竹基重组竹结构构件的摇篮至厂门碳排放

《Building and Environment》：Cradle-to-Gate Carbon Emissions of Bamboo Scrimber Structural Components

　　

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  基于工厂数据量化了重组竹构件的摇篮到大门碳排放。
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  胶黏剂和高温工艺是主要的排放源。
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  考虑碳储存时，重组竹构件呈现净负碳特性。
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  重组竹构件的碳排放高于层积竹。

引言

建筑部门占全球能源相关二氧化碳排放量的 34%，使其成为缓解全球气候危机需要削减的关键目标 [1]。生物基建筑材料因能减少建筑基础设施的碳足迹而受到越来越多的关注。工程竹 [2] 已成为混凝土、钢铁和木材等传统材料的有前景的替代品。工程竹是指通过开裂、干燥、树脂浸渍和热压等工艺从原始竹材制造的一系列产品 [3]。常见的工程竹形式包括胶合层积竹材、重组竹、平行竹条材和胶合竹 [4]。这些产品具有高强重比、尺寸稳定性和可再生性，同时克服了使用原竹形态的许多缺点，使其成为可持续的建筑材料 [5]。与甚至是速生树种相比，竹子在 3-5 年内即可成熟，且可反复收获而无需重新种植 [6]。竹林是高效的碳汇。据报道，竹林的碳储存量通常在每公顷 100 至 400 吨碳之间，与软木林可比 [7]。对于毛竹 (Phyllostachys edulis)，即工程竹产品中最常用的竹种，报告的碳储存量约为每公顷 106 吨碳 [8]。用竹基产品替代钢铁和混凝土等排放密集型材料，可进一步减少整体温室气体排放。

鉴于其良好的力学性能和稳定的结构性能，工程竹材料越来越多地应用于建筑项目中，如图 1 所示。代表性案例包括中国四川的 KPMG-CCTF 社区中心，该中心展示了层积竹在长跨度结构应用中的可行性 [9]。浙江宁海竹塔是一座多层建筑，展示了层积竹系统的可扩展性，据报道其施工阶段的排放约为可比混凝土建筑的 25% [10]。除大型结构应用外，江西紫溪竹科技博物馆等项目进一步展示了工程竹的建筑和结构多功能性，包括重组竹和层积竹的联合使用 [11]。

现有的工程竹生命周期评估 (LCA) 研究主要侧重于评估不同工程竹产品的碳排放。近期关于竹产品的 LCA 研究表明，竹产品通常表现出比传统建筑材料更低的全局变暖潜值，尽管由于产品类型、系统边界和生命周期清单假设的差异，报告的结果仍存在相当大的变异性 [12]。Escamilla 等人 [13] 比较了竹、砖、混凝土砌块和胶合层积竹建筑，发现胶合层积竹表现出最低的全局变暖潜值。他们的结果进一步表明，当考虑生物源碳储存时，竹基建筑可能实现负碳平衡。Li 等人 [14] 评估了中国胶合层积竹，发现焦糖化、干燥和热压是环境负荷的主要贡献者，占总影响的 67% 以上，这主要是由于化石燃料消耗的电力。Liu 等人 [15] 评估了结构胶合层积竹，报告生物源碳储存为 1140 kgCO₂e/m³，摇篮到大门排放为 467 kgCO₂e/m³，并确定电力和胶黏剂是主要的排放源。总之，这些研究表明，电力消耗、热处理和胶黏剂生产是工程竹产品碳足迹的主要贡献者。

重组竹在生命周期评估中引起了特别关注，因为其复杂的制造工艺与层积竹大不相同，从而导致不同的碳排放特性。现有研究一直表明，重组竹产品的碳足迹受制造工艺、胶黏剂消耗和能源使用的影响很大。Yu 等人 [16] 比较了层积竹地板和重组竹地板的环境影响，发现重组地板的总环境负荷约为层积地板的 1.6 倍，其中板材加工贡献了重组竹总影响的 57%，而竹条生产占了层积竹总影响的 59%。Hu 等人 [17] 发现，制造阶段占重组竹板材摇篮到大门碳足迹的 47%，这主要是由于焦糖化和干燥过程中的蒸汽消耗。

近期研究通过调查不同的制造路线和工艺参数，扩展了这些评估。Zhu 等人 [18] 评估了重组竹地板的排放，报告深度焦糖化和浅度焦糖化产品的碳排放分别为 1846 和 1571 kgCO?/m³。胶黏剂被确定为主要贡献者，分别占总排放的 88% 和 84%。Chen 等人 [19] 进一步基于重组竹材料的主要工业清单数据进行了摇篮到大门的生命周期评估，表明热处理方法、电力来源和制造参数可以显著影响碳足迹和整体环境绩效。

在结构构件层面，Milling 等人 [20] 对澳大利亚 31 公斤毛竹制成的重组竹梁进行了摇篮到坟墓的生命周期评估，报告生产排放为 59.2 kgCO₂e，碳固存为 34.6 kgCO₂e，净排放为 24.6 kgCO₂e。由麻竹制造的梁表现出净负碳平衡，因为碳固存量大大增加，这凸显了竹种对整体碳足迹的强烈影响。化肥使用是两种竹种生产排放的主要来源。

综上所述，现有研究表明，重组竹报告的碳足迹受制造技术、胶黏剂消耗、能源供应、竹种、系统边界和生命周期清单假设的影响很大。以往的大多数评估侧重于地板和板材产品，而关于结构重组竹梁的有限工作是在特定的产品和生产背景下进行的。更重要的是，在一致的基准下，将质量流变化与制造链中整个物料和能源投入相结合的分阶段清单对于结构重组竹构件仍然稀缺。这限制了制造排放集中度的识别、与不同制造实践相关的碳排放变化的解释以及工程碳核算中代表性碳排放因子的建立。

为解决这些缺口，本研究利用中国三家代表性制造工厂的实地数据，研究了重组竹结构构件的摇篮到大门碳排放。建立了一个分阶段质量流清单，以追踪生产链中竹、水分和胶黏剂的变化，并将单个制造阶段的物料和能源投入反算到 1 吨成品构件的功能单位上。因此，本研究提供了结构重组竹构件的基于实地的工艺级清单数据，量化了不同制造实践相关的阶段特定碳排放和变化，并建立了代表性的摇篮到大门碳排放因子，以支持工程竹结构的碳核算和制造阶段减排。

章节摘要

材料与方法

本研究中碳排放数据的统计处理和计算遵循 ISO 14044:2006 的生命周期清单框架 [21]。

碳储存

由于竹子生长过程中固定的碳，重组竹作为一种生物源碳储存材料。重组竹的生物源碳储存基于最终产品的干重及其碳含量进行计算，并转换为 CO? 当量，仅考虑产品中的竹质部分，排除胶黏剂等非生物源材料。碳储存 C_storage 计算公式见公式 (9) [32]，其中 M_bamboo 为...的干重

各工艺阶段的排放贡献

三座工厂各生产阶段的碳排放份额如图 8 所示。在所有三个工厂中，胶黏剂应用是总碳排放的最大贡献者，分别占 1-3 号工厂摇篮到大门足迹的 47.8%、37.4% 和 46.6%。这是因为树脂浸渍工艺中使用的酚醛胶黏剂具有高排放因子。提供优异防水性和耐久性的酚醛树脂被使用

结论

本研究建立了工艺级摇篮到大门生命周期清单，并基于对中国三家代表性制造工厂的实地调查，量化了重组竹结构构件的碳排放。结果提供了一个代表性的碳排放因子，并识别了关键排放集中点，为工程竹结构的生命周期碳评估和低碳设计提供了实用参考。主要结论如下：

• (1)
  这

CRediT 作者贡献声明

Ci Song：写作 – 初稿，可视化，调查，数据整理。Yubing Leng：调查，经费获取，数据整理。Qingfeng Xu：写作 – 审阅与编辑，监督，方法论，经费获取，构思。Kent A. Harries：写作 – 审阅与编辑，可视化，方法论。Kewei Liu：写作 – 审阅与编辑，方法论。Lingzhu Chen：写作 – 审阅与编辑，构思。

Ci Song|Yubing Leng|Qingfeng Xu|Kent A. Harries|Kewei Liu|Lingzhu Chen