文献阅读 | 评估到2060年中国建筑施工脱碳的潜力以及与工业部门的协同作用

题目

Assessing the potential of decarbonizing China's building construction by 2060 and synergy with industry sector

作者

Yang Zhang, Shan Hu, Fei Guo, Alessio Mastrucci, Shaohui Zhang, Ziyi Yang, Da Yan

期刊

Journal of Cleaner Production

时间

2022年7月

一作

单位

Building Energy Research Center, School of Architecture, Tsinghua University, Beijing, 100084, China

International Institute for Applied Systems Analysis, Schlossplatz 1, A-2361, Laxenburg, Austria

链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652622016936#!

研究背景

随着气候变化带来的的全球挑战，一些国家制定了碳排放目标。其中作为世界上最大的新兴经济体的中国宣布，其碳排放量将在2030年达到峰值，并将在2060年实现碳中和。建筑施工消耗了大量的建筑材料，这是钢铁和水泥等工业部门生产的重要驱动力。考虑到建筑材料中的隐含碳，与建筑施工相关的碳排放量占2019年全球碳排放总量的10%。对于仍处于快速城市化阶段的发展中国家来说，这一比例甚至更高。因此，建筑业的低碳发展对于实现全社会碳中和的目标具有重要意义。

建筑存量情景分析是规划建筑施工行业低发展路径的基础研究，建筑存量发展的不同路径规划将影响未来年度建设规模，这是影响建筑材料年度需求及其生产过程中碳排放的最重要因素。因此，对未来建筑存量的合理判断和规划对于在建筑部门和社会集体中实现碳中和非常重要。

与建筑存量已经达到饱和的发达国家不同，中国正处于城市化进程中。在过去的几十年中，建筑存量一直在快速增长，并将在可预见的未来继续增长。此外与发达国家相比，中国的人均建筑面积仍然相对较低。中国的建筑存量预测仍然存在巨大的不确定性。各个发达国家的建筑存量存在不同的发展模式，因此中国必须选择合适的发展模式，以减少与建筑施工相关的能源消耗和排放，最终实现可持续发展。

此外中国正面临从建造新建筑向旧建筑改造的转变。在英国、美国和希腊等国，已经进行了许多关于建筑改造的研究。基于这些研究我们发现，广泛的破坏和重建将导致建筑材料的大量浪费，并最终导致能源使用和排放的增加。然而，深度改造可以有效地延长建筑物的使用寿命，并逐渐减少拆除和新建的存量。因此，它也应被视为中国未来减少与建筑行业相关的能源使用和排放，到2060年实现碳中和目标的重要手段。

随着建筑总存量增长率的下降和回收建筑材料比例的提高，建筑业与工业部门（如钢铁行业）之间的协同作用将变得更加明显。建筑材料回收利用的增加将促进产业结构的调整和循环经济的发展，这对于降低建筑材料生产的能耗和排放也至关重要。

综上，建筑存量发展路径、建筑模式的选择以及建筑施工与工业部门之间的协同作用将显著影响中国未来的能源使用和排放。因此，必须开展相关研究，探索中国建筑施工行业的可持续发展道路。本研究的主要目的是分析中国建筑施工在不同路径选择下的碳排放，为决策者提供定量支持，帮助实现中国建筑业的低碳发展。

研究方法

存量动态模型

在存量动力学方法下，本研究开发了中国建筑施工模型（CBCM）来说明建筑存量、材料存量和隐含碳排放之间的关系，如图1所示。该模型由三种类型的参数组成：存量由矩形表示，流量由椭圆形表示，投入和驱动力由平行四边形表示。实线表示存量与流量之间的直接投入产出关系，而虚线表示不同变量的影响。模型中的三个模块包括：建筑存量、材料存量和碳排放过程，模型的每个部分都可以使用下面描述的方程式进行数学描述。

图1. 中国建筑施工模型分析框架

建筑存量模块

现有建筑存量可以计算如下式：

A(t)是 t 年的现有建筑存量，P(t)是 t 年中国的人口，A(t)_percapita是中国在 t 年的人均建筑存量；本研究采用广义logistic函数评估人均建筑存量变化，以适应未来人均建筑存量的发展趋势。

在建筑存量估计的基础上，本研究根据建筑存量周转函数计算建筑存量的新增和拆除；每一年拆除的建筑存量与当年达到寿命终期的建筑存量和当年建筑改造率相关联；考虑到建筑寿命不同于建材寿命，拆除建筑物的原因通常不是建筑结构/材料达到寿命极限而是更多与城市规划相关，因此本研究没有采用Weibull分布预估建筑寿命而是采用了正态分布来估计每一年达到寿命终期的建筑存量。

材料存量模型

材料需求量和材料回收量可以根据建筑存量流量计算：

M_in(t)是 t 年的材料需求，包括新增建筑和改造建筑的材料需求。材料强度因建筑类型 i（城市住宅，农村住宅和商业建筑）而异，A_newⁱ(t)和A_retⁱ(t)是 t 年 i 型建筑的新建量和改造量，而 MI 表示建筑的材料强度。η 表示改造建筑物和新建建筑物的建材强度转化率，本研究选取为25%。M_rec(t)表示回收的材料量，R_rec表示材料的回收率，本研究中主要考虑钢铁回收。目前，中国的废钢回收率约为53%，远低于世界平均水平。研究假设废钢回收率将继续增长，到2060年将达到80%以上。

碳排放模块

建筑材料生产过程中的碳排放量主要取决于消耗材料的数量和排放强度：

E表示碳排放量，M_in^j(t)表示建筑材料j的消耗量，EI表示碳排放强度。

建筑材料生产过程中排放的平均强度将受到节能技术进步和技术工艺结构变化的极大影响。特别是对于炼钢来说，大量的废钢回收可以使得部署高比例的短过程，从而大大降低了钢铁的排放强度。为了研究建筑和工业部门之间的这种协同作用，钢铁生产的碳排放强度估计如下：

EI^steel(t)是t年钢铁生产的碳强度，分为长工艺流程和短工艺流程，分别从铁矿石和废钢作为炼钢流程的第一步，因此也具有不同的排放系数。R_short(t)是通过短过程生产的钢铁与中生产的钢铁的比率，理论上应该考虑为全行业比率，但由于难以确定其他行业的钢铁回收和需求，本研究只考虑建筑行业内部的钢铁回收并通过以下公式进行估计：

对于其他材料（水泥、玻璃和铝），其碳排放强度假设到2060年将达到目前的国际先进水平；对于未来的电力排放系数，主要参考1.5°情景下相关研究的假设，该假设表明到2060年电力排放强度将接近于零。综上，水泥、玻璃和铝的碳排放强度如图所示：

图2. 水泥、玻璃和铝的排放强度

情景分析设置

建筑存量发展路径、建筑模式和产业效率是本研究考虑的三大影响因素。不同的建筑存量发展路径和建设模式将导致钢铁需求与每年钢材回收量的比例关系不同，这将影响钢材的平均碳排放强度，因此行业效率将受到前两个因素的影响。因此，在前两个方面定义了如下表所示的不同场景：

表1. 情景设计

上述定义的组合导致生成九个方案。MOD-STA 方案被定义为基线方案，SD-ECO 定义为目标方案。此外，为了进一步反映工业效率提高对隐含碳发展路径的影响，我们定义了冷冻效率情景，在该情景下，材料生产的排放强度保持不变。

研究结果

中国的建筑存量需求的发展路径

在三种设计的发展路径下，即UD，MOD和SD，建筑存量需求差异很大（图3）。到2060年，中国建筑总存量分别在UD，MOD和SD途径下可能达到1110亿m²，900亿m²和760亿m²。与2015年中国建筑存量（约580亿m²）相比，2060年建筑物存量的增加量从180亿到530亿m²不等。UD路径下增加的建筑物建筑面积几乎是SD路径下的三倍。

图3. 不同发展路径下中国建筑存量需求（左图）及其相比2015年水平的增量（右图）

R：住宅；C：商业

不同建设模式下的建筑存量动态变化

在EXT建筑模式下，2060年的新增建筑规模为23-37亿m²；在STA模式下该范围为11-20亿m²，在ECO模式下为4-11亿m²。在EXT建筑模式下，新增建筑规模会一直减少到2040年，然后略微提升到相对稳定的水平。然而，在STA和ECO模式下，新增建筑规模不断减少。这主要是因为中国目前建筑存量的很大一部分是在过去二十年中建造的，这些建筑将在2040年左右达到其使用寿命的终点（假设EXT模式的建筑寿命为20-30年）。而施工模式的选择将导致新增建筑规模的不同需求和动态变化。

图4. 不同情景下的建筑存量动态变化

此外，研究将不同目标下的反事实前景按照国家类别进行区分（图3）。我们发现，总的来说，发展中经济体的能源转型进展比其他两组国家要快，因为这些国家有更多的能源政策，并能更好地促进、监督和保障其实施。例如，印度和越南已经发布了232项和200项政策，其次是菲律宾和泰国，分别有193项和101项政策。

材料需求与回收

在所有的三种建筑模式下，都有SD建筑存量发展路径下的钢材回收需求比高于UD和MOD路径。到2060年，UD路径下的这一比例约为48-75%，MOD路径下约为66-84%，SD路径下为84-96%（图5）。这表明，在最优先的建筑存量发展路径SD下，来自拆除建筑物的再生钢材可以基本满足新建筑的钢材需求。

图5. 不同情景下的钢材回收与需求之比

SD发展路径下较高的钢采收率和需求比例可以促进电弧炉（EAF）在炼钢工业中的大量部署，从而降低钢铁生产的碳强度（图6）。具体而言，2060年钢铁生产的碳强度在SD、MOD和UD路径下分别约为280-370 kgCO₂/吨， 370–505 kgCO₂/吨，和 440–650 kgCO₂/吨。

图6. 不同情景下钢铁生产的碳强度

建设施工的环境影响

分别计算了2060年和2020-2060年建筑行业的隐含碳（包括钢、水泥、铝和玻璃）排放量，如图7、图8所示。到2060年在最优先情景SD-ECO下，隐含碳排放量为8900万吨CO2，仅占参考情景MOD-STA的42%，是最不优先情景UD-EXT的15%。就2020年至2060年的累计碳排放量而言，SD-ECO情景中排放（163亿吨）比MOD-STA情景减少约25%，比UD-EXT情景少52%。因此，SD-ECO情景对应策略可以减少隐含能耗，并为中国到2060年实现净零碳排放的气候目标做出重大贡献。

图7. 2060年隐含碳排放

图8. 2020-2060年累积隐含碳排放

不同措施对隐含碳排放发展路径的影响如图9所示。到2060年，回收利用和提高建筑材料的生产效率可以将隐含碳排放量减少近50%，并确保即使在最不优先的UD-EXT情景下，建筑行业的隐含碳排放量在未来也不会显著增加。

图9.从2020年到2060年，通过不同的措施减少碳排放

控制建筑总存量可以显著减少2020年至2060年的隐含碳排放量。避免在建筑物设计寿命之前拆除建筑物，并通过改造延长其使用寿命也可以减少碳排放。随着建筑物寿命的到期和改造措施的推广，这种减少将逐渐反映出来。到2060年，通过这两项措施，碳排放量的减少率将达到70%以上。

讨论与结论

本文从三种不同的建筑发展路径和三种不同的建筑建设路径的组合出发，通过中国建筑施工模型，分析了9种情景下中国建筑存量动态变化，有以下几点发现：

(1)建设模式的选择（关于建筑平均寿命和改造规模）会显著影响建筑存量动态变化，例如对新建筑的需求和建筑拆除的需求。在最优先的情景SD-ECO中，2060年的新建筑物将只有参考情景MOD-STA下的三分之一左右，而在最不优先的情景UD-EXT下，新建筑物的八分之一。同年被拆除的建筑物将分别是MOD-STA和UD-EXT情景中的一半和五分之一。

(2)不同建筑存量动态变化对工业过程（材料需求和生产）和气候变化（隐含的二氧化碳排放）的影响不同。追求可持续的建筑存量开发途径并促进已到寿命的建筑的改造再利用有助于平衡钢铁需求与拆除建筑物的钢铁回收废料。到2060年，在SD，UD和MOD建筑存量发展路径下，钢铁回收率和需求的比例将分别为84-96%，48-75%和66-84%。SD路径下高比例的钢铁回收率和需求可以促进EAF在炼钢过程中的广泛部署，从而导致钢铁生产中碳强度降低。在最优先的SD-ECO情景下，2060年钢铁生产的碳强度将比最不优先的UD-EXT情景低约16%。

(3) 2020-2060年SD-ECO情景下中国建筑行业的累计隐含碳（包括钢铁、水泥、铝和玻璃）排放量比MOD-STA情景下低约25%，比UD-EXT情景下低52%。因此，追求可持续的建筑存量动态变化并促进中国的建筑改造可以为减缓气候变化做出重大贡献。

这项研究也有一些局限性，主要是由于缺乏数据。关于建筑改造的材料使用强度、建筑回收利用的统计数据很少，有必要进行大量的案例研究，以弥补未来的数据空白。同时，不同建筑结构类型的材料使用强度差异很大，因此未来建筑结构的演变也将对建筑材料需求产生重要影响，这有必要在未来的工作中详细讨论。

编辑&排版：肖逸龙

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