景觀加勁擋土牆在節能減碳上的效益探討

摘 要

自從工業革命以來,人類大量使用化石燃料,造成以二氧化碳(CO2)為主的溫室氣體大量逸散至大氣中,其易吸收長波輻射氣體之特性造成地球暖化現象,造成多種環境問題。科學家預測,針對溫室效應若不採取任何防治措施,則於西元2100年時,地表溫度將較目前增加多達6.4℃,對全球氣候,將有深遠之影響。有鑑於減碳工作應從各方面各領域一起努力達成,吾輩工程師亦不能置身事外,就大地工程領域而言,筆者針對國內外有關加勁擋土牆工法與傳統擋土牆工法減碳效能及其相關營建成本,作一綜合性的效益探討,供各界先進參酌,一昧的採用混凝土結構物的迷思是否應該有所改變?
前言

近年來,環境惡化與氣候變遷的狀況與速度都讓災害成為全民共同的記憶,也造成公共設施與人民生命財產的嚴重損失。為因應氣候劇變所帶來之衝擊,節能減碳的措施已成為各國優先處理的議題。依據“2008年政府永續發展指標現況報告“指出,台灣一年二氧化碳排放量達2億5千多萬噸,也就是台灣每人年平均碳排放量約11.17公噸,換算成每人每天碳排放量約為30.6公斤,位居全球第22名。

為減緩人為開發產生的環境負荷對自然環境之傷害,本文針對大地工程領域常用之擋土結構物,分別探討混凝土及RC擋土牆與景觀加勁擋土牆之生命週期各個階段,50年使用週期之CO2排放量及營建成本比較,作為加勁擋土牆在減碳及成本效益上的探討。

結構物生命週期碳排放量評估方法

若從營建產業的觀點來看,CO2排放之主要起因於建材的生產、運輸、營建過程、日常能源的使用、建築之更新修繕到拆除、建材再回收等幾個面向。生產線直接耗能法相當於建材生產線的直接耗能統計,是目前普遍認為最直接可靠的CO2排放量統計法,因此本文採用生產線直接耗能統計法,進行混凝土及RC及景觀加勁擋土牆生命週期減碳效能比較。生命週期各階段計算算法分述如下:

1.生產階段

所謂建材生產階段之CO2排放量,即營建物之各項建材於其「原料生產,運送至加工廠,以至各種原料經過二次加工成為可利用之建材」此一過程中的CO2排放量,而混凝土及RC擋土牆之原料生產階段並不牽涉到二次加工之過程,故其建材生產階段CO2排放量只有一次原料生產的部分:

y = Σ(各項一次原料重量 ×單位重量生產之CO2排放量) + Σ(各項一次原料重量 ×單位重量運輸之CO2排放量) +Σ(各項建材重量 ×單位重量二次加工之CO2排放量)

其中

y:擋土牆之建材生產階段CO2排放量(kg)

2.施工階段

所謂施工階段,即各項建材運送至工地,使用怪手、吊車、起重機等機具設備吊動、組裝、裁切建材,以至完成該營建工程中,耗費之能源所造成之CO2排放。

在建材運送至工地部份,本研究參考張又升君之博士論文中,「台灣2000年全國公路汽車貨運平均運距CO2與排放量推估值」,其中塑膠製品為0.0575kg-CO2/kg,即每運送1公斤塑膠製品至工地,平均會製造0.0575公斤的CO2,以此作為本研究之景觀加勁擋土牆建材中,塑膠類建材過程CO2排放之計算基礎。

而在本研究之景觀加勁擋土牆建材中,透水粒料(即砂礫)的部份,則參考張又升君之博士論文中「台灣建築相關產品CO2排放統計表(2002年更新版—建材生產含運輸)」,每m3砂礫於運輸階段會產生52.64公斤之CO2,作為計算基礎。

在建材運送至工地部份,本研究引用張又升君之博士論文所推估之「台灣建築相關產品CO2排放量表(2002年更新版--建材生產含運輸)」為依據計算本階段各項建材(預拌混凝土類、鋼鐵類)運送至工地之CO2排放量為104.73 kg-CO2/m3

3.日常使用階段

擋土牆體理當沒有所謂「日常使用」所衍伸出來的耗能與CO2排放。然本研究之景觀加勁擋土牆完工之後因牆體表面附生植栽,而植物行光合作用能吸收大氣中的CO2,故若以50年期之景觀加勁擋土牆生命週期而言,在此日常使用階段內,植栽能吸收大氣中的CO2,對於整體生命週期將有CO2排放負成長之貢獻。

故本文參考現行綠建築評估指標中「綠化量指標」所列「各種植栽單位面積二氧化碳固定量Gi」,由於本研究景觀加勁擋土牆之植生披覆多為草本植物及籐蔓類,故取「各種植栽單位面積二氧化碳固定量Gi」中多年生藤蔓之數據100(kg/m2)與野生草地兩者數據之平均值60;而此數據是以40年期訂定,故將之除以40,即得1.5(kg/m2)作為本研究景觀加勁擋土牆生命週期中,每年每單位面積植栽所能吸收之CO2重量。

4.修繕階段

本階段討論關於生命週期中,擋土牆因為颱風、暴雨、地震或年久所造成之局部毀壞之修繕過程。

擋土牆體於生命週期中可能遭受到的人為或自然破壞可大可小,以一般經驗而言,擋土牆於遇上地震、暴雨山崩、土石流等災害之時,其破壞情形若非「嚴重破壞」即「輕微損傷」,而擋土牆若遭受嚴重破壞後,多以全部拆除重建為其主要處理模式,等於一個生命週期結束,進入另一個生命週期迴圈,故本研究不考慮此種情形,僅就能繼續延續擋土牆生命週期的較輕微之損傷狀態加以討論。

故本研究估計在擋土牆生命週期中,平均每20年內會有一次較重大的災害而造成牆體之局部破壞(牆體經此破壞仍可修補後繼續使用),而每次所需之修補用料假定為新建時之二成。即若在擋土牆50年生命週期之中,平均會有遇上兩次災害破壞,而每次修補破壞所需之材料量各為新建時的兩成。故擋土牆於此階段之CO2排放量如下式:

Y=0.2×n×(y1+y2)

其中:

Y:擋土牆之修繕階段CO2排放量 (kg)。
n:擋土牆生命週期之修繕次數(每20年1次)。
y1:擋土牆之建材生產階段CO2排放量 (kg)。
y2:擋土牆之施工階段CO2排放量 (kg)。
5.廢棄階段

本項評估包括搬運交通以及處理廢棄物的的能源消耗。然而,處理營建廢棄物的CO2排放量是難以評估的,因為景觀加勁擋土牆中廢棄物多以公路交通運輸至焚化爐或掩埋處回填,其CO2排放量不得而知。故本階段僅就擋土牆廢棄物經由交通運輸之CO2排放量。

本研究中,所有擋土牆構件於廢棄階段皆以廢土之形式為計,並考慮搬運時附含其他砂石植栽,故以原建材重量加計10%併入運送廢棄物重量;再參照張又升君之博士論文中「台灣2000年全國公路汽車貨運平均運距與CO2排放量推估值」,每運輸廢土類廢棄物1公斤,即釋放0.026 公斤之CO2。故以下式進行評估:

Y=1.1×X×0.026
其中:

Y:擋土牆之廢棄處理階段CO2排放量(kg-CO2)。
X:擋土牆建材總重量(kg)。
景觀加勁擋土牆節能減碳功效

以5m高的重力式擋土牆、懸臂式擋土牆及景觀加勁擋土牆這三種形式的擋土牆來做比較,擋土牆斷面圖及尺寸見圖一~三。在安全無虞的條件下,考量到50年生命週期中建材生產階段、施工階段、修繕階段、廢棄階段及日常使用階段下的碳排放,以每進行m的碳排放量比較,可得到表一及表二成果。由表四數據我們可以看出傳統RC擋土牆碳排放量約為景觀加勁擋土牆8倍左右(未考慮生命週期加勁擋土牆植生減碳效果),以景觀加勁擋土牆取代傳統RC擋土牆可減少約8成的碳排放量。

 

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圖一 5m高重力式擋土牆標準圖

852-8-4

圖二5m高懸臂式擋土牆標準圖

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圖三 5m高景觀加勁擋土牆標準圖

 

表一 擋土牆50年生命週期CO2排放量統計表
(H=5m,含日常使用階段) 

擋牆種類

建材生產階段

施工階段

日常使用階段

修繕階段

廢棄處理階段

生命週期總體

景觀加勁擋土牆

72.38

108.06

-391.5

72.18

132.94

-5.94

重力式混凝土擋土牆

1237.78

870.31

--

843.24

558.52

3509.85

懸臂式RC擋土牆

1264.19

627

--

756.48

402.64

3050.31

CO2排放量單位:kg-CO2/m

 

表二 擋土牆50年生命週期CO2排放量統計表
(H=5m,不含日常使用階段)

擋牆種類

建材生產階段

施工階段

修繕階段

廢棄處理階段

生命週期總體

景觀加勁擋土牆

72.38

108.06

72.18

132.94

385.56

重力式混凝土擋土牆

1237.78

870.31

843.24

558.52

3509.85

懸臂式RC擋土牆

1264.19

627

756.48

402.64

3050.31


CO2排放量單位:kg-CO2/m

營建成本分析

對於重力式、懸臂式及景觀加勁擋土牆相關營建成本評估資料,以2009年3月台灣建築物料價格計算,統計得重力式、懸臂式及景觀加勁擋土牆之單位面積營建成本如表三及營建成本比較如圖四所示,重力式及懸臂式擋土牆之建造成本隨牆高增加而大幅增加,而景觀加勁擋土牆於建造過程中,不因牆高增加而明顯增加材料、機具及人力等成本,相對於傳統之重力式與懸臂式擋土牆較符合施工之經濟效益。

相關比較說明如下:

(1)以3m擋土牆而言,景觀加勁擋土牆的建造成本約為重力式的96.6%。

(2)以5m擋土牆而言,建造成本由高而低之順序為懸臂式RC擋土牆>重力式混凝土擋土牆>景觀加勁擋土牆,其中景觀加勁擋土牆的建造成本分別約為重力式的76.3%及懸臂式的64.8%。

(3)以10m擋土牆而言,景觀加勁擋土牆的建造成本約為懸臂式的57.4%。

表三 擋土牆之單位面積營建成本分析表

牆體高度(m)

重力式擋土牆(/m2)

懸臂式擋土牆(/m2)

景觀加勁擋土牆(/m2)

註:景觀加勁擋土牆與重力式及懸臂式擋土牆之成本比較

3

3,248

-

3,138

(3138/3248)*100% = 96.6 %

4

3,897

-

3,146

 

5

4,726

5,563

3,604

(3604/4726)*100% = 76.3 %

(3604/5563)*100% = 64.8 %

6

-

5,791

3,657

 

7

-

6,542

4,461

 

8

-

6,880

4,600

 

9

-

7,838

5,132

 

 

852-8-6

圖四 擋土牆之單位面積營建成本分析圖

加勁工法減碳效果與未來展望

就”推動節能減碳公共工程”的方向來說,台灣每年均花費不少工程經費在整治山坡地的工作上,如能在治理工程上配合現今技術並輔以節能減碳的工法來治理,相信對減低碳排放會有相當的助益。以道路、邊坡工程而言,擋土牆為相當常見的結構物,然而在一般傳統的思維下,設計者多半採用傳統式的混凝土結構來施作,姑且不論其功效,就節能減碳的效果上來說實在是毫無助益,由本研究整理出的結果顯示,在安全無虞的設計條件下,以景觀加勁擋土牆取代傳統RC擋土牆可減少約80%的碳排放量,此一成果趨勢與德國G. Heerten針對加勁護坡與傳統工法的CO2排放比較可減少約82%亦大致符合,而英國WRAP 2009的研究成果也顯示出地工材料的應用對各項傳統工法的取代,可達到30~80%程度不一的減碳效果,綜合上述成果我們可以瞭解到地工材料及加勁工法的應用在減碳效果上確實是遠勝於傳統工法。

以2009年台灣地區景觀加勁擋土牆施作總數量約30.8萬m2來說(依當年格網使用量推估,盟鑫工業提供),評估可減少約16.4~19.2萬噸的碳排放(如表四),此排放量相當於350座大安森林公園每年可吸收的二氧化碳(註1)。

表四 碳排放量及減碳效果計算表
(以2009年概估格網用量308000m2計算)

計算面積308000m2

生命週期(不考慮植生減碳效果)總體CO2排放量

擋土牆形式

kg-CO2/m

kg-CO2/m2

總碳排放量(噸)

-1

H=5m之景觀加勁擋土牆

385.56

77.11

23726

-2

H=5m之懸臂式RC擋土牆

3509.85

701.97

215991

-3

H=5m之重力式混凝土擋土牆

3050.31

610.06

187711

加勁減碳效果(與懸臂式RC擋土牆比較)(2)-(1)

192265

加勁減碳效果(與重力式擋土牆比較)(3)-(1)

163985

 

註:生命週期以50年評估,相關數據參考"混凝土、RC及景觀加勁擋土牆生命週期減碳之研究",如考慮植生減碳效果,可減少總碳排18.8~21.6萬噸。
景觀加勁擋土牆取代傳統RC擋土牆的好處並不是只有減碳的功效,他還可以降低政府財政負擔,一般條件下,使用景觀加勁擋土牆取代傳統RC擋土牆可節省2~3成的工程成本(5m高加勁擋土牆造價約RC擋土牆7成左右),就減碳效果及節省工程經費方面實在是一舉數得。

註1:引用”提昇農民平地造林所得之探討計畫”中提到,一棵樹一年吸收14.5公斤的二氧化碳,一公頃的樹林一年可吸收20噸左右二氧化碳。一座大安森林公園一年可吸收相當於500噸左右二氧化碳。

結論

節能減碳的推動是世界的潮流,在大地工程領域上減少高碳排放量材料的使用是我們可以努力的方向之一,本研究針對坡地工程常用的擋土工法中以景觀加勁工法及傳統RC擋土工法提出相關數據作為比較,由上述研究成果我們可以得到以下結論:

(1)重力式及懸臂式擋土牆之CO2排放量均為景觀加勁擋土牆的7~9倍。
(2)景觀加勁擋土牆因附生植栽之優勢,於50年生命週期之CO2吸收效益甚至可達平衡或零碳排效益。
(3)景觀加勁擋土牆在牆高5m時,其建造成本約分別為重力式及懸臂式擋土牆的64.8%與76.3%。
(4)在安全條件下,推廣加勁工法取代傳統RC擋土工法可有效降低工程所產生的碳排放量並節省工程成本。
(5)2009年景觀加勁擋土牆的減碳效果相當於350座大安森林公園一年的碳吸收量,如能在推廣使用對節能減碳的目標有相當大的助益。
(6)本研究探討之碳排計算方式也許未臻完尚,但加勁工法的減碳效果相信已相當明顯。盟鑫工業在工程減碳上的努力也不斷持續進行中,於2012年底配合加興營造已完成全球首座實體全尺寸工程碳足跡盤查認證,待日後有機會再與各位讀者分享,也希冀各位工程先進們在工程的領域裡一起為減碳工作盡一份綿薄心力。
參考文獻

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WRAP (2009), ”Sustainable geosystems in civil engineering applications ”, Project Code MRF116, May 2009.
Heerten, G. (2009), ”Reduction of climate-damaging gases in geotechnical engineering by use of geosynthetics”, Proc. Int. Symp. on geotechnical engineering, ground improvement and geosynthetics for sustainable mitigation and adaptation to climate change including global warming, Bangkok, Thailand.


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