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台湾地区研究显示，CLT复合外墙替代传统RC外墙可降低全生命周期碳排7.11%，运营期能耗减少14.39%，年节电29506千瓦时并减排14605.4公斤CO?e，且建筑重量减轻12.08%。早于40年实施改造效益更显著，过晚改造可能适得其反。
蔡孟婷|Phylicia Deosephine Soegiono|李伟伦
台湾科技大学建筑系，台湾台北市大安区基隆路4段43号，106335
摘要
根据联合国环境规划署的最新研究，建筑行业占全球温室气体排放量的37%。许多国家利用木材材料的优异碳封存性能作为减少碳排放的策略。本研究介绍了一种新型的CLT复合外墙系统，该系统全面考虑了防水性、防潮性、防火性、隔热性和施工性能。以东亚亚热带地区的台湾为例，通过比较分析，在住宅建筑中用CLT复合外墙系统替代钢筋混凝土（RC）外墙，进行了能源模拟和碳排放分析。结果表明，在建筑生命周期评估（LCA）的从摇篮到现场阶段（A1～A4），碳排放可减少7.11%；在运行能源使用阶段（B6），空调能耗可减少14.39%。CLT复合外墙系统每年可减少29,506千瓦时电能消耗和14,605.4千克二氧化碳当量的碳排放，并使建筑重量减轻12.08%。在建筑使用早期更换RC外墙为CLT复合外墙系统，能够获得更大的能源和碳排放减少效益。当在建筑使用40年时进行更换时，碳排放减少效益最小；而在使用50年时更换则没有碳排放减少效果，甚至可能使总排放量增加。
引言
温室气体排放量的持续增加加速了全球平均温度的上升，加剧了全球变暖。联合国环境规划署的数据表明，建筑行业占总全球温室气体排放量的37%。国际能源署报告称，2019年二氧化碳排放量达到332亿吨，其中与能源相关的活动是这些排放的最大贡献者（约占65%）。温室气体是气候变化的主要诱因。研究表明，钢铁和混凝土生产过程中的排放占结构材料相关排放量的60%[1]，而水泥行业本身至少贡献了全球人为碳排放的8%[2]。这些数据凸显了减少建筑行业碳排放的紧迫性。为应对碳税和碳政策的实施，使用环境影响较低的替代建筑材料已成为一种可行的脱碳策略。特别是交叉层压木材（CLT）作为钢筋混凝土（RC）的可持续替代品，受到了广泛关注[3]、[4]、[5]。随着对减少建筑环境足迹和推进可持续城市发展的重视，木材在建筑中的使用日益增加。木材是一种可再生资源，也是碳中性材料，将其应用于建筑可以同时支持资源可持续性和碳封存，从而降低建筑的整体碳足迹[6]、[7]、[8]。
木材结构非常适合场外制造，因为木材的重量比其他建筑材料轻。这一特性有助于大规模二维预制构件和三维模块系统的运输和现场处理，从而缩短施工时间，提高现场安全性，并提升整体施工质量[9]。高层木结构的设计不再受传统木结构在结构和材料上的限制；然而，提高施工效率和现场安全管理仍然至关重要。使用传统脚手架在建筑外部安装外墙既费时又费力，而且高空作业还存在额外的安全风险。Silva等人（2013年）报告称，CLT建筑的工厂预制可以减少约30%的施工时间[10]，并降低施工阶段的能源消耗[11]。CLT的其他优势还包括高强度重量比、易于安装以及美观性[12]。目前，全球大多数高层建筑都采用完全预制的外墙系统，这些系统可以在结构框架完成后吊装到位。这些系统消除了建筑外部临时结构的需要，使木结构能够快速抵御恶劣天气条件。随着建筑平均高度的增加，对能够快速安装和安全施工的预制幕墙系统的需求也在增长[13]。尽管之前的研究和已建项目已经探讨了预制木外墙的设计和实施，但这些研究主要集中在木结构上。预制木外墙在钢筋混凝土（RC）建筑中的潜在应用尚未得到充分探索。建筑需要大量能源来维持室内居住舒适度，因此建筑围护结构的热性能对建筑的能源效率和居住者舒适度具有关键影响。研究表明，建筑围护结构约占建筑热负荷和相关热损失的50%–60%[14]、[15]、[16]。通过实施适当的隔热策略，可以降低建筑的能源需求。分析表明，在建筑外墙安装对外部温度变化有响应的隔热材料，可以将建筑能耗降低约13%–16%[17]。为了在2050年前实现碳中和，欧盟规定所有新建筑都必须获得能源性能证书，并且所有建筑必须在2028年前实现净零碳排放[18]。2018年对这些规定的修订强调了现有建筑的翻新，包括集成隔热材料，以提高运行能源效率。改善建筑围护结构热性能的材料通常具有低热导率和高热容量。低热导率的隔热材料可以减少通过建筑围护结构的热传递；高热容量则使材料能够在白天温度高峰时吸收和储存热量，在夜间温度下降时释放热量，从而延缓和降低室内温度峰值，减少夏季过热的风险[19]。多项研究考察了隔热材料的性能，包括其热导率[20]、热能储存[21]、热容量[22]、[23]以及环境影响[24]、[25]。CLT产业的全球扩张[26]、[27]促使人们更加关注CLT建筑在整个生命周期内的环境性能。多项研究强调了CLT相对于RC的碳减排潜力，表明使用CLT可以将温室气体排放量减少约14.6%[28]、[29]、[30]。Younis等人在对过去十年CLT相关碳足迹研究的综合回顾中指出，在多层建筑中用CLT替代传统材料，可以将这些建筑的总碳足迹减少多达40%[12]。
建筑运营期间的维修和维护是实现建筑行业可持续性的经济高效策略[31]。数据显示，美国和欧盟分别有66.3%和75%的建筑建于1990年之前[32]、[33]。研究表明，这些老旧建筑在当前日益严峻的气候条件下往往表现出围护结构性能不足。因此，对现有住宅建筑进行改造具有显著的节能潜力[34]、[35]。台湾政府的统计数据显示，1971年至1990年间台北市新建了约40万套住宅单元[36]，目前该市的建筑平均年龄为36.2年。值得注意的是，台北市71.2%的建筑使用年限超过30年[37]，这意味着其中许多建筑的围护结构隔热性能不佳，导致能源消耗增加。鉴于上述挑战，本研究探讨了现有RC住宅建筑的结构改造策略，重点是将传统的RC外墙替换为预制木材替代品。本研究符合国际碳减排框架，评估了用预制CLT系统替代传统RC外墙的环境和性能优势。研究设计了一种基于CLT的复合外墙系统，用于与RC建筑集成，并通过模拟探讨了该系统的材料性能、连接方式、施工可行性和安装顺序。此外，该系统已在台湾的一栋RC住宅建筑中得到应用，以获得见解并为在台湾节能和碳减排政策下推广CLT复合外墙提供实际建议。
CLT复合外墙的设计原则
基于CLT的复合外墙系统必须有效管理室内外空间之间的环境负荷。该系统的性能主要取决于其防水、防潮、气密、隔热和防火组件（见图1）。这些组件共同减缓了水、空气流动、噪音和火灾的侵入。各组件的具体功能如下：
1.防水组件：防止雨水渗透，CLT复合
设计的CLT复合外墙
CLT复合外墙在确保建筑安全、耐久性、可维护性和居住者舒适性方面发挥着关键作用。因此，必须仔细考虑这些外墙内材料的物理特性和排列方式。CLT复合外墙的每一层都必须经过精心设计，以实现防水、防潮、隔热和防火功能。空调能耗
空调能耗的模拟结果如图12所示。在四种比较模型中，Type-RC模型的能耗最高，为21.61 EUI。Type-CLT(9)、Type-CLT(15)和Type-Hybrid模型的能耗分别比Type-RC模型低14.39%、14.58%和14.81%（分别为18.50、18.46和18.41 EUI）。因此，这三种模型的能耗相似，其中Type-Hybrid模型结论
在全球努力实现净零碳排放的背景下，CLT的低碳和节能特性在建筑行业中得到了越来越多的认可，使其成为传统混凝土和钢材材料的可行替代品。本研究评估了在台湾RC集合住宅中用基于木材的系统替代RC外墙的生命周期效益。研究结果为未来的城市更新和发展提供了宝贵的见解。资金来源
作者感谢台湾国家科学技术委员会提供的财务支持，资助编号为NSTC 113-2221-E-01044-MY2和National Taiwan University of Science and Technology II2-2。作者贡献声明
蔡孟婷：概念构思、软件开发、资金获取、调查、方法论、项目管理、资源协调、监督、验证、撰写——审阅与编辑。Phylicia Deosephine Soegiono：验证、撰写——审阅与编辑。李伟伦：数据整理、正式分析、软件开发、可视化、初稿撰写、审阅与编辑。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
作者感谢台湾国家科学技术委员会提供的财务支持，资助编号为NSTC 113-2221-E-011-044-MY2，以及台湾科技大学 II2-2。
