مقایسه مصرف انرژی و انتشار کربن سازه های فولادی و بتن آرمه

توسط: دکتر حسین تقدس، مهندس پوریا مهرزاد

۱- مقدمه

مصالح مختلفی نظیر فولاد، بتن، آرماتور، چوب و … قابلیت اجرا در المان های سازه های ساختمانی را دارند. از میان این مصالح،  قاب های بتن آرمه و فولادی در کشور ما بیشتر از سایر قاب های ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرند، بطوری که طبق آمار منتشر شده توسط مرکز آمار کشور در بهار سال ۱۳۹۸، تعداد ۳۶۵۳۷ پروانه احداث ساختمان در سراسر کشور صادر گردیده است که از این میان، ۵۵۰۸ سازه فلزی و تعداد ۲۵۶۵۱ سازه بتن آرمه بوده است.

در انتخاب متریال قاب های ساختمانی، می توان معیارهای متفاوتی از جمله هزینه، زمان و مسائل محیط زیستی را  مدنظر قرار داد. اسیدی شدن هوا و بارش باران اسیدی، کاهش منابع سوخت فسیلی، گرمایش زمین، آلودگی هوا، مصرف آب، نیتراته شدن آب ها، تخریب لایه اوزون و رها شدن مواد سمی در آب، هوا و زمین اثرات مخرب صنعت ساخت بر روی محیط زیست می باشند (یاتس و کاسترو، ۲۰۱۸).

بنابر نظر حسینی و همکاران ۲۰۱۹، گرمایش جهانی یکی از بزرگترین و احتمالا سخت ترین تهدیدات زیست محیطی، اجتماعی و اقتصادی است که جهان در قرن اخیر با آن مواجه گردیده است. بسیاری از محققان بیان کرده اند که در بین سالهای ۱۷۵۰ و ۲۰۰۵ انتشار CO2 بیشترین تاثیر را بر تغییرات اقلیمی داشته است. گازهایی که بطور معمول در صنعت ساخت منتشر می گردند کربن دی اکسید، متان و نیتروس اکسید می باشند و دلیل بیش از ۹۷ درصد گرمایش زمین هستند (پمپونی و همکاران، ۲۰۱۸). همچنین انیش و شیواپراساد در سال ۲۰۱۷ عنوان کردند که صنعت ساخت عامل ۴۰ درصد از مصرف انرژی، و ۴۰ الی ۵۰ درصد از تولید گازهای گلخانه ای می باشد.

بررسی مسائل محیط زیستی مربوط به مصرف انرژی و گرمایش زمین در کشور ما از آنجایی اهمیت افزونی در مقایسه با سایر کشورها دارد که کشور ما یکی از بالاترین رتبه ها را در میان تمام کشورهای جهان در زمینه مصرف سوخت دارد. ایران پس از ونزوئلا, عربستان سعودی, و کانادا, دارای بزرگترین منابع نفت ثابت در جهان می باشد و همچنین بزرگترین مخازن گاز طبیعی پس از روسیه را دارا می باشد. فراوانی عظیم سوخت های فسیلی و عدم تدوین سیاست های کلان در خصوص کاهش مصرف انرژی در کشور ما یاعث گردیده است که سرانه مصرف انرژی در کشورمان ۵۷ درصد بالاتر از میانگین جهانی بوده و از لحاظ تولید CO2 رتبه هفتم را دارا باشد (حسینی و همکاران، ۲۰۱۹).

جهت کاهش مسائل محیط زیستی مربوط به مصرف انرژی و گرمایش زمین، کشورهای مختلف میزان مالیاتهای متفاوتی را به ازای تولید کربن دی اکسید معادل وضع کرده اند. بنابر گزارش بانک جهانی، این میزان در سال ۲۰۱۴ برای کشور پرتغال ۵ یورو و برای کشور فرانسه ۷ یورو به ازای تولید هر تن کربن دی اکسید معادل می باشد. در کشور ما سیاست به خصوصی در زمینه کاهش میزان کربن دی اکسید معادل تولیدی اتخاذ نگردیده است. اما در پژوهشی که در سال ۱۳۹۸ توسط فرازمند و همکاران انجام شد، بیان گردید که هزینه های اجتماعی مربوط به این مسئله محیط زیستی در سال ۱۳۹۵ به میزان۵۱۳،۸۹۱  ریال در ازای تولید هر تن کربن دی اکسید معادل می باشد.

با توجه به وجود منابع عظیم سوخت فسیلی در کشور ما و سهم عظیم صنعت ساخت در مصرف این منابع، اثرات مخرب فراوان ناشی از مصرف سوخت فسیلی و عدم تدوین سیاستهای متناسب در راستای کاهش میزان مصرف انرژی (نظیر اخذ مالیات) بررسی و مقایسه سهم احداث سازه های بتن آرمه و فولادی در بروز این مسائل ضروری می باشد تا بدین طریق با اخذ تصمیم مناسب در انتخاب مصالح قابهای ساختمانی بروز مسائل محیط زیستی ذکر شده را در کشور کاهش داد.

۲- بررسی مسائل محیط زیستی به روش ارزیابی چرخه حیات

جهت بررسی مسائل محیط زیستی، ارزیابی چرخه حیات در ایزو ۱۴۰۴۴ (ایزو، ۲۰۰۶) به عنوان یک روش مناسب جهت ارزیابی تاثیرات محیط زیستی تولید و مصرف مصالح در سراسر چرخه عمر یا در یک بازه زمانی خاص معرفی گردید (راسی، ۲۰۱۷). چرخه عمر یک ساختمان شامل مراحل تولید و حمل و اجرای مصالح، بهره برداری (نگهداری)، بازسازی و تخریب می باشد و مسائل محیط زیستی سازه های ساختمانی عمدتا به مرحله تولید و حمل مصالح، و اجرای آن ها  باز می گردد و با توجه به سهم کم مرحله تخریب می توان از بررسی آن صرف نظر نمود (یوسفی و قلی پور، ۱۳۹۷). با توجه به تفاوت آنالیز انرژی دوره بهره برداری از سایر مراحل مذکور و تاثیر متغیرهای متعدد بر مقایسه مصرف انرژی بهره برداری سازه های فولادی و بتن آرمه نظیر نحوه پوشش المانهای پیرامونی  توسط متریال نازک کاری، از بررسی انرژی مصرفی این مرحله نیز صرف نظر می گردد.

۱-۲- ارزیابی مرحله تولید و حمل چرخه عمر ساختمان

جهت ارزیابی مسائل محیط زیستی این مرحله، نیاز به داده های معتبری می باشد. در کشورهای مختلف داده های مختلفی توسط سازمان های مربوطه آن کشورها تهیه گردیده است، اما در کشور ما چنین اطلاعاتی از جانب این سازمانها تهیه نگردیده است. جهت بررسی این موضوع گل زاده و رمضانیان پور در سال ۱۳۹۴ در پژوهشی به بررسی مسائل محیط زیستی تولید و حمل مصالح در ایران پرداختند و با بررسی میزان تولید کارخانه های مختلف تولید مصالح و تکنولوژی های مورد استفاده در خصوص تولید مصالح و همچنین در نظر گرفتن شهر تهران به عنوان مورد مطالعاتی خود مقادیر درج شده در جدول ذیل را به عنوان پروفیل های محیط زیستی تولید و حمل مصالح ساختمانی در داخل کشور معرفی کردند. تولید CO2 محصول مصرف سوخت فسیلی است.

در بررسی و مقایسه اطلاعات ارائه شده در خصوص مصرف انرژی و تولید کربن دی اکسید، باید اشاره کرد که مصرف انرژی با انتشار CO2 رابطه مثبتی دارد و هرچه مصرف انرژی افزایش یابد، کربن دی اکسید بیشتری نیز تولید می گردد (حسینی و همکاران، ۲۰۱۹). علاوه بر مصرف انرژی واکنش تجزیه سنگ آهک جهت تولید سیمان مقدار زیادی کربن دی اکسید تولید می کند (گل زاده و همکاران، ۱۳۹۴). در نتیجه میزان کربن دی اکسید مندرج در خصوص مصالح فولادی شامل فولاد و میلگرد فقط ناشی از انرژی مصرفی زمان تولید و حمل آنها می باشد، در صورتی که در خصوص مصالح اصلی تشکیل دهنده بتن (سیمان، آب، سنگدانه) به علت تولید کربن دی اکسید در زمان تولید سیمان، این مورد ناشی از مصرف انرژی تولید و حمل مصالح و همچنین واکنش های صورت گرفته در هنگام تولید سیمان می باشد.

جدول۱- مقادیر مصرف انرژی و تولید کربن دی اکسید معادل در تولید و حمل و استفاده مجدد مصالح فولادی در ایران

مصالح  (kg/m3) وزن مخصوص  (Gj/ton) انرژی نهفته  (ton/ton) کربن دی اکسید معادل  
میلگرد ۷۸۵۰ ۲۶٫۲۷ ۲٫۱۲
فولاد ۷۸۵۰ ۲۳٫۴۳ ۱٫۶۱

 

جدول۲- مقادیر مصرف انرژی و تولید کربن دی اکسید معادل در تولید و حمل بتن در ایران

مصالح  (kg/m3) وزن مخصوص  (Gj/m3) انرژی نهفته (ton/m3) کربن دی اکسید معادل  
بتن ۲۴۰۰ ۲٫۲۳ ۰٫۲۶

 ۲-۲- ارزیابی مرحله ساخت چرخه عمر ساختمان

سوخت مصرفی توسط ماشین آلات و تجهیزات سهم عمده ای در مصرف انرژی و تولید آلاینده های محیط زیستی مرحله اجرا دارند و سایر مسائل به تجهیزکارگاه ساخت و انرژی مصرفی کارگران و … مربوط می باشد. بنابر توضیحات مندرج در نشریه شماره ۴۴۹ منتشر شده توسط سازمان برنامه و بودجه کشور هنگامی که يك موتور بنزينی تحت شرايط استاندارد بكار گرفته ميشود، ۰٫۲۲۷  ليتر سوخت به ازای هر اسب بخار ساعت قدرت انتقالی به چرخ ها مصرف ميكند. در حاليكه موتور ديزل حدود  ۰٫۱۵  ليتر سوخت به ازای هر اسب بخار ساعت قدرت انتقالی به چرخ ها مصرف ميكند.

مقدار سوخت مصرفی این مرحله از چرخه حیات یک ساختمان سهم اندکی از میزان کل انرژی مصرفی چرخه حیات آن را شامل می شود. بنابر نتایج پژوهش انجام شده توسط هروی و همکاران در سال ۲۰۱۴، میزان مصرف انرژی دوره ساخت در خصوص موردهای مطالعاتی مختلف بتن آرمه ساخته در ایران بین ۰٫۰۱ الی ۰٫۰۸ گیگاژول به ازای اجرای هر متر مربع می باشد، در حالی که این میزان برای ساختمان های فولادی بین ۰٫۰۶ الی ۰٫۳۴ به ازای اجرای هر متر مربع زیربنا می باشد. نتایج آن ها نشان دهنده میزان انرژی مصرفی بیشتر سازه فولادی نسبت به سازه بتن آرمه می باشد.

۳- بحث

با بررسی مسائل محیط زیستی مورد نظر توسط نویسندگان این مقاله در خصوص احداث یک سازه ی مطالعاتی مسکونی پنج طبقه در شهر تهران با مساحت زیربنای ۶۵۰ متر مربع و با در نظر گرفتن یک نوع طرح اختلاط برای بتن مصرفی و همچنین قاب خمشی متوسط برای سیستم باربری جانبی در سازه های فولادی و بتن آرمه مشخص گردید که میزان انرژی مصرفی سازه ی بتن آرمه ۱٫۳۱ گیگاژول به ازای هر متر مربع و میزان تولید کربن دی اکسید معادل آن ۰٫۱۷ تن به ازای هر متر مربع می باشد، در صورتی که میزان مصرف انرژی و تولید کربن دی اکسید معادل برای احداث ساختمانی در همان محل و با همان تعداد طبقات و مساحت برای سازه ی فولادی به ترتیب ۱٫۸۴ گیگا ژول به ازای هر متر مربع و ۰٫۱۲ تن به ازای هر متر مربع می باشد.

نتایج پژوهش هروی و همکاران در سال ۲۰۱۴ در مورد مقایسه احداث پروژه های ساختمانی مسکونی با قاب ها و تعداد طبقات مختلف نشان داد که میزان مصرف انرژی مرحله تولید و ساخت هر متر مربع سازه های ساختمانی در خصوص موردهای مطالعاتی مختلف متفاوت می باشد. همچنین بنابر پژوهش آن ها بطور میانگین مصرف انرژی در سازه های با قاب بتن آرمه کمتر از سازه های با قاب فولادی می باشد. اما در پژوهشی در سال ۲۰۱۶ توسط پاکوا و همکاران که در مورد پروژه های ساختمانی کشور سنگاپور انجام گردید استفاده از سازه های فولادی در مقابل سازه های بتن آرمه جهت کاهش مصرف انرژی و تولید کربن دی اکسید معادل در این کشور پیشنهاد گردید. علت وجود اختلاف در میان این پژوهش ها، نشانگر تاثیر متغیرهای متعدد بر روی این مقایسات می باشد.

مقادیر مصرف انرژی و تولید کربن دی اکسید معادل برای سازه های فولادی و بتن آرمه رابطه مستقیمی با مقدار مصالح مصرفی هر کدام از قاب های ساختمانی دارد. پاکوا و همکاران (۲۰۱۶) با بررسی آیین نامه مورد استفاده در کشور سنگاپور جهت طراحی سازه های ساختمانی (ACI) بیان کردند که جهت تبدیل یک سازه فولادی به بتن آرمه، به ازای هر کیلوگرم فولاد ۱ الی ۴٫۵ کیلوگرم آرماتور و بتن مورد نیاز می باشد. گرچه به ظاهر میزان مصالح مورد استفاده در سازه بتن آرمه بیشتر از سازه فولادی در یک ساختمان مشابه می باشد، اما با توجه به تفاوت میزان مصرف انرژی تهیه و تولید مصالح تشکیل دهنده آنها و همچنین وجود متغیرهای وابسته فراوان نظیر نوع سیستم باربری جانبی، تعداد طبقات و …، نوع و زمان متفاوت ماشین آلات مورد استفاده در اجرای آنها نمی توان بصورت دقیق بیان کرد که کدام یک از مصالح فولاد و یا بتن آرمه را در زمان احداث قابهای ساختمانی در کشور مورد استفاده قرار داد تا بدین طریق انرژی کمتری مصرف گردیده و همچنین اثار مخرب مربوط به گرمایش زمین کاهش یابد.  

در خصوص علت وجود این اختلاف و نتایج متناقض باید اشاره کرد که برخی عوامل وابسته نظیر نوع خاک محل اجرای ساختمان و زلزله خیزی آن منطقه بر روی مصرف انرژی و گرمایش زمین ناشی از احداث قابهای ساختمانی اثرگذار هستند، بدون آنکه بتوان به راحتی آنها را تغییر داد و اثرشان را در بروز این مسائل کاهش یا افزایش داد. اما برخی متغیرهای وابسته نظیر نوع قاب ساختمانی (بتن آرمه یا فلزی)، نوع سیستم باربری جانبی قاب ها، تعداد طبقات، طرح اختلاط بتن، نوع اتصالات قاب و فاصله کارخانه تولید مصالح تا محل اجرا، از عواملی هستند که بر روی مصالح مورد نیاز و مسائل محیط زیستی ناشی از آن تاثیر گذار هستند و با تصمیم گیری مناسب در خصوص آنها می توان این مسائل را کاهش داد.

اخذ مالیات یکی دیگر از روش های کاهش تولید کربن دی اکسید می باشد که این موضوع بطور مستقیم بر روی کاهش مصرف انرژی تاثیر به سزایی دارد. با توجه به نتایج بدست آمده بر روی مورد مطالعاتی مذکور مشخص گردید که در صورت اخذ ۱،۲۵۰،۰۰۰   ریال مالیات به ازای تولید هر تن کربن دی اکسید معادل، میزان مالیات مربوط به سازه بتن آرمه ۲۱۲،۵۰۰ ریال به ازای هر متر مربع  و میزان مالیات سازه فولادی ۱۵۰،۰۰۰ ریال به ازای هر متر مربع می باشد که در صورت اخذ چنین میزان مالیاتی، سهم اندکی از هزینه های کلی را شامل می گردد و احتمالا تاثیر چندانی بر روی تصمیم گیری ذی نفعان پروژه در خصوص انتخاب نوع مصالح سازه های ساختمانی نخواهد گذاشت.

۴- نتیجه گیری

به دلیل سهم بالای صنعت ساخت در بروز مشکلات محیط زیستی، مصرف انرژی، و گرمایش زمین نگرانی های فراوانی در سطح جهانی وجود دارد. در کشورهای مختلف جهت کاهش و جبران هزینه های اجتماعی ناشی از آن به ازای تولید هر تن کربن دی اکسید معادل، مالیات اخذ می گردد. اما در کشور ما تصمیمی در خصوص کاهش این مسائل محیط زیستی اتخاذ نگردیده است و حتی در صورت اخذ مالیاتی به میزان ۱،۲۵۰،۰۰۰ ریال به ازای تولید هر تن کربن دی اکسید معادل نیز، این میزان میزان کمی از کل هزینه ،های احداث سازه های ساختمانی را شامل می گردد و تاثیر چندانی بر روی تصمیم گیری عوامل سازنده نخواهد گذاشت. اما با اخذ تصمیم گیری مناسب تر در مورد نوع قاب های ساختمانی قسمتی از این مسائل محیط زیستی کاهش خواهد یافت .

علیرغم میزان مصرف انرژی بیشتر احداث سازه فولادی نسبت به سازه بتن آرمه در مورد مطالعاتی عنوان شده، نمی توان این موضوع را برای تمام ساختمانهای احداثی در سراسر کشور تعمیم داد و بررسی دقیق همانطور که بیان گردید نیاز به در نظر گرفتن تمام متغیرهای مربوط و مقایسه آن ها می باشد. همانطور که در بخش قبلی عنوان گردید، میزان مصرف انرژی و تولید کربن دی اکسید معادل در سازه های ساختمانی، ارتباط مستقیمی با میزان مصالح مصرفی آن ها دارد. میزان مصالح مصرفی به عوامل متعددی بستگی دارد که برخی از عوامل نظیر لرزه خیزی محل اجرای ساختمان، ثابت بوده و برخی دیگر نظیر طرح اختلاط بتن مورد استفاده در سازه های بتن آرمه، متغیر می باشند.

جهت مقایسه دقیق و کامل مسائل محیط زیستی مذکور در اجرای سازه ی ساختمانی از میان مصالح مورد استفاده در سازه های فولادی و بتن آرمه، نیاز به مقایسه تمام حالتهای ممکن شامل انواع طرح اختلاط، انواع سیستم های باربری جانبی و … در طراحی سازه های فولادی و بتن آرمه می باشد تا بتوان از میان آنها گزینه ای را انتخاب کرد که باعث بروز مسائل محیط زیستی کمتری می گردد.

۵- منابع

مرکز آمار ایران (بهار ۱۳۹۸) اطلاعات پروانه های ساختمانی صادرشده توسط شهرداریهای کشور، تهران، دفتر ریاست، روابط عمومی و همکاری های بین الملل

سازمان برنامه و بودجه کشور (۱۳۹۷) آنالیز دفترچه فهرست بهای کشور

سازمان برنامه و بودجه کشور (۱۳۸۸) مدیریت بهره برداری ماشین آلات (نشریه شماره ۴۴۹)

فرازمند، حسن ؛ صلاح منش ، احمد؛ اندایش، یعقوب؛ رضایی، محمدرضا ( ،)۱۳۹۸برآورد هزینه اجتماعی کربن در ایران : مفاهیم و نتایج مدل  DICE-2016Rو رویکردهای جایگزین- نشریه علمی (فصلنامه) پژوهش ها و سیاست های اقتصادی

گل زاده، پویا ؛ رمضانیان پور، امیر محمد (۱۳۹۴)، مطالعه و بررسی نقش مواد و مصالح در اجرای ساختمانهای بتنی معمولی بر اساس معیارهای توسعه پایدار- پردیس دانشکده فنی دانشگاه تهران

یوسفی، فاطمه ؛ قلی پور، یعقوب (۱۳۹۷)، ارزیابی مصرف انرژی طول عمر یک ساختمان مسکونی واقعی در شهر تهران- نشریه هنرهای زیبا- معماری و شهرسازی

Aneesh, N. R., Shivaprasad, K. N., & Das, B. B. (2018). Life cycle energy analysis of a metro station building envelope through computer based simulation. Sustainable Cities and Society, ۳۹, ۱۳۵-۱۴۳٫

Fenner, A. E., & Kibert, C. J. (2016). Sustainable manufacturing: Design and construction
strategies for manufactured construction (1st Edition ed.). Gainesville: University of
Florida.

Hosseini, S. M., Saifoddin, A., Shirmohammadi, R., & Aslani, A. (2019). Forecasting of CO2 emissions in Iran based on time series and regression analysis. Energy Reports, ۵, ۶۱۹-۶۳۱٫

ISO 2006. Environmental management – Life cycle assessment – Requirements and guidelines ISO 14044:2006(E). International Organization for Standardization

Pomponi, F., De Wolf, C., & Moncaster, A. (2018). Embodied carbon in buildings: Measurement, management, and mitigation. In Embodied Carbon in Buildings: Measurement, Management, and Mitigation. https://doi.org/10.1007/978-3-319-72796-7

Heravi, G., Nafisi, T., & Mousavi, R. (2016). Evaluation of energy consumption during production and construction of concrete and steel frames of residential buildings. Energy and Buildings, ۱۳۰, ۲۴۴-۲۵۲٫

Kua, H. W., & Maghimai, M. (2017). Steel‐versus‐Concrete Debate Revisited: Global Warming Potential and Embodied Energy Analyses based on Attributional and Consequential Life Cycle Perspectives. Journal of Industrial Ecology, ۲۱(۱), ۸۲-۱۰۰٫

Rraci, D. (2017). Interoperability between architectural and structural BIM software in the case of a mall. December.

World bank, (2014), Putting a price on carbon with a tax. Available on: www.worldbank.org

Yates, J. K., & Castro-Lacouture, D. (2018). Sustainability in Engineering Design and Construction. In Sustainability in Engineering Design and Construction. https://doi.org/10.1201/9781315368665