土工合成材料解决方案全生命周期碳足迹的计算方法

迹的计算方法

摘要： 基础设施建设是我国国民经济发展的支柱产业，也是温室气体排放的主要领域之一。随着我国双碳战略的实施，建筑材料的碳足迹受到了重点关注。土工合成材料作为一种新型建筑材料，已经在交通、水利水电、城建和环保等领域得到广泛应用，开展有关土工合成材料解决方案的碳足迹研究对基础设施的低碳发展具有重要意义。本文通过对比不同的碳排放测算方法，确定碳排放系数法最适合土工合成材料解决方案碳足迹的研究；根据材料的工艺流程和工程建设及使用周期，构建了土工合成材料解决方案全生命周期碳足迹的研究框架；建立了完整的土工合成材料从制造、运输、施工、运维到拆除回收全过程的碳足迹计算方法，并提出了节能减排的建议。

关键词： 土工合成材料；碳足迹；全生命周期；碳排放因子 1 引言

全球气候变暖是世界各国面临的共同挑战。全球应对气变问题的《巴黎协定》承诺将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃的范围以内。为达到此目标，欧盟及西方主要经济体均提出了2050年净零碳排放的目标和相关的行动计划。**主席在第 75 届联合国大会上提出中国将采取更加有力的政策措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，争取 2060 年前实现碳中和。

分析建筑全过程碳排放细分占比可以发现，除施工阶段产生少量碳排放外，大多碳排放来自建材的生产和建筑物的运行阶段。因此控制建材的碳排放是建筑行业碳达峰的关键。为了减少建筑工业的碳排放，除了提升传统建材的工艺技术水平和降低运营能耗外，还可以使用低碳替代材料和相应的技术解决方案。

建筑材料的碳足迹在建筑的全生命周期评价（Life Cycle Assessment，缩称LCA）中至关重要，而土工合成材料作为一种经济、低碳的材料在土木工程领

域具有重要作用。目前国际上对于建材的全生命周期碳足迹研究尚不成熟，对土工合成材料解决方案全生命周期各个阶段的碳排放计算方法也有极大的改进空间。

本文通过对土工合成材料解决方案全生命周期碳足迹的研究，提高土工合成材料解决方案全生命周期碳足迹的计算的准确性，找出影响土工合成材料碳排放的关键环节，助力建筑施工可持续发展，响应国家“双碳”战略。

2 土工合成材料碳足迹的研究现状

目前，建材碳足迹全生命周期的研究主要集中于常见的建筑材料，并不包括土工合成材料。比如赵平等[1]调研了主要建材全生命周期的能源消耗和碳排放情况，建立了主要建筑材料的碳排放因子数据库；罗智星等[13]对我国常用的建筑材料进行分析与总结，并提出了相关的碳排放计算方法。

国际上土工合成材料的碳排放因子大部分研究并未考虑土工合成材料制造商数据，而且所谓的LCA研究并不完整，包括Raja等[2]和 Dixon等[3]开展的土工合成材料解决方案碳足迹的全生命周期测算，均没有涉及建（构）筑物的拆除和材料的回收利用。

表1基本涵盖了国内关于土工合成材料碳排放的主要文献。这些研究工作主要集中于挡土墙、护坡、护岸工程不同解决方案碳排放计算结果的对比分析，国内很少对土工合成材料的碳排放因子进行研究，大多直接用现有的塑料碳排放因子进行推算或引用其他文献。由于我国数据库缺少对应的土工合成材料碳排放因子数据，这种做法不能反映土工合成材料真实生产过程中的碳排放值，因此需要对特定土工合成材料（如土工格栅、土工织物等）的碳排放因子进行研究。

表1国内土工合成材料碳排放因子取值[4-12]

Table 1 Carbon emission factor of domestic geosynthetics

时间

文献

作者

碳

材料 排放因

子

单位

碳排放因子数据来源

公路工程湿2软黄土路基施工021

能耗和碳排放评估

2不同类型挡020

土结构碳排放计算与评价

2加筋土挡墙020

碳排放计算方法与减排性分析

2加筋挡土结018

构碳排放计算

2护岸材料碳017

排放及综合能耗推求与评估

2高速铁路全016

生命周期碳排放计算

2

基于生命周期的厂内运输碳

薛

土工志佳膜/土工等

泡沫/土工格栅

土工

史格栅

梦园等

土工

袋

张土工飞等

格栅（HDPE）

陈帝升土工等

格栅

李土工

艳红

布

陈

进杰土工等

格栅

孙土工2.8

5

0.

433

0.3

1

1.36

0.

433

0.188

0.

433

3.1tCO2/t

kgCO2/m2

kgCO2/m2

kgCO2e/m2

kgCO2/m2

kgCO2e/m2

kgCO2/m2

tCO2e直接

引用高密

度聚乙烯数据

引用其他文献

引用其他文献

引用其他文献

引用其他文献

主要考虑了石油原材料

未知测算方式

引用

016 排放计算及优化 雅楠 布 9 /t 其他文献

基于生命周2期的高速铁路能014

源消耗和碳排放建模方法

冯旭杰

布

土工

9

3.1

/t

tCO2e

用欧洲平均值

土工

2012

护岸工程材料综合能耗和碳排放计算及评价

礼刚等

袋

土工

1

黎布

6

0.1

/m2

kgCO2理论推算

0.3

/m2

kgCO2理论推算

3 土工合成材料解决方案碳足迹LCA研究思路

土工合成材料是由高分子聚合物原材料的颗粒（切片）经过熔融、喷丝、拉丝、压延、吹塑、拉伸等生产过程形成不同形状的中间品，如丝、片、膜、网等，再经过一定的加工工艺制成的具有不同功能和用途的产品。土工合成材料解决方案全生命周期中涉及的碳足迹如图1所示。从图1可知，土工合成材料自身的碳足迹不仅包括产品生产过程中的碳排放，还涉及上游原材料的开采、运输、加工、改性过程的能源与设备消耗，后者属于上游输入的碳足迹。将土工合成材料解决方案应用于具体的工程项目，全生命周期的碳足迹评价还包括产品从工厂到施工场地运输阶段的碳排放和施工、运维、拆除回收阶段中的能源消耗。此外，在运维阶段如能通过植物固碳可实现部分碳中和，回收阶段使材料回收再利用，也能达到减碳目的。应该对土工合成材料在各个阶段碳排放进行拆分和分析评价。

图1 土工合成材料解决方案全生命周期的碳足迹示意图 4 土工合成材料解决方案碳足迹的计算方法 4.1 材料生产阶段

通过实际调研，获取生产厂商在各种土工合成材料产品（土工膜、土工格栅、土工织物等）原材料加工过程中的设备清单及耗电情况，根据电力或其他能源供应的碳排放因子可计算获得生产阶段的碳排放。可以结合生产流程，将土工合成材料生产过程的碳排放分为直接排放和间接排放。前者指土工合成材料生产过程中化石能源燃烧或化学反应直接产生碳排放；后者包括原材料、电力等通过上游及第三方供应输入的碳排放源。

原材料的碳排放因子可从欧洲LCA数据库“EcoInvent v2.2”和“ICE v2.0”，其余耗材、能源清单以及电量可通过调研获得土工合成材料生产厂商数据。

4.2 材料运输阶段

运输阶段的碳排放主要考虑将土工合成材料以及其他建材、设备机械等固体物资从生产商运输至施工现场所产生的碳排放。

4.3 施工建造阶段

建造阶段的碳排放来源主要包括施工机具运行产生的碳排放和临时设施的碳排放，将两部分的碳排放汇总可得到建造阶段的碳排放。

其中施工过程施工机具的碳排放主要由建筑施工区域内机械设备耗能所引起。该部分的碳排放可以根据施工过程的机械台班（8h为一台班）数量来自统计计算；临时设施运营的碳排放主要包括建筑施工区域内的办公区和生活区的办公设备、空调、照明消耗电能所产生的碳排放。

4.4运维阶段

无论是基础设施（如公路、桥梁、填埋场）或是构筑物（如挡土墙、护坡结构），在运营阶段或多或少还需要进行监测和维护。一方面，这些运维工作也产生碳排放，应纳入土工合成材料解决方案全生命周期的碳足迹；另一方面，在工程建设和运维护阶段，通过植物固碳，可以实现部分碳中和。例如封场后的填埋场通过植生护绿改造为生态公园，公路或铁路路基边坡采用植被护坡，植物的光合作用能够将大气中的CO2转化成有机物，实现固碳的效果，对维持自然界碳-氧平衡具有重要价值。

4.5 拆除回收阶段

拆除回收阶段的碳排放分为两部分：拆除阶段的碳排放与回收阶段的碳排放。当基础设施或构筑物达到使用寿命且不具有使用价值后，应予以拆除。比照钢筋、水泥等建筑材料在拆除后的使用情况，也应考虑土工合成材料在工程拆除后可以部分得到回收再利用，由此能够带来一定的减碳量。由于土工合成材料的大规模使用不过30年，拆除工程尚属罕见，关于土工合成材料相关基础设施的拆除和材料回收利用的碳足迹还需要跟踪研究。

5 结论

本文通过全生命周期的分析，运用碳排放因子法，提出了土工合成材料解决方案全生命周期碳足迹研究的基本框架和土工合成材料在生产、运输、施工、运维、拆除回收各阶段碳排放的计算方法。基于对全生命周期碳足迹的思考，提出了降低碳排放的建议。

土工合成材料解决方案全生命周期碳足迹的研究尚处于初步阶段，本文的工作对土工合成材料碳足迹的深入研究具有借鉴意义。

（1）目前，国内缺乏土工合成材料碳排放因子的测算数据，在工程应用中借用塑料的碳排放因子进行推算，这不符合土工合成材料作为建筑材料的实际情况。本文提出的包括上游原材料碳足迹输入的计算方法弥补了现行方法的不足。

（2）土工合成材料解决方案全生命周期碳足迹应全面测算产品“从摇篮到坟墓”各个阶段的碳排放。本文提出了材料回收再利用的问题及其对减碳的作用。

（3）通过对土工合成材料解决方案全生命周期碳足迹计算方法的研究，有助于找出碳排放大的环节，并对影响碳排放的关键环节进行优化。

参考文献

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作者简介：陈铭铭，1998年3月6日，浙江温州，同济大学硕士研究生，土体工程与海岸带工程地质研究