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1不同結構建筑建設階段能源消耗與碳排放

最早對不同結構建筑能耗與碳排放進行研究的學者是加拿大的Cole［5］．Cole研究木結構、鋼結構、混凝土結構建設過程的能耗占建筑總能耗的比例以及3種結構建設過程的能耗是否有明顯不同．其研究采用加拿大ATHENATM生命周期評估工具．ATHENATM被用來測算結構部品最初的隱含能．這個測算中沒有包括工人交通的能源消耗，但Cole的研究中考慮了，其研究的主要數據來源于R．S．MeansCata－logues和電話訪問及調查．在研究中Cole將隱含能定義為建筑產品生產、運輸和安裝時直接和非直接的能源消耗．表1是Cole對不同結構建筑建設階段能耗、碳排放及相應所占隱含能、隱含碳的比例．基礎上完成的，采用基于過程的LCA分析（CEDST）和基于投入產出的LCA分析（EIO－LCA）2種方法．在建設階段，Guggemos認為混凝土結構的能耗比鋼結構大，建設周期也更更長．鋼結構有機廢料和重金屬的排放更高．指標為鋼結構418MJ／m2，混凝土結構939MJ／m2．此研究結果與Cole的研究結論一致，但數值差距較大，原因是兩者對設備的考慮不同．Guggemos考慮了重型設備（70％），而Cole沒有．圖1是Cole和Guggemos研究成果的對比．

2不同結構建筑的隱含能與隱含碳

關于建筑產品生產、運輸和安裝階段所消耗的隱含能和排放的隱含碳，AlcornandBaird［29］、BuchananandHoney［30］、Bjorklund［6］、lawson［31］、CWC等做過前期研究，有研究成果數據．Guggemos［18］的研究邊界是美國中西部2棟面積為4400m2的5層辦公建筑的全生命周期，但針對案例的隱含能和隱含碳，Guggemos得出混凝土結構分別是8300MJ／m2和550kg／m2，鋼結構分別是9500MJ／m2和620kg／m2．日本學者Ari－ma［21］根據《京都議定書》計算不同回收方式時結構的碳排放．臺灣學者Li在統計建筑所需鋼材、混凝土、木材、膠合板需要量后，采用基于過程的LCA分析方法，得出混凝土結構、鋼結構和木結構建筑隱含能與隱含碳成果．Rossi對布魯塞爾某居住建筑進行研究時，使用Pleaides＋軟件進行模擬，結合手工計算，得出混凝土結構和鋼結構的隱含碳成果．2013年，Griffin［25］采用Hammond和Jones的ICE數據庫研究某大學禮堂大跨度結構的隱含能和隱含碳．結構系統的隱含能和隱含碳在計算時分原始材料和非原始材料2類．混凝土結構分桁架混凝土結構和預應力混凝土結構．桁架混凝土結構和預應力混凝土結構采用原始材料時對應的隱含能分別為808MJ／m2和1036MJ／m2，對應的隱含碳為100kg／m2和133kg／m2．Kim［27］采用投入產出法，根據不同結構建筑主要材料的消耗量和韓國經濟基礎數據計算建筑能耗與碳排放．研究特別分析了螺紋鋼、型鋼占建筑總能耗與碳排放的比例。表2，3反映多數研究者認為木結構建筑比混凝土結構建筑和鋼結構建筑有更低的隱含能和隱含碳．另一方面，單從隱含能的角度，CORRIM［33］、UN－HABITAT［34］、BuchananandLevine［35］的研究也顯示，木結構住宅相較混凝土結構住宅有更低的隱含能．BorjessonandGustavsson［36］考慮土地使用和替代的影響，得出同樣結論．瑞典和挪威學者PetesonandSolberg［37］依賴建筑材料、廢棄物管理和森林碳匯流，也得出同樣結論．LenzanandTreloar［38］參考澳大利亞材料價格采用投入產出法分析了BorjessonandGustavsson的研究數據，得出隱含能是BorjessonandGustavsson研究結果的2倍，但也有同樣的結論．從結構的環境影響角度，日本Gerilla用全球變暖潛力來描述建筑的環境影響，認為混凝土結構比之木結構有更高的環境影響（多23％）．其他方面，Li研究木結構替代混凝土結構以及木結構替代鋼結構的替代效應因子．Arima認為木結構建筑有碳儲存功能，由于碳儲存的原因，Arima把城市木建筑群稱為“城市森林”，指出日本城市中的碳儲存為1．5×108t碳，超過日本森林6．8×108t碳儲存的20％．從建筑結構類型看，木結構碳排放的減量是混凝土結構的1／2，是鋼結構的2／3．Griffin認為木結構在隱含能、隱含碳和重量方面有利，但木結構有很差的隔聲性能，同時需要配備石膏板防火系統和自動噴淋系統以滿足防火的要求．Schmidt在Gagono、Pirun及Crespell、Gagnon研究的基礎上以某高層住宅為例，研究CLT交叉層積材結構在美國使用的潛力．研究指出CLT結構的防火性能可以滿足法律的要求．相較混凝土結構而言，由于CLT結構采用了更少的勞力及材料成本更低，有更低的隱含能和隱含碳．關于混凝土結構和鋼結構，Guggemos認為鋼結構和混凝土結構建筑在使用階段的能源消耗沒有區別．盡管在建設階段鋼結構的能源消耗指標比混凝土結構要小很多，然而需要注意的是，鋼結構材料在生產過程中的能耗一定程度上超過了其在建設階段、廢棄階段相對于混凝土結構的能源節約．所以Guggemos認為從全生命周期的角度來看，鋼結構并不會比混凝土結構更優越．Kim認為混凝土結構相較鋼結構具有減少能耗、減少建設成本（含碳排放成本）的優勢．Griffin認為鋼結構如果考慮足夠高的回收率的話，它的隱含能與混凝土結構是有可比性的，但鋼結構的隔熱性能不好，隔聲和防火性能也是最差的．簡言之，Guggemos認為混凝土結構和鋼結構在生產階段和工程建設階段的能耗與碳排放高低互補，以致2種結構隱含能與隱含碳近似．而Kim和Griffin的研究結論比較一致，即在同等邊界條件下混凝土結構比鋼結構有更低的隱含能和隱含碳．但如果考慮鋼材的回收利用，則鋼結構與混凝土結構的能耗與碳排放亦相當．圖2，3反映了不同時期、不同學者對木結構、混凝土結構和鋼結構建筑隱含能與隱含碳研究的數據集群．從圖2，3可知，研究成果不具有隨著時間增加或減少的趨勢，而且數據成果差異度較大．研究成果主要與研究者的研究邊界、研究方法以及采用的數據來源（數據庫）密切相關．但總體上，木結構建筑的隱含能與隱含碳低于混凝土結構建筑和鋼結構建筑，混凝土結構建筑的隱含能與隱含碳在同等邊界條件下低于鋼結構建筑．

3不同結構建筑的環境影響

圖4主要材料能耗占建筑能耗的百分比結構形式的不同并不意味著材料的單一性．Buchanan和Honey的研究顯示，混凝土結構住宅中含有鋼材和木材，鋼結構住宅中含有混凝土和木材，木結構住宅中含有鋼材和混凝土．表4為Buchanan和Honey研究木結構、混凝土結構和鋼結構建筑能耗時，得出的不同材料能耗在建筑能耗中所占的百分比．由圖4可知，鋼材、混凝土和木材能耗分別在鋼結構、混凝土結構和木結構建筑能耗中的比例都是最高的．從材料的能耗分配看，鋼結構中鋼材能耗占3種結構鋼材全部能耗的50％以上，混凝土結構中混凝土能耗占3種結構混凝土能耗約50％，木結構中木材能耗占3種結構木材能耗的80％。考慮建筑運營階段，Rossi認為50年生命周期混凝土結構運營碳排放加隱含碳是200～1500kg／m2，鋼結構運營碳排放加隱含碳是180～1250kg／m2．Rossi強調運營階段的環境影響占建筑全生命周期環境影響的62％～98％，而能源結構強烈影響著運營階段的碳排放．將現有的能源結構向可再生能源結構轉變，是Rossi提出的可持續建筑的發展之道，只有當能源結構更環保以后，結構隱含能在建筑全生命周期中才更具有代表性．關于頗具爭議的“盈余森林”和“負碳排放”，中瑞典大學Gustavsson指出，木結構建筑由于采用了生物燃料替代了化石燃料，有更高的“負碳排放”．混凝土結構建筑全生命周期的碳排放是負值，原因是“盈余森林”的存在，即混凝土結構建筑由于需要更少的木材，提高了建筑生命周期的生物質能．從建筑的能量平衡和碳平衡看，Gustavsson指出木結構建筑的能量平衡及碳平衡除了不考慮木材加工殘留物或廢棄木材作為燃料再恢復使用外都是負的．木結構建筑比混凝土結構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（某公寓住宅建筑面積為1190m2）．圖5，6是Gustavsson案例最佳情境時能量平衡與碳平衡的過程示意圖．

4不同墻體建筑的碳排放

美國硅酸鹽水泥協會MedgarL．Marcean［15］等研究2種不同結構墻體（木框架墻和混凝土隔熱墻）住宅的生命周期評估．圖7，8為2種墻體不同的結構構造，二者差異在于木框架檣以合板為主要材料，混凝土隔熱墻以混凝土為主．報告采用Simapro軟件［39］對某2層住宅案例進行模擬，并考慮住宅分布在美國的5個城市（代表美國5種不同的氣候）以對比分析．案例住宅設計滿足美國1998年國際能源保護法（IECC）［40］的需要．在軟件模擬中采用了Eco－indicator99（荷蘭和瑞士），EDIP／UMIP96（丹麥），EPS2000（瑞典）3種不同的準則．并在Eco－indicator99中采用了不同的權重設置（共有3種情境）．在建筑的運營階段，采用VisualDOE2．6軟件［41］模擬家庭能源消費，因為該軟件在模擬家庭能源消耗方面比其他軟件更精確．該報告的LCA評估在ISO14040框架［42］下執行．研究案例的系統邊界包括能源和材料的輸入和輸出、使用和維護，但不包括廢棄情境和廢棄物處理．LCA評估中使用的LCI數據來源于公開發表的報告和可獲取的商業數據．同一住宅在5種不同準則（情境）下的環境影響被歸一化和加權為一個沒有單位的環境負荷分數．研究數據顯示，幾乎在5種準則（情境）所有情況下，木框架墻住宅的環境影響指標比混凝土隔熱墻住宅的環境影響指標要大，混凝土隔熱墻住宅有更低的環境影響分數．如果僅考慮建筑材料，木材和銅管的環境影響排放第1位和第2位，以水泥為基礎的材料排第3．

5結論

（1）從研究邊界看，將結構碳排放的研究邊界定義為材料輸入、輸出的文獻比較多，尤其是早期研究及采用投入產出法完成的研究（Marcean、Kim和Gerilla）．其次是針對建筑結構隱含能與隱含碳的研究，Cole、Guggemos、Gerilla、Glover、Griffin、Schmidt、Li、Pongiglione和Rossi等文章研究的重點是隱含能和隱含碳．但各研究成果數據差異度較大，且不具有隨著時間增加或減少的趨勢，成果主要與研究者的研究邊界設置、研究方法以及采用的數據來源（數據庫）密切相關．第3，有的研究涉及材料生產和材料廢棄，Gustavsson，Pongiglione和Li在討論不同結構建筑碳排放時，只考慮此邊界．最后是針對全生命周期的研究，Guggemos，Rossi，Gerilla的研究都考慮了建筑從材料生產、建設（含運輸）、運營以及廢棄50年的生命周期，單獨針對施工能耗及施工碳排放的研究只有Cole．在諸多研究中，結構與材料交織，結構碳排放的研究往往以其所需主要材料碳排放的研究為途徑，有的研究在此基礎上直接得出結論（或考慮材料廢棄），有的研究還考慮建筑的使用和維護．（2）從研究方法看，基于過程的生命周期評估（LCA）和基于投入產出法的生命周期評估（EIO）是2種主要方法．前者對建筑碳排放的考慮更加全面，后者對建筑碳排放的計算更加簡易方便．Cole、Guggemos、Griffin，Li、Arima、Pongiglione和Rossi等都采用基于過程的生命周期評估法測算不同結構建筑的能源消耗與碳排放．只是考慮的過程和采用的LCI數據庫不同．Hendrickson、Kim和Gerilla采用投入產出法計算不同結構建筑的能源消耗與碳排放，數據采用所在國經濟基礎數據．除了這2種方法外，Rossi、Marcean等還采用軟件模擬結合手工計算對比得出結論．Guggemos的研究既采用基于過程的LCA評估方法，也采用基于投入產出法的LCA評估方法．Gustavsson提出能量平衡與碳平衡的方法，針對混凝土結構建筑提出“盈余森林”的概念．（3）從研究數據基礎看，R．S．Means，U．S．EPA，BEES，CRTI，WORLDSTEEL，世界鋼協的LCI，Hammond和Jones、所在國經濟投入產出基礎數據等都是國外對不同結構建筑能耗與碳排放研究的數據庫．（4）從研究結論看，木結構建筑能耗、碳排放比混凝土結構建筑和鋼結構建筑要低．美國Glover、Schmidt、Griffin，瑞典Gustavsson，日本Gerilla、Arima，中國臺灣Li等研究及其前期研究結論比較一致．Gustavsson和Arima特別強調木結構建筑的碳儲存功能及其廢棄物燃燒帶來化石能源的替代效應．關于混凝土結構和鋼結構，Guggemo認為從全生命周期的角度來看，鋼結構并不會比混凝土結構更優越．Bjorklund亦認為混凝土結構和鋼結構有相當的環境影響，而Glover、Kim和Griffin認為在同等邊界條件下，鋼結構比混凝土結構有更高的能耗與碳排放，只有在考慮回收之后，兩者的能耗與碳排放才相當．在建筑施工現場，混凝土結構比鋼結構消耗更多的能源，Cole和Guggemo對此意見一致，只是差異度不同．由于“盈余森林”的存在，Gustavsson得出混凝土結構建筑全生命周期碳排放是負值．但即使考慮“盈余森林”，混凝土結構建筑全生命周期碳排放還是比木結構建筑高．另一方面，Marcea認為木框架墻住宅比混凝土隔熱墻住宅的環境影響指標要大，混凝土隔熱墻住宅有更低的環境影響分數．綜上所述，國外對不同結構建筑能耗與碳排放的研究不一．研究邊界包括材料生產、材料生產與廢棄、材料生產運輸安裝（建筑隱含能與隱含碳）、建筑的全生命周期等；研究方法包含基于過程的LCA分析、基于投入產出法的LCA分析以及軟件模擬等；研究數據庫有美國、加拿大、歐洲的數據庫等．研究邊界選擇、方法選擇、數據庫選擇與研究者國別、研究立足點和數據庫的可得性有關．比較一致的結論是：相較混凝土結構建筑與鋼結構建筑，木結構建筑有更低的隱含能與隱含碳，木結構建筑具有碳儲存功能以及木結構廢棄物燃燒具有化石能源的替代效應．在建筑施工現場，混凝土結構建筑比鋼結構建筑能耗與碳排放高．在同等邊界條件下，混凝土結構建筑比鋼結構建筑有更低的隱含能和隱含碳，但如果考慮鋼材回收，則兩者的能耗與碳排放相當．

作者：溫日琨沈俊杰陳亞坤張雅婷單位：浙江農林大學風景園林與建筑學院