阅读 12751 次 建筑材料二氧化碳排放计算方法及其减排策略研究

 

 

罗智星   杨柳    韩冰

 

    工业革命以来，由于人类大量使用化石燃料，使用含氯、氟的碳化物等，造成二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）、氟氯碳化物（CFCs）、六氟化硫（SF₆）、全氟碳化物（PFCs）、氢氟碳化物（HFCs）等易吸收长波辐射的气体（即所谓的“温室气体”）大幅增加，形成地球暖化现象，即“温室效应”。化石燃料燃烧所产生的CO₂气体是温室气体中比例最大的，约占整个温室气体排放的82.9%。

    

    建筑行业的CO₂排放与减排问题，除了日常使用能源以外，大部分出自于建材生产的CO₂排放。建材的生产过程中由于消耗了电力、煤、石油、天然气等能源，而释放大量的CO₂。在中国台湾，建筑材料碳排放约占全生命周期碳排放的9.15%~22.22%；在日本，建筑材料碳排放约占全生命周期碳排放的15.67~22.69%。由此可见，研究建筑材料的二氧化碳排放及其减排，是降低建筑碳排放的重要一环。

 

    1.1环境负荷

    环境负荷是指因人类活动行为对自然环境造成的影响，以至于对于环境保护上产生的障碍因素。建筑产业的活动对于地球环境所造成的环境负荷是多样且复杂的，其中包括了生产过程造成地球温室效应的气体；资源消耗（包括化石燃料、矿物资源、水资源等）；施工过程中产生的噪音、震动、粉尘、废弃物；还有影响更为深远的为全球气候变迁、臭氧层空洞等变化。

    

    在此，我们以建筑物对于地球环境所耗用的能源（耗能量）与环境伤害（CO₂排放量）来作为评价建筑产业对于地球环境所造成的环境负荷。因此，二者是具有重要影响性的环境负荷评价指标，也是较能定量得以掌握的环境负荷评价项目。

 

    1.2日本建筑材料环境负荷统计

    日本在建筑材料环境负荷方面上从事了多年的研究，用以建立基础分析的环境资料数据库以供后学建筑物全生命周期评估LCA使用。目前已经建立起建筑材料、建筑设备生产所产生的CO₂、SO_X、NO_X、CH₄、N₂O排放的数据库。

    

    日本方面关于建筑材料生产的环境负荷有以下三种统计方法：

 

    所谓“产业关联表”是日本政府每五年针对国内各种产业间的产值、需求量、交易量、粗附加值等进行的金额相关统计资料。建筑材料负荷的产业关联表统计法就是利用产业关联表的内容，以建筑产业的需求量与建筑材料消耗量求出其他建筑材料产业与能源产业的产值、产量直接或间接的波及效果，并因此求出能耗量与CO₂排放量的方法。

    

    由于此方法单纯以金额来计算能源与CO₂排放量，因此很容易以建筑产业的施工估计金额来换算出能耗与CO₂排放量，是一种十分简便的环境负荷评估法。然而，由于这种方法求出的数据通常为该产业建筑材料平均环境负荷量，会使其难以用来进行准确的环 境负荷评估，有先天缺陷。例如，它只有水泥平均CO2排放量数据，而无法区别白水泥、波特兰水泥、高炉水泥的数据。另一方面，由于此方法完全以金额来换算，因此无法区别能源结构，也无法顾及成品或半成品建筑材料在国外加工能源的情况，而使统计数据存在很大误差。同时，由于此方法为包括人事设备利润等间接影响的产业关联统计，使环境负荷数据隐藏太多与能源无关的评估在内，因而使本方法的可信度大为降低。

 

    鉴于上述产业关联表包含太多间接的影响因素，使其环境负荷量统计数据有严重偏大失真的可能，因此产生了去除其间接关联因素而统计的方法^（6）。此法的环境负荷量数据比前一方法更为单纯与可信。但是它依然只能求出该建材产业的平均环境负荷量，而无法区别个别建筑材料种类的环境负荷量。

 

    此方法直接由建筑材料制造商的产量与能耗结构算出其环境负荷量^（6），即相当予建筑材料生产线的直接耗能统计。虽然不同建材生产商的耗能效率与能源使用结构可能不尽相同，但以目前产业竞争与节能效率的提升背景下，最终产品消耗量与CO₂排放量的差异已日渐缩小。因此，本方法可以说是一种最直接可靠的CO₂排放统计法。

    

    然而，由于各种建筑材料生产商的配合意愿不高、生产线能耗结构的统计不易、统计量庞大的因素，使用这种统计方法的困难很大。同时由于一些二次建材或组合建材是由于其他数种一次建材再加工所组成，其耗能结构更是难以一一掌握清楚。因此本方法是以上三种统计法中最复杂与最困难的方法；但也是提供最直接可信的环境负荷数据的方法。

 

    1.3台湾地区建筑材料环境负荷统计

    台湾是我国最早研究建筑碳排放与碳减排的地区，在1999年出版的了《绿建筑解说与评估手册》就包含了CO₂减量指标，书中给出了建筑物CO₂排放量的计算方法与CO₂减量指标简易评估法，并根据台湾建筑材料生产的实际情况给出了基本的建筑材料CO₂排放量表，在之后的版本中也不断增加与改进。

    台湾建筑材料环境负荷统计采用生产线直接能耗统计法。其中关于生产量的部分，由于建筑材料在生产过程中或有部分的损耗，其所调查的产量为扣除损耗之后的成品数量；而生产线的能源使用则为生产过程全部的能源统计，包括了电能、燃料煤、燃料油、重油、天然气、液化石油气各分项燃料的统计；若有其他加工、组装过程耗能则另于统计。

 

    在最近的十年间，台湾地区的学者在建筑材料环境负荷统计的研究成果主要有：台湾建筑相关产品CO₂排放量数据库，包括了石质类、钢铁类、水泥类、铝金属、玻璃类、土质类、木材类等建筑材料的生产阶段与运输阶段的CO₂排放量。台湾地区住宅设备资材的二氧化碳排放量数据库，包括了空调设备、给水设备、排水设备、卫生设备、强电设备、弱电设备、消防设备以及电梯设备的单位造价的碳排放量。公寓住宅设备管线的二氧化碳排放量数据库，包括了电线电缆产品、PVC管产品以及钢管产品单位长度的CO₂排放量。住宅类、办公类及百货公司室内装修相关产品单位生产含运输二氧化碳排放量数据库，包括了天花板、地面、墙体、家具等装修材料的CO₂排放量。空调设备二氧化碳排放量数据库，包括了各种空调设备及其构件在生产加工安装与运输阶段的CO₂排放量。

 

    近年来由于城市化进程的不断加快，建筑产业的蓬勃发展，使得建筑材料的使用量大幅增长，尤其是建筑物种大量使用的钢筋、水泥、玻璃、砖等建筑材料，都是生产过程中消耗大量能源的建筑材料。通过统计、计算、研究各类建筑材料生产所耗用的能源与产生的CO₂排放量，就可以用以评估计算建筑材料生产的环境负荷量。

 

    2.1化石燃料部分

    建筑材料生产所耗用的化石燃料能源的主要成分是碳化合物，燃烧后会产生CO₂，因此我们由能源使用使用量与其含碳量可以推估CO₂排放量。本研究以联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）于1996年发布的《国家温室气体IPCC指南（Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories）》手册第二卷中的因应化石能源的使用所发展的CO₂排放估算方式，计算建筑材料生产过程中所排放的CO₂量。此计算方法为国际相关CO₂排放量研究所惯用的估算方法，计算步骤如下：

 

    （1）估计建筑生命周期各阶段的能源使用量，并以原始单位表示。例如，煤炭、燃油以kg表示，天然气以m³。

    （2）在我国，能源计量通常以标准煤为单位。我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡（约为29271200焦耳）。以《综合能耗计算通则》GB/T 2589-2008的《附录A各种能源折算标准煤的参考系数》计算出每种燃料的低位发热量。

    （3）在《国家温室气体IPCC指南》手册第二卷中找出每种燃料的碳排放系数，可以得到碳排放量的初步估计值。

    （4）考虑到不完全燃烧，将总碳排放量的初步估计值乘以化石能源的碳氧化率（燃煤98%，燃油99%，天然气99.5%）的折扣。

    （5）将排放的碳（以重量单位表示）转换成相应的CO₂，即乘以分子量的比值44/12，即可得到建筑材料生产阶段能源使用的CO₂排放量。

 

    根据“蒙特利尔公约”的决议，IPCC所界定的四种温室气体中氟氯碳化物（CFCs）在1996年以后已经全面禁用，其余的CO₂、CH₄、N₂O三种气体成为以后影响地球气候的主要温室气体。由于CH₄、N₂O的排放量比例极小，因此国内外在估算温室气体排放量是皆以CO₂排放量作为代表性的计算指标。表1为本研究得到的中国主要能源单位CO₂排放量计算结果。

表 1中国各类能源CO₂排放量

 

    2.2标准煤的碳排放系数

    能源的种类很多，所含的热量也各不相同，为了便于相互对比和在总量上进行研究，我国把每公斤含热7000大卡（29306千焦）的定为标准煤，也称标煤。另外，在我国的各项能源统计中还经常将各种能源折合成标准煤的吨数来表示，例如1kg原煤相当于0.7143kg标准煤，1kg原油相当于1.4286kg标准煤，1m3天然气相当于1.2143kg标准煤；而同样产生1TJ的热量，原煤、原油、天然气的碳排放量分别是25.8T、20.0T、15.3T。

    

    由于IPCC的手册中并没有标准煤的概念，更没有标准煤的碳排放系数，但在我国标准煤的概念又十分重要。因此，研究标准煤的碳排放系数对于研究我国能源业碳排放有重大意义，更加是研究建筑材料碳排放的基础数据。

    

    我国能源消费总量统计是根据各主要化石燃料折算成标煤而形成的，因此将此过程逆向进行就可以得到各主要化石燃料的消费量。将各主要化石燃料的消费量与其低位发热量、碳排放系数相乘，就可以得到各主要化石燃料的全年碳排放量。把各主要化石燃料的碳排放合计，再除以能源消费总量（以标准煤计）换算的总热值量，就是标准煤的碳排放系数。结果如表2所示。

 

    从表2中可以看出，各年标准煤的碳排放系数基本一致，大约为24.2（T-C/TJ），折合单位重量的CO₂排放量为2.597（kg-CO₂/kg）。

 

    2.3电能部分

    电能主要通过火力发电，水力发电，核子发电，风、地热、潮汐以及太阳能发电产生。由于水力、核子、风、地热、潮汐以及太阳能发电均不使用含碳的化石燃料（或者使用量极小可以忽略），在计算电能碳排放时可以认为这部分电能是不产生CO₂排放的。因此，单位电量的CO₂排放量与国家能源结构密切相关，火力发电比例越高，其单位电量的CO₂排放量就越高。例如在八成以上的电能依赖火力发电的中国，建筑材料生产只要使用1kWh电就相当于排放0.723kg的CO₂（2009年的情况）。在台湾每千瓦小时电约排放0.685kg的CO₂；在日本相当于约排放0.533kg的CO₂；而在99%的电力依赖水力发电的挪威，使用电能几乎不会排放CO₂。因此，建筑物的CO₂排放量模式具有典型的地域性，绝不能引用其它国家环境负荷的资料数据来取代，否则可能会产生巨大的差异。

 

    本研究的电能部分CO₂排放以中国统计年鉴逐年电力平衡表发电能源使用结构为基础推估得到。由于逐年电力平衡表的能源结构只有火电、水电、核电的分类数据，并没有火力发电中煤炭、燃油、天然气的分项数据，因此在计算发电CO₂总排放量时，利用了各年度全国电力工业统计快报的逐年火电发电煤耗（标准煤）乘以各年火力发电量，再乘以标准煤单位重量的CO₂排放量来计算。平均单位发电量的CO₂排放量等于发电CO₂总排放量除以该年度的发电量；如果除以该年扣除输配电损失量的总发电量就会得到最终的平均单位发电量CO₂排放量。表 3为中国2000~2009年单位电力CO₂排放量推算的结果。

    

    电能部分的CO₂排放量随着国内发电结构的改变而有所些微变动。如图1所示，虽然我国发电CO₂排放总量逐年增加，但是最终平均单位发电量CO₂排放量在近10年内呈现出逐渐减少的趋势，从每千瓦小时排放0.834kg-CO₂变成0.723kg-CO₂。这是因为我国火电发电比例与火电发电煤耗逐年降低，核能、水能以及其他新能源发电比例逐年提高，导致了单位发电量CO₂排放量的降低。

 

 

 

 

 

图 1我国发电CO₂总排放量与平均单位发电量CO₂排放量变化趋势图

 

    2.4建筑材料生产阶段CO2排放的计算

    通过以上的研究，我们得到了各种能源单位CO2排放量与单位电量的CO2排放量，这些数值分别与建筑材料生产过程中对应的能源消耗量相乘并求和，即可计算出建筑材料生产阶段的单位建筑材料的CO2排放量。

 

    例如，上海宝钢2008年度生产了2600吨粗钢，共消耗了1684万吨煤，3.6亿立方米天然气，47.16亿度电（17）。平均每吨粗钢约使用647.69kg煤，13.84m3天然气，5513.15kWh电，则生产每吨粗钢所产生的CO2排放量为1416.46kg-CO2。

 

    建筑环保已经日益成为世界建筑业的潮流，在面临国际CO2减排的管制趋势下，中国对于此问题的因应策略更显得重要与迫切。根据国内学者的研究，2005年由于建筑和水利交通建设所需要的钢材和其他建材造成的直接和间接的能源消耗接近全国商品能源消耗总量的20%。因此，建筑材料在节能环保方面有重要的地位。研究建筑材料的CO₂减排策略，对减缓全国碳排放总量的增加、降低单位GDP的碳排放量有重大的意义。

 

    3.1建筑材料生产的CO2减排策略

    3.1.1间接策略——建设高效、清洁、低碳的能源供应体系与发电技术的进步

    从第三部分的研究可以发现，一个国家的能源结构，对单位电量的CO2排放影响巨大，而电力又是建筑材料生产的重要能源。从图2中可以看到，一些发达国家或地区火力发电比例都较我国低很多，而可再生能源特别是核电的发电比例更是高出十余倍。因此，加快调整能源结构，增加可再生能源发电的建设是最重要的CO₂减排策略。

 

    从我国的电力统计数据来看，2009年，我国风电装机容量比上年增长了109.82%，水电在建规模达到了6724.8万千瓦，核电在建规模达到了2192万千瓦，风电在建规模达720.75万千瓦。

 

图 2各国或地区发电能源结构对比图

 

    这些数据显示我国正在努力建设可再生能源的发电容量，然而和87409万千瓦的总发电装机容量和65107万千瓦的火电装机容量相比，可再生能源的发电装机容量建设在短期内无法使我国发电能源结构有太大的变化。因此，必须改进我国火力发电的技术，降低火电发电煤耗。从图3可以发现，我国的火电发电煤耗已经十分接近世界发达国家的平均水平，但依然有一定的挖掘潜力。这就需要我国大力建设超临界、超超临界的火力发电厂，以替代大量低效的小火电厂。同时大力开发火电的碳封存技术，使火力发电接近CO₂的零排放。

 

 

图 3火电发电煤耗变化与对比分析图

    3.1.2直接策略——提高建筑材料生产行业的能源利用率

    建材行业是中国重要的基础原材料工业，在国民经济发展中占有重要的地位和作用。目前，中国建材行业共有80余类、1400多个瓶中的产品，主要产品如钢铁、水泥、玻璃、建筑卫生陶瓷等产品已连续多年居世界第一位，但是它们大都属于高耗能的工业产品。由于我国的生产技术水平与发达国家尚存一定差距，所以单位产品的能耗往往高于国际先进水平。图4显示了中国主要耗能产品的能耗与国际先进水平的差距，其中钢、水泥、砖的生产能耗约为国际先进水平的1.2倍，平板玻璃接近1.5倍，建筑陶瓷更是高达2倍^（20）。从以上分析可以发现，我国建筑材料生产行业的能源利用里有巨大的提高潜力。

 

 

 

图 4我国主要建材单位能耗与国际先进水平比较

    3.2建筑材料在使用中的CO2减排策略

    在我国，建筑材料的生产量巨大，主要原因是我国建筑产业对建筑材料的巨大需求量。如果说建筑材料生产的CO₂减排策略关注的是单位建材的CO₂排放量的降低，那么建筑材料在使用中的CO₂减排策略则是对建材CO₂排放总量降低的思考。

 

    3.2.1建筑结构的合理化

    建筑结构合理化是节约建材与减低CO₂排放量的有效方法。在我国，有许多不环保、伪绿色的建筑物，为了别出心裁，做了不必要的造型变化、不合理的超大结构、不均匀对称的平面设计，使得建筑材料用量暴增而大大增加了建筑在建筑材料方面的碳排放。为了降低建材的使用量，首先需要重视合理而经济的结构系统设计，即尽量使建筑物的跨度设计合理，具有均匀对称的平面、立面、剖面等设计，减少不必要的造型结构负荷。

 

    3.2.2建筑结构的轻量化——增加可循环建材的使用量

    建筑结构轻量化是降低建材CO₂排放量最有效的方法。因为建筑物的轻量化直接降低了建筑材料的使用量，进而减少了建材的生产量与CO₂排放总量。结构轻量化最具体的做法在于推行钢结构建筑、金属幕墙外墙设计以及轻质灵活隔断。钢与铝之类的金属建材虽然是高耗能材料，但是其回收再生率均高达8成以上，因此反而变成较为环保的建筑材料。在中国，由于钢结构建筑的成本较钢筋混凝土结构建筑造价高，而较少使用，但是在今后的环保压力下水泥的产量会得到强力控制，价格必然高涨，再加上时间成本以及缩短工期的要求，钢结构建筑必然成为建筑业的发展主流。除金属建材之外，玻璃、塑料、石膏制品、木材与橡胶都是良好的可循环材料。

 

    3.2.3增加再生建材的使用量

    使用再生建材不仅可以延续建筑材料的生命周期，也可以减少新开采资源对于地球环境的破坏与伤害，同时可达到减少CO₂排放量与废弃物的作用，是一箭双雕的绿色建筑设计手法。如建筑可以采用工业废弃物、农作物秸秆、建筑垃圾、淤泥等原料所生产的水泥、混凝土、墙体材料、保温材料等，以及生活废弃物经处理后制成的建筑材料。

 

    在本研究中，得到了中国各类主要能源单位CO2排放量；得到了标准煤的碳排放系数为24.2（T-C/TJ），折合单位重量的标准煤CO₂排放量为2.597（kg-CO₂/kg）；研究发现我国近十年单位发电量CO₂排放量逐年降低，从2000年的0.834kg-CO₂/kWh降低到2009年的0.723kg-CO₂/kWh，但因为发电而产生的CO2排放总量逐年递增，已达25.03亿吨。

 

    建筑材料CO₂排放计算方法为：将各种能源单位CO₂排放量、单位电量的CO₂排放量，分别与建筑材料生产过程中对应的能源消耗量相乘并求和，即可计算出建筑材料生产阶段的单位建筑材料的CO₂排放量。

年  份	能源消费总量* (万吨标准煤)	总热值** （TJ）	占能源消费总量的比重** (%)			消费总量***			低位发热量（TJ）			碳排放量（T-C）****				标煤的碳排放系数（T-C/TJ）
			煤  炭	石  油	天然气	煤  炭 （万吨）	石  油 （万吨）	天然气 （万立方米）	煤  炭	石  油	天然气	煤  炭	石  油	天然气	合计
2000	138553	37885143.95	72.6	24.8	2.6	140955.9	24116.4	2679.7	27530683.39	9420528.83	974537.47	710291631.4	188410577	14910423	913612631	24.1
2001	143199	38651911.79	72.3	24.9	2.8	145186.3	24923.3	3039.5	27992209.73	9610518.78	1091150.60	722199011	192210376	16694604	931103991	24.1
2002	151797	41061636.49	71.8	25.4	2.8	152649.1	26938.1	3215.0	29494978.32	10409992.35	1156665.82	760970440.7	208199847	17696987	986867275	24.0
2003	174990	47796985.59	73.4	23.8	2.8	179793.0	29176.9	3670.4	35078474.40	11385118.88	1333392.30	905024639.6	227702378	20400902	1153127919	24.1
2004	203227	55330995.57	73.2	24.0	2.8	208254.3	34147.6	4276.5	40500621.09	13281821.33	1548553.16	1044916024	265636427	23692863	1334245314	24.1
2005	223319	60735836.18	74.2	22.6	3.2	232122.0	35374.2	5247.2	45093740.44	13744100.86	1897994.88	1163418503	274882017	29039322	1467339842	24.2
2006	246270	66977795.78	74.7	22.0	3.3	257835.3	37895.1	6045.8	50088998.14	14723567.18	2186882.77	1292296152	294471344	33459306	1620226802	24.2
2007	265583	72152497.89	75.0	21.2	3.8	278756.3	39507.2	7539.4	54094914.82	15333378.73	2724204.34	1395648802	306667575	41680326	1743996703	24.2

项目	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009
发电量*（亿kWh）	13,556.00	14,716.60	16,404.70	19,105.80	22,033.10	25,002.60	28,657.26	32,815.50	34,510.13	36,811.86
火电*（亿kWh）	11,164.50	11,767.50	13,273.80	15,803.60	17,955.90	20,473.40	23,696.03	27,229.30	28,029.97	30,116.87
水电*（亿kWh）	2,224.10	2,774.30	2,879.70	2,836.80	3,535.40	3,970.20	4,357.86	4,852.60	5,655.48	5,716.82
核电*（亿kWh）	167.40	174.70	251.20	433.40	504.70	530.90	548.43	621.30	692.19	700.50
风电*（亿kWh）	——	——	——	——	——	——	——	——	130.79	276.15
地热、潮汐、太阳能等*（亿kWh）	——	——	——	——	——	——	——	——	——	1.52
火电比例	82.36%	79.96%	80.91%	82.72%	81.50%	81.89%	82.69%	82.98%	81.22%	81.81%
火电发电煤耗**（kgce/kWh）	0.363	0.357	0.356	0.355	0.354	0.347	0.341	0.333	0.322	0.320
发电CO2总排放量（t）	1,052,489,696	1,090,999,051	1,227,205,286	1,456,989,197	1,650,754,119	1,844,978,867	2,098,465,916	2,354,792,587	2,343,961,393	2,502,832,364
输配电损失量（亿kWh）	936.7	1033.5	1168.7	1260.7	1420.6	1706.5	1858.83	2061.7	2079.8	2190.65
平均单位发电量CO2排放 （以总发电量计，kg/kWh）	0.776	0.741	0.748	0.763	0.749	0.738	0.732	0.718	0.679	0.680
最终平均单位发电量CO2排放 （扣除输配电损失量后，kg/kWh）	0.834	0.797	0.805	0.816	0.801	0.792	0.783	0.766	0.723	0.723

1、黄国仓，办公建筑生命周期节能与二氧化碳减量评估之研究。台湾：成功大学博士论文，2006。

2、张又升，建筑物生命周期二氧化碳减量评估。台湾：成功大学，2002。

3、日本建筑学会，建物のLCA指針（第三版）。日本：日本建筑学会，2006。

4、日本环境厅，环境基本法解说。日本：日本环境厅，1994。

5、酒井宽二，漆崎升，建設業の資源消費量解析と環境負荷の推定。日本：環境情報科學，第21卷第2号，1992。

6、酒井宽二，漆崎升，建設資材製造時の炭素排出原單位調查。日本日本建築學會大會學術講演梗概集，1993。

7、林宪德，绿建筑解说与评估手册。台湾：“内政部”建筑研究所，1999。

8、林宪德，绿建筑解说与评估手册（2007年更新版）。台湾：“内政部”建筑研究所，2007。

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