚材料价格采用投入产出法分析了Borjesson and Gustavsson的研究数据，得出隐含能是Borjesson and Gustavsson研究结果的2倍，但也有同样的结论.从结构的环境影响角度，日本Gerilla用全球变暖潜力来描述建筑的环境影响，认为混凝土结构比之木结构有更高的环境影响(多23%).其他方面，Li研究木结构替代混凝土结构以及木结构替代钢结构的替代效应因子.Arima认为木结构建筑有碳储存功能，由于碳储存的原因，Arima把城市木建筑群称为“城市森林”，指出日本城市中的碳储存为1.5 ×108t碳，超过日本森林6.8×108t碳储存的20%.从建筑结构类型看，木结构碳排放的减量是混凝土结构的1/2，是钢结构的2/3.Griffin认为木结构在隐含能、隐含碳和重量方面有利，但木结构有很差的隔声性能，同时需要配备石膏板防火系统和自动喷淋系统以满足防火的要求.Schmidt在Gagono、Pirun及Crespell、Gagnon研究的基础上以某高层住宅为例，研究CLT交叉层积材结构在美国使用的潜力.研究指出CLT结构的防火性能可以满足法律的要求.相较混凝土结构而言，由于CLT结构采用了更少的劳力及材料成本更低，有更低的隐含能和隐含碳.

关于混凝土结构和钢结构，Guggemos认为钢结构和混凝土结构建筑在使用阶段的能源消耗没有区别.尽管在建设阶段钢结构的能源消耗指标比混凝土结构要小很多，然而需要注意的是，钢结构材料在生产过程中的能耗一定程度上超过了其在建设阶段、废弃阶段相对于混凝土结构的能源节约.所以Guggemos认为从全生命周期的角度来看，钢结构并不会比混凝土结构更优越.Kim认为混凝土结构相较钢结构具有减少能耗、减少建设成本(含碳排放成本)的优势.Griffin认为钢结构如果考虑足够高的回收率的话，它的隐含能与混凝土结构是有可比性的，但钢结构的隔热性能不好，隔声和防火性能也是最差的.简言之，Guggemos认为混凝土结构和钢结构在生产阶段和工程建设阶段的能耗与碳排放高低互补，以致2种结构隐含能与隐含碳近似.而Kim和Griffin的研究结论比较一致，即在同等边界条件下混凝土结构比钢结构有更低的隐含能和隐含碳.但如果考虑钢材的回收利用，则钢结构与混凝土结构的能耗与碳排放亦相当.

图2，3反映了不同时期、不同学者对木结构、混凝土结构和钢结构建筑隐含能与隐含碳研究的数据集群.从图2，3可知，研究成果不具有随着时间增加或减少的趋势，而且数据成果差异度较大.研究成果主要与研究者的研究边界、研究方法以及采用的数据来源(数据库)密切相关.但总体上，木结构建筑的隐含能与隐含碳低于混凝土结构建筑和钢结构建筑，混凝土结构建筑的隐含能与隐含碳在同等边界条件下低于钢结构建筑.

图2　不同结构建筑的隐含能

图3　不同结构建筑的隐含碳

3不同结构建筑的环境影响

图4　主要材料能耗占建筑能耗的百分比

结构形式的不同并不意味着材料的单一性.Buchanan和Honey的研究显示，混凝土结构住宅中含有钢材和木材，钢结构住宅中含有混凝土和木材，木结构住宅中含有钢材和混凝土.表4为Buchanan和Honey研究木结构、混凝土结构和钢结构建筑能耗时，得出的不同材料能耗在建筑能耗中所占的百分比.由图4可知，钢材、混凝土和木材能耗分别在钢结构、混凝土结构和木结构建筑能耗中的比例都是最高的.从材料的能耗分配看，钢结构中钢材能耗占3种结构钢材全部能耗的50%以上，混凝土结构中混凝土能耗占3种结构混凝土能耗约50%，木结构中木材能耗占3种结构木材能耗的80%.

表4　不同结构住宅材料能耗占比

考虑建筑运营阶段，Rossi认为50年生命周期混凝土结构运营碳排放加隐含碳是200～1 500 kg/m2，钢结构运营碳排放加隐含碳是180～1 250 kg/m2.Rossi强调运营阶段的环境影响占建筑全生命周期环境影响的62%～98%，而能源结构强烈影响着运营阶段的碳排放.将现有的能源结构向可再生能源结构转变，是Rossi提出的可持续建筑的发展之道,只有当能源结构更环保以后，结构隐含能在建筑全生命周期中才更具有代表性.

关于颇具争议的“盈余森林”和“负碳排放”，中瑞典大学Gustavsson指出，木结构建筑由于采用了生物燃料替代了化石燃料，有更高的“负碳排放”.混凝土结构建筑全生命周期的碳排放是负值，原因是“盈余森林”的存在，即混凝土结构建筑由于需要更少的木材，提高了建筑生命周期的生物质能.从建筑的能量平衡和碳平衡看，Gustavsson指出木结构建筑的能量平衡及碳平衡除了不考虑木材加工残留物或废弃木材作为燃料再恢复使用外都是负的.木结构建筑比混凝土结构建筑有更低的碳排放.表5是Gustavsson案例在最佳情境和最不利情境下的能量平衡和碳平衡(某公寓住宅建筑面积为1 190m2).图5，6是Gustavsson案例最佳情境时能量平衡与碳平衡的过程示意图.

表5　Gustavsson混凝土结构和木结构建筑的能量平衡与碳平衡

图5　Gustavsson的能量平衡

图6　Gustavsson的碳平衡

4不同墙体建筑的碳排放

美国硅酸盐水泥协会Medgar L.Marcean[15]等研究2种不同结构墙体(木框架墙和混凝土隔热墙)住宅的生命周期评估.图7，8为2种墙体不同的结构构造，二者差异在于木框架樯以合板为主要材料，混凝土隔热墙以混凝土为主.报告采用Simapro软件[39]对某2层住宅案例进行模拟，并考虑住宅分布在美国的5个城市(代表美国5种不同的气候)以对比分析.案例住宅设计满足美国1998年国际能源保护法(IECC)[40]的需要.在软件模拟中采用了Eco-indicator99(荷兰和瑞士),EDIP/UMIP96(丹麦),EPS2000(瑞典)3种不同的准则.并在Eco-indicator99中采用了不同的权重设置(共有3种情境).在建筑的运营阶段，采用Visual DOE2.6软件[41]模拟家庭能源消费，因为该软件在模拟家庭能源消耗方面比其他软件更精确.该报告的LCA评估在ISO14040框架[42]下执行.研究案例的系统边界包括能源和材料的输入和输出、使用和维护，但不包括废弃情境和废弃物处理.LCA评估中使用的LCI数据来源于公开发表的报告和可获取的商业数据.同一住宅在5种不同准则(情境)下的环境影响被归一化和加权为一个没有单位的环境负荷分数.研究数据显示，几乎在5种准则(情境)所有情况下，木框架墙住宅的环境影响指标比混凝土隔热墙住宅的环境影响指标要大，混凝土隔热墙住宅有更低的环境影响分数.如果仅考虑建筑材料，木材和铜管的环境影响排放第1位和第2位，以水泥为基础的材料排第3.

图7　Marcean木框架墙的结构构造

图8　Marcean混凝土隔热墙的结构构造

5结论

(1)从研究边界看，将结构碳排放的研究边界定义为材料输入、输出的文献比较多，尤其是早期研究及采用投入产出法完成的研究(Marcean、Kim和Gerilla).其次是针对建筑结构隐含能与隐含碳的研究，Cole、Guggemos、Gerilla、Glover、Griffin、Schmidt、Li、Pongiglione和Rossi等文章研究的重点是隐含能和隐含碳.但各研究成果数据差异度较大，且不具有随着时间增加或减少的趋势，成果主要与研究者的研究边界设置、研究方法以及采用的数据来源(数据库)密切相关.第3，有的研究涉及材料生产和材料废弃，Gustavsson,Pongiglione和 Li在讨论不同结构建筑碳排放时，只考虑此边界.最后是针对全生命周期的研究，Guggemos,Rossi,Gerilla的研究都考虑了建筑从材料生产、建设(含运输)、运营以及废弃50年的生命周期，单独针对施工能耗及施工碳排放的研究只有Cole.在诸多研究中，结构与材料交织，结构碳排放的研究往往以其所需主要材料碳排放的研究为途径，有的研究在此基础上直接得出结论(或考虑材料废弃)，有的研究还考虑建筑的使用和维护.

(2)从研究方法看，基于过程的生命周期评估(LCA)和基于投入产出法的生命周期评估(EIO)是2种主要方法.前者对建筑碳排放的考虑更加全面，后者对建筑碳排放的计算更加简易方便.Cole、Guggemos、Griffin,Li、Arima、Pongiglione和Rossi等都采用基于过程的生命周期评估法测算不同结构建筑的能源消耗与碳排放.只是考虑的过程和采用的LCI数据库不同.Hendrickson、Kim和Gerilla 采用投入产出法计算不同结构建筑的能源消耗与碳排放，数据采用所在国经济基础数据.除了这2种方法外，Rossi、Marcean等还采用软件模拟结合手工计算对比得出结论.Guggemos的研究既采用基于过程的LCA评估方法，也采用基于投入产出法的LCA评估方法.Gustavsson提出能量平衡与碳平衡的方法，针对混凝土结构建筑提出“盈余森林”的概念.

(3)从研究数据基础看，R.S.Means,U.S.EPA,BEES,CRTI,WORLDSTEEL,世界钢协的LCI，Hammond和Jones、所在国经济投入产出基础数据等都是国外对不同结构建筑能耗与碳排放研究的数据库.

(4)从研究结论看，木结构建筑能耗、碳排放比混凝土结构建筑和钢结构建筑要低.美国Glover、Schmidt、Griffin，瑞典Gustavsson，日本Gerilla、Arima，中国台湾Li等研究及其前期研究结论比较一致.Gustavsson和Arima特别强调木结构建筑的碳储存功能及其废弃物燃烧带来化石能源的替代效应.关于混凝土结构和钢结构，Guggemo认为从全生命周期的角度来看，钢结构并不会比混凝土结构更优越.Bjorklund亦认为混凝土结构和钢结构有相当的环境影响，而Glover、Kim和Griffin认为在同等边界条件下，钢结构比混凝土结构有更高的能耗与碳排放，只有在考虑回收之后，两者的能耗与碳排放才相当.在建筑施工现场，混凝土结构比钢结构消耗更多的能源，Cole和Guggemo对此意见一致，只是差异度不同.由于“盈余森林”的存在，Gustavsson得出混凝土结构建筑全生命周期碳排放是负值.但即使考虑“盈余森林”，混凝土结构建筑全生命周期碳排放还是比木结构建筑高.另一方面，Marcea认为木框架墙住宅比混凝土隔热墙住宅的环境影响指标要大，混凝土隔热墙住宅有更低的环境影响分数.

综上所述，国外对不同结构建筑能耗与碳排放的研究不一.研究边界包括材料生产、材料生产与废弃、材料生产运输安装(建筑隐含能与隐含碳)、建筑的全生命周期等；研究方法包含基于过程的LCA分析、基于投入产出法的LCA分析以及软件模拟等；研究数据库有美国、加拿大、欧洲的数据库等.研究边界选择、方法选择、数据库选择与研究者国别、研究立足点和数据库的可得性有关.比较一致的结论是：相较混凝土结构建筑与钢结构建筑，木结构建筑有更低的隐含能与隐含碳，木结构建筑具有碳储存功能以及木结构废弃物燃烧具有化石能源的替代效应.在建筑施工现场，混凝土结构建筑比钢结构建筑能耗与碳排放高.在同等边界条件下，混凝土结构建筑比钢结构建筑有更低的隐含能和隐含碳，但如果考虑钢材回收，则两者的能耗与碳排放相当.

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Abroad Research Review of Literatures About Energy Consumption and

Carbon Emissions of Different Building Structures

WEN Rikun,SHEN Junjie,CHEN yakun,ZHANG Yating

(College of Landscape Architecture,Zhejiang University of Agriculture and Forestry,Hangzhou 311300,Zhejiang China)

Abstract:Literatures abroad on energy consumption and carbon emissions of different building structures are reviewed,with focus on the research progress and research results about the energy consumption and carbon emissions of wooden structures,concrete structures and steel structures.The article draws the conclusion that the energy consumption and carbon emissions of wooden structures is lower than those of the concrete and steel ones;wooden structure has a carbon storage function and waste wood burning can substitute fossil fuels;at construction sites,concrete structures consume more energy than steel structures do;under the same boundary conditions,concrete structures have lower implied energy and implied carbon than steel structures;but if the steel recovery is considered,energy consumption and carbon emissions of both the structures are appropriate.This conclusion can provide reference for the domestic study on energy consumption and carbon emissions of different building structures in China.

Key words:abroad;wooden structures;concrete structures;steel structures;energy consumption;carbon emissions

(责任编辑陈炳权)