圆竹结构景观建筑全生命周期碳排放分析*

张展诚, 李 瑜, 孟鑫淼, 刘可为, 高 颖, 王军龙

(1 北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2 北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083；3 国际竹藤组织，北京 100102；4 清华大学土木水利学院，北京 100084；5 杭州邦博科技有限公司，杭州 310018)

0 引言

人类温室气体排放量的增加将导致全球变暖、气候极端事件的发生,气候变化已经成为人类发展面临的最大的非传统安全挑战[1-2]。国际能源署《2022年二氧化碳排放》显示,中国是世界上最大的碳排放国,在全球气候治理中起着关键作用。建筑行业是造成直接和间接碳排放的主要责任领域之一[3]。而建筑材料的生态、保温等特性会直接影响到建筑自身的碳排放量。因此,推行绿色低碳建筑材料是建筑业碳减排的有效方案之一。

圆竹是具有天然固碳特性的生态建材。圆竹储量大、分布广[4],而且具有轻质高强的物理特性[5],是一种理想的建筑材料。近代以来,竹材仍凭借其与儒家文化的关系和其自身的竹文化,活跃在装饰、景观建筑中[6]。针对圆竹结构力学性能研究已经非常深入[7-12],但有关圆竹结构碳排放的研究较少。虽然圆竹被普遍认为是一种低碳材料,但由于缺少圆竹碳排放因子,尚无法定量地分析圆竹结构的碳排放量及其减碳潜力。

因此,本文通过调研圆竹加工处理的实际数据,计算结构用圆竹的碳排放因子。进一步以扬州世界园艺博览会国际竹藤组织馆“鱼乐竹馆”为案例,基于全生命周期评价法,对建筑物碳排放进行计算,并考虑圆竹生物固碳特性,分析圆竹建材的减排效果。最后基于清洁能源和可再生能源的使用提出圆竹结构景观建筑实现全周期减碳的路径。

1 圆竹建材碳排放因子确定方法

1.1 圆竹建材碳排放因子的组成

根据《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)[13](简称碳排放标准),建筑碳排放因子是指将能源与材料消耗量与二氧化碳排放相对应的系数,用于量化建筑物不同阶段相关活动的碳排放。圆竹为“鱼乐竹馆”建筑上部结构的主要建筑材料,是上部结构碳排放的主要来源。但是,圆竹的碳排放因子缺乏可靠的数据参考。因此,确定圆竹的碳排放因子是计算建筑碳排放的必要部分。圆竹的生产包括原材料获取、运输到加工工厂和建材加工三阶段。其中原材料获取阶段全部由人工采伐完成,没有消耗能源和材料。在运输阶段,圆竹是由重型柴油货车从采伐地运输到加工工厂,运输距离根据实际取为75km。在建材的生产加工阶段,需要考虑圆竹处理流程,如图1所示。

图1 圆竹的处理流程

1.2 圆竹建材碳排放因子的计算

基于工厂调研数据,圆竹建材生产各阶段的碳排放量如表1[14-15]所示。“鱼乐竹馆”占地面积约300m3,高度约11m,使用4m长圆竹约2 000根,竹瓦约800 m2。在锯切过程中,需要把砍伐后的圆竹切割成长度约4m的竹杆,平均每根竹杆需要被切割1.5次,每次的切割时间在6s左右,切割机的功率为2.2kW,完成2 000根4m长圆竹的切割需要用电11kWh。在蒸煮脱糖处理中,需要将圆竹在90℃碱性环境中蒸煮30min。蒸煮锅每次可蒸煮圆竹约150根,蒸煮建筑所需圆竹需要14锅。蒸煮锅加热使用竹材废弃料为燃料,蒸煮1锅圆竹需要消耗约300kg的竹材废弃料。假设有2/3的竹材废弃料充分燃烧,根据《竹材制品碳计量规程》(LY/T 3197—2020)[16],竹材的含碳率为0.5[16],每千克竹材燃烧生成约1.83kgCO2e。经过计算,在蒸煮脱糖处理的燃烧阶段碳排放为5 133.33kg二氧化碳。在蒸煮过程中共使用了8kg的氢氧化钠,其碳排放因子参考相关文献[14]中的数据,计算得氢氧化钠生产产生的碳排放量为5.06kgCO2e。因此,蒸煮脱糖处理过程中产生的总碳排放量为5 138.39kgCO2e;圆竹自然晾晒处理不考虑二氧化碳的排放。在通节处理中,通节设备的功率为5kW,通节设备每小时可加工4m长圆竹约50根,完成2 000根4m长圆竹的通节需要用电200kWh;在热弯矫直处理中,矫直采用液化天然气明火加热,通过人工压拉调直,每罐(约50m3)液化天然气可矫直圆竹约100根,因此需要液化天然气20罐。在抛光处理中,抛光机功率1.5kW,抛光机每小时可抛光4m长圆竹约100根,总耗电量30kWh;在化学药剂处理中,直径100mm、每根长度4m的圆竹药剂涂布量约25g,总药剂用量为50kg。在圆竹处理流程中,处理工具所使用的能源包括天然气和电;其中天然气采用碳排放标准中的主要能源碳排放因子,为55.54TJ/tCO2。天然气的热值采用《天然气》(GB 17820—2018)[17]的数据,为34.0 MJ /m3。电能碳排放因子选择华东区域电网碳排放因子,源自《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》[18],为0.58kgCO2e/kWh。在碳排放因子的计算过程中,用到了部分化学药品,而取得每种化学试剂碳排放因子的难度较大,同时化学试剂的用量较少,所产生的碳排放量对结果的影响较小,本文统一采用崔鹏[15]研究中化学试剂的碳排放因子简化计算。最后由建材生产阶段的总排放量比工程所用圆竹的质量,计算得圆竹的碳排放因子为0.327kgCO2e/kg。在圆竹的建材加工中,圆竹的蒸煮脱糖和热弯矫直所产生的碳排放较多,占全流程的93.45%。这是由于该流程热弯所用燃料为竹材废弃料和天然气,能量利用效率低,在经济性和环保性方面都有较大提升空间。如果改用电能[19]等能源进行加热和热弯,可进一步降低圆竹的碳排放因子。

表1 圆竹建材各阶段碳排放量

在“鱼乐竹馆”的建造过程中还用到了约800 m2的竹瓦。竹瓦与圆竹采用相同的运输车辆,运输过程中产生的碳排放量为70.74kg CO2e。竹瓦采用竹展开技术,是由压机将圆竹压平后再进行二次复合压制而成。压机的功率为5kW,压机每小时可压制竹瓦约20m2,总耗电量200kWh。在竹瓦的锯切过程中,需要把压制而成的竹瓦切割成尺寸为0.3m×0.2m的瓦片,平均每片竹瓦需要被切割1次,每次的切割时间在3s左右,切割机的功率为2.2kW,完成800m2竹瓦的切割需要用电24.4kWh。由竹瓦生产阶段的总排放量比工程所用竹瓦的质量,计算得竹瓦的碳排放因子为0.027kgCO2e/kg。

2 “鱼乐竹馆”碳排放计算方法

2.1 碳排放边界

扬州世园会“鱼乐竹馆”的鸟瞰图和内饰图如图2所示,本研究建筑工程的面积为280m2,采用建筑建设工程规划许可范围内,基础底部水平面到最高点水平面之间的假想立体空间内的全生命周期作为系统边界。该范围内的材料和能源消耗产生的正碳排放以及可再生能源和材料带来的负碳排放均计算在建筑全生命周期的碳排放量中。工程使用年限为20年。另外,本计算为建筑建造后对碳排放当量进行的计算。

图2 扬州世园会“鱼乐竹馆”[20]

对于计算边界,建筑全生命周期是指从建材原料开采到建筑拆除处置的全过程。根据碳排放标准规定,建筑物碳排放计算可划分为建材生产及运输阶段、运行阶段与建造及拆除阶段。本文依据碳排放标准的方法对“鱼乐竹馆”的碳排放量进行计算。由于在碳排放标准规定的碳排放计算方法中缺少对建筑拆除后建材处置阶段碳排放的规定,本文参考EPD(environmental product declaration)[21-22]的数据对建筑处置阶段的碳排放量进行了估计。最后对使用碳排放标准计算出的建筑物碳排放结果进行分析。

2.2 碳排放计算方法

2.2.1 运行阶段

根据碳排放标准的规定,建筑运行阶段的碳排放量为建筑消耗的能源量乘其对应的碳排放因子。本研究中,运行阶段的碳排放源自景观建筑内部的吊扇和照明系统,因此,运行阶段所使用的能源为电能,选择华东区域电网碳排放因子。在碳排放标准中规定的建筑物运行特征中,没有景观建筑相关的房间类型。本文根据实际使用需要,制作“鱼乐竹馆”的运行特征,其中照明部分的特征如表2所示。此外,考虑到世园会期间,扬州进入春夏季节,空气潮湿,“鱼乐竹馆”东西通透,在室内设置有吊扇三台(仅在夏季使用),功率为100W。

表2 “鱼乐竹馆”照明系统运行特征

2.2.2 建造及拆除阶段

建筑建造阶段的碳排放应包括各分部分项工程施工产生的碳排放和各项措施项目实施过程中产生的碳排放。本研究中的搭建施工周期为30d,搭建中土方工程和屋架安装需要机械的参与,各工序的工程消耗量由《房屋建筑与装饰工程消耗量定额》确定。根据碳排放标准的规定,建筑建造及拆除阶段的碳排放量为建筑建造及拆除消耗的能源量乘其对应的碳排放因子。在建筑的建造和拆除过程中,施工机械所使用的能源为柴油。柴油的碳排放因子采用崔鹏[15]的研究数据,为3.67kgCO2/kg。

因为“鱼乐竹馆”仍在使用期间,无法对其拆除后的建材处置方法进行确定。对于竹木制建材,如果对其进行生物质材焚烧或作为生物质燃料,其所固碳将被重新排入大气中,增加碳排放量。如果采用填埋方式处理,经过微生物分解后的竹木固碳仍会以微生物代谢的方式进入大气。若能对竹木制建材进行回收利用,以极低的材料成本制作成竹工艺品或其他产品,便可减轻建材处置过程中竹木固碳重新返回大气的影响。对于建筑使用到的其他建材,本文使用EPD中的数据对其拆除后的建材处置的碳排放量进行估计。其中竹木制建材的处置方法为焚烧。钢材和混凝土的处置方法为回收利用。其他建材的处置方法为填埋。处置阶段的碳排放因子均包括材料运输到分拣场或回收场地、用于再利用或再循环的材料的解构和废物处理。其中回收利用的材料还考虑了材料回收带来的潜在收益。

2.2.3 建材生产及运输阶段

根据碳排放标准规定,建材生产阶段的碳排放量为每种主要建材的消耗量乘其对应的碳排放因子。每种主要建材的碳排放因子为该建材的消耗量与该建材的平均运输距离以及该建材的运输方式下,单位重量运输距离的碳排放因子的积。

根据“鱼乐竹馆”的《分部分项工程量清单》,主要建材包括竹龄四年以上、直径100mm壁厚5mm以上的毛竹,以及竹瓦、填心木、钢筋、混凝土、螺栓连接件等9种建材。圆竹的碳排放因子在1.2节中已经进行了确定,其余建材碳排放因子Fi和建材运输碳排放因子Ti依据碳排放标准或相关研究进行选择,本研究采用的建材碳排放因子及运输碳排放因子清单见表3、4。其中圆竹和竹瓦的运输距离为319km,选用重型柴油货车(18t)运输。混凝土的运输距离取40km,选用重型柴油货车(46t)运输。其余建筑材料的运输距离取500km,由于其余建材均未超过2t,所以选用轻型汽油货车运输(2t)。

表3 建材碳排放因子/(kgCO2e/kg)

表4 建材运输碳排放因子

因此,本研究参考李瑜等[25]的研究,在碳排放标准中建材碳排放因子Fi1基础上增添单位竹木材的固碳量,得到了考虑固碳的碳排放因子Fi2,得到的竹木制建材碳排放因子如表5所示。其中木材固碳量参考EPD中软木的数据。本研究分别采用两种竹木制建材碳排放因子进行计算与分析。

表5 竹木制建材碳排放因子

3 结果与分析

3.1 “鱼乐竹馆”全生命周期碳排放计算结果

“鱼乐竹馆”的全生命周期碳排放如表6所示。在不考虑竹木制建材自身固碳的情况下,“鱼乐竹馆”的全生命周期碳排放量为37 362.96kgCO2e。考虑固碳时,全生命周期碳排放量为-19 559.91kgCO2e,相比于未考虑固碳时降低约152.35%,实现了碳中和。在建材生产阶段,考虑固碳特性后“鱼乐竹馆”的碳排放相比于未考虑固碳时降低约228.40%。由于该馆运行阶段在全生命周期碳排放量中占有一定比重,同时运行阶段的碳排放不受圆竹建材固碳作用的影响。因此,来用圆竹建材生产阶段的碳排放降低率评价圆竹固碳特性更加客观。

表6 “鱼乐竹馆”全生命周期碳放量/(kgCO2e)

在不考虑竹木制建材自身固碳的情况下,“鱼乐竹馆”运行阶段、建造及拆除阶段、建材生产及运输阶段的全生命周期碳排放占比如图3所示。从图3可以看出,“鱼乐竹馆”的全生命周期碳排放超过一半源自建材生产阶段,其碳排放量占比66.70%,该阶段的碳排放受材料碳排放因子的影响很大,在3.2节将做具体分析。“鱼乐竹馆”的建造及拆除阶段碳排放量占比仅0.25%,这是由于圆竹结构景观建筑易于搭建。对于建筑的地上部分,仅脚手架的搭建和龙骨的吊装需要用到机器,其余均可人工完成;对于基础部分,由于圆竹结构重量轻,对基础的需求低,工程量少,因此机械的消耗量也少。“鱼乐竹馆”的运行阶段碳排放量占比为24.63%,是除建材生产阶段外全生命周期碳排放占比最大的阶段,这是由于建筑的使用年限为20年,碳排放积累量大。因此,运行阶段具有很大的碳减排潜力。因为运行阶段所消耗的能源均为电能,如果采用可再生能源或者太阳能等更清洁低碳的电能获取方式代替运行阶段的电能,便可以降低运行阶段的碳排放。

图3 “鱼乐竹馆”全生命周期各阶段碳排放量占比

3.2 “鱼乐竹馆”建材生产阶段碳排放分析

“鱼乐竹馆”在建材生产阶段上部结构碳排放与总碳排放对比结果如图4所示。在不考虑竹木制建材的固碳特性时,建筑上部结构碳排占总碳排放的47.91%,为11 940.45kgCO2e,这是由于建筑主体结构和装饰面层均由竹材构成,而竹材碳排放因子低,碳排放量少。在考虑竹木制建材的固碳特性时,建筑的上部结构碳排放为负值,说明竹木制建材的固碳特性使得该建筑实现了上部结构在建材生产阶段的负碳设计。而建筑的总碳排放为负值也表明了上部结构的固碳大于基础部分的碳排放,在建材生产阶段建筑实现了总体负碳的目标。

图4 “鱼乐竹馆”建材生产阶段上部结构碳排放与碳排放总量对比

图5是“鱼乐竹馆”中各类建材碳排放量在生产阶段的占比图。图5(a)为不考虑竹木制建材固碳时的碳排放量占比,虽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产阶段总排放量占比为31.40%。在考虑固碳时,由于竹木制建材的总碳排放量为负值,故没有在图中进行表示。由图5(b)可以看出,基础中使用的钢筋混凝土和上部结构中使用的金属连接件的碳排放量在考虑固碳时占碳排放总量的比重高达77.41%。其中上部结构金属连接件中的钢材用量仅为基础部分钢材用量的4.97%。所以基础部分的建材是“鱼乐竹馆”碳排放量的主要贡献者。另外,在“鱼乐竹馆”中,用于节点连接的有机玻璃在生产过程中产生的碳排放占碳排放总量的15.46%(全部建材)和22.54%(非竹木制建材),是除了混凝土、钢材外的碳排放量的最大贡献者。

图5 “鱼乐竹馆”中各类建材碳排放在生产阶段的占比

4 结论

本文提出了一种圆竹碳排放因子的计算方法。并根据圆竹在生产加工中能源的消耗,对“鱼乐竹馆”进行了全生命周期碳排放计算研究,通过对比分析,评估了圆竹结构景观建筑的减碳效果,并得出以下结论:

(1)通过原材料获取、运输到加工工厂和建材加工三阶段碳排放的计算,得到了圆竹的碳排放因子。在不考虑圆竹自身固碳的情况下,圆竹的碳排放因子为0.327kgCO2e/kg,考虑固碳时为-1.506kgCO2e/kg。在圆竹的建材加工中,蒸煮脱糖和热弯矫直所产生的碳排放较多。这是由于流程蒸煮和热弯的过程中,所用燃料包括竹材废弃料和天然气,然而燃料的能量利用效率低,这为提升经济性和环保性提供了较大的空间。如果改用电能、太阳能等能源进行加热,就可以降低圆竹的碳排放因子。

(2)“鱼乐竹馆”的全生命周期碳排放量为37 362.96kgCO2e,其中建材生产阶段碳排放量占总碳排放量的比重较大,为66.70%。考虑固碳的全生命周期碳排放量为-19 559.91kgCO2e,降低了约152.35%,实现了碳中和。“鱼乐竹馆”在建材生产阶段碳排放量为24 922.72kgCO2e,考虑固碳时为-32 000.15kgCO2e,降低了约228.40%,在该阶段实现了负碳设计。

(3)在建材生产阶段,建筑基础部分的碳排放量约为24 922.72kgCO2e,占碳排放总量的比重很大,约为52.09%,具有很大的碳排放降低潜力。而上部结构中木制建材(主要是圆竹)的固碳特性减少的碳排放量可以完全抵消基础部分的碳排放量,使整栋建筑在建材生产过程中总碳排放量为负值,实现建材生产阶段的负碳设计,表明竹材固碳作用显著,这种固碳作用对建筑减排有较大贡献。

(4)虽然景观建筑相对于其他公共建筑运行阶段的碳排放很低,但运行阶段的电力消耗产生的碳排放量仍在圆竹结构景观建筑全生命周期碳排放量中占比24.63%,具有很大的减碳潜力。如果利用太阳能、风能等清洁能源,可进一步降低运行阶段的碳排放。