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浅谈木结构建筑全寿命期碳排放计算

2019/11/27 阅读:

[摘要]研究依托国家标准《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019,对七栋现代木结构建筑的全寿命期碳排放进行计算。研究结果显示,在建筑全寿命周期内,建筑在运行阶段碳排放占建筑全寿命期碳排放比例较大,为82.8%-95.4%。由于木材的使用,减少了传统建材的使用量。如果与仅使用钢筋和混凝土的基准建筑相比,从全寿命期的角度来看,木材的使用可节省8.6%-13.7%的二氧化碳排放。

[关键词]现代木结构;全寿命期;碳排放

1研究背景

轻型木结构建筑始于北美,长期以来以其在安全舒适、低碳环保、耐久性能及装配上的优势,被认为是一种较为成熟和先进的建筑构造形式。随着我国经济发展和社会需求的增长,近年来,现代木结构建筑行业在我国发展迅速,具有较大的市场潜力。现代木结构建筑无疑会对减少建筑领域碳排放量具有积极作用。然而,目前有关我国现代木结构建筑全寿命期的碳排放研究较少,且缺乏与传统混凝土建筑相比碳排放量减少的定量分析[1]。本研究对我国七栋现代木结构建筑进行全寿命期碳排放量计算,定量分析其减碳能力。

2建筑全寿命期碳排放计算方法及结果

加拿大TheAthenaSustainableMaterialsInstitute对于现代木结构全寿命期碳排放做了大量研究,并基于欧洲标准委员会标准EN15978对部分加拿大现代木结构建筑全寿命期碳排放进行了计算[2,3]。在我国,虽然已开展有关现代木结构建筑碳排放计算方法的研究[4],但尚未形成只针对木结构建筑的碳排放计算标准。因此,本研究将依托国家标准《建筑碳排放计算标准》GBT51366-2019和加拿大TheAthenaSustainableMa-terialsInstitute相关木结构构件碳排放建筑研究报告,对我国木结构建筑进行全寿命期碳排放计算。经征集、筛选,研究最终包含7个项目,覆盖寒冷及夏热冬冷气候区,建筑类型包括居住建筑、酒店、办公建筑、养老院、文旅建筑等多种建筑类型。研究对建筑主材类型与数量、建筑围护结构构造、能源系统形式、室内环境设计参数等基本信息进行收集,并从建材生产、建材运输、建造施工、建筑运行以及建筑拆除五个方面入手,对全寿命期不同阶段碳排放进行计算。建筑建造及拆除碳排放占建筑全寿命期比例较少,其构成主要来自能源消耗。对于传统混凝土建筑而言,单位面积建筑建造碳排放从17~168kWh/m2不等[5],项目间差异很大[5-7]。对于现代木结构建筑而言,已有研究表明,加拿大单位面积建造碳排放约为10kgCO2/m2[2,3]。由于以上7个项目缺少建造过程及拆除能源消耗清单,根据我国的建造业发展水平,假设单位面积建筑建造及拆除碳排放为30kgCO2/m2。其他阶段碳排放方法与国家标准《建筑碳排放计算标准》GBT51366-2019相同,不做赘述。由表1和表2可以看出,我国现代木结构建筑在50年使用期内单位建筑面积碳排放从24.6~31.1kgCO2e/m2a不等,平均为28.8kgCO2e/m2a。根据一幢位于PriceGeorge的木结构建筑研究报告显示,对于使用期同样为50年的一幢4820m2的综合楼来讲,使用期内单位建筑面积的碳排放为40.6kgCO2e/m2a,远大于我国木结构项目的碳排放[2]。其主要原因为建筑运行阶段的碳排放较高。除了气候方面的差别外,不同于发达国家的高舒适度和高保证率下的高能耗,我国建筑能耗特点为低舒适度和低保证率下的低能耗。研究表明,无论是人均建筑能耗还是单位面积建筑能耗,我国目前都远低于发达国家,这主要是由于我国的建筑形式和能源使用方式决定的[8-9]。图1表明了所有木结构建筑全寿命期不同阶段的碳排放占比。建筑运行阶段碳排放占全寿命期碳排放从81.7%-98.8%,平均为88.4%。根据文献调研,建筑运行阶段的碳排放占比较大,约占全寿命期碳排放的80%-85%[10]。加拿大WoodInnovationandDesignCentre项目以及TallwoodHouse项目运行阶段碳排放分别占全寿命期碳排放的89%[2]以及84%[3]。其他阶段碳排放占比较少,建筑建材、运输、建造和拆除阶段碳排放平均占比为7.3%、0.1%、2.1%以及2.1%。Adalberth[11]在研究中同样指出,建筑运行碳排放占全寿命期的主要比例80%-90%,其次为建筑材料碳排放,约为10%-20%,建材运输、建造和拆除阶段碳排放占比较小可以忽略。

3现代木结构建筑节碳能力分析

木结构建筑能有效降低资源能耗,减少二氧化碳排放。从全寿命期的角度来看,建筑运行阶段的碳排放占比最大,但如若木结构建筑与传统钢筋、混凝土建筑的围护结构热工性能相同,使用的能源系统也相同,则运行阶段碳排放没有差别[12]。运输、建造和拆除阶段碳排放可忽略不计,木结构建筑与传统钢筋、混凝土建筑的节碳能力主要体现在建筑材料碳排放环节。研究表明,钢筋和混凝土的碳排放占建筑材料碳排放中的绝大部分[13]。本研究的结果也显示,相较于木材,传统建材的碳排放量较大,除了中加生态示范区枫丹园项目没有混凝土和钢材的使用,上谷水郡会所也仅使用了钢材,没有混凝土消耗,其他项目由于混凝土和钢材产生的碳排放量占建筑材料碳排放的57%-96%不等。木结构建筑在建造过程中由于木材的使用,无疑减少了传统建材的使用,从而减少了二氧化碳排放量。对于传统建筑来讲,钢筋和混凝土的使用量是由建筑的结构形式、建筑类型、抗震等级、混凝土强度等方面决定的,不同建筑差别较大。对于钢材的使用量,谭泽先[14]综合多种统计数据,编制出各类钢筋混凝土结构含钢量的一般范围表。对于混凝土使用量,通过文献调研,单位面积的使用量从0.35-0.88m3/m2不等[6,12,15,16]。考虑到本文研究的的现代木结构建筑以一层和多层为主,因为假设不使用木材,仅使用钢筋和混凝土的基准建筑混凝土消耗为0.5m3/m2;钢材消耗为40kg/m2,可以得到如下结果见图2、表3:从建材生产阶段来看,与仅使用钢筋和混凝土的基准建筑相比,由于木材的使用,可使得碳排放降低48.9%-94.7%,平均为64.5%。其中中加生态示范区的节省能力最强,为94.7%。从全寿命期的角度来看,与基准建筑的碳排放量相较,所有木结构建筑中,由于中加生态示范区枫丹园完全没有使用到混凝土和钢材,因此全寿命期碳排放节省率最高,为12.9%。上谷水郡会所项目由于仅使用到了钢材,未使用混凝土,因此节省率也可达13.7%。其他建筑的全寿命期碳排放节省率为8.6%-11.8%不等。平均而言,木结构建筑中由于木材的使用,可以使得全寿命期的碳排放节省11.0%。

4结论

本研究以木结构建筑为研究对象,基于寿命期评价方法,对其全寿命期进行节能减排效益评估。(1)将寿命期评价方法应用于现代木结构建筑的碳排放研究,把寿命期分为建筑建材生产阶段、建材运输阶段、建造施工阶段、建筑运行阶段以及建筑拆除阶段,并针对各个阶段的清单数据进行搜集整理并根据国家标准《建筑碳排放计算标准》GBT51366-2019提供的方法进行计算。(2)在建筑全寿命周期内,建筑在运行阶段碳排放占建筑全寿命期碳排放比例较大,为82.8%-95.4%。运行阶段碳排放与气候条件、建筑构件的材料和构造形式、建筑能源系统的选择以及使用者的行为习惯等方面有关。控制和减少运行阶段碳排放是减少建筑碳排放的重点和关键。其他阶段碳排放:建筑材料碳排放为0.8%-12.1%、运输碳排放为0.1%-0.3%、建造以及拆除碳排放为1.9%-2.4%。(3)在木结构建筑中,由于木材的使用,减少了传统建材的使用量。如果与仅使用钢筋和混凝土的基准建筑相比,木材的使用可以使建材生产阶段碳排放降低48.9%-94.7%。从全寿命期的角度来看,与基准建筑的碳排放量相较,可节省8.6%-13.7%的二氧化碳排放。

参考文献

[1]孙立新,董宏,周辉,etal.木结构与混凝土结构房屋全寿命周期碳排放对比分析研究——以中加合作项目泰达悦海酒店公寓为例[J].建设科技,2016,5(14-6.

[4]郭伟,姚涛,张时聪,etal.轻型木结构房屋碳排放总量计算方法研究[J].建筑节能,2014,42(9):73-85.

[6]曹新颖.产业化住宅与传统住宅建设环境影响评价及比较研究[D];清华大学,2012.

[8]江亿.我国建筑节能战略研究[J].中国工程科学,2011,13(6):30-8.

[9]杨秀.基于能耗数据的中国建筑节能问题研究[D].北京;清华大学,2009.

[14]谭泽先.钢筋混凝土结构含钢量的一般范围和合理控制方法[J].建筑结构,2007,37(7):17-9.

作者:张时聪 杨芯岩 徐伟 单位:中国建筑科学研究院有限公司

浅谈木结构建筑全寿命期碳排放计算

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