雙碳目標視角下我國場館設施木質建材碳計量替代模型初探

王進 李茗

(1.浙江萬里學院 浙江寧波 315040；2.中國林業科學研究院林業科技信息研究所 北京 100091)

1 前言

摩天大樓的興起及林木材料自身存在的各種先天缺陷，將建筑首選材料的位置從傳統的木材換成了鋼筋混凝土。我國目前每生產1噸水泥對應產生800千克二氧化碳，導致場館等相關設施建設(會展場館、辦公樓、賓館酒店、公寓、體育場等)一直呈現高能耗和高排放特點。近年來，全球氣候變化問題受到各國政府的持續關注，從可持續發展的戰略角度出發，主動減少碳排放和積極參與碳中和是各國延緩全球變暖的必經之路。我國在國際上努力爭取合理的碳排放空間的同時，在國內大力推行“以綠色發展推動高質量發展”的可持續發展戰略。2020年4月，中國建筑材料聯合會發布的《關于進一步提升建材行業節能減排水平 加快綠色低碳發展步伐的實施方案》(中建材聯協發〔2020〕34號)對建材行業節能減排提出具體要求。2021年我國“3060雙碳”(2030年達到碳達峰，2060年達到碳中和)目標的提出，為我國經濟的高質量發展指明了方向，對我國各行業綠色低碳發展具有引領性和系統性指導。

在建材領域，隨著科技的不斷進步，除了節能型可重復使用材料的不斷開發和使用外，一場“木材革命”正在悄然興起。目前世界上很多國家不斷嘗試使用新型工程木材料建造各類場館、酒店、樓宇等設施。例如，2008年全球最高的木結構建筑倫敦Stadthaus酒店；芬蘭第一座高層木結構公寓樓Puukuokka；2016年世界上最大的交叉層積材CLT(Cross Laminated Timber)大樓Dalston Lane；2019年世界最高木結構建筑挪威Mj?st?rnet大樓；2020年正式落成的倫敦“Orsman大街6號”CLT和鋼材相結合的木質結構活動中心；2021年正式落成的東南亞首座用木材為主要材料建造的南洋理工大學木制體育館The Wave；2021年重建的東京奧運會主場館及奧運村廣場等。木質復合材料不但具有良好的耐火性、抗震性，還具有隔聲隔熱效果好、建造快、建筑現場噪聲污染低等優點，更重要的是其具有良好的固碳和減排效果。計算結果顯示，生產1立方米CLT材料只產生110千克的碳足跡，而木質材料本身可固碳825千克，凈產生碳匯715千克/立方米。

場館設施木質建材碳計量替代(Wood Substitution)通過對比木質產品與其他材料制成具有類似功能產品的全生命周期碳排放量，分析研究木質材料在我國場館設施建造中的碳減排替代優勢。目前我國建筑界鮮有關于此領域的研究，在很多方面，諸如核算對象邊界確認、核算方法確立等一系列核心問題既沒有統一的業內標準，也沒有成熟的理論體系，這對于我國場館設施建設碳替代領域的研究，既是挑戰也是機遇。本文在整理和歸納國內外木質材料碳計量替代理論發展的基礎上，探索我國場館設施建設中木質建材碳計量替代核算理論的框架，為我國綠色建筑業發展提供了指導建議，尤其是在碳排放配額有限的情況下，對我國努力實現節能減排與可持續發展雙贏目標具有重要意義。

2 國內外木質材料碳計量替代理論發展

因木材在基礎建設方面廣泛使用，木質材料替代的早期研究集中在歐美國家建筑領域，研究歷史可追溯至20世紀70年代中期。Boyd等(1976)對木材和其他材料在房屋建造領域能耗進行了對比。90年代后，隨著氣候變化研究的興起，對木質材料潛在的相關減排研究逐漸增多，理論發展主要呈現三個特點。

第一，研究對象細分為宏觀(行業)和微觀(單個場景)兩大類。在宏觀方面，Koch(1992)基于Boyd等(1976)研究基礎，調查木質材料和鋼筋、鋁制、混凝土、塑料以及磚材等建筑材料在特定場景下碳排放對比。Jonsson等(1997)通過對實木地板、油地氈和PVC地板材料的碳排放數據對比，發現實木地板整體上綜合能耗最低。其他學者如Buchanan和Levine(1999)、Upton等(2008)、Kayo等(2015)、Nepal等(2016)各通過不同的宏觀場景進行核算分析。在微觀方面，碳計量替代理論主要對比每個單元木質材料與其他材料的碳排放，會因不同應用場景與核算邊界而出現不同結果，比如Pingoud等(2003)、Geng等(2017a)對2017年之前具有代表性的木質材料替代研究按照宏觀和微觀應用場景進行整理和歸納，具有較高的參考價值。

第二，研究范圍從早期房屋建造領域擴大至其他領域，比如，窗和門框、公共供電桿、房梁、木地板等。

第三，研究模型不斷改進和完善。首先，早期木質材料替代研究是基于全生命周期(Life Cycle Assessment) 碳足跡核算模型為基礎的個案分析，替代效果取決于應用場景的客觀條件，而2000年前后逐步成型的碳替代因子(Displacement Factor)模型將替代效果的核算擴展至行業層面，如Geng等(2017b)。其次，全生命周期碳足跡核算模型的科學性和準確性也在不斷完善。Buchanan和Levine(1999)建議將木質材料自身碳儲量和因木質材料采伐而導致的森林碳儲量變化這兩部分納入木質材料全生命周期碳足跡核算模型。Gustavsson等(2006a)在核算瑞典和芬蘭的木質結構和混凝土結構建筑房屋全生命周期碳足跡時，也采取同樣的方法。Borjesson 和Gustavsson(2000)在研究木質材料和混凝土在房屋建筑領域全生命周期碳足跡對比時提出木質產品全生命周期碳足跡核算模型要包括原木砍伐對森林造成的碳儲量變化這一概念。Gustavsson等(2006b)提出在木質材料全生命周期碳足跡模型核算中還應該包括木質材料在生產過程中產生木屑殘料副產品(生物質燃料)對化石燃料的替代作用。

與國際木質材料替代理論研究的發展相比，我國由于土地資源、消費者意識、居住習慣等國情因素影響，研究起步較晚。白彥鋒等(2009)按照1994年我國房屋建筑施工面積78032.2萬平方米為基準，對比木材、鋼筋混凝土和鋼筋預制板結構，計算出木質結構在碳排放上分別要比鋼筋混凝土和鋼筋預制板減少350兆噸和201兆噸。在房地產市場建筑施工面積迅速擴大的背景下，2004年木質建材在碳排放上分別要比鋼筋混凝土和鋼筋預制板減少1309兆噸和752兆噸。邱祈榮等(2010)按照136m2建筑面積作為衡量標準，核算出臺灣木質構造建筑材料替代一般建筑材料可使二氧化碳排放量減少84.5噸。Geng等(2017b)利用國際數據庫及相關文獻數據對單位面積的木質地板和瓷磚碳排放進行核算和對比分析，結果顯示利用木質地板替代瓷磚能夠減少0.16～2.85t／m2碳排放，但同時指出因為所使用的全生命周期研究方法不包含原木采伐、森林碳儲量的變化等因素，故結論有待完善。Geng等(2019)利用替代因子對中國建筑和家具行業在宏觀整體上進行測算后發現，2004年木制品消費需求每增長10%，高能耗材料碳排放下降18.76兆噸。

3 我國場館設施木質材料碳計量替代模型

3.1 木質材料碳計量替代模型

場館設施建設的獨特性決定了碳替代模型是基于特定場景下(基于項目)的量化分析，通過對比場館建設中所使用的木質材料與其他代替材料的全生命周期碳足跡，從而挖掘木質建材在場館建設節能減排方面的優越性，即

其中：Ew和Ea分別代表特定場館基建項目中(如門、房梁、地板、墻等)木質材料(w)全生命周期碳足跡總量和其他替代材料(a)全生命周期碳足跡總量，單位為噸二氧化碳當量；ΔE代表替代效果，ΔE＞0表示木質材料不具有替代效果，ΔE＜0表示木質材料具有替代效果且數值越小效果越明顯。和的核算公式分別為：

由于不同場館建設項目所使用的各種建材種類數量不同，各種建材的產業鏈精細化程度、具體產品的生產加工工藝及應用場景的實際情況各不相同，需結合具體場館場景進行核算，故此處不再就各環節和展開詳細闡述。場館建設過程中涉及電耗、運輸等碳排放核算方法具體可參考《公共建筑運營單位(企業)溫室氣體足跡核算方法與報告指南(試行)》《陸上交通運輸企業溫室氣體足跡核算方法與報告指南(試行)》和《建筑碳排放計算標準 GB／T51366-2019》。其他建筑材料如水泥、鋼材、電解鋁、平板玻璃等在生產過程中所產生碳排放的核算方法，可參考國家發展改革委員會2015年制定的首批10個行業企業溫室氣體排放核算方法與報告指南。其他建材全生命周期其他環節的碳排放數據，可參考行業相關報告和學術文獻等資料。本文重點針對與木質建材碳排放核算相關的三項指標展開深入分析。

3.2 生物質燃料替代的碳排放

木質材料在采伐、初級加工和生產制造三個環節中所產生的副產品(木材殘余物廢料)可再次被開發成為木質生物質能源。木質生物質能源是典型的清潔能源，具有二氧化碳負排放作用，是應對氣候變化的有效措施，也是一項從根本上平衡和協調國家經濟增長與環境容量之間關系的重要途徑。歐洲較早開展木質生物質能源研究和推廣，而我國雖然木質生物質能源十分豐富，生物質能源轉換技術方面的研究開發方面也取得了明顯的進步，但與發達國家相比還有一定差距。2013年數據顯示，木質生物質能源在歐盟27國可再生能源中的份額達到了48.6%，而其中60%以上來源于木材加工后的殘余物廢料。生物質能源替代效果因模型的假設條件不同而導致最終結果差距巨大。比如，用于核算的生物質能源種類，替代化石燃料能源的種類，生物質能源與化石燃料能源進行替代比較的方法，木材殘余物廢料在各環節的出產比，木材殘余物廢料用于生物質燃料占總殘余物廢料的數量比，相關的交通運輸問題等。本文以探索構建生物質燃料替代模型為主要目的，在歸納和概括各主要環節的基礎上，按照圖1的運作流程，簡化了模型設計和計算復雜性。

圖1 木材廢棄物在應用場景下的運作流程

對基礎設施建造的木質生物質能源替代效果的分析，從早期Gustavsson等(1995)和Schlamadinger等(1997)等少數學者的探索性研究開始，隨著理論研究的不斷深入和應用場景的不斷開發，木質生物質能源替代的核算成為木質材料替代模型的關鍵組成部分之一。后期的研究分析通常使用木材殘余物廢料所產生的熱量(直接燃燒方式)抵消化石燃料(煤炭)產生熱量的程度來顯示替代效果，即：

3.3 木質材料自身固碳量

木質材料與其他材料在全生命周期碳排放量進行對比的第二個關鍵項是其自身具有其他材料所不具備的固碳能力，固碳能力數值取決于木質材料本身碳儲量(含碳量)及其在廢棄處理階段的回收處理方法。木質材料自身的碳儲量取決于含碳量，含碳量會因樹種和出產地區的不同而發生變化，但數值普遍介于0.4～0.53，目前國際上木材含碳率通常采用的標準是0.50。以此為標準，對木質材料碳儲量可以估算為：

其中：0.5為平均含碳率標準；γn為第n種木質建材的原料投入-產品產出比；Vn為場館施工項目消耗的第n種木質建材總體積，單位為立方米；ρn為第n種木質建材樹種的密度，單位為千克／立方米；0.5Vρ表示V立方米木質材料原木的碳儲量。

在廢棄處理階段的回收處理方面，聯合國政府間氣候變化專門委員會根據不同木質產品種類設定不同的使用壽命，木質產品一般按照50年進行設定，即產品出廠為使用壽命的開始(T=0)，產品報廢為壽命結束(T＝50)。假設在使用過程中場館的N種木質建材均按照每年恒定R1的比率釋放二氧化碳，依次對木質材料的三種不同回收處理方式進行分析。第一種處理方式為焚燒(生物質燃料)。木質材料自身碳儲量將一次性釋放，材料自身碳儲量降為0。第二種方式為填埋。木質材料填埋后所釋放的碳排放量取決于木質產品的分解程度，Pingoud等(1996)研究指出木質材料填埋后平均有40%可降解有機碳被釋放，Manna等(1999)的計算結果是25%，Borjesson和Gustavsson(2000)的計算結果則顯示在10%～40%，也有學者為簡化計算過程和復雜程度，假設填埋后無二氧化碳氣體產生。許多學者為了使結果更加符合實際，采取將第一種焚燒方式和第二種填埋方式相結合的方法對廢棄木質建材進行碳排放核算，最終結果則按照焚燒和填埋比例進行測算。第三種方式為回收再利用。由于回收再利用后的木質建材作為原材料納入新產品的全生命周期碳排放核算邊界，故不在本文討論范圍。

3.4 剩余森林碳匯

木質產品會因采伐而導致森林碳儲量發生變化，而消費者使用非木質材料代替木質材料時，節省下來的木質材料將以未采伐的形式繼續在林場中生長和固碳，即“剩余森林”(surplus forest)碳匯。剩余森林碳匯資源碳儲量的計算具有較高復雜性，現實場景中樹種、天氣變化、土壤條件及用于他用等各類因素均會對其結果產生影響。比如，即便不采伐此處森林用于生產制造木質產品，但也會因為農業生產、森林火災等原因而導致森林面積部分減少，存在統計誤差。為簡化應用場景的復雜性，在現實案例分析中對剩余森林資源的處理采取兩種方式：方式一，剩余森林將繼續按照原來的方式自然生長，以100年作為一個生長周期，剩余森林的碳儲量按照0%和50%兩種增加率設定。方式二，剩余森林資源將被采伐后以生物質燃料的方式焚燒，一次性將釋放所有的碳儲量。Gustavsson和Sathre(2006)將剩余森林100年生長期的碳儲量增加率設定為50%，進一步簡化的計算復雜程度。

在剩余森林資源碳儲量計算研究中需要特別注意，各國研究均假設木質建材符合本國供應鏈閉環，即木質建材樹種由場館施工地所在國的林場提供原材料。鮮有研究結合國際貿易中的跨境碳轉移因素進行分析。我國建材市場對進口木質材料的需求量巨大，比如硬木類建材對進口的依賴程度高，在木質產品產業鏈中經常出現采伐和初加工環節在境外而生產和消費環節在境內的情況，所以在計算剩余森林資源碳儲量時，相關數據信息在收集和整理過程中往往出現源頭數據缺失，計算結果準確性偏低。此外，在木質產品國際貿易中的跨境碳轉移計量方面，有四種不同的碳轉移計算方法(IPCC缺省法、儲量變化法、生產法和大氣流動法)，而目前全球各國從自身國情的角度出發選擇適用于本國的計算方法，各方法的計算結果存在較大差異。比如，美國主張以儲量變化法作為核算方法，阿根廷采用生產法，加拿大支持大氣流動法等，而非洲和拉美國家則認為生產法是最適合的計量方法。對于我國而言，雖然我國談判代表積極參與氣候變化林業議題的談判，但未在提交的文件中就木質林產品碳計量方法明確表態，這更增加了我國在剩余森林資源碳儲量計算的難度。在不考慮其他影響因素的情況下，從木質林產品的碳清除貢獻來看，運用儲量變化法有利于我國履行溫室氣體減排義務，如果采用儲量變化法，森林和其他木材生長土地類型的碳儲變化由木材生長國進行核算和匯報，則剩余森林資源碳儲量不納入我國碳替代核算邊界。

4 結語

本文結合我國國情和特點，從木質材料全生命周期碳排放模型入手，探討我國場館設施建設的木質材料碳計量替代理論體系框架構建，并針對全生命周期碳排放模型在木質材料核算方法上存在的問題進行深入分析，特別是生物質能源碳替代、木質產品自身碳儲量及因采伐而導致剩余森林碳匯的變化這三個方面。碳替代理論可為我國在綠色場館建筑標準的制定、低碳場館建設的實施提供理論基礎，雖然我國碳計量替代理論研究在諸多方面需要進一步探索和完善，但隨著中國對氣候變化關注度日益增加，對全球環境治理的積極參與，碳計量替代方面的理論研究及實踐案例分析必然會迅速發展。