羅智星   楊柳    韓冰

 

    工業革命以來，由于人類大量使用化石燃料，使用含氯、氟的碳化物等，造成二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、氟氯碳化物（CFCs）、六氟化硫（SF₆）、全氟碳化物（PFCs）、氫氟碳化物（HFCs）等易吸收長波輻射的氣體（即所謂的“溫室氣體”）大幅增加，形成地球暖化現象，即“溫室效應”。化石燃料燃燒所產生的CO₂氣體是溫室氣體中比例最大的，約占整個溫室氣體排放的82.9%。

    

    建筑行業的CO₂排放與減排問題，除了日常使用能源以外，大部分出自于建材生產的CO₂排放。建材的生產過程中由于消耗了電力、煤、石油、天然氣等能源，而釋放大量的CO₂。在中國臺灣，建筑材料碳排放約占全生命周期碳排放的9.15%~22.22%；在日本，建筑材料碳排放約占全生命周期碳排放的15.67~22.69%。由此可見，研究建筑材料的二氧化碳排放及其減排，是降低建筑碳排放的重要一環。

 

    1.1環境負荷

    環境負荷是指因人類活動行為對自然環境造成的影響，以至于對于環境保護上產生的障礙因素。建筑產業的活動對于地球環境所造成的環境負荷是多樣且復雜的，其中包括了生產過程造成地球溫室效應的氣體；資源消耗（包括化石燃料、礦物資源、水資源等）；施工過程中產生的噪音、震動、粉塵、廢棄物；還有影響更為深遠的為全球氣候變遷、臭氧層空洞等變化。

    

    在此，我們以建筑物對于地球環境所耗用的能源（耗能量）與環境傷害（CO₂排放量）來作為評價建筑產業對于地球環境所造成的環境負荷。因此，二者是具有重要影響性的環境負荷評價指標，也是較能定量得以掌握的環境負荷評價項目。

 

    1.2日本建筑材料環境負荷統計

    日本在建筑材料環境負荷方面上從事了多年的研究，用以建立基礎分析的環境資料數據庫以供后學建筑物全生命周期評估LCA使用。目前已經建立起建筑材料、建筑設備生產所產生的CO₂、SO_X、NO_X、CH₄、N₂O排放的數據庫。

    

    日本方面關于建筑材料生產的環境負荷有以下三種統計方法：

 

    所謂“產業關聯表”是日本政府每五年針對國內各種產業間的產值、需求量、交易量、粗附加值等進行的金額相關統計資料。建筑材料負荷的產業關聯表統計法就是利用產業關聯表的內容，以建筑產業的需求量與建筑材料消耗量求出其他建筑材料產業與能源產業的產值、產量直接或間接的波及效果，并因此求出能耗量與CO₂排放量的方法。

    

    由于此方法單純以金額來計算能源與CO₂排放量，因此很容易以建筑產業的施工估計金額來換算出能耗與CO₂排放量，是一種十分簡便的環境負荷評估法。然而，由于這種方法求出的數據通常為該產業建筑材料平均環境負荷量，會使其難以用來進行準確的環 境負荷評估，有先天缺陷。例如，它只有水泥平均CO2排放量數據，而無法區別白水泥、波特蘭水泥、高爐水泥的數據。另一方面，由于此方法完全以金額來換算，因此無法區別能源結構，也無法顧及成品或半成品建筑材料在國外加工能源的情況，而使統計數據存在很大誤差。同時，由于此方法為包括人事設備利潤等間接影響的產業關聯統計，使環境負荷數據隱藏太多與能源無關的評估在內，因而使本方法的可信度大為降低。

 

    鑒于上述產業關聯表包含太多間接的影響因素，使其環境負荷量統計數據有嚴重偏大失真的可能，因此產生了去除其間接關聯因素而統計的方法^（6）。此法的環境負荷量數據比前一方法更為單純與可信。但是它依然只能求出該建材產業的平均環境負荷量，而無法區別個別建筑材料種類的環境負荷量。

 

    此方法直接由建筑材料制造商的產量與能耗結構算出其環境負荷量^（6），即相當予建筑材料生產線的直接耗能統計。雖然不同建材生產商的耗能效率與能源使用結構可能不盡相同，但以目前產業競爭與節能效率的提升背景下，最終產品消耗量與CO₂排放量的差異已日漸縮小。因此，本方法可以說是一種最直接可靠的CO₂排放統計法。

    

    然而，由于各種建筑材料生產商的配合意愿不高、生產線能耗結構的統計不易、統計量龐大的因素，使用這種統計方法的困難很大。同時由于一些二次建材或組合建材是由于其他數種一次建材再加工所組成，其耗能結構更是難以一一掌握清楚。因此本方法是以上三種統計法中最復雜與最困難的方法；但也是提供最直接可信的環境負荷數據的方法。

 

    1.3臺灣地區建筑材料環境負荷統計

    臺灣是我國最早研究建筑碳排放與碳減排的地區，在1999年出版的了《綠建筑解說與評估手冊》就包含了CO₂減量指標，書中給出了建筑物CO₂排放量的計算方法與CO₂減量指標簡易評估法，并根據臺灣建筑材料生產的實際情況給出了基本的建筑材料CO₂排放量表，在之后的版本中也不斷增加與改進。

    臺灣建筑材料環境負荷統計采用生產線直接能耗統計法。其中關于生產量的部分，由于建筑材料在生產過程中或有部分的損耗，其所調查的產量為扣除損耗之后的成品數量；而生產線的能源使用則為生產過程全部的能源統計，包括了電能、燃料煤、燃料油、重油、天然氣、液化石油氣各分項燃料的統計；若有其他加工、組裝過程耗能則另于統計。

 

    在最近的十年間，臺灣地區的學者在建筑材料環境負荷統計的研究成果主要有：臺灣建筑相關產品CO₂排放量數據庫，包括了石質類、鋼鐵類、水泥類、鋁金屬、玻璃類、土質類、木材類等建筑材料的生產階段與運輸階段的CO₂排放量。臺灣地區住宅設備資材的二氧化碳排放量數據庫，包括了空調設備、給水設備、排水設備、衛生設備、強電設備、弱電設備、消防設備以及電梯設備的單位造價的碳排放量。公寓住宅設備管線的二氧化碳排放量數據庫，包括了電線電纜產品、PVC管產品以及鋼管產品單位長度的CO₂排放量。住宅類、辦公類及百貨公司室內裝修相關產品單位生產含運輸二氧化碳排放量數據庫，包括了天花板、地面、墻體、家具等裝修材料的CO₂排放量。空調設備二氧化碳排放量數據庫，包括了各種空調設備及其構件在生產加工安裝與運輸階段的CO₂排放量。

 

    近年來由于城市化進程的不斷加快，建筑產業的蓬勃發展，使得建筑材料的使用量大幅增長，尤其是建筑物種大量使用的鋼筋、水泥、玻璃、磚等建筑材料，都是生產過程中消耗大量能源的建筑材料。通過統計、計算、研究各類建筑材料生產所耗用的能源與產生的CO₂排放量，就可以用以評估計算建筑材料生產的環境負荷量。

 

    2.1化石燃料部分

    建筑材料生產所耗用的化石燃料能源的主要成分是碳化合物，燃燒后會產生CO₂，因此我們由能源使用使用量與其含碳量可以推估CO₂排放量。本研究以聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）于1996年發布的《國家溫室氣體IPCC指南（Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories）》手冊第二卷中的因應化石能源的使用所發展的CO₂排放估算方式，計算建筑材料生產過程中所排放的CO₂量。此計算方法為國際相關CO₂排放量研究所慣用的估算方法，計算步驟如下：

 

    （1）估計建筑生命周期各階段的能源使用量，并以原始單位表示。例如，煤炭、燃油以kg表示，天然氣以m³。

    （2）在我國，能源計量通常以標準煤為單位。我國規定每千克標準煤的熱值為7000千卡（約為29271200焦耳）。以《綜合能耗計算通則》GB/T 2589-2008的《附錄A各種能源折算標準煤的參考系數》計算出每種燃料的低位發熱量。

    （3）在《國家溫室氣體IPCC指南》手冊第二卷中找出每種燃料的碳排放系數，可以得到碳排放量的初步估計值。

    （4）考慮到不完全燃燒，將總碳排放量的初步估計值乘以化石能源的碳氧化率（燃煤98%，燃油99%，天然氣99.5%）的折扣。

    （5）將排放的碳（以重量單位表示）轉換成相應的CO₂，即乘以分子量的比值44/12，即可得到建筑材料生產階段能源使用的CO₂排放量。

 

    根據“蒙特利爾公約”的決議，IPCC所界定的四種溫室氣體中氟氯碳化物（CFCs）在1996年以后已經全面禁用，其余的CO₂、CH₄、N₂O三種氣體成為以后影響地球氣候的主要溫室氣體。由于CH₄、N₂O的排放量比例極小，因此國內外在估算溫室氣體排放量是皆以CO₂排放量作為代表性的計算指標。表1為本研究得到的中國主要能源單位CO₂排放量計算結果。

表 1中國各類能源CO₂排放量

 

    2.2標準煤的碳排放系數

    能源的種類很多，所含的熱量也各不相同，為了便于相互對比和在總量上進行研究，我國把每公斤含熱7000大卡（29306千焦）的定為標準煤，也稱標煤。另外，在我國的各項能源統計中還經常將各種能源折合成標準煤的噸數來表示，例如1kg原煤相當于0.7143kg標準煤，1kg原油相當于1.4286kg標準煤，1m3天然氣相當于1.2143kg標準煤；而同樣產生1TJ的熱量，原煤、原油、天然氣的碳排放量分別是25.8T、20.0T、15.3T。

    

    由于IPCC的手冊中并沒有標準煤的概念，更沒有標準煤的碳排放系數，但在我國標準煤的概念又十分重要。因此，研究標準煤的碳排放系數對于研究我國能源業碳排放有重大意義，更加是研究建筑材料碳排放的基礎數據。

    

    我國能源消費總量統計是根據各主要化石燃料折算成標煤而形成的，因此將此過程逆向進行就可以得到各主要化石燃料的消費量。將各主要化石燃料的消費量與其低位發熱量、碳排放系數相乘，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計，再除以能源消費總量（以標準煤計）換算的總熱值量，就是標準煤的碳排放系數。結果如表2所示。

 

    從表2中可以看出，各年標準煤的碳排放系數基本一致，大約為24.2（T-C/TJ），折合單位重量的CO₂排放量為2.597（kg-CO₂/kg）。

 

    2.3電能部分

    電能主要通過火力發電，水力發電，核子發電，風、地熱、潮汐以及太陽能發電產生。由于水力、核子、風、地熱、潮汐以及太陽能發電均不使用含碳的化石燃料（或者使用量極小可以忽略），在計算電能碳排放時可以認為這部分電能是不產生CO₂排放的。因此，單位電量的CO₂排放量與國家能源結構密切相關，火力發電比例越高，其單位電量的CO₂排放量就越高。例如在八成以上的電能依賴火力發電的中國，建筑材料生產只要使用1kWh電就相當于排放0.723kg的CO₂（2009年的情況）。在臺灣每千瓦小時電約排放0.685kg的CO₂；在日本相當于約排放0.533kg的CO₂；而在99%的電力依賴水力發電的挪威，使用電能幾乎不會排放CO₂。因此，建筑物的CO₂排放量模式具有典型的地域性，絕不能引用其它國家環境負荷的資料數據來取代，否則可能會產生巨大的差異。

 

    本研究的電能部分CO₂排放以中國統計年鑒逐年電力平衡表發電能源使用結構為基礎推估得到。由于逐年電力平衡表的能源結構只有火電、水電、核電的分類數據，并沒有火力發電中煤炭、燃油、天然氣的分項數據，因此在計算發電CO₂總排放量時，利用了各年度全國電力工業統計快報的逐年火電發電煤耗（標準煤）乘以各年火力發電量，再乘以標準煤單位重量的CO₂排放量來計算。平均單位發電量的CO₂排放量等于發電CO₂總排放量除以該年度的發電量；如果除以該年扣除輸配電損失量的總發電量就會得到最終的平均單位發電量CO₂排放量。表 3為中國2000~2009年單位電力CO₂排放量推算的結果。

    

    電能部分的CO₂排放量隨著國內發電結構的改變而有所些微變動。如圖1所示，雖然我國發電CO₂排放總量逐年增加，但是最終平均單位發電量CO₂排放量在近10年內呈現出逐漸減少的趨勢，從每千瓦小時排放0.834kg-CO₂變成0.723kg-CO₂。這是因為我國火電發電比例與火電發電煤耗逐年降低，核能、水能以及其他新能源發電比例逐年提高，導致了單位發電量CO₂排放量的降低。

 

 

 

 

 

圖 1我國發電CO₂總排放量與平均單位發電量CO₂排放量變化趨勢圖

 

    2.4建筑材料生產階段CO2排放的計算

    通過以上的研究，我們得到了各種能源單位CO2排放量與單位電量的CO2排放量，這些數值分別與建筑材料生產過程中對應的能源消耗量相乘并求和，即可計算出建筑材料生產階段的單位建筑材料的CO2排放量。

 

    例如，上海寶鋼2008年度生產了2600噸粗鋼，共消耗了1684萬噸煤，3.6億立方米天然氣，47.16億度電（17）。平均每噸粗鋼約使用647.69kg煤，13.84m3天然氣，5513.15kWh電，則生產每噸粗鋼所產生的CO2排放量為1416.46kg-CO2。

 

    建筑環保已經日益成為世界建筑業的潮流，在面臨國際CO2減排的管制趨勢下，中國對于此問題的因應策略更顯得重要與迫切。根據國內學者的研究，2005年由于建筑和水利交通建設所需要的鋼材和其他建材造成的直接和間接的能源消耗接近全國商品能源消耗總量的20%。因此，建筑材料在節能環保方面有重要的地位。研究建筑材料的CO₂減排策略，對減緩全國碳排放總量的增加、降低單位GDP的碳排放量有重大的意義。

 

    3.1建筑材料生產的CO2減排策略

    3.1.1間接策略——建設高效、清潔、低碳的能源供應體系與發電技術的進步

    從第三部分的研究可以發現，一個國家的能源結構，對單位電量的CO2排放影響巨大，而電力又是建筑材料生產的重要能源。從圖2中可以看到，一些發達國家或地區火力發電比例都較我國低很多，而可再生能源特別是核電的發電比例更是高出十余倍。因此，加快調整能源結構，增加可再生能源發電的建設是最重要的CO₂減排策略。

 

    從我國的電力統計數據來看，2009年，我國風電裝機容量比上年增長了109.82%，水電在建規模達到了6724.8萬千瓦，核電在建規模達到了2192萬千瓦，風電在建規模達720.75萬千瓦。

 

圖 2各國或地區發電能源結構對比圖

 

    這些數據顯示我國正在努力建設可再生能源的發電容量，然而和87409萬千瓦的總發電裝機容量和65107萬千瓦的火電裝機容量相比，可再生能源的發電裝機容量建設在短期內無法使我國發電能源結構有太大的變化。因此，必須改進我國火力發電的技術，降低火電發電煤耗。從圖3可以發現，我國的火電發電煤耗已經十分接近世界發達國家的平均水平，但依然有一定的挖掘潛力。這就需要我國大力建設超臨界、超超臨界的火力發電廠，以替代大量低效的小火電廠。同時大力開發火電的碳封存技術，使火力發電接近CO₂的零排放。

 

 

圖 3火電發電煤耗變化與對比分析圖

    3.1.2直接策略——提高建筑材料生產行業的能源利用率

    建材行業是中國重要的基礎原材料工業，在國民經濟發展中占有重要的地位和作用。目前，中國建材行業共有80余類、1400多個瓶中的產品，主要產品如鋼鐵、水泥、玻璃、建筑衛生陶瓷等產品已連續多年居世界第一位，但是它們大都屬于高耗能的工業產品。由于我國的生產技術水平與發達國家尚存一定差距，所以單位產品的能耗往往高于國際先進水平。圖4顯示了中國主要耗能產品的能耗與國際先進水平的差距，其中鋼、水泥、磚的生產能耗約為國際先進水平的1.2倍，平板玻璃接近1.5倍，建筑陶瓷更是高達2倍^（20）。從以上分析可以發現，我國建筑材料生產行業的能源利用里有巨大的提高潛力。

 

 

 

圖 4我國主要建材單位能耗與國際先進水平比較

    3.2建筑材料在使用中的CO2減排策略

    在我國，建筑材料的生產量巨大，主要原因是我國建筑產業對建筑材料的巨大需求量。如果說建筑材料生產的CO₂減排策略關注的是單位建材的CO₂排放量的降低，那么建筑材料在使用中的CO₂減排策略則是對建材CO₂排放總量降低的思考。

 

    3.2.1建筑結構的合理化

    建筑結構合理化是節約建材與減低CO₂排放量的有效方法。在我國，有許多不環保、偽綠色的建筑物，為了別出心裁，做了不必要的造型變化、不合理的超大結構、不均勻對稱的平面設計，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。為了降低建材的使用量，首先需要重視合理而經濟的結構系統設計，即盡量使建筑物的跨度設計合理，具有均勻對稱的平面、立面、剖面等設計，減少不必要的造型結構負荷。

 

    3.2.2建筑結構的輕量化——增加可循環建材的使用量

    建筑結構輕量化是降低建材CO₂排放量最有效的方法。因為建筑物的輕量化直接降低了建筑材料的使用量，進而減少了建材的生產量與CO₂排放總量。結構輕量化最具體的做法在于推行鋼結構建筑、金屬幕墻外墻設計以及輕質靈活隔斷。鋼與鋁之類的金屬建材雖然是高耗能材料，但是其回收再生率均高達8成以上，因此反而變成較為環保的建筑材料。在中國，由于鋼結構建筑的成本較鋼筋混凝土結構建筑造價高，而較少使用，但是在今后的環保壓力下水泥的產量會得到強力控制，價格必然高漲，再加上時間成本以及縮短工期的要求，鋼結構建筑必然成為建筑業的發展主流。除金屬建材之外，玻璃、塑料、石膏制品、木材與橡膠都是良好的可循環材料。

 

    3.2.3增加再生建材的使用量

    使用再生建材不僅可以延續建筑材料的生命周期，也可以減少新開采資源對于地球環境的破壞與傷害，同時可達到減少CO₂排放量與廢棄物的作用，是一箭雙雕的綠色建筑設計手法。如建筑可以采用工業廢棄物、農作物秸稈、建筑垃圾、淤泥等原料所生產的水泥、混凝土、墻體材料、保溫材料等，以及生活廢棄物經處理后制成的建筑材料。

 

    在本研究中，得到了中國各類主要能源單位CO2排放量；得到了標準煤的碳排放系數為24.2（T-C/TJ），折合單位重量的標準煤CO₂排放量為2.597（kg-CO₂/kg）；研究發現我國近十年單位發電量CO₂排放量逐年降低，從2000年的0.834kg-CO₂/kWh降低到2009年的0.723kg-CO₂/kWh，但因為發電而產生的CO2排放總量逐年遞增，已達25.03億噸。

 

    建筑材料CO₂排放計算方法為：將各種能源單位CO₂排放量、單位電量的CO₂排放量，分別與建筑材料生產過程中對應的能源消耗量相乘并求和，即可計算出建筑材料生產階段的單位建筑材料的CO₂排放量。

年  份	能源消費總量* (萬噸標準煤)	總熱值** （TJ）	占能源消費總量的比重** (%)			消費總量***			低位發熱量（TJ）			碳排放量（T-C）****				標煤的碳排放系數（T-C/TJ）
			煤  炭	石  油	天然氣	煤  炭 （萬噸）	石  油 （萬噸）	天然氣 （萬立方米）	煤  炭	石  油	天然氣	煤  炭	石  油	天然氣	合計
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

項目	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009
發電量*（億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
火電*（億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
水電*（億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
核電*（億kWh）	167.40	174.70	251.20	433.40	504.70	530.90	548.43	621.30	692.19	700.50
風電*（億kWh）	——	——	——	——	——	——	——	——	130.79	276.15
地熱、潮汐、太陽能等*（億kWh）	——	——	——	——	——	——	——	——	——	1.52
火電比例	82.36%	79.96%	80.91%	82.72%	81.50%	81.89%	82.69%	82.98%	81.22%	81.81%
火電發電煤耗**（kgce/kWh）	0.363	0.357	0.356	0.355	0.354	0.347	0.341	0.333	0.322	0.320
發電CO2總排放量（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
輸配電損失量（億kWh）	936.7	1033.5	1168.7	1260.7	1420.6	1706.5	1858.83	2061.7	2079.8	2190.65
平均單位發電量CO2排放 （以總發電量計，kg/kWh）	0.776	0.741	0.748	0.763	0.749	0.738	0.732	0.718	0.679	0.680
最終平均單位發電量CO2排放 （扣除輸配電損失量后，kg/kWh）	0.834	0.797	0.805	0.816	0.801	0.792	0.783	0.766	0.723	0.723

1、黃國倉，辦公建筑生命周期節能與二氧化碳減量評估之研究。臺灣：成功大學博士論文，2006。

2、張又升，建筑物生命周期二氧化碳減量評估。臺灣：成功大學，2002。

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

4、日本環境廳，環境基本法解說。日本：日本環境廳，1994。

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