钢筋混凝土结构建筑建材的碳排放影响因素研究.pdf

NO.092023节能ENERGYCONSERVATION61低碳环保与节能减排钢筋混凝土结构建筑建材的碳排放影响因素研究周振国邱永琦（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州2 2 5 113)摘要：建立建筑材料生命周期，根据建筑碳排放计算标准（GB/T51366一2 0 19）确定钢筋混凝土结构建筑建材碳排放的影响因素，采用敏感性分析方法量化各因素对碳排放的影响程度。结果表明：建材生产和运输阶段是涉及建筑材料碳排放的重点阶段，钢筋混凝土建筑建材碳排放影响因素主要是材料类型和生产水平，减排潜力超过30%。关键词：钢筋混凝土结构；建材；碳排放中图分类号：TU375文献标志码：B文章编号：10 0 4-7 9 48（2 0 2 3）0 9-0 0 6 1-0 4doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.017引言为了减少以二氧化碳为主的温室气体排放，我国明确提出碳达峰和碳中和目标。我国建筑行业的二氧化碳排放量在各行业二氧化碳排放总量中的占比较大。建筑生命周期产生的二氧化碳等温室气体的排放量巨大。我国建材生产行业的能耗高、排放量较大。我国建筑以钢筋混凝土结构建筑为主，水泥、钢材、玻璃等主要建筑材料种类多、数量大、生产能耗大，是建筑生命周期碳排放中不可忽视的一部分。文中建立建筑材料生命周期，选取生命周期中涉及建筑材料碳排放的重点阶段，确定并分析建筑材料碳排放的影响因素，采用敏感性分析方法对影响因素进行量化分析。结合具体案例，比较钢筋混凝土建筑建材碳排放的影响因素，为钢筋混凝土建筑建材减碳提供参考。1基本理论及方法1.1建筑材料生命周期建筑材料主要包括建筑主体结构材料、建筑围护结构材料、建筑构配件等，不包括施工用到的模板、脚手架等辅助施工的周转材料。不同建材的处置方式不同，大部分建材可以被回收利用，进入下一个生命周期，所以建材的生命周期在一定限度下循环可持续。建筑材料的生命周期是从开采生产到处置回收的过程，包括生产、运输、维护、替换、处置、回收阶段。建筑的生命周期包括物化阶段、使用阶段和拆除阶段。建筑生命周期各阶段对应建材生命周期的不同状态，每个阶段对建材的处理方式不同。建筑生命周期与建材生命周期的对应关系如图1所示。物化阶段生产运输运营阶段维护替换拆除阶段处置回收建筑生命周期建材生命周期图1建筑生命周期与建材生命周期的对应关系1.2建筑材料碳排放根据建筑碳排放计算标准（GB/T51366一2 0 19)，建材的生产阶段和运输阶段是建材产生碳排放的主要阶段，建材碳排放是建材在生产阶段和运输阶段产生的碳排放之和 2。建筑材料的生产阶段包括原料和能源开采、运输、加工制作等过程，每个过程均会直接或间接产生碳排放，建材的碳排放因子都应考虑在内。原料和能源的开采及生产过程复杂，成型前运输过程的碳排放主要受运输方式和运输距离的影响，这些是建材生产的准备过程。建筑材料的生产过程会产生直接碳排放，碳排放因子主要根据加工制作使用的原料和能耗确定。各建材使用的原料种类、数量以及能耗类型、能耗量不同，导致不同建材的生产碳排放因子不同。建材运输指建材从生产地被运输到施工现场，单位重量建材和单位运输距离的碳排放因子包括运输过程的碳排放和能源的生产过程的碳排放。建材碳排放主要源自各类能源的耗费 3-1。1.3建材碳排放计算建材生产阶段碳排放是各种建材的消耗量与其对应的碳排放因子的积，进行累加求和。运输阶段碳排放为作者简介：周振国（19 7 2 一）男，博士，讲师，研究方向为建筑碳排放、工程项目管理。收稿日期：2 0 2 2-12-12引用本文：周振国，邱永琦.钢筋混凝土结构建筑建材的碳排放影响因素研究 J.节能，2 0 2 3，42(9)：6 1-6 4.NO.092023节能 ENERGYCONSERVATION62低碳环保与节能减排消耗量、平均运输距离和不同运输方式碳排放因子的乘积。建材碳排放为上述两阶段的碳排放之和。建材生产及运输阶段碳排放计算如表1所示。表1建建材生产及运输阶段碳排放计算建材碳排放阶段碳排放因子（过程）相关量原料和能源的开采运输生产碳排生产阶段建材消耗量放、建材生产过程的直接碳排放能源生产碳排放、运输过程的建材消耗量、运输阶段直接碳排放运输距离2碳排放影响因素分析2.1研究对象在钢结构、钢筋混凝土结构、木结构这3种主要建筑结构形式中，钢筋混凝土结构建筑的数量占比最大，约为8 0%。钢筋混凝土结构建筑的主要建材为钢材和混凝土，消耗量巨大，材料生产带来巨大的能源资源消耗，碳排放量较高。因为钢筋混凝土结构建筑建材碳排放约占其生命周期碳排放的2 0%，为集中排放，且相关研究有所欠缺，所以该分析对钢筋混凝土结构建筑建材碳排放影响因素的研究具有重要意义。2.2影响因素的确定建筑建材用量与建筑面积、层数呈正相关，建筑规模及要求直接决定建筑建材的碳排放，在建筑规模和要求一定的前提下，考虑其他因素对建筑建材碳排放的影响。影响钢筋混凝土结构建筑建材用量的因素是材料强度，建材碳排放因子由材料种类和生产水平决定。在建材用量确定的情况下，建材运输阶段碳排放因子由运输方式和运输距离决定。钢筋混凝土建筑建材碳排放影响因素如图2 所示。钢筋混凝土结构建筑材料碳排放建材生产碳排放建材运输碳排放材料种类材料强度生产水平运输方式运输距离图2钢筋混凝土建筑建材碳排放影响因素2.2.1材料种类依据原料来源不同，建材可被分为原生建材和再生建材，原生建材主要指直接从自然界获取原料和资源制成的建材，再生建材是指以废旧的材料为原料，通过一系列物理化学手段加工制作的可重新发挥作用的建材。再生建材主要包括循环建材和以废弃物为原料生产的建材，循环建材主要包括金属、玻璃、石膏、熟料、木材等 5 ；以废弃物为原料生产的建材主要利用低价值废料和原料，主要包括再生砌块、矿渣混凝土以及填充材料和保温材料。钢筋混凝土结构建筑中，钢筋用量较少且回收利用率高，材料能耗和碳排放主要来自混凝土。混凝土应优先选择再生骨料混凝土以及各种绿色混凝土以实现节能减排。根据建筑碳排放计算标准，建材生产阶段原料使用低价值废料时，可忽略其原料碳排放；使用再生建筑废料时，原料碳排放可按其初生原料碳排放的5 0%计算；使用其他再生原料时，应按可替代初生原料碳排放的5 0%计算。发展再生建材是处理建筑废弃物的有效途径，也在一定限度上节约了能源和资源。2.2.2材料强度混凝土有14个强度等级，主要强度等级混凝土的碳排放因子如图3所示。(u/0003D/图600554507500411400353326297300C30C40C50C60C80C100混凝土强度等级图3主要强度等级混凝土的碳足迹因子随着混凝土强度等级升高，单位体积混凝土的碳排放量逐步提升，但用量减少；同时生产混凝土使用的石灰石和水泥的等级也提高，生产能耗增大。混凝土能耗和碳排放与其强度等级呈正相关。相同情况下，使用高强度等级的混凝土时，混凝土用量减少幅度较大，提高混凝土等级可以减少其用量而实现建材生产碳排放的降低。使用C50混凝土代替C40混凝土时，混凝土用量减少约18%，碳排放减少约11.2%。在符合荷载要求和抗震条件的基础上，可以适当提高混凝土强度等级以减少其碳排放。钢筋的强度等级分为四级。提高钢筋的强度等级的碳排放变化不大，钢筋用量节省约10%6 。在确保荷载和抗震符合要求的条件下，使用高强度钢筋和混凝土，建材用量明显减少，可以有效减少材料生产碳排放。2.2.3生产水平建筑材料主要包括钢材、水泥、砖石、玻璃等。据相关研究单位统计，水泥碳排放因子为7 35 kgCO,e/t，钢材碳排放因子为2 0 5 0 kgCO,e/t，玻璃碳排放因子为1130kgCO,e/t，C30 混凝土碳排放因子为2 9 5 kgCO,e/mC50混凝土碳排放因子为38 5 kgCO,e/m。材料生产过程的能耗和碳排放较高，可以通过提高生产水平降低生产过程的碳排放 7-8 。水泥生产工业碳排放量大，碳排放主要源自燃料烧、碳酸盐分解和电力消耗。碳排放量主要与生产工艺、碳酸盐含量、燃料类型、电力排放系数等相关。减少水泥碳排放的方法主要有：优化技术设备、选择低碳燃料、NO.092023节能ENERGYCONSERVATION63低碳环保与节能减排发展碳捕获和封存技术(CCS)、强化混凝土的吸碳能力。充分发挥水泥生产减排潜力可以减少能源消耗和碳排放约40%。我国建筑材料生产行业的生产工艺和能源利用率有很大的提升潜力，提高生产水平可以减少水泥钢材等主要建材的碳排放系数，实现钢筋混凝土结构建筑建材的节能减排。2.2.4运输方式根据建筑碳排放计算标准，建材各类运输方式的碳排放因子如表2 所示。表2建材各类运输方式的碳排放因子/kg CO,e/(tkm)运输方式碳排放因子中型汽油货车运输（载重8 t)0.115中型柴油货车运输（载重8 t)0.179电力机车运输0.010内燃机车运输0.011铁路运输（中国市场平均）0.010集装箱船运输（载重2 0 0 TEU）0.012由表2 可知，水路和铁路运输方式的碳排放因子约为公路运输的1/10，应优先考虑这两种运输方式。水路运输需要有航道条件，且受气候、地理等因素的限制，实际情况下存在时间、风险等方面的问题，所以水路运输的运用情况较少。我国铁路干线具有较强的运输能力、较快的运输速度、较高的可靠性及较低的成本，在长距离大运量的情况下优势明显，适合各类建材的运输。公路运输适应性强、速度快、易装卸，常作为其他运输方式的衔接手段，但能耗大、成本高。同载重下的汽油货车运输比柴油货车运输碳排放因子小，应优先考虑汽油货车运输。针对钢筋混凝土结构建筑，考虑成本、时间等多方面因素，混凝土的运输以公路运输为主，其余建材的运输以铁路运输为主。2.2.5运输距离建材运输过程的碳排放与平均运输距离成正比 9-10)。建材的采购选择以及运输路线的优化可以一定限度降低钢筋混凝土建筑建材运输碳排放。2.3不同影响因素的敏感性分析方法敏感性分析是不确定性的定量分析方法，分析诸多不确定条件或可变参数对系统模型某一指标和状态的影响程度，从而判断并找出敏感性因素，为方案的评价和优化提供依据。采用敏感性分析方法对钢筋混凝土建筑碳排放中的建材碳排放影响因素进行定量研究和评价。研究目标为钢筋混凝土建筑建材碳排放，包括建材生产和运输两个阶段，影响因素包括材料种类、材料强度、生产水平以及运输方式和运输距离。在条件允许范围内，对影响因素进行变动调整，探究钢筋混凝土建筑建材碳排放对各因素的敏感性程度。敏感性分析模型为：e;=;(Cs e +Cy s )/(Cs e +Cy s )10 0%(1)A;(Csc+Cys)=Cse+Cys-(Cse+Cys)(2)式中:&一笋第i种影响因素的敏感度系数，%；,(Cs c+Cy s)第i种影响因素下建材碳排放量的变化量,kg CO,e/m;Cs建材生产阶段碳排放，kg CO,e/m;Cys-建材运输阶段碳排放，kg CO,e/m；Cs c +Cy s第i种影响因素下的建材碳排放量，kg CO,e/m。;大于0，表明Cs+Cys小于 Cse+Cys，该影响因素有正面碳减排效果；反之，会增加碳排放。;|越大表明敏感度越高，该影响因素对建材碳排放的影响程度越大。3案例分析3.1项目概况泰兴市市民文化活动中心建筑位于江苏省泰州市，建筑类型为文化建筑，结构类型为框架结构。泰兴市市民文化活动中心建筑的主要特征如表3所示。表3泰兴市市民文化活动中心建筑的主要特征项目数值设计使用年限/a50建筑面积/m24909.57地上层数4地下层数1绿化面积/m1247.33建筑高度/m23.83.2碳排放计算建材生产阶段碳排放强度和年均碳排放量如表4所示。表4建材生产阶段碳排放强度和年均碳排放量碳排放量/材料名称用量碳排放因子tco,e幕墙铝型材147 942.08 kg20.92 kgCO,e/kg3 094.95C30预拌混凝土10 314.46 m3295.00 kgCO,e/m33042.77(非泵送性）钢筋870.01 t2 208.00kgCO,e/t1 920.98铝单板(2 mm)12 052.79 m156.90 kgCO,e/m1 891.08C40非泵送预拌砼1 579.21 m3432.29 kgCO,e/m3682.68水泥砂浆1 322.36 m354.60 kgCO,e/m3468.91(比例1:3)保温材料(R.E-IIIp)1 168.19 m3202.95 kgCO,e/m3237.08其他5202.55合计16541.00注：“二”代表无具体值。由表4可知，建材生产阶段碳排放量16 5 41.0 0 tCO,e，碳排放强度13.2 8 kgCO,e/(ma)。建材运输阶段碳排放量661.64tCO,e，碳排放强度0.5 3kgCO,e/ma)。建材碳NO.092023节能ENERGYCONSERVATION64低碳环保与节能减排排放总量为17 2 0 2.6 4t。3.3各影响因素的敏感性分析(1）材料种类。改变材料种类，对原生建材进行替换。采用循环建材替换原建材，以金属材料为例，采用再生铝和再生钢筋替换原有的铝材和钢筋总量的5 0%，依据国标计算要求，碳排放量共减少约2 2 39.7 5 t。采用以废弃物为原料生产的建材替换原建材，选用掺料5 0%的矿渣水泥，可以降低混凝土隐性能耗值7.5%，采用矿渣混凝土替换原预拌混凝土为例，碳排放量减少35 3.7 t。通过改变材料种类使该建筑建材碳排放减少了2 5 9 3.45 t，敏感度系数为15.0 8%。(2)材料强度。项目建筑的混凝土强度大都是C30，C30 混凝土的碳排放因子为2 9 7 kgCO,e/m，C5 0 混凝土的碳排放因子为353kgCO,e/m，C5 0 混凝土代替C30混凝土约减少18.1%的用量，此案例中提高混凝土强度约减少建材生产碳排放约10 7.9 1t，减少运输碳排放约9 5.2 8 t。将钢筋强度提升一级，约减少10%的钢筋用量，可减少建材生产碳排放39 7.30 t，建材运输碳排放15.9 0 t。提高建材强度可减少建材生产碳排放6 16.39 t，敏感度系数为3.5 8%。(3）生产水平。在水泥生产流程中优化工艺，提高能效可以减少水泥能耗和碳排放约40%，减少碳排放15 35.5 1t。提升钢材生产能力至国际领先水平可减少钢材碳排放约16.7%，减少碳排放149 6.14t。在此案例中提高生产水平可以减少建材生产阶段碳排放30 2 1.6 5 t，每敏感度系数为17.5 7%。（4）运输方式。该案例中的建材运送使用4t的载货汽车和混凝土输送泵车，如果混凝土以外建材总量的8 0%采用铁路运输，建材运输过程碳排放减少约342.0 1t，敏感度系数为1.99%。（5）运输距离。该案例中混凝土运输距离约40 km，其他建材运输距离约5 0 0 km，如果通过使用本地建材、优化路线等方式，可以减少运输距离40%，减少碳排放2 6 4.6 6 t，敏感度系数为-1.5 4%。3.4敏感性结果分析从敏感度系数的正负值角度分析，改变建材种类、提高材料强度、提升生产水平以及改变运输方式情况下的敏感性系数均为正值，表明几种方式具有正面的碳减排效果；而运输距离的变化敏感性系数为负，表明增加运输距离会引起碳排放的增加。从敏感度系数绝对值大小的角度分析，对钢筋混凝土结构建材碳排放影响效果较大的因素是材料种类以及生产水平，影响效果较小的因素是材料强度、运输方式和运输距离。4结语为了减少钢筋混凝土建筑建材碳排放，从建材选择角度，可以大量使用金属、木材为主的循环建材和各类废弃物为原料制成的建材以及各类绿色建材；从建材生产角度，改善水泥、钢材、玻璃等主要建材生产工艺，提高资源能源利用率，优化相关产业结构。同时，合理提高建材强度、优化运输方式和缩短运输距离均可在一定限度下减少碳排放。如果同时优化这些要素，钢筋混凝土结构建筑建材减碳潜力可达30%。建材碳排放源自能源的消耗，提高能源利用效率以及挖掘可替代化石能源的可再生能源是实现建材低碳和建筑低碳的根本途径。参考文献1刘鹏飞.绿色建筑低碳理念在室内设计中的应用探析 C/内蒙古自治区自然科学学术年会.呼和浩特：内蒙古自治区科协，2 0 13.2】肖旭东.绿色建筑生命周期碳排放及生命周期成本研究 D.北京：北京交通大学，2 0 2 1.3】仓玉洁.建筑物化阶段碳排放核算方法研究 D.西安：西安建筑科技大学,2 0 18.4孙楠楠.运输及碳化对RAC生命周期碳排放的影响研究 D.杭州：浙江大学,2 0 14.5】王国光，崔欢欢.建筑碳排放计算及减碳策略之探索 .智能建筑电气技术,2 0 2 2,16(2)：15 0-15 4.6韩菊红,吴松锋.HRB400级钢筋对混凝土结构使用性能的影响 J.人民黄河,2 0 0 9,31(12)：8 7-8 8.7肖凡.水泥建材会议项目风险管理研究 D.天津：天津大学,2 0 16.8】俞海勇，曾杰，胡晓珍，等.基于LCA的化学建材生产碳排放量研究分析 J.化工新型材料，2 0 15,43(2)：2 18-2 2 1.9】魏秀萍.住宅工程施工阶段机械设备耗能碳排放计算与实证 D.福州：福建农林大学，2 0 14.10邵高峰,赵霄龙，高延继，等.我国建材碳排放现状及其研究进展概述C/中国建筑学会建筑材料分会学术交流会暨会议.常州：中国建筑学会建筑材料分会，2 0 11.