CLT-节能减排的建筑材料

将交叉层积材(CLT)用作替代型建筑材料,可以减少加热及冷却过程中的能源消耗与二氧化碳排放量。By Guo Haibo, Shao Yu 和 Sun Cheng,哈尔滨工业大学,Liu Ying和 Chang Wen-Shao巴斯大学

The use of cross laminated timber (CLT) as an alternative building material has the potential of reducing energy consumption and carbon emission for heating and cooling. By Guo Haibo, Shao Yu and Sun Cheng, Harbin Institute of Technology, and Liu Ying and Chang Wen-Shao, University of Bath

目前,建筑业的能源消耗与二氧化碳排放量的问题正倍受全世界的关注。建筑业已成为能源消耗量最多的行业。IPCC(政府间气候变化专门委员会)的报告指出,在2007年建筑物的能源消耗量占36%,同时,大约50%的温室气体排放与建筑物有关。

在2010年,全球建筑物的最终能源使用量占32%,有19%的温室气体排放量(相当于90.18亿吨的二氧化碳)与建筑物相关。在部分发达国家地区,有40%的总能源消耗量和40%温室气体排放量来源于建筑物。

在美国,建筑业构成了能源使用的主要部分,占最终能源使用总量的三分之一,建筑物所消耗的电量也超过了70%。在英国,建筑业的二氧化碳排放量大约占总量的50%(包括建筑工程和建筑使用阶段)。2010年欧盟地区建筑业的最终能源使用量大约占40%,二氧化碳排放总量占36%。

IEA(国际能源署)的报告称,2010年建筑业在全球的能源消耗总量为32%,其中24%来源于住宅建筑(相当于24.2 PWh),8%来源于商业楼(相当于8.2 PWh)。

从全球的平均水平来看,室内供暖的能源消耗量占总消耗量的32%,其次烹饪为29%,水暖24%,家用电器9%,照明4%,冷却2%。

住宅建筑业所消耗的能源量与二氧化碳排放量最大,尤其是在金砖四国(包括巴西、俄罗斯、印度、中国和南非)这些国家中。

中国是全球最大的能源消费国,二氧化碳排放量也最多。在2010年,中国的一次能源消费量(TPES)占19%,而美国大约占17%。

 

中国能源消耗情况

2012年统计发现,中国每年的二氧化碳排放量为85亿吨,占全球总排放量的四分之一。尽管中国的建筑物导致其能源消耗量越来越多,但仍然缺少权威的调查数据来证明这一点,所以很难通过官方数据精确了解建筑物的能源消耗量。

IEA(国际能源署)指出,2007年中国建筑业的能源消耗量占全国能源消耗总量的31%,而在2010年建筑业所产生的能源消耗主要由住宅建筑引起,占能源总消耗量的84%。然而,中国在接下来的几十年内建筑物的使用能耗一定会大幅增加。

2050年的能源消耗量将是1970年的15倍。2012年中国拥有城市户口的居民占总人口数量的52.6%,这也就相当于自1990年起,每年有1900万人从农村转移到城市。

中国政府计划到2030年为止将城市化水平提高60%,在之后的25年提高至70%。城市化水平的提高也就意味着能源需求量将进一步扩大,因为随着市民对生活水平提出更高的要求,越来越多的能源密集型行业也会步入城市。

每年中国的新建筑面积有二十亿平方米,从1980年至2008年,中国总建筑面积大小从102亿平方米增加到527亿平方米。根据中国建设部预计,在2005年至2020年期间,将新建筑面积将达到300亿平方米,占全世界新建筑面积的一半。

可以预见的是,在随后的几十年内,中国建筑业的能源消耗量与二氧化碳排放量将占据更大的比例。可持续建筑材料与先进技术对于新建筑而言是非常重要的,既可以节约能源,还能够降低二氧化碳排放量,而能源改造将有助于节省更多现有建筑的能源。然而,现阶段能够将这些活性元素整合在一起的知识学问仍非常稀缺。

 

结构材料的影响

目前,钢筋混凝土(RC)框架是在中国建筑中最常用的结构材料。然而,其围护结构的保温隔热性能的效率低于发达国家的200%-300%。

根据中国最新文献表明,不同的结构材料会产生不同的建筑能耗。中国政府已经制定了一系列文件,鼓励可持续材料的开发和利用。

在2001年,中国发表了第一份关于绿色建筑评估体系的文件——中国生态住宅技术评估手册。中国住房和城乡建设部(MOHURD)已经起草了公共与住宅建筑的节能标准,并已强制实施。

2015年中国住房和城乡建设部(MOHURD)又发布了推动绿色建筑材料的生产与应用的行动计划,这清楚地表明中国政府有意促进木材的使用,将其用作公共建筑的建筑材料。

 

可持续建筑材料——CLT

自20世纪90年代初,欧洲地区开始使用交叉层积材,在过去的二十年里,其增长率达到两位数。CLT以其有竞争力的成本价格、环境可持续性和施工时间较短等优势,被广泛地应用于中高层住宅建筑和低层商业建筑。

近年来,在全世界越来越多的CLT高层建筑已建成。目前CLT主要产自于中欧地区,据统计,在2015年中欧地区CLT的生产量占全球工厂生产量的80%。在中国,CLT市场规模仍然很有限。

交叉层积材(CLT)是一种基于多层木质板材的综合建筑体系。CLT一般由奇数层构成(通常是3,5或7层木质板材)。每层之间都以90度的角度互相交叉排列,并通过胶粘剂将其粘接成刚性连接。每一层的厚度在20毫米至50毫米之间,整个板材的厚度在60毫米至500毫米之间。

板材的尺寸(宽度与长度)为4.8米*20米。CLT因其本身的构造,它的物理机械性能很统一。它不仅可以被用作承重材(墙、地板和屋顶)以及剪力墙(又称抗风墙、抗震墙或结构墙),也可以用作建筑物中的分割物及线性结构部件。

当CLT被用作线性结构元件时,它表现出优良的平面剪切的抗剪强度以及横纹张力。相比钢筋混凝土、砖块或其他以矿物为基础的建筑物,使用CLT制成完整的建筑物将会更加高效。由于大型部件的预制和装配过程比较复杂,难度较高,如果在建筑现场使用CLT制造建筑,比起使用矿物会减少很多时间。

通过以上对CLT优势的描述可以发现,使用CLT建筑体系替换掉原先传统的能源密集型建筑材料将是减少能源消耗以及碳排放量的有效方式。生命周期分析(LCA)的研究表明,在原材料的提取、运输和制造过程中,CLT能够存储更多的碳,排放较少的温室气体,比起钢铁、混凝土和砖块可以减少化石能源的消耗。

然而,目前在中国很少有参考文献研究了CLT节约能源与减少碳排放的效果。中国有着许多不同的气候带,气候变化情况很复杂。而在不同的气候带,建筑规模也有所不同,所以很难通过场景研究可持续材料的综合效果。

在上述的背景之下,我们提出了几个问题:(1)在中国将CLT作为可持续材料应用于建筑领域,是否可以有效减少碳排放量并减少能源消耗?(2)中国的气候带是否会影响CLT建筑物节约能源并减少碳排放量的效果?(3)在中国木材生产量有限的情况下,合适的CLT发展策略是什么?

 

CLT的节能特点

根据现有的资料表明,在中国生产阶段所造成的能源消耗量占22%,运营阶段占78%。

在拆除阶段,拆毁建筑物所需要的能量是建造阶段的90%。CLT的固碳情况为每一立方米的木材可以存储1,100千克的二氧化碳,同时,在建设现场将CLT建筑的能源排放量设定为20兆焦/平方米。

在此文献的基础上,我们将木材的碳储量考虑在内,可以发现比起木材在物质化以及生命结束阶段所释放的碳量,其本身可以存储更多的碳,如果使用CLT体系替换掉钢筋混凝土建筑将能够减少更多的碳排放量。

从生命周期评估的角度出发,使用CLT构造多层住宅建筑,相比使用钢筋混凝土的传统建筑方式,能够减少60.6%的碳排放量。然而,由于中国的气候带以及地方工程建设标准的复杂性,这个结果在不同的城市也会有所不同,我们还需要做进一步的研究。

情景分析的结果表明,尽管中国气候带的差异很大,但加热与冷却CLT建筑的能耗大约为25%-35%,相当于20%-30%的碳排放量,比起中国31个主要城市中混凝土建筑在运营阶段所需要的能耗更低。

节约的能源与减少的碳排放量的百分比表明,它们与气候带的关系不大,这就说明CLT可以作为可持续材料在全中国地区开发。同时,结果也说明在严寒及寒冷地区,每一个单位的CLT都能够节约更多能源。

 

政府干预

将能源消耗总量考虑在内,可以发现相比其他气候本身很温暖的地区,在严寒及寒冷地区建筑物会消耗更多的能量。由于中国木材生产量有限,决策者提出应优先在严寒及寒冷地区开发CLT体系。

同时,决策者在为建筑业制定政策时也应当考虑到不同气候地区建筑物对能源需求的差异性。在严寒及寒冷地区,供暖所需要的能量占总能源消耗量的绝大部分,其中煤炭是主要的能源。

提升供热效率仍有很大的潜力。采用更加高效的解决方案,例如太阳热能、热泵技术、生物质锅炉技术和微型热电联产机组,都将极有可能减少建筑物的能源消耗。

在华南地区,气候主要偏于寒冷,电是主要能源。如果采用多种技术,包括在商业领域使用高效太阳能集成式屋顶机组(RTUs),以及在住宅区域使用高效热泵技术,对于减少寒冷能够起到关键的作用。

目前,钢筋混凝土(RC)在建筑领域是最常用的材料,而在中国木材作为建筑材料却很少被应用。在建筑领域使用木材还没有被广泛接受,整个木材行业的规模也仍然有限。目前,在中国大部分的木结构建筑是轻量级框架建筑,而且建筑的高度被限制为三层。

由于国家出台了相关政策,要求保护森林地区,并积极推进植树造林,现在中国的森林覆盖率也已经稳步提高。

在2008年中国的森林面积为1亿9550万公顷,占国土面积的20.4%,至2015年该比例已经上升到22.2%。同时,国家计划至2020年森林面积增加到165亿立方米,占整个国土面积的23.04%。

现有的研究指出,固碳速率已趋于放缓,直到所有的树木种植完之后再经过至少100年的时间为止。因此,将木材应用于建筑行业将是环保可持续的,只要合理的采伐计划也到位。

所以,尽管未来建筑中有一部分旧木材的固碳能力提升有限,但与此同时,我们也将会在森林中获得更多新的树木,它们将有助于在大气中持续固碳。

 

 

 

 

 

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