混凝土建筑物化阶段碳排放测算与减排路径研究.pdf

年 月第卷第期 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(社 会 科 学 版)().收稿日期:基金项目:辽宁省社会科学规划基金项目()辽宁省高等学校基本科研项目()作者简介:赵愈()男辽宁辽阳人副教授博士文章编号:():./.混凝土建筑物化阶段碳排放测算与减排路径研究赵 愈刘 陆孙 杨孙思园(.沈阳建筑大学管理学院辽宁 沈阳.沈阳建筑大学交通与测绘工程学院辽宁 沈阳)摘 要:科技高速发展带来的环境问题日益严重碳排放成为全球普遍关注的问题 中国相应提出“双碳”目标建筑业作为国民经济支柱产业之一有效测算其碳排放总量是实现碳减排的重要前提 研究将碳排放因子法与能值分析法相结合提出了碳排放核算模型 并应用于混凝土建筑物化阶段 将物化科学中相图表达引入混凝土建筑物化阶段碳排放驱动因素分析构建了能值相图与评价指标体系进一步评估建筑发展可持续性 案例分析结果显示:混凝土建筑物化阶段碳排放量位居前四依次为混凝土、水泥、钢、涂料 核算模型提高了传统碳排放量测算法的准确性考虑了区域性、时效性以及可持续性为建筑物化阶段碳减排路径的研究奠定了基础关键词:碳排放因子法能值分析碳减排相图中图分类号:.文献标志码:年中国提出了“二氧化碳排放力争于 年前达到峰值努力争取 年前实现碳中和”的“双碳”目标 混凝土建筑全生命周期由物化、运行维护和拆除等阶段组成相对于建筑运行维护阶段物化阶段更具有实施碳减排的潜在空间 在既有建筑物改造与新增建筑物双重叠加下建筑物化阶段碳排放的测算与节能减排工作至关重要 刘明达等在国内外碳排放核算方法研究综述中指出了基于间接数据的碳排放因子法应用更广泛但其方法本身的系统误差无法避免计算结果易受到影响张勇等利用能值分析法评估旧工业建筑改造有效地避免了传统评价的缺点兼顾了对经济效益与环境污染等多方面的影响张军学等应用能值分析法与碳排放因子法测算建筑物碳排放量相对于碳排放因子法能值分析法的应用增加了建筑物可持续性评估的准确性但该文献未将各自的计算结果统一标度后进行对比张雪花等基于能值理论提出了“全碳排”核算方法为地区碳减排的责任认定提供了科学依据但其公式忽略了地区转换系数的差异性及其时效性研究 通 过 文 献 梳 理 结 合 能 值 分 析()和 碳 排 放 因 子 法()提出 碳排放核算模型将计算结果统一标度的同时考虑其时效性并基于能值分析指标构建能值相图应用能值相图对混凝土建筑物化阶段的碳排放水平进行评估第 期赵 愈等:混凝土建筑物化阶段碳排放测算与减排路径研究 一、混凝土建筑碳排放测度与评价方法.碳排放因子法碳排放因子是生产活动过程中单位能源消耗所产生的碳排放量碳排放因子法的实质是根据能源消耗量与碳排放因子测算出碳排放量 该方法得到了联合国政府间气候变化专门委员会()的认可可用于评估建筑的可持续性碳排放因子法的基本公式为 ()()()式中:为物质生产过程中 的排放量为物质所用第 种建筑材料的用量总和为建筑施工过程中第 种建筑材料的用量为建筑施工过程中不可避免的合理损耗量为物质所用第 种建筑材料或机械的排放因子从全生命周期考虑混凝土建筑物主要经历建筑材料生产及运输、施工建造、建筑运行及维护、拆除与回收处理阶段 各阶段的碳排放因子包括建材、单位距离的运输强度、建材再循环及能源消耗等 笔者研究范围限定在混凝土建筑物化阶段所采用的碳排放因子主要为建材碳排放因子与机械能源消耗碳排放因子.能值分析法能值分析法利用能值转化率将不同系统内的物质转换在同一系统内任何形式的资源、产品或劳务所包含太阳能的数量就是其所具有的太阳能值 单位为太阳能焦耳()当转换类别单位分别为物质质量、能量、劳务费用时采用式()式()能值的计算公式为()()(/)()()()(/)()()()(/)()式中:为能值 为物质质量 为能量消耗 为服务价值 为能值转化率 能值分析将所有不同类别的能量、资源、产品甚至劳务和服务等不可比、难核算的项目核算为统一的量纲 太阳能值从而对建筑物可持续性进行评估根据能值理论对建筑物进行可持续性评价可得出:能值产出率、环境负载率、可持续发展性指标计算公式为()()()式中:、和 分别为更新资源能值、不可更新能值和输入资源能值为环境负载率为能值产出率为可持续发展性指标 三元相图理论与能值分析相结合构建的能值相图模型适用于生态经济系统的运行状态、发展趋势、影响因素、优化模拟和政策选择的研究(见图)能值相图包括、和 个顶点可借助能值相图中的资源线、敏感线和可持续线等指标进行评估分析运用能值理论计算的、和 图 能值指标的相图分析.碳排放核算模型在混凝土建筑物化过程中利用能值分析修正不同区域、不同时点的碳排放因子构建 碳排放核算模型 主要从建筑材料和建筑设备两方面入手 计算公式为().()式中:()为第 类物质(包括钢筋、混凝土等材料)生产过程中产生的碳排放量为第 类物质的原始数据(如物质本身的能 沈阳建筑大学学报(社会科学版)第 卷量、质量、能值)为能值转化率 为电能的能值转换率(./).东北三省供用电排放量为./()()式中:为由原始数据转为.的转换系数为由.转为碳排放量的转换系数().()式中:为第 类物质的原始数值为物质单位台班的能源消耗二、混凝土建筑物化阶段碳排放实例.项目概况本案例为位于辽宁省沈阳市某小区高层住宅建筑楼属于东北地区典型的混凝土建筑建筑物整体为框架剪力墙结构总建筑面积约 .总高.地上 层、地下 层分为、两栋 混凝土建筑物化阶段能值流动系统如图 所示混凝土、水泥以及钢材为主要建材投入工业用水、用电运输燃料为能源投入建材搬运、机械加工、劳动力等为劳务投入经过建筑物化过程后竣工验收图 高层住宅建筑物化过程能值流动系统.能值分析能值评价指标体系是利用能值计算公式将不同的物质通过能值转化率转为统一的太阳能值主要从建筑材料和建筑设备两方面进行计算案例中混凝土建筑主要建材用量与能值量测算结果如表 所示项目能值总量为.混凝土、水泥、钢材的能值占建材总能值的.表 高层住宅建筑主要建材的能值量与碳排放量统计材料名称建材用量/能量转化率/()单因素能值/电能/电能/()碳排放量/混凝土 .水泥 .钢.涂料.瓷砖.石材.碎石.玻璃.石灰.有机材料.砖.木材.铝合金.铜.案例中混凝土建筑主要施工机械设备用量与能值量计算结果如表 所示能值总量为.电渣压力焊机、对焊机和塔吊的能值占施工机械总能值的.基于 模型的碳排放核算案例中混凝土建筑的碳排放量主要应用公式()进行计算计算结果可与碳排放因子法所得结果进行对比分析 基于表 可知各第 期赵 愈等:混凝土建筑物化阶段碳排放测算与减排路径研究 因素的太阳能值经对应转化率转为电能再由电能转为碳排放量主要建材的碳排放量汇总如表 所示 现场施工机械设备的碳排放测算途径由对应能值转为电能再经对应转换系数得到其碳排放量案例中建筑主要施工机械设备的碳排放量如表 所示现场施工机械还可应用式()、式()利用相应转换系数测算出碳排放量案例中建筑施工现场的运输机械能耗用量与碳排放量计算结果如表 所示表 高层住宅建筑主要施工机械设备的能值量与碳排放量统计机械名称定额功率/数量/台班能值转化率/(/台班)单因素能值/电能/电能/()碳排放量/电渣压力焊机.对焊机.塔吊.交流电焊机.搅拌机.手提式电焊机.水工压刨.钢筋切断机.离心泵.钢筋弯曲机.插入式振动机.砂浆机.水工平刨.水工圆锯机.平板振动机械.表 施工现场运输机械能耗用量与碳排放量机械名称数量/台班每台班能源用量汽油/柴油/电能/()转换系数 转换系数 碳排放量/履带式推土机.轮胎式装载机.自卸汽车.洒水车.混凝土抹平机.对于新型绿色建材(如再生混凝土)的碳排放量的计算由于相关碳排放因子数据库还未完善可采用 核算模型进行计算 值得注意的是 碳排放核算模型使用过程中能值转化路径不宜过长并要充分分析混凝土建筑物化过程的建材与机械设备的能源消耗三、建筑物化阶段碳减排决策路径.能值指标计算基于案例中混凝土建筑主要建筑材料和施工设备的能值统计能值评价指标分析结果如表 所示表 混凝土建筑能值评价指标评价结果能值指标量符号计算方法数值可更新能值.不可更新能值.外界输入能值.能值总输入量 .环境负载率()/.能值产出率()/.持续发展指数/.能值相图分析()资源线分析由资源线分析(见图)可以看出混凝土建筑物化过程中可更新资源能值 投入比例相对较低环境负载率 为.当 沈阳建筑大学学报(社会科学版)第 卷 时混凝土建筑对环境的负荷较高而资源线 表明不可更新资源能值 投入占比很大由资源线 可以看出系统输入能值 占比最小与资源线 相对应.表明系统中一次能源投入较多值相对很大说明一次能源中多为不可再生能源图 能值相图资源线分析 ()敏感线分析敏感线用于分析某一资源沿着敏感线的发展路径所引起的另两类资源投入组合的变动关系这反映了变量之间的投入是相互影响的 由敏感线分析(见图)可以看出混凝土建筑物化过程中不可更新资源能值量占比很大降低不可更新能值 的占比比调整其他两类资源对整体系统的优化更有效果图 能值相图敏感线分析 ()可持续线分析由可持续线(见图)可知混凝土建筑物化过程中的可持续性.表明在一定时间内案例中建筑物具有一定的可持续性 综上所述建筑物化过程中提高能值产出率、降低环境负载率使、之间达到一个合理的结构比例可以促进建筑物化过程的良性发展图 能值相图可持续线分析 ()碳减排实施路径决策基于资源线分析相点 代表案例中的混凝土建筑靠近不可再生资源顶点 产出率大于一般值表明应用一次能源多并且环境负载率数值较高进一步说明应用一次能源中不可再生能源占比过大 因此降低其不可再生资源占比可促进建筑整体碳减排由敏感线分析可清晰得出当可再生资源 占比增加不可再生资源 占比减少将降低建筑物化阶段对生态系统的环境负载率促进碳减排相点 将会向三角中心区域移动 基于可持续线分析可知建筑物整体的可持续指标 将不断接近并超越 这意味着混凝土建筑物化过程将朝着可持续方向发展伴随着清洁生产、设备革新等技术方面的进步推动传统建筑逐步向绿色建筑转变综上所述不可再生资源与可再生资源占比是影响建筑碳减排的驱动因素混凝土是建设工程中用量最大、碳排放含量最高的建材基于 模型的碳排放核算进一步表明混凝土建筑施工的可操作性成为建筑物化阶段碳减排的驱动因素传统混凝土生产过程中不可再生能源占比过大导致环境负载率过高使物化阶段整体碳排放量增多及可持续性降低 采用绿色混凝土可使环境负载率降低并促进碳减排 建材的生产应尽可能利用粉煤灰、煤矸石等工业废弃物废弃混凝土、砖石、砂浆等建筑垃圾增加绿色混凝土本身可再生资源占比降第 期赵 愈等:混凝土建筑物化阶段碳排放测算与减排路径研究 低环境负载率、提高能值产出率 相对于传统混凝土生产过程中产生的大量污水及粉尘绿色混凝土生产及施工过程从源头上提高了可再生资源的占比减少了对自然环境的负荷增强了再生混凝土的耐久性进一步降低了环境负载率增强了混凝土建筑物化阶段的可持续性四、结 语传统碳排放因子法计算碳排放量简单直接但在不同区域、不同时点误差相对较大而单一能值分析法无法直接利用碳排放量进行评估研究所提出的 核算模型将碳排放因子法与能值分析建立联系在计算建筑物碳排放量的同时可追踪混凝土建筑物化过程的能耗流动将物化学科中的相图引入碳减排驱动因素分析为实现可持续发展提供了重要的参考信息 同时 核算模型缩短了传统碳排放量测算的转换路径降低了核算结果的误差值考虑了区域差异和时效性为建筑物碳排放总量的正确评估提供了保障为建筑业低碳减排工作提供了数据支持为未来建筑碳排放的标准化、定量化研究奠定了基础基于研究案例分析得出混凝土建筑物化阶段碳减排决策路径从混凝土建筑物化过程的可操作性入手通过提高其可更新能源占比、利用可再生材料提高能值产出率、降低环境负载率促进建筑整体物化阶段的碳减排进一步激发建筑行业碳减排的节能潜力助力“双碳”目标的实现参考文献:清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 (城镇住宅专题).北京:中国建筑工业出版社.周琳宋梦歌.沈阳市既有建筑碳排放量核算及节能减排对策研究.沈阳建筑大学学报(社会科学版)():.刘明达蒙吉军刘碧寒.国内外碳排放核算方法研究进展.热带地理():.张勇陈曦虎李慧民等.基于能值分析的旧工业建筑改造评价.工业建筑():.张军学王晨杨.基于能值法和碳排放法的建筑可持续性对比评估研究.城市建筑():.张雪花李响叶文虎等.“全碳排”核算与碳绩效评价方法研究.北京大学学报(自然科学版)():.蓝盛芳钦佩陆宏芳.生态经济系统能值分析.北京:化学工业出版社.:.():.赵愈李学锋.绿色混凝土生产效益能值评价:基于相图表达.混凝土():.李晓娟.装配式建筑碳排放核算及减排策略研究.厦门:厦门大学出版社.国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴.北京:中国统计出版社.田成诗张诗雅.中国行业供应链碳足迹的来源分解分析:基于投入产出的生命周期评价模型.环境经济研究():.:.():.:.():.():.狄乾斌张洁吴佳璐.辽宁省生态经济系统能值分析.生态经济(学术版)():.陈东景.基于能值相图的海洋海业生态经济系统可持续发展证明价:以山东省为例.生态经济():.沈阳建筑大学学报(社会科学版)第 卷 (.):.:(责任编辑:王丽娜 英文审校:林 昊)(上接第 页)():“”.:.().:(责任编辑:王丽娜 英文审校:林 昊)