一．研究背景
为践行《巴黎协定》在本世纪后半叶实现净零排放约定，以及习近平主席“努力争取2060年前实现碳中和”的战略目标，我国积极制定了一系列国家政策方针，助推国家双碳发展之路。
木材属于“负碳”建筑材料，阻热性能优越，木结构建筑全生命周期能耗最小。本研究从建筑的原料开发、制造、运输、建造、运行到改拆建的“全生命”过程，来探讨“建筑全生命周期碳排放”不同结构形式对碳排放的影响，为今后政策研究、设计实践提供参考和借鉴。
二．建筑概况
本项目位于位于长沙市岳麓区，主要功能为18班制幼儿园及其配套用房。建筑地处夏热冬冷A地区，朝向为南偏东34.46度。层数为地上两层，建筑高度为10.82m,总建筑面积为5039.67m2。结构形式为钢木混合结构。本工程外墙为木结构自保温（空腔填充玻纤棉200.0mm），屋顶为30mm厚难燃型挤塑聚苯板。
以下为项目的具体效果展示。
图2.2建筑鸟瞰图
图2.3建筑中庭透视图
三． 分析目的和工具
3.1 分析目的
- 根据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021标准要求，对建筑全生命周期碳排放分析。
- 对比分析钢木混合结构和钢筋混凝土结构在全生命周期的碳排放数据。
四. 全生命期分析方法学
本研究使用的分析工具为建筑碳排放计算软件PKPM-CES，计算建筑全生命周期碳排放水平。主要从建材生产及运输阶段、运行阶段、建造及拆除阶段对建筑全生命周期进行碳排放计算对比。
表4.0.0建筑全生命周期
4.1 材料生产与运输阶段
建筑物化阶段的碳排放占据建筑全生命周期碳排放的17%左右，其中建材生产的碳排放量最大，占据物化阶段碳排放量的95%;
钢筋混凝土结构材料基本为砖、钢材、混凝土和木材，在物化阶段，35%的碳排放是由钢材所产生的，且物化阶段钢材的碳排放无法直接减少。
钢木混合结构建筑物的主要结构材料为木材、混凝土及钢材。在物化阶段90%以上的碳排放由木材产生，树木生长过程中，经过光合作用可以将空气中的二氧化碳吸收并加以固定。
表4.1.1建筑物化阶段碳排放构成
4.2建材准备阶段碳排放对比
表4.2.1建材准备阶段碳排放
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建材准备阶段碳排放 |
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结构形式 |
名称 |
碳排放量(tCO2e) |
全生命周期单位面积碳排放量(kgCO2e/m2) |
全生命周期单位面积年均碳排放量(kgCO2e/m2) |
|
钢筋混凝土结构 |
建材生产阶段 |
1508.15 |
347.72 |
30.16 |
|
建材运输阶段 |
351.67 |
81.08 |
7.03 |
|
|
钢木混合结构 |
建材生产阶段 |
394.91 |
91.05 |
7.90 |
|
建材运输阶段 |
26.28 |
6.05 |
0.12 |
|
表4.2.2建材准备阶段碳排放
对比钢筋混凝土结构，钢木混合结构在建材生产阶段:碳排放量降低 1113.24t,全生命周期单位面积碳排放量减少256.67kg，全生命周期单位面积年均碳排放量减少22.26kg,建材运输阶段:碳排放量降低325.38t,全生命周期单位面积碳排放量减少75.03kg，全生命周期单位面积年均碳排放量减少6.91kg
4.3 建造阶段
建造阶段的碳排放主要来源于建材运输，施工机具运营及临时设施运营。因此，主要考虑建材运输阶段的减碳策略，其次是施工机具运营，最后为临时设施。
图4.3.1建造工艺及实景图
表4.3.2建造阶段碳排放
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建造阶段碳排放 |
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结构形式 |
名称 |
碳排放量(tCO2e) |
全生命周期单位面积碳排放量(kgCO2e/m2) |
全生命周期单位面积年均碳排放量(kgCO2e/m2) |
|
|
钢筋混凝土结构 |
建造阶段 |
560.21 |
129.16 |
11.20 |
|
|
钢木混合结构 |
建造阶段 |
252.73 |
58.26 |
5.05 |
|
表4.3.3建造阶段碳排放
对比钢筋混凝土结构，钢木混合结构在建造阶段:碳排放量降低307.48t,全生命周期单位面积碳排放量减少70.9kg，全生命周期单位面积年均碳排放量减少6.15kg。
4.4 建筑运行使用阶段
建筑运行阶段的碳排放占据建筑全生命周期碳排放的80%以上，其中使用维护阶段碳排放主要建筑设备的各种能耗产生;包含运行能耗及维护能耗，其中，运行能耗占比为98%，也是此阶段碳排放产生的主要来源，其中采暖引起的碳排放为60%，空调制冷为12%，照明为25%，动力系统为3%。
表4.4.1建筑运行阶段碳排放构成图
4.4.1 建筑运行阶段能源使用
（1）建筑累计负荷计算结果
表4.4.1建筑累计负荷计算结果对比
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建筑累计负荷计算结果对比 |
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结构形式 |
全年供冷耗电量(kWh) |
全年供暖耗电量(kWh) |
|
|
钢筋混凝土结构 |
52054.15 |
57857.78 |
|
|
钢木混合结构 |
56641.40 |
55737.96 |
|
表4.4.2建筑累计负荷计算结果对比
对比钢筋混凝土结构，钢木混合结构在运行阶段:全年供冷耗电量增加4587.25kWh,全年供暖耗电量减少2119.81kWh。
- 建筑节能围护结构负荷对比
表4.4.3建筑节能围护结构负荷对比
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建筑节能围护结构负荷对比 |
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结构形式 |
名称 |
外墙 |
屋顶 |
外窗 |
内维护 |
|
|
钢筋混凝土结构 |
空调负荷（MWH) |
29.67 |
22.08 |
48.98 |
0.00 |
|
|
采暖负荷（MWH) |
67.36 |
19.19 |
50.13 |
16.35 |
||
|
钢木混合结构 |
空调负荷（MWH) |
38.40 |
34.50 |
49.17 |
0 |
|
|
采暖负荷（MWH) |
73.10 |
38.07 |
49.27 |
9.64 |
||
表4.4.4建筑节能围护结构负荷对比
- 建筑运行阶段碳排放对比
表4.4.4建筑运行阶段碳排放对比
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建筑运行阶段碳排放对比 |
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设计建筑单位面积年运行碳排放量 |
供暖 |
空调 |
碳排放优化比例 |
单位面积年运行碳排放降低值 |
|
|
钢筋混凝土结构 |
7.75 |
6.97 |
41.13 |
15.58 |
|
|
钢木混合结构 |
7.47 |
7.59 |
40.14 |
15.18 |
|
表4.4.5建筑运行阶段碳排放对比
对比钢筋混凝土结构，钢木混合结构在运行阶段:供暖减少0.28(kgCO2/(m2•a),空调增加0.62(kgCO2/(m2•a)，单位面积年运行碳排放降低值减少0.40(kgCO2/(m2•a)。
4.5 报废阶段
4.5.1 建筑拆除阶段
因本工程无详细拆除相关数据时，因此根据《广东省建筑碳排放计算导则》，采用经验公式法进行计算。
表4.5.1建筑拆除阶段碳排放量
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拆除阶段碳排放量 |
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建筑面积(m2) |
地上层数 |
单位面积碳排放量(kgCO2/m2) |
拆除碳排放量(tCO2) |
|
4374.60 |
2 |
2.13 |
9.32 |
4.6 建筑全生命周期碳排放
建筑全生命周期碳排放情况汇总如下：
表4.6.1建筑全生命周期碳排放
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建筑全生命周期碳排放 |
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结构形式 |
碳排放量(tCO2e) |
全生命周期单位面积碳排放量(kgCO2e/m2) |
全生命周期单位面积年均碳排放量(kgCO2e/m2) |
|
|
钢筋混凝土结构 |
14512.80 |
3346.09 |
290.26 |
|
|
钢木混合结构 |
11445.12 |
2638.78 |
228.49 |
|
表4.6.2建筑全生命周期碳排放
表4.6.2钢木混合结构建筑全生命周期碳排放占比图
结论：
对比钢筋混凝土结构，钢木混合结构在全生命周期:碳排放量降低3067.68t,全生命周期单位面积碳排放量减少707.31kg，全生命周期单位面积年均碳排放量减少61.77kg.
五．分析结果的总结与解释
建材准备阶段：钢木混合结构建筑在建材准备阶段90%以上的碳排放由木材产生。建筑行业使用固碳的木制建筑材料可以有效减少碳排放，根据可再生能源工业材料研究协会（COR-RIM)的一份研究报告表明：等量的木材从收获到废弃所需的能量比钢材少17%，比水泥少16%。
建造阶段：钢木混合结构建筑可以工厂预制，现场安装，这正是产业化发展所提倡的。利于推进绿色建造和施工，营建合理化，将建筑部品生产工业化，预铸化，标准化以及营建施工模具化，省工化，干式化。利于在施工阶段降低碳排放。
运行阶段： 由于钢木混合结构建筑中大量采用的标准化、模块化工程钢结构和木制品构件，并采用工业化手段进行建造，因此可以较大提高围护结构整体工业化水平和效率，提升围护结构整体隔热保温性，木材作为天然保温隔热材料，也减少了合成保温材料的使用。
拆解回收阶段：钢木混合结构建筑主要构件多采用机械连接方式，便于拆解，但钢筋混凝土结构类型的建筑主体很难拆解，一般都要采取破坏性的拆毁方式，但在废旧建材的循环利用率上，拆解方式下的建材回收率远大于拆毁方式。同时，钢木混合结构的钢和木材均为可循环材料，虽然在建材生产过程中产生了碳排放，但在回收并进行循环利用后，减少新产品原料开采，提纯环节的能耗，废旧建材的回收利用率越高，新产品的原料开采，提纯环节的碳减量就越大。
研究思考与展望
本研究通过具体实例分析研究，对比钢木混合结构与传统钢筋混凝土结构在建筑全生命周期碳排放，分析钢木混合结构与传统钢筋混凝土结构的差异，基本得出钢木混合结构全生命周期碳排放低于传统钢筋混凝土结构。
为了实现碳达峰（2030年）、碳中和（2060年）（简称“双碳”目标），同时满足《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021、《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019国家标准，对建筑物的碳排放计算范围和边界以及建筑碳排放和能耗目标提出了具体的定量要求。
