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编辑荐语：本文以上海市为例，运用物质流分析和碳排放因子法，对城市建筑材料的消耗量和隐含碳排放量进行了预测。细致地量化了2023年至2060年建筑材料消费和隐含碳排放的演变模式。研究结果有助于加深对城市发展动态和资源管理复杂性的理解，有助于识别建筑材料低碳转型路径，促进建筑业低碳绿色可持续发展。
文章题目：Prediction of embodied GHG emissions of building materials in Shanghai作者(通讯*)：龙宇琼1, 崔航1, 鲁振杰1, 黄蓓佳1, *, 王湘锦1, 窦毅2引用信息：Long Y, Cui H, Lu Z, Huang B, Wang X, Dou Y. Prediction of embodied GHG emissions of building materials in Shanghai. Carbon Footprints 2024;3:12. http://dx.doi.org/10.20517/cf.2024.12全文链接：https://www.oaepublish.com/articles/cf.2024.12![]()
建筑业作为城市发展的基本组成部分，为社会需求提供不可或缺的空间和基础设施。然而，大量建筑材料的消耗产生了重大的环境足迹，主要来自开采，制造和加工。本文以上海市为例，运用物质流分析和碳排放因子法，对城市建筑材料的消耗量和隐含碳排放量进行了预测。本文细致地量化了2023年至2060年建筑材料消费和隐含碳排放的演变模式。研究结果有助于加深对城市发展动态和资源管理复杂性的理解，有助于识别建筑材料低碳转型路径，促进建筑业低碳绿色可持续发展。![]()
引言
随着全球变暖和极端天气事件的日益频繁，政府间气候变化专门委员会（IPCC）强调了加快努力减少建筑材料消耗的迫切需要。建筑业是中国三大能源消费源之一，也是碳排放的主要来源。建筑材料生产是建筑碳排放的关键阶段，可占全国能源消费总量的1/4 。中国作为全球最大的大宗材料生产国，在减少大宗材料生产过程中产生的温室气体排放方面面临着严峻的挑战。由于原材料生产带来的碳排放量增加以及相关自然资源的枯竭，提高材料的使用效率、延长使用寿命的需求已成为全球性的必然。作为城市采矿业最重要的来源之一，建筑业的温室气体排放量占全球的39%，固体废物排放量占全球的25%。随着经济的扩张和城市化进程的推进，住宅建筑的数量不断上升，对碳排放产生了显著影响。本研究针对不同建筑类型的非金属和金属建筑材料的隐含碳排放趋势进行了长期动态预测，这将有助于确定提高建筑材料资源效率的有效途径，并为未来建筑材料减碳潜力的研究提供基础数据。本研究利用IMAGE模型的SSP2基线情景得出的人口和人均建筑面积预测，建立了上海建筑材料消耗和隐含碳排放的动态预测模型。为了预测上海建筑材料消耗的未来轨迹和相关的隐含碳排放，采用物质流分析来评估2023年至2060年对这些材料的预期需求。最后，提出了减少上海建筑业隐含碳排放的战略建议。该研究刻画了2023年至2060年上海建筑材料的动态变化，为提高建筑材料的资源利用效率提供了有价值的见解。通过了解这些趋势，有利于城市规划者和政策制定者制定相关减排战略，优化材料使用，减少浪费，降低碳排放，从而促进更可持续的发展实践。这种全面的分析还支持采用创新材料和技术，营造一种鼓励不断改进和适应未来城市建设挑战的环境。
本研究以上海的住宅和非住宅建筑为系统边界，重点研究建筑物生命周期施工阶段消耗建筑材料所产生的隐含碳排放量。采用物质流分析和碳排放因子法，建立了上海市建筑材料消耗量及其隐含碳排放量的预测模型。该模型预测了2023-2060年建筑材料消耗和隐含碳排放的趋势，同时还提出了减排策略。研究选取了上海市人口和GDP中等增长的SSP2基准情景。通过对上海市建筑业人口和人均建筑面积的预测，模型能够客观地反映上海市建筑业的未来发展趋势。该模型分为三个部分：民用建筑存量面积的预测，估算建筑材料的流入和消费，并预测建筑活动的隐含碳排放量。![]()
图1 研究框架
MAGE 模型用于支持各种国际评估，包括政府间气候变化专门委员会的评估、联合国环境规划署的全球环境展望以及经济合作与发展组织的环境展望，IMAGE 中模拟了不同的共享社会经济路径 (SSPs)，反映了全球社会经济参数未来可能的发展趋势。物质流分析对于资源、废物和环境管理具有重要价值。它被广泛用于计算建筑部门的材料流量和库存，采用自下而上和自上而下的方法来估计建筑材料库存。碳排放因子法是目前碳排放核算中使用最广泛的方法，源自2006年IPCC国家温室气体指南，它可用于量化每单位活动的温室气体排放量。结果
2023年至2030年，上海民用建筑存量预计将逐步增加，2030年达到峰值9924.5万平方米。随后，预计面积将逐年下降，预计到2060年将减少到8296.2万平方米。![]()
图2 1996年至2060年上海市民用建筑面积存量2023年至2060年，上海民用建筑新增面积总体呈增长趋势。2023年至2051年，新增民用建筑面积将有所增加，2051年达到峰值3176万平方米。然而，2051年后，新建筑面积开始逐年下降，最终到2060年降至2021万平方米。图3 2030年至2060年上海市民用建筑新建面积住宅和非住宅建筑拆除面积在2055年和2049年达到峰值为2994万和1055万平方米，到2060年分别下降到2774万和353万平方米。民用建筑的新建和拆除面积既受新建规模的影响，也受建筑寿命的影响。未来民用建筑新建和拆除面积的快速增长，主要是因为近年来上海城市化进程迅速，城市的扩张导致了许多新建筑的建设。图4 2023年至2060年上海的住宅和公共楼层面积的变化新建筑面积的扩大是影响上海市民用建筑材料消耗的主要因素。在2023年至2060年期间，这些材料的消耗量大幅增加，从604万吨增加到1949万吨，增长超过三倍。住宅结构的材料消耗轨迹明显上升，在2051年达到2224万吨的峰值。住宅建筑材料使用量的持续上升是由于人口增长和生活水平提高推动了持续的住房需求，而这反过来又刺激了建筑活动。相反，非住宅结构的消费模式表现出更温和的增长，最初在2023-2026年期间从0.97百万吨小幅减少到0.87百万吨。然而，从2027年起，材料消耗量每年都在增加，2027年至2050年之间的显著激增与非住宅建筑项目的振兴相吻合。2051年后，城市更新建设的步伐达到平台，材料消耗逐渐减少，到2060年降至106万吨。图5 2033年至2060年上海市民用建筑不同建筑材料的消耗情况预测分析表明，上海市民用建筑材料隐含碳排放的趋势与这些材料的年消费量之间的相关性。从2023年到2025年，碳排放量初步略有下降。然而，从2029年开始稳步增加，排放量从2029年的124万吨增加到2060年的543万吨。值得注意的是，预计2051年住宅建筑的隐含碳排放量峰值为887万吨，随后到2060年将降至543万吨。每单位民用建筑面积的碳排放量预计将在2051年达到峰值，为9.66 kgCO2/m2，随后到2060年下降到6.55 kgCO2/m2。在比较建筑类型时，住宅建筑的隐含碳排放量高于非住宅建筑。预计2051年住宅建筑的峰值排放量为609万吨，到2060年将逐步减少到505万吨。住宅建筑的单位面积排放量预计将在2055年达到峰值，为8.44 kgCO2/m2，然后到2060年降至7.48 kgCO2/m2。相反，非住宅建筑的峰值预计将在2049年达到2.91百万吨，到2060年将下降至0.39百万吨。非住宅建筑的单位面积排放量将在2049年达到峰值，为16.76 kgCO2/ m2，到2060年将降至2.5 kgCO2/m2。图6 2023年至2060年上海市民用建筑不同建筑材料的体积碳排放预测预期趋势表明，上海的人均建筑面积将继续扩大，预计该市人口将在2030年左右达到峰值。这一人口结构的转变将影响民用建筑存量面积，预计该面积将在2030年达到顶峰，然后进入逐渐下降的阶段。2023年至2060年，上海民用建筑行业的新建和拆迁周期预计将总体呈上升趋势，主要受近年来上海快速城市化的推动。这促使了新建筑的激增，最终将迫使大规模退役，加剧了对新建筑的需求。预计在可预见的未来，上海对建筑材料的需求仍将保持强劲。战略性地延长建筑物的使用寿命可以减少对未开发资源的消耗，缓解资源供需之间的紧张关系。上海市住宅和非住宅建筑材料的隐含碳排放轨迹与建筑材料的年消耗量直接相关。预计2051年民用建筑的隐含碳排放量将达到887万吨的峰值，超过了国家在2030年前实现碳排放峰值的目标。采用轻质结构设计是减少水泥和砖消耗的一种可行方法。与此同时，应探索替代材料，如增加木材的使用。对于钢铁等年消耗量和碳排放系数较高的材料，特别是在非住宅建筑中，在制造过程中使用低碳能源是一种实用的解决方案。加强建筑材料的回收和再利用以及建立全面的废物管理系统是至关重要的步骤。鼓励创新技术的应用进一步提高了建筑材料的使用效率，有助于在整个施工过程中节约能源和资源。这些综合措施与可持续发展目标相一致，并支持减少建筑环境中碳排放的目标。资金支持：本课题获得国家自然科学基金委员会（52310797），上海高校[东方学者]特聘教授[TP2020049]和MEXT/JSPS KAKENHI JP21K14276项目支持。引用信息：Long Y, Cui H, Lu Z, Huang B, Wang X, Dou Y. Prediction of embodied GHG emissions of building materials in Shanghai. Carbon Footprints 2024;3:12. http://dx.doi.org/10.20517/cf.2024.12黄蓓佳
黄蓓佳教授，上海理工大学环境与建筑学院，上海市东方学者特聘教授，上海市浦江人才，耶鲁大学、东京大学访问学者，主持多项国家自然科学基金项目面上基金、青年基金。在One Earth, Communications Earth & Environment, Environmental Science & Technology等高水平国际期刊发表成果40余篇，4篇论文入选ESI高被引论文。第一作者
龙宇琼
龙宇琼，上海理工大学环境与建筑学院博士生，主要研究方向包括城市资源物质代谢，生命周期评价，建筑低碳可持续发展等，相关研究成果发表在Resource Conservation & Recycling等期刊。【往期推荐】
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