双碳目标视角下我国场馆设施木质建材碳计量替代模型初探

王进 李茗

(1.浙江万里学院 浙江宁波 315040；2.中国林业科学研究院林业科技信息研究所 北京 100091)

1 前言

摩天大楼的兴起及林木材料自身存在的各种先天缺陷，将建筑首选材料的位置从传统的木材换成了钢筋混凝土。我国目前每生产1吨水泥对应产生800千克二氧化碳，导致场馆等相关设施建设(会展场馆、办公楼、宾馆酒店、公寓、体育场等)一直呈现高能耗和高排放特点。近年来，全球气候变化问题受到各国政府的持续关注，从可持续发展的战略角度出发，主动减少碳排放和积极参与碳中和是各国延缓全球变暖的必经之路。我国在国际上努力争取合理的碳排放空间的同时，在国内大力推行“以绿色发展推动高质量发展”的可持续发展战略。2020年4月，中国建筑材料联合会发布的《关于进一步提升建材行业节能减排水平 加快绿色低碳发展步伐的实施方案》(中建材联协发〔2020〕34号)对建材行业节能减排提出具体要求。2021年我国“3060双碳”(2030年达到碳达峰，2060年达到碳中和)目标的提出，为我国经济的高质量发展指明了方向，对我国各行业绿色低碳发展具有引领性和系统性指导。

在建材领域，随着科技的不断进步，除了节能型可重复使用材料的不断开发和使用外，一场“木材革命”正在悄然兴起。目前世界上很多国家不断尝试使用新型工程木材料建造各类场馆、酒店、楼宇等设施。例如，2008年全球最高的木结构建筑伦敦Stadthaus酒店；芬兰第一座高层木结构公寓楼Puukuokka；2016年世界上最大的交叉层积材CLT(Cross Laminated Timber)大楼Dalston Lane；2019年世界最高木结构建筑挪威Mjøstårnet大楼；2020年正式落成的伦敦“Orsman大街6号”CLT和钢材相结合的木质结构活动中心；2021年正式落成的东南亚首座用木材为主要材料建造的南洋理工大学木制体育馆The Wave；2021年重建的东京奥运会主场馆及奥运村广场等。木质复合材料不但具有良好的耐火性、抗震性，还具有隔声隔热效果好、建造快、建筑现场噪声污染低等优点，更重要的是其具有良好的固碳和减排效果。计算结果显示，生产1立方米CLT材料只产生110千克的碳足迹，而木质材料本身可固碳825千克，净产生碳汇715千克/立方米。

场馆设施木质建材碳计量替代(Wood Substitution)通过对比木质产品与其他材料制成具有类似功能产品的全生命周期碳排放量，分析研究木质材料在我国场馆设施建造中的碳减排替代优势。目前我国建筑界鲜有关于此领域的研究，在很多方面，诸如核算对象边界确认、核算方法确立等一系列核心问题既没有统一的业内标准，也没有成熟的理论体系，这对于我国场馆设施建设碳替代领域的研究，既是挑战也是机遇。本文在整理和归纳国内外木质材料碳计量替代理论发展的基础上，探索我国场馆设施建设中木质建材碳计量替代核算理论的框架，为我国绿色建筑业发展提供了指导建议，尤其是在碳排放配额有限的情况下，对我国努力实现节能减排与可持续发展双赢目标具有重要意义。

2 国内外木质材料碳计量替代理论发展

因木材在基础建设方面广泛使用，木质材料替代的早期研究集中在欧美国家建筑领域，研究历史可追溯至20世纪70年代中期。Boyd等(1976)对木材和其他材料在房屋建造领域能耗进行了对比。90年代后，随着气候变化研究的兴起，对木质材料潜在的相关减排研究逐渐增多，理论发展主要呈现三个特点。

第一，研究对象细分为宏观(行业)和微观(单个场景)两大类。在宏观方面，Koch(1992)基于Boyd等(1976)研究基础，调查木质材料和钢筋、铝制、混凝土、塑料以及砖材等建筑材料在特定场景下碳排放对比。Jonsson等(1997)通过对实木地板、油地毡和PVC地板材料的碳排放数据对比，发现实木地板整体上综合能耗最低。其他学者如Buchanan和Levine(1999)、Upton等(2008)、Kayo等(2015)、Nepal等(2016)各通过不同的宏观场景进行核算分析。在微观方面，碳计量替代理论主要对比每个单元木质材料与其他材料的碳排放，会因不同应用场景与核算边界而出现不同结果，比如Pingoud等(2003)、Geng等(2017a)对2017年之前具有代表性的木质材料替代研究按照宏观和微观应用场景进行整理和归纳，具有较高的参考价值。

第二，研究范围从早期房屋建造领域扩大至其他领域，比如，窗和门框、公共供电杆、房梁、木地板等。

第三，研究模型不断改进和完善。首先，早期木质材料替代研究是基于全生命周期(Life Cycle Assessment) 碳足迹核算模型为基础的个案分析，替代效果取决于应用场景的客观条件，而2000年前后逐步成型的碳替代因子(Displacement Factor)模型将替代效果的核算扩展至行业层面，如Geng等(2017b)。其次，全生命周期碳足迹核算模型的科学性和准确性也在不断完善。Buchanan和Levine(1999)建议将木质材料自身碳储量和因木质材料采伐而导致的森林碳储量变化这两部分纳入木质材料全生命周期碳足迹核算模型。Gustavsson等(2006a)在核算瑞典和芬兰的木质结构和混凝土结构建筑房屋全生命周期碳足迹时，也采取同样的方法。Borjesson 和Gustavsson(2000)在研究木质材料和混凝土在房屋建筑领域全生命周期碳足迹对比时提出木质产品全生命周期碳足迹核算模型要包括原木砍伐对森林造成的碳储量变化这一概念。Gustavsson等(2006b)提出在木质材料全生命周期碳足迹模型核算中还应该包括木质材料在生产过程中产生木屑残料副产品(生物质燃料)对化石燃料的替代作用。

与国际木质材料替代理论研究的发展相比，我国由于土地资源、消费者意识、居住习惯等国情因素影响，研究起步较晚。白彦锋等(2009)按照1994年我国房屋建筑施工面积78032.2万平方米为基准，对比木材、钢筋混凝土和钢筋预制板结构，计算出木质结构在碳排放上分别要比钢筋混凝土和钢筋预制板减少350兆吨和201兆吨。在房地产市场建筑施工面积迅速扩大的背景下，2004年木质建材在碳排放上分别要比钢筋混凝土和钢筋预制板减少1309兆吨和752兆吨。邱祈榮等(2010)按照136m2建筑面积作为衡量标准，核算出台湾木质构造建筑材料替代一般建筑材料可使二氧化碳排放量减少84.5吨。Geng等(2017b)利用国际数据库及相关文献数据对单位面积的木质地板和瓷砖碳排放进行核算和对比分析，结果显示利用木质地板替代瓷砖能够减少0.16～2.85t／m2碳排放，但同时指出因为所使用的全生命周期研究方法不包含原木采伐、森林碳储量的变化等因素，故结论有待完善。Geng等(2019)利用替代因子对中国建筑和家具行业在宏观整体上进行测算后发现，2004年木制品消费需求每增长10%，高能耗材料碳排放下降18.76兆吨。

3 我国场馆设施木质材料碳计量替代模型

3.1 木质材料碳计量替代模型

场馆设施建设的独特性决定了碳替代模型是基于特定场景下(基于项目)的量化分析，通过对比场馆建设中所使用的木质材料与其他代替材料的全生命周期碳足迹，从而挖掘木质建材在场馆建设节能减排方面的优越性，即

其中：Ew和Ea分别代表特定场馆基建项目中(如门、房梁、地板、墙等)木质材料(w)全生命周期碳足迹总量和其他替代材料(a)全生命周期碳足迹总量，单位为吨二氧化碳当量；ΔE代表替代效果，ΔE＞0表示木质材料不具有替代效果，ΔE＜0表示木质材料具有替代效果且数值越小效果越明显。和的核算公式分别为：

由于不同场馆建设项目所使用的各种建材种类数量不同，各种建材的产业链精细化程度、具体产品的生产加工工艺及应用场景的实际情况各不相同，需结合具体场馆场景进行核算，故此处不再就各环节和展开详细阐述。场馆建设过程中涉及电耗、运输等碳排放核算方法具体可参考《公共建筑运营单位(企业)温室气体足迹核算方法与报告指南(试行)》《陆上交通运输企业温室气体足迹核算方法与报告指南(试行)》和《建筑碳排放计算标准 GB／T51366-2019》。其他建筑材料如水泥、钢材、电解铝、平板玻璃等在生产过程中所产生碳排放的核算方法，可参考国家发展改革委员会2015年制定的首批10个行业企业温室气体排放核算方法与报告指南。其他建材全生命周期其他环节的碳排放数据，可参考行业相关报告和学术文献等资料。本文重点针对与木质建材碳排放核算相关的三项指标展开深入分析。

3.2 生物质燃料替代的碳排放

木质材料在采伐、初级加工和生产制造三个环节中所产生的副产品(木材残余物废料)可再次被开发成为木质生物质能源。木质生物质能源是典型的清洁能源，具有二氧化碳负排放作用，是应对气候变化的有效措施，也是一项从根本上平衡和协调国家经济增长与环境容量之间关系的重要途径。欧洲较早开展木质生物质能源研究和推广，而我国虽然木质生物质能源十分丰富，生物质能源转换技术方面的研究开发方面也取得了明显的进步，但与发达国家相比还有一定差距。2013年数据显示，木质生物质能源在欧盟27国可再生能源中的份额达到了48.6%，而其中60%以上来源于木材加工后的残余物废料。生物质能源替代效果因模型的假设条件不同而导致最终结果差距巨大。比如，用于核算的生物质能源种类，替代化石燃料能源的种类，生物质能源与化石燃料能源进行替代比较的方法，木材残余物废料在各环节的出产比，木材残余物废料用于生物质燃料占总残余物废料的数量比，相关的交通运输问题等。本文以探索构建生物质燃料替代模型为主要目的，在归纳和概括各主要环节的基础上，按照图1的运作流程，简化了模型设计和计算复杂性。

图1 木材废弃物在应用场景下的运作流程

对基础设施建造的木质生物质能源替代效果的分析，从早期Gustavsson等(1995)和Schlamadinger等(1997)等少数学者的探索性研究开始，随着理论研究的不断深入和应用场景的不断开发，木质生物质能源替代的核算成为木质材料替代模型的关键组成部分之一。后期的研究分析通常使用木材残余物废料所产生的热量(直接燃烧方式)抵消化石燃料(煤炭)产生热量的程度来显示替代效果，即：

3.3 木质材料自身固碳量

木质材料与其他材料在全生命周期碳排放量进行对比的第二个关键项是其自身具有其他材料所不具备的固碳能力，固碳能力数值取决于木质材料本身碳储量(含碳量)及其在废弃处理阶段的回收处理方法。木质材料自身的碳储量取决于含碳量，含碳量会因树种和出产地区的不同而发生变化，但数值普遍介于0.4～0.53，目前国际上木材含碳率通常采用的标准是0.50。以此为标准，对木质材料碳储量可以估算为：

其中：0.5为平均含碳率标准；γn为第n种木质建材的原料投入-产品产出比；Vn为场馆施工项目消耗的第n种木质建材总体积，单位为立方米；ρn为第n种木质建材树种的密度，单位为千克／立方米；0.5Vρ表示V立方米木质材料原木的碳储量。

在废弃处理阶段的回收处理方面，联合国政府间气候变化专门委员会根据不同木质产品种类设定不同的使用寿命，木质产品一般按照50年进行设定，即产品出厂为使用寿命的开始(T=0)，产品报废为寿命结束(T＝50)。假设在使用过程中场馆的N种木质建材均按照每年恒定R1的比率释放二氧化碳，依次对木质材料的三种不同回收处理方式进行分析。第一种处理方式为焚烧(生物质燃料)。木质材料自身碳储量将一次性释放，材料自身碳储量降为0。第二种方式为填埋。木质材料填埋后所释放的碳排放量取决于木质产品的分解程度，Pingoud等(1996)研究指出木质材料填埋后平均有40%可降解有机碳被释放，Manna等(1999)的计算结果是25%，Borjesson和Gustavsson(2000)的计算结果则显示在10%～40%，也有学者为简化计算过程和复杂程度，假设填埋后无二氧化碳气体产生。许多学者为了使结果更加符合实际，采取将第一种焚烧方式和第二种填埋方式相结合的方法对废弃木质建材进行碳排放核算，最终结果则按照焚烧和填埋比例进行测算。第三种方式为回收再利用。由于回收再利用后的木质建材作为原材料纳入新产品的全生命周期碳排放核算边界，故不在本文讨论范围。

3.4 剩余森林碳汇

木质产品会因采伐而导致森林碳储量发生变化，而消费者使用非木质材料代替木质材料时，节省下来的木质材料将以未采伐的形式继续在林场中生长和固碳，即“剩余森林”(surplus forest)碳汇。剩余森林碳汇资源碳储量的计算具有较高复杂性，现实场景中树种、天气变化、土壤条件及用于他用等各类因素均会对其结果产生影响。比如，即便不采伐此处森林用于生产制造木质产品，但也会因为农业生产、森林火灾等原因而导致森林面积部分减少，存在统计误差。为简化应用场景的复杂性，在现实案例分析中对剩余森林资源的处理采取两种方式：方式一，剩余森林将继续按照原来的方式自然生长，以100年作为一个生长周期，剩余森林的碳储量按照0%和50%两种增加率设定。方式二，剩余森林资源将被采伐后以生物质燃料的方式焚烧，一次性将释放所有的碳储量。Gustavsson和Sathre(2006)将剩余森林100年生长期的碳储量增加率设定为50%，进一步简化的计算复杂程度。

在剩余森林资源碳储量计算研究中需要特别注意，各国研究均假设木质建材符合本国供应链闭环，即木质建材树种由场馆施工地所在国的林场提供原材料。鲜有研究结合国际贸易中的跨境碳转移因素进行分析。我国建材市场对进口木质材料的需求量巨大，比如硬木类建材对进口的依赖程度高，在木质产品产业链中经常出现采伐和初加工环节在境外而生产和消费环节在境内的情况，所以在计算剩余森林资源碳储量时，相关数据信息在收集和整理过程中往往出现源头数据缺失，计算结果准确性偏低。此外，在木质产品国际贸易中的跨境碳转移计量方面，有四种不同的碳转移计算方法(IPCC缺省法、储量变化法、生产法和大气流动法)，而目前全球各国从自身国情的角度出发选择适用于本国的计算方法，各方法的计算结果存在较大差异。比如，美国主张以储量变化法作为核算方法，阿根廷采用生产法，加拿大支持大气流动法等，而非洲和拉美国家则认为生产法是最适合的计量方法。对于我国而言，虽然我国谈判代表积极参与气候变化林业议题的谈判，但未在提交的文件中就木质林产品碳计量方法明确表态，这更增加了我国在剩余森林资源碳储量计算的难度。在不考虑其他影响因素的情况下，从木质林产品的碳清除贡献来看，运用储量变化法有利于我国履行温室气体减排义务，如果采用储量变化法，森林和其他木材生长土地类型的碳储变化由木材生长国进行核算和汇报，则剩余森林资源碳储量不纳入我国碳替代核算边界。

4 结语

本文结合我国国情和特点，从木质材料全生命周期碳排放模型入手，探讨我国场馆设施建设的木质材料碳计量替代理论体系框架构建，并针对全生命周期碳排放模型在木质材料核算方法上存在的问题进行深入分析，特别是生物质能源碳替代、木质产品自身碳储量及因采伐而导致剩余森林碳汇的变化这三个方面。碳替代理论可为我国在绿色场馆建筑标准的制定、低碳场馆建设的实施提供理论基础，虽然我国碳计量替代理论研究在诸多方面需要进一步探索和完善，但随着中国对气候变化关注度日益增加，对全球环境治理的积极参与，碳计量替代方面的理论研究及实践案例分析必然会迅速发展。