混凝土建筑物化階段碳排放測算與減排路徑研究

趙 愈,劉 陸,孫 楊,孫思園

(1.沈陽建筑大學管理學院,遼寧 沈陽 110168;2.沈陽建筑大學交通與測繪工程學院,遼寧 沈陽 110168)

2020年,中國提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”的“雙碳”目標?；炷两ㄖ芷谟晌锘?、運行維護和拆除等階段組成,相對于建筑運行維護階段,物化階段更具有實施碳減排的潛在空間[1]。在既有建筑物改造與新增建筑物雙重疊加下,建筑物化階段碳排放的測算與節能減排工作至關重要[2]。劉明達等[3]在國內外碳排放核算方法研究綜述中,指出了基于間接數據的碳排放因子法應用更廣泛,但其方法本身的系統誤差無法避免,計算結果易受到影響;張勇等[4]利用能值分析法評估舊工業建筑改造,有效地避免了傳統評價的缺點,兼顧了對經濟效益與環境污染等多方面的影響;張軍學等[5]應用能值分析法與碳排放因子法測算建筑物碳排放量,相對于碳排放因子法,能值分析法的應用增加了建筑物可持續性評估的準確性,但該文獻未將各自的計算結果統一標度后進行對比;張雪花等[6]基于能值理論提出了“全碳排”核算方法,為地區碳減排的責任認定提供了科學依據,但其公式忽略了地區轉換系數的差異性及其時效性。

研究通過文獻梳理,結合能值分析(Emergy Analysis,EA)和碳排放因子法(Carbon Emission Factors,CEF)提出EA-CEF碳排放核算模型,將計算結果統一標度的同時考慮其時效性,并基于能值分析指標構建能值相圖,應用能值相圖對混凝土建筑物化階段的碳排放水平進行評估。

一、混凝土建筑碳排放測度與評價方法

1.碳排放因子法

碳排放因子是生產活動過程中單位能源消耗所產生的碳排放量;碳排放因子法的實質是根據能源消耗量與碳排放因子測算出碳排放量。該方法得到了聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)的認可,可用于評估建筑的可持續性。

碳排放因子法的基本公式為

(1)

Mi=mi×(1+Qi)

(2)

式中:Cco2為物質生產過程中CO2的排放量;Mi為物質所用第i種建筑材料的用量總和;mi為建筑施工過程中第i種建筑材料的用量;Qi為建筑施工過程中不可避免的合理損耗量;EFi為物質所用第i種建筑材料或機械的排放因子。

從全生命周期考慮,混凝土建筑物主要經歷建筑材料生產及運輸、施工建造、建筑運行及維護、拆除與回收處理階段。各階段的碳排放因子包括建材、單位距離的運輸強度、建材再循環及能源消耗等。筆者研究范圍限定在混凝土建筑物化階段,所采用的碳排放因子主要為建材碳排放因子與機械能源消耗碳排放因子。

2.能值分析法

能值分析法利用能值轉化率將不同系統內的物質轉換在同一系統內,任何形式的資源、產品或勞務所包含太陽能的數量就是其所具有的太陽能值,單位為太陽能焦耳(Solar emjouers,sej)[7]。當轉換類別單位分別為物質質量、能量、勞務費用時,采用式(3)～式(5)。能值的計算公式為

E(sej)=M(g)×τ(sej/g)

(3)

E(sej)=N(J)×τ(sej/J)

(4)

E(sej)=V($)×τ(sej/$)

(5)

式中:E為能值;M為物質質量;N為能量消耗;V為服務價值;τ為能值轉化率。能值分析將所有不同類別的能量、資源、產品,甚至勞務和服務等不可比、難核算的項目核算為統一的量綱——太陽能值,從而對建筑物可持續性進行評估。

根據能值理論對建筑物進行可持續性評價可得出:能值產出率、環境負載率、可持續發展性指標[7],計算公式為

(6)

(7)

(8)

式中:R、N和F分別為更新資源能值、不可更新能值和輸入資源能值;YELR為環境負載率;YEYR為能值產出率;YESI為可持續發展性指標。三元相圖理論與能值分析相結合構建的能值相圖模型,適用于生態經濟系統的運行狀態、發展趨勢、影響因素、優化模擬和政策選擇的研究[8](見圖1)。能值相圖包括R、N和F3個頂點,可借助能值相圖中的資源線、敏感線和可持續線等指標進行評估[9],分析運用能值理論計算的YELR、YEYR和YESI。

圖1 能值指標的相圖分析

3.EA-CEF碳排放核算模型

在混凝土建筑物化過程中,利用能值分析修正不同區域、不同時點的碳排放因子,構建EA-CEF碳排放核算模型。主要從建筑材料和建筑設備兩方面入手。計算公式為

(9)

式中:C(co2)k為第k類物質(包括鋼筋、混凝土等材料)生產過程中產生的碳排放量;Ak為第k類物質的原始數據(如物質本身的能量、質量、能值);τ為能值轉化率;γ為電能的能值轉換率(1.05×105sej/J),1 kW·h=3.6×106J;東北三省供用電排放量為1.380 kg CO2/kW·h[10]。

(10)

式中:γ1為由原始數據轉為2.930×107J的轉換系數[11];δ1為由2.930×107J轉為碳排放量的轉換系數[12]。

(11)

式中:Bk為第k類物質的原始數值;γ2為物質單位臺班的能源消耗。

二、混凝土建筑物化階段碳排放實例

1.項目概況

本案例為位于遼寧省沈陽市某小區高層住宅建筑樓,屬于東北地區典型的混凝土建筑,建筑物整體為框架剪力墻結構,總建筑面積約1 398.98 m2,總高40.5 m,地上18層、地下2層,分為A、B兩棟?；炷两ㄖ锘A段能值流動系統如圖2所示,混凝土、水泥以及鋼材為主要建材投入;工業用水、用電,運輸燃料為能源投入;建材搬運、機械加工、勞動力等為勞務投入,經過建筑物化過程后竣工驗收。

圖2 高層住宅建筑物化過程能值流動系統

2.能值分析

能值評價指標體系是利用能值計算公式,將不同的物質通過能值轉化率轉為統一的太陽能值[13],主要從建筑材料和建筑設備兩方面進行計算。

案例中混凝土建筑主要建材用量與能值量測算結果如表1所示,項目能值總量為3.06×1019sej?；炷?、水泥、鋼材的能值占建材總能值的91.41%。

表1 高層住宅建筑主要建材的能值量與碳排放量統計

案例中混凝土建筑主要施工機械設備用量與能值量計算結果如表2所示,能值總量為8.06×1018sej。電渣壓力焊機、對焊機和塔吊的能值占施工機械總能值的63.15%。

表2 高層住宅建筑主要施工機械設備的能值量與碳排放量統計

3.基于EA-CEF模型的碳排放核算

案例中混凝土建筑的碳排放量主要應用公式(9)進行計算,計算結果可與碳排放因子法所得結果進行對比分析?；诒?可知各因素的太陽能值,經對應轉化率轉為電能[14],再由電能轉為碳排放量,主要建材的碳排放量匯總如表1所示?，F場施工機械設備的碳排放測算途徑,由對應能值轉為電能,再經對應轉換系數得到其碳排放量,案例中建筑主要施工機械設備的碳排放量如表2所示。

現場施工機械還可應用式(10)、式(11),利用相應轉換系數測算出碳排放量[15],案例中建筑施工現場的運輸機械能耗用量與碳排放量計算結果如表3所示。

表3 施工現場運輸機械能耗用量與碳排放量

對于新型綠色建材(如再生混凝土)的碳排放量的計算,由于相關碳排放因子數據庫還未完善,可采用EA-CEF核算模型進行計算。值得注意的是,EA-CEF碳排放核算模型使用過程中能值轉化路徑不宜過長,并要充分分析混凝土建筑物化過程的建材與機械設備的能源消耗。

三、建筑物化階段碳減排決策路徑

1.能值指標計算

基于案例中混凝土建筑主要建筑材料和施工設備的能值統計[16],能值評價指標分析結果如表4所示。

表4 混凝土建筑能值評價指標評價結果

2.能值相圖分析

(1)資源線分析

由資源線分析(見圖3)可以看出,混凝土建筑物化過程中可更新資源能值R投入比例相對較低,環境負載率YELR為10.82,當YELR>10時,混凝土建筑對環境的負荷較高;而資源線N表明不可更新資源能值N投入占比很大;由資源線F可以看出系統輸入能值F占比最小,YEYR與資源線F相對應,YEYR=15.99,>5,表明系統中一次能源投入較多,YELR值相對很大,說明一次能源中多為不可再生能源。

圖3 能值相圖資源線分析

(2)敏感線分析

敏感線用于分析某一資源沿著敏感線的發展路徑所引起的另兩類資源投入組合的變動關系,這反映了變量之間的投入是相互影響的。由敏感線分析(見圖4)可以看出,混凝土建筑物化過程中不可更新資源能值量占比很大,降低不可更新能值N的占比比調整其他兩類資源對整體系統的優化更有效果。

圖4 能值相圖敏感線分析

(3)可持續線分析

由可持續線(見圖5)可知,混凝土建筑物化過程中的可持續性YESI=1.58,>1,<5,表明在一定時間內案例中建筑物具有一定的可持續性。綜上所述,建筑物化過程中提高能值產出率、降低環境負載率,使R、F、N之間達到一個合理的結構比例,可以促進建筑物化過程的良性發展[17]。

圖5 能值相圖可持續線分析

(4)碳減排實施路徑決策

基于資源線分析,相點B代表案例中的混凝土建筑,靠近不可再生資源頂點N,產出率大于一般值,表明應用一次能源多,并且環境負載率數值較高,進一步說明應用一次能源中不可再生能源占比過大。因此,降低其不可再生資源占比,可促進建筑整體碳減排。由敏感線分析可清晰得出,當可再生資源R占比增加,不可再生資源N占比減少,將降低建筑物化階段對生態系統的環境負載率,促進碳減排,相點B將會向三角中心區域移動?；诳沙掷m線分析可知,建筑物整體的可持續指標YESI將不斷接近并超越5,這意味著混凝土建筑物化過程將朝著可持續方向發展,伴隨著清潔生產、設備革新等技術方面的進步,推動傳統建筑逐步向綠色建筑轉變。綜上所述,不可再生資源與可再生資源占比是影響建筑碳減排的驅動因素。

混凝土是建設工程中用量最大、碳排放含量最高的建材,基于EA-CEF模型的碳排放核算,進一步表明混凝土建筑施工的可操作性成為建筑物化階段碳減排的驅動因素。傳統混凝土生產過程中不可再生能源占比過大,導致環境負載率過高,使物化階段整體碳排放量增多及可持續性降低。采用綠色混凝土可使環境負載率降低,并促進碳減排。建材的生產應盡可能利用粉煤灰、煤矸石等工業廢棄物,廢棄混凝土、磚石、砂漿等建筑垃圾,增加綠色混凝土本身可再生資源占比,降低環境負載率、提高能值產出率。相對于傳統混凝土生產過程中產生的大量污水及粉塵,綠色混凝土生產及施工過程從源頭上提高了可再生資源的占比,減少了對自然環境的負荷,增強了再生混凝土的耐久性,進一步降低了環境負載率,增強了混凝土建筑物化階段的可持續性。

四、結 語

傳統碳排放因子法計算碳排放量簡單直接,但在不同區域、不同時點誤差相對較大,而單一能值分析法無法直接利用碳排放量進行評估,研究所提出的EA-CEF核算模型將碳排放因子法與能值分析建立聯系,在計算建筑物碳排放量的同時可追蹤混凝土建筑物化過程的能耗流動,將物化學科中的相圖引入碳減排驅動因素分析,為實現可持續發展提供了重要的參考信息。同時,EA-CEF核算模型縮短了傳統碳排放量測算的轉換路徑,降低了核算結果的誤差值,考慮了區域差異和時效性,為建筑物碳排放總量的正確評估提供了保障,為建筑業低碳減排工作提供了數據支持,為未來建筑碳排放的標準化、定量化研究奠定了基礎。

基于研究案例分析得出混凝土建筑物化階段碳減排決策路徑,從混凝土建筑物化過程的可操作性入手,通過提高其可更新能源占比、利用可再生材料,提高能值產出率、降低環境負載率,促進建筑整體物化階段的碳減排,進一步激發建筑行業碳減排的節能潛力,助力“雙碳”目標的實現。