不同结构类型建筑全生命周期碳排放比较

不同结构类型建筑全生命周期碳排放比较
王玉;张宏;董凌
【摘要】From the strategic thinking of sustainable development, the selection of resource consumption, as little as possible impact on the ecological environment, high recycling and utilization of ecological environment construction material is the trend of development in the 21st century new building system. Based on the theory of life cycle assessment (LCA), establishes the total life cycle of carbon accounting model. At the same time, to study the method of reducing the carbon emissions and appropriate selection of structure type, structural materials, this article from the heavy structure (steel structure, reinforced concrete structure) and light structure (wood, light steel structure) of two different structure types and the corresponding structural material, the whole life cycle of carbon emissions for quantitative calculation and contrast analysis. The results show that the carbon unit building area every year, light structure<heavy structure; Timberwork<light steel structure<steel structure<reinforced concrete structure.%从可持续发展的战略考虑，选用对资源消耗尽可能少、对生态环境影响小、循环再利用率高的生态环境建筑材料，是21世纪发展新型建筑体系的大趋势。

本文基于生命周期评价理论（LCA），建立建筑全生命周期碳排放的核算模型。

同时，为探讨减少建筑碳排放的途径和合适结构类型、结构材料的选择，本文从重型结构（钢结构、钢筋混凝土结构）和轻型结构（木结构、轻钢结构）两种不同的结构类型及相应的结构材料入手，对其全生命
周期的碳排放进行定量测算和对比分析。

结果表明，每年单位建筑面积碳排放，轻型结构〈重型结构；木结构〈轻钢结构〈钢结构〈钢筋混凝土结构。

【期刊名称】《建筑与文化》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】2页(P110-111)
【关键词】建筑全生命周期;碳排放;结构类型;结构材料
【作者】王玉;张宏;董凌
【作者单位】东南大学建筑学院;东南大学建筑学院;东南大学建筑学院
【正文语种】中文
引言
当前，中国建筑业所使用的资源占全国资源利用量的40%～50%，所消耗的能源约占全社会总能耗的30%[1]。

仅根据终端能源消耗量来计算温室气体排放，我国现阶段既有建筑每年所排放的温室气体约占全社会排放量的28%左右[2]。

对27个产业部门能源消耗隐含碳排放的研究显示，建筑业的隐含碳排放最大，2002年建筑业的隐含碳排放占所有部门隐含碳排放的26.47%[3]。

然而，不同结构的建筑每年单位建筑面积到底排放多少温室气体，目前还没有具体数据。

本文应用生命周期评价(LCA)理论，建立了建筑生命周期碳排放评价模型，并对重型结构（钢结构、钢筋混凝土结构）和轻型结构（木结构、轻钢结构）建筑生命周期的碳排放进行了核算，以期客观鉴别建筑物的碳排放，为建筑业设定减排指标提供参考。

1.建筑全生命周期碳排放
1.1 全生命周期评价理论框架
1990 年国际环境毒理学和化学学会（SETAC）首先系统提出全生命周期评价概念，将全生命周期评价定义为：通过对产品、生产工艺及活动的物质、能量的利用及造成的环境排放进行量化和识别而进行环境负荷评价的过程。

整个生命周期即原材料的开采、加工，运输，使用、重新利用、维持，循环以及最终处理。

SETAC的基
本结构分为目标范围确定、清单分析、影响评价和改善评价4个部分。

1.2 全生命周期评价步骤与方法
生命周期评价包括3个步骤：①确定目标和范围：是对一个产品系统的生命周期
中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价，表征系统和过程对环境的影响及其程度。

②清单分析：本文采用基于过程的清单分析，以过程分析为基础，将研究系统在其边界范围内划分为一系列过程或活动，通过对单元过程或活动的输入、输出分析，建立相应的以功能单位表示的系统的输入输出清单。

③影响评价：生命周期评价中最关键的一步，这一阶段称为生命周期影响评价。

2.建筑全生命周期碳排放
2.1 工程建设活动全过程与建筑全生命周期
建筑全生命周期包括：原材料开采、设备生产和构件加工制造、建筑工程施工安装、运行维护及拆除处置等阶段，图1表明了工程建设活动全过程与建筑全生命周期
的关系。

核算建设工程项目全过程的碳排放应基于建筑的全生命周期。

2.2 建筑全生命周期碳排放评价
（1）核算系统边界
建筑全生命周期的碳排放是指将建筑的生命周期看作一个系统，该系统由于消耗能源、资源向外界环境排放的CO2总量。

建筑全生命周期系统边界内部应包含形成建筑实体和功能的一系列中间产品和单元过程流组成的集合，包括建筑材料生产和
构配件加工、运输、施工与安装、使用期建筑物运行与维护、循环利用、拆除与处置。

（2）清单分析
针对建筑全生命周期的碳排放清单分析，其主要任务是分阶段的基础数据的收集，并进行相关计算，得出该阶段的总输入和输出量，作为评价的依据。

（3）评价功能单位
用每年每平方米建筑面积的碳排放量作为评价指标可以有效消除由于建筑物规模、设计年限不同带来的影响，使得评价结果之间具有一致性和可比性。

因此，建筑生命周期碳排放核算的功能单位为单位建筑面积的年碳排放量。

其计量单位为kg·m-2·yr-1，见公式（1）：
式中，BCE为建筑生命周期碳排放评价值；Eman为物化阶段碳排放；eu+d为运行使用和拆除回收阶段碳排放加权值（此阶段排放存在长时间延迟，考虑加权）；S为总建筑面积；T为建筑寿命年限。

1|工程建设活动全过程与建筑全生命周期的关系
3.不同结构类型、结构材料建筑碳排放分析比较
3.1 数据来源及碳排放核算
本文选取案例4个建筑设计相近的重型结构（钢结构、钢筋混凝土结构）、轻型结构（木结构、轻钢结构）的低层住宅建筑为分析对象，建设期为1a，房屋使用寿命为50a。

通过对其建筑全生命周期各阶段的碳排放量的定量核算，从各阶段占全生命周期碳排放比例和每年单位建筑面积各阶段碳排放比例（50年使用期）两个角度对各结构类型、结构材料进行比较分析。

见表（1、2）
3.2 分析和讨论
表（1）4种不同材料结构类型建筑各阶段全生命周期碳排放比例关系[4]结构类型
各阶段碳排放比例%生产阶段% 施工阶段% 使用阶段% 拆除阶段%重型结构钢结构 20.5 0.4 78.9 0.2钢筋混凝土结构 16 3.1 73.4 7轻型结构木结构 3.3 0.7
95.86 0.04轻钢结构 5.1 0.8 94 0.04
表（2）4种不同材料结构类型建筑每年单位建筑面积各阶段碳排放比例关系（50年使用期）结构类型各阶段碳排放比例%每年单位建筑面积碳排放量kg·m-2·yr-1生产阶段% 施工阶段% 使用阶段% 拆除阶段%重型结构钢结构 90.7 2 6.9 0.2 75.62钢筋混凝土结构 58 11.3 5 25.3 82.52轻型结构木结构 55.5 11.8 31.9 0.6 63.57轻钢结构 65 10.4 23.9 0.5 71.33
由左侧图表可以发现：
所有结构类型比较：
（1）建筑全生命周期各阶段碳排放比例关系大致是：建材生产阶段（5%-20%），建筑施工阶段（0.4%-4%），建筑使用阶段（75%-95%），建筑拆除阶段
（0.05%-5%），从大到小依次是：建筑使用阶段、建材生产阶段、建筑施工阶段、建筑拆除阶段；
（2）建筑使用阶段碳排放量所占比例都是最高，达70%以上，其中轻型结构更是超过90%；
（3）不论重型结构还是轻型结构，建材生产阶段比建筑施工和拆除阶段碳排放总和还要高；
（4）不论重型结构还是轻型结构，建筑使用阶段与建材生产阶段之和占总量的90%以上。

由以上分析可得，建筑使用阶段是建筑碳排放的主要阶段，也是减碳的重点阶段，应该重视使用阶段的碳排放，只有降低使用阶段的碳排放，才能从整体上降低建筑碳排放。

重型结构与轻型结构比较：
（5）重型结构，建筑全生命周期各阶段碳排放比例关系大致是：建材生产阶段（18%），建筑施工阶段（3%），建筑使用阶段（75%），建筑拆除阶段（4%），从大到小依次是：建筑使用阶段、建材生产阶段、建筑拆除阶段、建筑施工阶段；
（6）轻型结构，建筑全生命周期各阶段碳排放比例关系大致是：建材生产阶段（4%），建筑施工阶段（0.9%），建筑使用阶段（95%），建筑拆除阶段（0.1%），从大到小依次是：建筑使用阶段、建材生产阶段、建筑施工阶段、建筑拆除阶段；
（7）重型结构在建材生产阶段的碳排放比例（18%）明显高于轻型结构（4%左右）；
（8）重型结构在建筑施工和拆除阶段之和所占比例（7%）明显高于轻型结构（1%）；。

由以上分析可得：
重型结构在建材生产阶段的碳排放比例高于轻型结构，原因在于结构材料的选择，轻型结构中的木结构建筑采用的工程木，包括规格材、OSB、I-Joist，其材料的碳排放系数分别为30.3 kgco2/ m3、550kgco2/t、380 kgco2/t；而重型结构的4种主要结构类型中混凝土的用量占到建材总量的绝大部分，按照质量原则，取混凝土为建材的主要研究对象，而水泥是混凝土的主要成分，而且是混凝土碳排放的主要来源，水泥的碳排放系数为1220 kgco2/t，远高于工程木3种主要建材的碳排放系数。

轻型结构中的轻钢结构，其主要建材——钢材的碳排放系数为6470 kgco2/t，高于水泥，但由于同等条件下满足使用功能的建筑，重型结构所需的水泥用量远高于轻钢结构的用钢量，因此重型结构在建材生产阶段的碳排放比例高于轻型结构。

重型结构的建筑施工阶与拆除阶段的碳排放比例高于轻型结构，原因在于重型结构建筑由于结构类型个材料的关系，在施工和拆除阶段的能源消耗量要高于轻型结构。

由右侧图表可以发现：
左侧图表分析没有考虑时间因素和面积因素，如果把建材生产阶段、建筑施工阶段、建筑拆除阶段都考虑为 1 年，计算单位面积年碳排放量，从右侧图表可以发现：
所有结构类型比较：
（1）建材生产阶段的单位时间碳排放比例是最高的；。

（2）建筑施工阶段和拆除阶段的单位时间碳排放比例明显提升；
由上述分析可知，建筑使用阶段的碳排放总量是最高的，是降低碳排放的重点，但是在单位时间碳排放上建材生产阶段比建筑使用阶段高，其余两个阶段（施工阶段和拆除阶段）也同样存在很大的减碳潜力和空间，且由于是集中排放，从而对环境的影响更大，所以我们在重视建筑使用阶段碳排放的同时，也不能忽略其他阶段的减排意义。

重型结构与轻型结构比较：
（3）轻型结构在建筑使用阶段单位时间的碳排放比例（25%左右）远高于重型结构（5%左右）；。

（4）重型结构在建筑施工阶段和建筑拆除阶段的单位时间碳排放之和所占比例高于轻型结构；。

（5）重型结构在建筑施工阶段和建筑拆除阶段的单位时间碳排放比例高于使用阶段；而轻型结构在建筑施工阶段和建筑拆除阶段的单位时间碳排放比例低于使用阶段；。

每年单位建筑面积碳排放：
（1）重型结构〉轻型结构；（2）钢筋混凝土结构〉钢结构〉轻钢结构〉木结构4.结语
本文基于全生命周期理论，建立建筑全生命周期碳排放核算模型，并对4种不同
的结构类型和结构材料进行了碳排放核算。

研究表明，轻型结构低于重型结构，钢筋混凝土结构〉钢结构〉轻钢结构〉木结构。

因此，在国家宏观政策允许的条件下，选择轻型结构、选择保温性能好、热容小的木结构建筑是建筑业低碳减排的有效途径之一。

参考文献：
【相关文献】
[1]吴星.建筑工程环境影响评价体系和应用研究[D].北京：清华大学。

2005.
[2]江亿.我国建筑能耗趋势与节能重点[J].建设技术，2006，7：10-15.
[3]陈红敏.包含工业生产过程碳排放的产业部门隐含碳研究[J].中国人口、资源与环境，2009。

19(3)：25—30
[4]尚春静、储成龙、张智慧.不同结构建筑生命周期的碳排放比较[J].建筑科学2011,12,第27卷第12期.。