建筑废弃物资源化与管理|学术论文分享(第35期)— 社区建筑存量的物质流和隐含温室气体排放的时间分析

引言

原文信息

原文标题：

Temporal analysis of the material flows and embodied greenhouse gas emissions of a neighborhood building stock   

发表期刊：

《Journal of Industrial ecolocy》

原文作者：

Carine Lausselet

作者单位：

Norwegian University of Science and Technology, NTNU, Trondheim, Norway

关键词：

building material; circular economy; decision support; industrial ecology; life cycle assessment (LCA); material efficiency

原文链接：

https://doi.org/10.1111/jiec.13049

原文摘要

英文摘要：

Low-energy building standards shift environmental impacts from the operational to the embodied emissions, making material efficiency (ME) important for climate mitigation. To help quantify the mitigation potential of ME strategies, we developed a model that simulates the temporal material flows and greenhouse gas embodied emissions(GEEs) of the material use in the construction and renovation activities of a neighborhood by combining life-cycle assessment with dynamic material-flow analysis methods. We applied our model on a “zero emission neighborhood” project, under development from 2019 to 2080 and found an average material use of 1,049 kg/m2, an in-use material stock of 43 metric tons/cap, and GEEs of 294 kg CO2e/m2. Although 52% of thetotal GEEs are caused by material use during initial construction, the remaining 48% are due to material replacements in a larger timeframe of 45 years. Hence, it is urgent to act now and design for ME over the whole service life of buildings. GEEs occurring far into the future will, however, have a reduced intensity because of future technology improvements, which we found to have a mitigation potential of 20%. A combination of ME strategies at different points in time will best mitigate overall GEEs. In the planning phase, encouraging thresholds on floor area per inhabitant can be set, materials with low GEEs must be chosen, and the buildings should be designed for ME and in a way that allows for re-use of elements. Over time, good maintenance of buildings will postpone the renovation needs and extend the building lifetime.

中文摘要：

低能耗建筑标准将环境影响从建筑运营期的排放转移到隐含排放，材料效率的调节对减缓气候变化十分重要。为了帮助量化材料效率策略的缓解潜力，该研究开发了一个模型，将生命周期评估与动态的物质流方法相结合，模拟社区建设和翻新活动中材料的消耗和温室气体隐含排放。该研究将模型应用于 “零排放社区”项目，发现2019 年至 2080 年开发平均材料使用量为 1,049 kg/m2，在用材料库存为 43 Mt/cap，隐含气体排放量为 294 kg CO2e/m2。尽管隐含气体排放量总数的 52% 是由初始施工期间的材料使用引起的，但其余 48% 是由于 45 年甚至更长的时间范围内的材料更换引起的。因此，当务之急是在建筑物的整个使用寿命期间设计材料效率。然而，由于未来的技术改进，隐含气体排放量在未来将降低强度，研究表明其缓解潜力为 20%。不同时间点上材料效率策略的组合将更好地缓解整体的隐含气体排放量。在规划阶段，鼓励设置人均居住面积的阈值，必须选择低 GEE 的材料，并且建筑物应该为材料效率策略设计，并以允许建筑材料元素的重复使用。随着时间的推移，良好的建筑物维护将推迟改造需要及延长建筑物的使用寿命。

研究目的及意义

研究目的：

为了更好地理解在社区早期规划阶段所做的决策的影响，此研究开发了一个组合的DMFA-LCA模型。该模型从60年时间范围内的社区的施工、改造和拆除活动中估计隐含温室气体排放量。该模型应用于挪威零排放社区Ydalir项目，以回答以下问题：（1）随着时间的推移，在施工、改造和拆除活动中，哪些材料主导了材料流动？（2）在施工和改造活动中，哪些材料对总环境贡献最大？（3）所选材料效率战略的全球环境环境缓解潜力是什么？

研究意义：

从材料提取和使用的角度为快速发展的国家和城市提供政策建议，它能够将施工、改造、拆除活动的动态分析中的长期时间性与建筑详细的材料生命周期库存相结合。减少了对个别建筑类型使用详细具体案例的生命周期材料库存材料流量估计的不确定性，并提供了更可靠的结果。该策略将帮助建筑师保持他们的设计选项遵循正确的GEE强度目标轨道。每种材料的GEE强度和寿命将被平衡，以保持在建议的目标极限以下。预测材料的流出可以用来确定重用或回收这些资源的机会。 

研究方法及过程

研究将动态的物质流方法和生命周期评价法相结合构成DMFA-LCA模型，由以下三部分组成：（1） 通过确定年度施工、改造和拆除活动的数量来模拟社区的长期建筑存量，（2） 建立表征每个原型的材料库存建筑存量并确定每种材料的年度隐含温室气体排放强度的模型，（3）结合（1）和 （2）计算 60 年时间范围内的材料流量和隐含温室气体排放量。  

（1）长期动态建筑存量

t--年份；BS--建筑存量；ΔBS(t)建筑存量在t年内的变化。即t年新建拆迁活动的差额。

（2）物质流量和隐含温室气体排放量计算

A_floor：不同维度（年份、类型、活动状态）的建筑面积矩阵

M_inv ：材料库存矩阵

M_fows: 物质流量

GEE_int: 隐含温室气体排放因子强度矩阵

（3）材料效率场景预测

总共建立了八个材料效率方案来检查 Hertwich 等人审查的三个材料效率策略。通过设置GEE强度的最低和最高的可能值用于每个类别的材料中的不确定性范围。

研究结果

（1）建筑面积动态变化

最初的施工活动发生在 2019 年至 2030 年。幼儿园和学校于 2019 年建成，住宅 SFH 从 2019 年至 2030 年统一建造。SFH 的第一次改造活动从 2035 年开始，从第一批开始进行一些改造 2040 年代第二批和第三批开始时改造活动增加，并在 2050 年代达到顶峰。

 2080 年，43% 的第一批住宅进行了改造，32% 和 12%从第二个和第三个开始，分别进行了改造。总共有 32% 的社区建筑存量在 2080 年进行了第二次改造。

第一批住宅的拆除预计将于 2064 年开始。至 2080 年，拆迁面积为 25600 平方米，占初始建筑存量的 24%。

（2）材料和温室气体排放的使用强度

幼儿园和SFHs的建筑材料强度分别为743kg/m2和731kg/m2。学校的材料强度为1024kg/m2，比幼儿园和学校高40%，主要原因是地基和基础（混凝土、木材、沥青等矿物）材料使用较高。在所有的原型中，混凝土和木材占建筑活动中材料需求的63-89%。

在建设阶段，幼儿园排放量最少，234kgco2e/m2，其次是277kgco2e/m2，408kgco2e/m2。在改造阶段，幼儿园、学校和住宅的隐含温室气体排放强度强度分别占其建筑面积的25%、23%和53%。

（3）物质材料存量和隐含温室气体排放变化情况

施工、改造和维护社区建筑存量面积共需要114Kt材料：建设71%，改造13%，新建16%维护建筑存量建筑面积随着时间的推移保持不变。2030 年之后，材料库存积累几乎保持不变，直到 2045 年左右开始第一次改造活动。

多年来，混凝土和木材的流量在物质流中占主导地位，分别占总物质流的55%和25%。总共排放了82ktCO2e，相当于总量的294kgCO2e/m2.52%为初始施工活动，36%为改造活动，其余12%为新建筑。

（4）场景预测结果分析

建筑材料效率情景的结果显示隐含温室气体排放的缓解潜力在 7% 到 44% 之间。两个不确定性情景 S9 和 S10 表明，为相同材料选择另一种隐含温室气体排放强度将在很大程度上影响累积隐含温室气体排放量，从 S10 的 60% 减少到 S9 的 80%。

施工活动导致隐含温室气体排放快速增加，并在2030年达到峰值，这约占研究期间所有情景中累积隐含温室气体排放的一半。通过实施建筑材料效率策略，提高建筑材料产量的建筑峰值可降低9%，通过更密集使用（S1）降低13%，结合上述两种策略可降低20%（S8）。

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