沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)
Journal of Shenyang Jianzhu University ( Social Science )2 0 2 1年4月
第23卷第2期
Apr. 2021
Vu0 23,Nu.2
文章編號：1673 -1337(2221)22 -2109 -08dot ： 12.11717/j. issa. 1673 -1387.2020 02.21
應(yīng)對氣候變化的建筑碳封存研究進展
與設(shè)計應(yīng)用展望
李綏1邵信洋2，李明3
（（?沈陽建筑大學(xué)生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑研究院，遼寧沈陽112168；2.沈陽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,
遼寧沈陽112168 ；3.沈陽市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110177）
摘要：為應(yīng)對全球氣候變化，減少建筑全生命周期的碳排放將成為發(fā)展低碳經(jīng)濟
的關(guān)鍵要素，梳理國內(nèi)外綠色建筑研究，從綠色建筑發(fā)展歷程、可持續(xù)建筑探索設(shè) 計實踐出發(fā)，對綠色生態(tài)建筑技術(shù)的發(fā)展進行了歸納與總結(jié)。從混凝土固碳原理、 無機碳匯材料發(fā)展等角度，探討固碳型混凝土與無機材料在建筑中的實際應(yīng)用及
可行性，并對未來固碳型建筑界面設(shè)計方法與發(fā)展方向進行了展望。
關(guān)鍵詞：無機碳匯材料；混凝土建筑；碳吸收；碳封存
中圖分類號:TU-223 文獻標(biāo)志碼:A
近年來，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)迅速發(fā)展，人民
生活品質(zhì)提升、人均住房面積增加，隨之而來 的是建筑建設(shè)量的激增。2219年沖國GDP
增長率為6.11%，高于發(fā)達國家2 ~3倍，而
單位建設(shè)能耗卻是發(fā)達國家的7 ~ 12倍⑴0 因此，促進經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方 式，建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會一直是
我國致力于發(fā)展的目標(biāo)。《中國應(yīng)對氣候變
化的政策與行動2219年度報告》中承諾，至
2222年，我國單位生產(chǎn)總值碳排放量下降
44% -45% ，非化石能源占一次能源消費比
例達到15%左右[2]0政府間氣候變化專門
委員會（Internuvernmentnl Panel on Climate
Changr,I
PCC ）相關(guān)報告中指出，建筑業(yè)生產(chǎn) 是溫室氣體排放的主要來源之一⑶，其碳排
放量約占全國碳排放量的38% ~42%⑷。
隨著經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展，建筑業(yè)碳排放量仍有 增長的空間，或成為我國碳排放的主要增長
源，因此，降低建材生產(chǎn)和建筑建造、運營的
碳排放量將成為響應(yīng)氣候變化的主要著力
點，加強低碳、負碳技術(shù)在建筑中的推廣與應(yīng) 用，成為緩解碳排放壓力和解決氣候問題的
新途徑。
城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展意味著大量的工業(yè)建
設(shè)，由此也給經(jīng)濟、社會、環(huán)境等帶來了一定 的壓力。自2002年以來，我國每年新增民用 建筑面積不少于1億m 2，據(jù)《2215中國統(tǒng) 計年鑒》數(shù)據(jù)，截至2216年，我國民用建筑總 面積為616.06億m 2[5]，而根據(jù)建設(shè)部預(yù)測,
2222年我國各類建筑新增建設(shè)面積將超過
302億m 20建筑作為人與自然環(huán)境交互的
界面，隨著城市建設(shè)的發(fā)展已經(jīng)具備相當(dāng)龐
大的基數(shù)，因此，增加建筑界面固碳設(shè)計在實
際工程中的運用具有十分重要的意義。本研
究梳理國內(nèi)外應(yīng)對氣候變化的建筑設(shè)計案 例，并從提高無機材料固碳能力的角度，提出
收稿日期：2020-11--9
基金項目：遼寧省“百千萬人才工程”資助項目（rst2219 -0211） 作者簡介：李綏（1977—），男，遼寧錦州人，教授，博士。
110沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)第23卷
一種新型固碳建筑界面設(shè)計途徑，提高建筑
固碳效應(yīng)，同時展望未來固碳建筑設(shè)計領(lǐng)域的
發(fā)展方向，為建筑業(yè)減碳減排提供理論參考。
一、建筑行業(yè)對氣候變化的積極響應(yīng)
在建筑工業(yè)化生產(chǎn)的初期，經(jīng)濟增長與
CO2排放的關(guān)系十分密切⑷。我國建筑工
業(yè)化起步較晚,22世紀(jì)60—80年代是我國
建筑工業(yè)化快速發(fā)展的時期［7'0］，飛速增長
的經(jīng)濟效益帶來了大量的溫室氣體的排放
(見圖1),1977年，我國碳排放總量為8.17
億t，占全球碳排放量的5.76%，至2217年，
我國碳排放量已達98.39億t占全球碳排放
量的27.22%，成為世界第一大碳排放國，根
據(jù)國際能源署(International Energy Agency,
IEA)對世界碳排放量的預(yù)測,2030年我國碳
排放量將達到117.3億t［9］0
9
8 -7誠6密5讎4 O3°2
1-—世界C02排量(人均)/t
_中國C02排量(人均)/t
199820022006201020142018
197019741978198219861990
圖1我國人均CO2排放量
溫室氣體排放伴隨著全球氣溫的升高和極端天氣次數(shù)的增加，各國逐漸意識到對環(huán)境問題的漠視和大量資源消耗，不利于維持長期穩(wěn)定的高速發(fā)展。建筑業(yè)作為全球主要能耗產(chǎn)業(yè)之一，材料生產(chǎn)和運行過程中所消耗的能源約占世界能源消耗的50%［10］，為改變建筑業(yè)發(fā)展模式，各國政府積極研究、探索綠色建筑發(fā)展新出路，而綠色建筑評級體系的建立成為綠色建筑發(fā)展的先導(dǎo)。第一個綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)于990年在英國發(fā)布［9］，隨后一些發(fā)達國家紛紛頒布了自己的綠色建筑評價體系，如美國的LEED評價體系［9\加拿大的GBC、澳大利亞的NABERS［17\0本的CASBEE［10］等。部分國家出臺了一系列政策促進高效能技術(shù)在建筑中的運用［9］，推動綠色建筑向更深層次發(fā)展。
39年來，發(fā)達國家對綠色可持續(xù)建筑的設(shè)計方法、評估體系等逐漸完善，建筑中各種節(jié)能技術(shù)如光伏、地源能、風(fēng)能、高性能材料等技術(shù)迅速融入建筑少］，使新建建筑和既有建筑在能效和減排方面
產(chǎn)生了巨大的進步，如德國超低能耗被動體系中的“被動房”97、美國政府積極推廣的作為未來建筑能耗的終極解決方案的“零碳建筑”等，通過政府政策推行、運營機構(gòu)的協(xié)同合作，促進建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展，為經(jīng)濟、社會、環(huán)境等帶來長久穩(wěn)定的發(fā)展空間。
二、建筑碳封存的理論依據(jù)
1.無機材料碳匯原理解析
混凝土作為建筑生產(chǎn)的主要材料，其發(fā)展歷史極為悠久，混凝土材料的中性化又稱碳化反應(yīng)，在土木工程領(lǐng)域也有較為詳盡的研究，碳化反應(yīng)伴隨著混凝土的整個生命周期且不可逆，其原理為在空氣中水蒸氣的作用下，混凝土內(nèi)部的化學(xué)成分轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的堿性水化物，與環(huán)境中的CO2接觸，生成碳酸鹽，使混凝土的堿性逐漸降低口7］，這個過程稱為碳化反應(yīng)：
Ca(OH)2+CO2—CaCO9+H2O(1)
(CaO)?無SKO+CO2tx SK)2+CaCO9
(2)
CaO*x A12O9+x H2O+CO2^.x A1(OH)9+ CtCO(3) (MyO)?無Si。+CO2tx SK)2+MyCO3
(4)
因混凝土碳化會使鋼筋表面鈍化，不利于維持鋼筋混凝土的力學(xué)性能，所以在實際工程中會盡可能地設(shè)法予以避免［17］，但隨著近年來環(huán)境問題的加劇和極端天氣多發(fā)，國內(nèi)外有學(xué)者開始重視混凝土可捕捉并封存CO2的特性。對混凝土固碳能力的研究最早發(fā)表于美國硅酸鹽水泥協(xié)會的幾篇研究報告中，該研究統(tǒng)計了美國現(xiàn)有建筑在建成的一年內(nèi)，混凝土等無機材料固碳量約為22萬t1。韓國學(xué)者Yang等［2°分析了框架體系的辦公和住宅類建筑，考慮裝飾材料的影響,100年的建筑使用周期內(nèi)，混凝土生
第2期李綏等：應(yīng)對氣候變化的建筑碳封存研究進展與設(shè)計應(yīng)用展望111
產(chǎn)排放C02的15.5%-17%被材料自身吸收。除運行中的建筑外，建筑混凝土的整個生命周期都伴隨著碳化反應(yīng)的發(fā)生，北歐學(xué)者AnZersson等52從建筑運行、建筑拆除、廢料回收等階段，核算了北歐建筑混凝土碳化程度，有28%-37%的混凝土在建筑運行期間（7年）發(fā)生碳化，當(dāng)建筑物作拆除處理后，碳化程度增加至37%-86%（見表1），建筑作業(yè)中的水泥窯灰和損失砂漿甚至都具有固碳的能力57，雖然水泥等無機建筑材料每年固碳較為緩慢，但全球建筑數(shù)量基數(shù)大，建筑使用壽命長達幾十年至上百年，常年積累形成的固碳量必然十分可觀0
表1國外對混凝土建筑生命周期結(jié)束后碳吸收的研究結(jié)果
國家生命周期結(jié)束
后碳化體積
比/%
生命周期結(jié)束后
破碎的混凝土
體積比/%
破碎的混凝土
發(fā)生碳化的
體積比/%
發(fā)生碳化的Ca0
12年內(nèi)吸收的00占水
泥熟料煅燒過程中釋放
出的C02比例/%
丹麥376657.2挪威22735612%(CH+AFm+AFt)+33.2瑞典31725956%CHS=75%Ca033.2冰島31793734.2美國①332?—102%CHS?33%Ca07.2注:①美國生命周期設(shè)計為12年，其他國家為77年;②未考慮破碎混凝土對二氧化碳吸收的影響。
2.混凝土碳匯的影響因素
混凝土碳化反應(yīng)過程緩慢且復(fù)雜，通過查閱國內(nèi)外文獻可知，無機材料碳化效率會受到材料、環(huán)境和
建筑設(shè)計因素的影響。
材料影響因素包括：水灰比，水泥用量與品種，水泥摻合料、骨料。材料因素主要影響了混凝土的孔隙率（密實程度）和堿儲備。例如：方璟等56發(fā)現(xiàn)水灰比的增加會使混凝土凝固后內(nèi)部形成更多毛細孔洞，碳化深度隨水灰比增加而增大，且趨勢呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。肖佳等57認為水泥用量、品種、摻合料等主要影響了混凝土內(nèi)堿儲備量，堿儲備量越高，碳化速率越低，高強硅酸鹽水泥水化物堿性高于普通水泥，所以形成的混凝土抗碳化能力更強0
環(huán)境影響因素包括:CO濃度、溫度、相對濕度。環(huán)境因素主要通過影響混凝土內(nèi)C02濃度及化學(xué)反應(yīng)速率來影響碳化速度，牛荻濤［27］研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境中C02濃度越高，C02就越容易滲透進混凝土，碳化反應(yīng)速率越快。溫度提高也可以提升化學(xué)反應(yīng)速率，進而加快混凝土與C02結(jié)合速度56，且影響程度較高。劉志勇等57發(fā)現(xiàn)相對濕度下的碳化實驗結(jié)果與溫度條件下不同，擬合后的碳化-濕度曲線大致滿足正態(tài)分布特點，在相對濕度處于44%~62%范圍內(nèi)碳化速率較高0
建筑影響因素包括：表皮覆蓋材料、空氣接觸面積、應(yīng)力荷載。建筑因素主要影響水泥材料與空氣接觸面積，張令茂57］通過實驗發(fā)現(xiàn)材料暴露面積越大，碳化速率越高，表面覆蓋材料氣密性越大，碳化速率越低0
在上述3類混凝土碳化影響因素中，能夠優(yōu)化碳化能力的建筑影響因素包括:CO?濃度高、溫度高、相
對濕度處于44%~66%、建筑混凝土表面裝飾少等。不同類型建筑因使用功能、使用條件等不同，會在建筑室內(nèi)外形成環(huán)境差異，應(yīng)篩選具有固碳潛力的建筑類型，通過對建筑材料配比控制、構(gòu)造與形式的設(shè)計，促進無機材料與C02反應(yīng)實現(xiàn)固碳效應(yīng)，增強建筑界面固碳性能，形成響應(yīng)氣候變化的綠色建筑。
三、面向氣候變化的建筑材料研發(fā)
為了解決經(jīng)濟收益與環(huán)境效益的不平衡等問題，國內(nèi)外已有許多科研機構(gòu)或水泥制造商以節(jié)能減排的生產(chǎn)理念研發(fā)新技術(shù)、新工藝。
英國的水泥生產(chǎn)商Novecem的可回收型水泥，利用鎂硅酸鹽替代傳統(tǒng)水泥中的石灰石，相較于生產(chǎn)水泥的傳統(tǒng)工藝所需溫度更低,C02排放更少，更為重要的是，此類新
112沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)第23卷
型水泥需要不斷吸收空氣中的CO2才能硬
化，這使得生產(chǎn)該水泥每噸碳排放的0.5t
CO，低于硬化后每噸水泥CO2吸收量的
0.6t，成為固碳型建筑材料的典型代表(見
圖2)。
采用Novacem公司新期
型水泥制造出的5種?
不同磚塊。下方的粉冷、：
末狀鎂化合物是該水
泥的基本成分，取代
以往制造普通水泥常”.戈
用的石灰石
混凝土由水泥、沙石、/水混合后制成，改變/
原料比例或加入其他
成分，如玻璃，可制Novacem公司生產(chǎn)的水泥在固化過程中可吸收空氣中的CO2
成不同用途、性能的
混凝土
氧化鎂
庸.
硅酸鎂
碳酸鎂
圖2Novacem公司“綠色”混凝土
美國混凝土產(chǎn)品制造商EP Henry與水泥和混凝土技術(shù)公司Solidia Technologies合作，收集工業(yè)生產(chǎn)的CO2進行液態(tài)處理，替代水注入砂漿骨料中，在混凝土硬化的同時固化CO2。Solidia水泥主要成分為鈣硅石和硅灰石，這兩種主要成分水化活性低，與水不發(fā)生反應(yīng)，卻能在CO2環(huán)境下硬化，每生產(chǎn)1t Solidia水泥熟料，形成的CO排放量約為550kg，而水泥硬化所需要的CO2約240kg/t，相較于普通水泥，可減少70%的碳足跡⑶％見圖3)。
圖3Solidia Coocrete CO?固化路磚
美國的Calere公司采用了全新的工藝，模擬海洋中珊瑚礁的生成原理，在低溫條件下利用火電廠煙氣中的CO2和海水中的鈣、鎂等生成鈣氧化物(carbooates)，發(fā)明了海洋水泥(maece cement)，每生產(chǎn)1t水泥可捕獲06t CO2，且造價要低于傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥〔33打
四、面向氣候變化的實驗性建筑設(shè)計
展望
1.應(yīng)對氣候變化的建筑實踐
當(dāng)前氣候變化帶來的是全球極端天氣多發(fā)，惡劣的環(huán)境問題不僅指溫室效應(yīng)導(dǎo)致的極高或極低氣溫，也涵蓋了霧霾、PM2.5、沙塵等光化學(xué)污染，環(huán)境問題逐漸影響了正常的城市生活。隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，越來越多的建筑師將調(diào)節(jié)氣候的功能融合到建筑設(shè)計中，開展了應(yīng)對氣候變化的綠色建筑實踐探索，例如，西班牙畢爾巴鄂的坎帕德洛斯音格公園(見圖4(a))，園內(nèi)道路鋪磚采用含GenSilex添加劑的Ecesit Klim CO混凝土地磚，材料來自工業(yè)廢料回收，而且在鋪裝全生命周期內(nèi)，每平米8%的添加劑可吸收5000m3空氣中的CO2[33]o
除減碳減排的考量之外，國內(nèi)外岀現(xiàn)多例通過表皮材質(zhì)與空氣中污染物產(chǎn)生復(fù)合反應(yīng)的建筑表皮設(shè)計，
如2015年米蘭世博會意大利館[34](見圖4(b))，場館9000m2的建筑表皮上覆蓋了990余塊“生物動力”
(d achva BIODYNAMIC)混凝土面板，該面板使用了80%的再生骨料，包括卡拉拉采石場的白色大理石廢料，不僅環(huán)保，也比傳統(tǒng)的白色水泥流動性強，結(jié)合tvo光觸媒材質(zhì)形成的混凝土面板同時具有吸附霧霾、抗菌防霧、自清潔等特點。此類示范性建筑主要通過利用光催化涂料與空氣中的污染物接觸并產(chǎn)生的化學(xué)、物理反應(yīng)，實現(xiàn)對氣候與環(huán)境問題的響應(yīng)。此類光觸媒表皮屬于半永久性產(chǎn)品，光催化成分僅作為分解反應(yīng)的催化劑，作用過程不產(chǎn)生消耗，可以持續(xù)發(fā)揮清潔大氣的作用。
全球建設(shè)量的增加伴隨著大量舊建筑、設(shè)施的拆除，混凝土回收再利用技術(shù)的發(fā)展
第2期李綏等：應(yīng)對氣候變化的建筑碳封存研究進展與設(shè)計應(yīng)用展望117
將緩解建筑業(yè)材料生產(chǎn)的環(huán)境壓力。再生混凝土(RAC)是一種將工藝性與環(huán)保可循環(huán)利用相結(jié)合的新興技術(shù)，將廢舊混凝土以骨料的形式重新用于新混凝土中，每生產(chǎn)1t 再生混凝土粗骨料的長期成本比天然粗骨料的長期成本低約40%。而生產(chǎn)1t再生混凝土骨料的環(huán)境收益比天然骨料高約97%兩。我國在混凝土回收再利用方面也有一定進展，例如：2209年四川都江堰災(zāi)后重建工程，利用震后廢料建成3棟示范型建筑，再生粗骨料使用率接近一半，至今未見裂痕等結(jié)構(gòu)損壞; 2217年蘭州萬達廣場(見圖4(c))項目中一定范圍內(nèi)采用了廢舊混凝土再生利用技術(shù); 2219年山西省臨潼綠色產(chǎn)業(yè)園的一棟2層辦公樓，整體結(jié)構(gòu)采用了39%的再生混凝土，目前順利通過驗收⑶打雖然我國在再生混凝土研究方面取得了一定成果，但實際工程中典型的建筑應(yīng)用案例仍然較少，若此類綠色混凝土結(jié)合工業(yè)化推廣，可在一定程度上解決資源緊缺與溫室氣體排放的問題。
(a)西班牙坎帕德洛斯音格公園(b)米蘭世博會意大利館(c)蘭州萬達廣場
綠色混凝土示范型建筑實踐
圖4
2.固碳型建筑設(shè)計應(yīng)用展望
目前，低碳減排建筑多從光伏系統(tǒng)、建筑機電系統(tǒng)、高性能圍護結(jié)構(gòu)或可再生能源利用等方面進行設(shè)計，建筑運營期間的能耗部分或全部由場地產(chǎn)生的再生能源提供，但建筑僅能最大程度地避免碳排放，還需要尋找新技術(shù)提高建筑固碳能力，來應(yīng)對不斷加劇的氣候問題。在建筑中最初運用固碳技術(shù)是以垂直綠化體系為主，以自然植物的固碳能力抵消建筑運行中的碳排放，并調(diào)節(jié)一定范圍內(nèi)的氣候環(huán)境，但隨著無機材料固碳特性的逐步發(fā)掘，在建筑設(shè)計中運用高固碳能力無機材料，為營造零碳建筑甚至是負碳建筑(見圖5)提供了新的思路。
圖5建筑負碳表皮預(yù)期效果
待混凝土等無機固碳材料技術(shù)發(fā)展成熟，并在城市中形成固碳界面，碳吸收型建筑設(shè)計應(yīng)具備下列4種特性。
(1)廣泛的氣候適應(yīng)性。氣候適應(yīng)性是固碳型建筑表皮可進行產(chǎn)業(yè)化推廣的基礎(chǔ)。以綠色植被形成的垂直綠化表皮雖然有吸碳固碳、調(diào)節(jié)微氣候、降低噪聲等優(yōu)點，但城市之間氣溫差異以及建設(shè)成本限制了垂直綠化技術(shù)的發(fā)展。相比于天然植被，無機材料碳吸收氣候耐受性更高，但也應(yīng)針對南北方不同環(huán)境條件，改良設(shè)計固碳建筑構(gòu)件形式，例如：連綿多雨地區(qū)應(yīng)在表皮處設(shè)置排水通道，防止雨水在建筑表面停留，阻礙碳化反應(yīng)的繼續(xù)進行；北方寒冷地區(qū)應(yīng)將固碳表皮多設(shè)立于南側(cè)，增加表面溫度，提高碳化反應(yīng)速率。
(2)維護體系的可更替性。碳化反應(yīng)是一個由外向內(nèi)不斷遞減的過程,CO通過材料孔隙向內(nèi)滲透，隨著深度的增加,CO濃度逐漸減少，并且碳化反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鈣沉積會堵塞材質(zhì)表面的毛細孔洞，隨著時間的增加，碳化深度及反應(yīng)速率逐漸平緩，此時建筑固碳表皮碳吸收能力接近瓶頸，而可更替可拆卸的表皮構(gòu)件設(shè)計可以延長建筑固碳能力
