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  • 华体会网页登录入口:城市碳汇︱万木生春 正复为奇:北欧首座木制街区向城市碳汇乐园的蜕变(两则)
  • 发布时间:2022-08-06 21:14:41  来源:华体会体育全站app  作者:华体会网页登录入口 点击数量:28
  •   一些欧洲国家正在计划采用新的可再生木质建筑材料来在一定程度上减少建筑行业碳排放。正如则一故事所介绍,阿姆斯特丹计划从2025年开始建设荷兰第一个现代木制街区。

      这一现象也引起了许多学者的兴趣,本次推送的主文章中,作者研究了来自世界各地不同类型和结构的50座木质建筑,汇编了每栋建筑的碳储存量数据,并根据其碳储量确定了三种类型的木结构建筑。最后,根据木质建筑的比例和木质建筑的类型,生成了四种欧洲木质建筑减排场景。本研究发现建筑的碳储存能力不显著影响建筑的类型,木材的类型或建筑物的大小,而是受影响于建筑的结构性和非结构性部件所使用木材的数量和体积。文章建议政策制定者在实现建筑业碳中和时关注建筑中木材使用的数量,而不是更一般的指标,如建筑类型、木材类型或建筑大小。

      阿姆斯特丹本周确认了用木材建造整个街区的计划,该地区希望这种可再生材料将成为减少建筑排放的关键。

      该计划被称为荷兰城市在几个世纪以来第一个这样的街区,该地区反映了大阿姆斯特丹地区市政府在2020年作出的新承诺,即确保到2025年至少有20%的新建筑使用木材作为其主要材料。该市认为,此举将大大减少建筑业的排放,并可能为未来的木制开发提供一个模板。

      该社区以邻近的纳尔逊-曼德拉公园命名为Mandela Buurt(“曼德拉社区”),位于城市南部,将于2025年开始建设。它将包含10个新的公寓楼,一所小学和社会设施,估计有2100名居民居住在700个新公寓里。对于一个缺乏可负担住房的城市来说,这个新区的社会效益将不仅仅局限于可持续的建筑材料,这一点至关重要。新区位于该市一个相对低收入的地区,80%的房屋将作为公共或经济适用房提供,租金低于市场租金,而在该地区居住六年以上的人可以优先获得租约。

      虽然该社区的详细计划尚未公布,但对木制建筑的承诺已知可以提供许多好处。因为树木可以被重新种植,木材是一种可再生资源。而且,建筑中使用的结构性大块木材不一定需要砖石的饰面,减少了所需材料的数量,简化了施工过程。用木材建造的建筑不仅可以减少碳排放,还可以储存碳。芬兰2020年的一项研究估计,如果欧洲80%的建筑改用木材作为其主要材料,所储存的碳量将相当于该大陆混凝土行业排放量的47%。

      木结构建筑也可以帮助加快新建筑的交付速度,因为许多部件可以在远离建筑规划地点的地方进行预制和组装。虽然Mandela Buurt的施工要到2025年才开始(住房的建筑设计还没有提交),但该市估计,该社区的第一批房屋最快可在2026年建成。

      阿姆斯特丹远不是唯一鼓励在建筑中使用更多木材的欧洲城市。在北欧国家,木材已经是一种常见的材料,迄今为止的项目包括挪威的木制摩天大楼和赫尔辛基使用木材重新开发的整个城市街区。但是,作为欧洲森林覆盖率最低的国家之一,荷兰在最近的历史中,除了房屋框架和横梁之外,木材并不是一种主要的建筑材料。尽管荷兰正在采取措施增加其森林面积,但从其他地区进口木材的潜在需要确实使荷兰的木制建筑在某种程度上不那么具有可持续性。

      阿姆斯特丹最近的转向--已经为该市提供了一座21层的住宅摩天大楼--可能预示着大规模木制建筑的新拥抱。(扩展阅读: 荷兰山成为世界最大木质结构建筑 )

      目前,新建筑的建造是碳排放的重要来源。这些碳排放都是由建筑材料的加工、制造和运输造成的。其中,混凝土和钢铁生产的排放尤为严重,他们是全球排放的主要来源之一[1]。庆幸的是,现在存在将这种排放源转变为一种减轻气候变化的工具的可能性 [2]。与可持续林业相结合,木结构建筑可以增加森林周边城市的碳汇。建筑物可以提供长期的碳储存,特别是如果它们位于对房地产需求不断增长的城市地区。因此,旧的木质建筑不会被淘汰,不会被拆除或任由其腐烂,而是被翻新。这在不断缩小的农村地区是比较常见的现象。

      在传统的理解中,建筑领域的气候行动重点是在建筑的使用阶段,因为这一阶段的能源消耗主导了建筑全生命周期的碳排放[3-10]。这种对使用阶段的强调,带来了改善窗户热性能的更厚的隔热层,以及更有效的热回收系统。然而,随着能源生产脱碳的不断进行,这些变化意味着用于建造这些新型节能建筑的建筑材料所带来的排放在建筑全生命周期的排放中占据越来越大的比例。例如,几乎为零能耗的建筑在使用前产生的温室气体影响大约相当于其总影响的50%。一些研究人员在将零能耗建筑与传统建筑进行比较时也做了类似的观察[12-18]。就低能耗建筑而言,在50年的生命周期内,嵌入能的能耗估计占建筑总排放量的46%。这个数字在被动式建筑中则高达接近70%。

      一个问题是,未来能源来源的不确定性将是影响初期隐含碳排放(即使用前阶段)与实际碳排放比率的一个重要因素。由于能源生产方法不断变化,低能耗建筑的较少使用阶段排放的益处可能会随着时间的推移而膨胀。根据欧盟委员会[21]的数据,2004年至2017年,欧盟可再生能源发电量从8.5%增长到17.5%,预计到2020年底将达到20%,到2030年将达到32%。瑞典的可再生能源消费比率最高(42%),其次是芬兰(41%)和拉脱维亚(39%)。另一个问题是,与使用阶段排放相比,初期隐含碳排放是在很短的时间内排出的,并由当前的能源生产技术进行评估。因此,最初的隐含排放的增加将导致政府间气候变化委员会的短期二氧化碳减排目标无法实现[6,22-24]。

      减少初期隐含碳排放的一个方法是使用更少能源和排放来生产的建筑材料。与混凝土、钢铁或砖石建筑相比,木制建筑在其使用周期内排放的温室气体最少[25-34]。因此,木质建筑对地球有利,因为它们在制造过程中产生的排放量更少,但无论从短期还是长期来看,木质建筑的碳储存都是一种额外的减排选择。然而,虽然木材被认为是一种无害环境的材料,但人们应铭记,不可持续地使用木材供应可能导致濒危森林的进一步损失。尽管发达地区(欧洲、大洋洲和北美)在1990年至2010年期间成功地保持了森林面积的稳定,但发展中地区(亚洲、非洲和南美)的森林面积减少了135公顷。

      总的来说,人们主要进行了两种类型的研究来估算建筑环境中的碳储量。第一种类型是基于案例建筑,其中各种组件均由木材建造。人们对建筑的碳储量进行了估算,并应用于国家层面的估算。第二种类型的研究估算森林不断增长的容量,将每年生产的部分木材分配给建筑,然后估算这些建筑的碳储量。后者主要发表在木材和森林期刊上。

      第一种类型的一个例子是Hafner和Sebastian[36]在2018年进行的一项研究,该研究估计了到2030年德国木质建筑的碳储量。采用50/15的计算场景,即到2030年55%的独户住宅和15%的公寓建筑将是木制的,作者基于Hafner和Sch ̈afer [37]和Hafner等人[38]之后的研究得出了他们的估计。在最近发表在《自然-可持续发展》杂志上的另一篇论文中,丘尔基纳等人估算了2020年至2050年新建筑的潜在碳储量。他们的计算是基于这样一个假设:所有的新建筑都是4到12层的中层建筑。他们没有估计将要建造的新建筑的数量,而是根据到2050年预计的世界人口增加23亿计算出所需的人均新建筑。然而,依赖少量的案例建筑可能不能提供建筑中使用木材的准确估计,并且假设未来的建筑将完全由低层和中层建筑组成可能导致不可靠的结果。基于单一建筑类型或极少建筑类型的分析,极有可能大大低估或高估碳储量。

      Her ̈aj ̈arvi的[40]论文估计了芬兰到2020年木制建筑的潜在碳储量,这是第二类研究的一个例子。他的研究基于对不同类型建筑所用木材数量的粗略估计。他假设单户住宅、附属住宅和多层建筑平均使用的木材量分别为每个住宅单元40立方米、15立方米和15立方米。他通过将木材使用量应用于芬兰的建筑项目总数,计算出了碳储存潜力。然而,根据每种建筑类型的单一数字计算木材使用量只能给出碳储量的粗略估计。

      我们进行了文献阅读,以获得对不同类型建筑的碳储存潜力的综合看法。在此基础上,从文献中选择了50个建筑案例,这些案例提供了与我们研究目标相关的充分数据(第2.2小节)。为了方便比较,我们汇编了有关温室气体排放的信息,并将其转化为统一的单位(第2.3小节)。在同一单位下,根据建筑中使用的木材数量计算了案例建筑的碳储存量(第2.3小节)。

      在获得以CO2 kg m−2 为单位的碳储存量数据后,我们根据2020至2024年欧洲新建建筑的平米数推测出欧洲层面的碳储存量(CO2 kg)(结果部分)。我们设计了四种基于木建筑与其他建筑类型相比的不同比例的情景,根据木建筑的不同类型评估了每一种情况(第3.1小节),随后分析了四种情景对应的结果并选择最佳方案作为决策者的出发点和未来欧洲建筑的路线

      我们使用了两种方法来选择论文。首先,我们根据作者的学识选择了11篇同行评审的论文。然后,2020年1月12日,我们在Scopus数控库里使用“木建筑碳储存”这一短语检索出了60个结果。在将搜索结果限制在同行评议的文章,排除会议论文、书籍章节和报告,并加入之前选择的11篇论文后,还剩余49篇论文。通过筛选摘要,我们排除了11篇论文,在研究了全文后我们又排除了18篇,最终剩下20篇论文。这二十篇被选中的论文包含50个建筑。选择案例时使用的PRISMA流程图详见补充材料 (可在ERL/15/094076/media在线

      为确保结果的可比性,我们进行了一些必要转换。由于该研究是基于总建筑面积(GA),在只有净面积(NA)数据的案例中,我们依据Passer[5]和Lylykangas[41]等人的研究,使用0.7的常数值将净面积转换成总面积(GA=NA/0.7)。此外,由于本研究使用了温室气体排放和一些经审查的研究报告结果作为所体现的能量,我们参照Junnila[42],Fuller and Crawford等人[43]的建议,采用了0.266千克每千瓦时的转换系数来计算等效的温室气体排放量。

      表1展示了基于温室气体排放量(kg CO2 −eq m−2 )报告研究的生命周期评估结果。报告研究包括使用前、使用中和寿命终期阶段,但由于本研究的重点是初始体现的排放量,所以我们的温室气体排放量数据是用于使用前阶段的。结构部件包括所有的承重部分(如柱、梁和地板),而非结构部件是不起承重作用的部分。产品包括建成后建筑安装的任何部分,比如橱柜、地毯和水装置。

      为了计算碳储存,我们必须以kg或m³为单位确定案例建筑中的木材使用量。大部分研究包括案例建筑的材料数量清单或木材使用量的数据。在缺少少量数据的情况下,我们使用我们的专家判断,并根据其他案例建筑的材料数据做出估算。大量数据缺失以及不可确定储碳量的案例建筑被排除研究。

      建筑的二氧化碳封存率取决于建筑的特性和它在结构性、非结构性和安装产品中的木材使用量。干木材的平均碳含量占总体积的50% [44]。为了确定在木材中隔绝的二氧化碳的重量,我们将碳含量的重量乘以3.67,这等同于二氧化碳的分子量与碳原子量之比。因此,用建筑的不同部分所使用的木材质量(kg)乘以1.84(3.67的50%)来确定这些部分所使用的二氧化碳数量(kg)。1.84的比例非常接近其他研究者推荐的比例,例如Hafner 和 Sch¨afer [11]。

      在有每立方米木材体积的情况下,可以根据木材的密度计算出木材的质量(kg)。表2列出了本研究使用的密度。

      为了估计每平米木建筑的碳储存量捕获的二氧化碳量,我们考虑了从2020到2040年的20年时间跨度。我们还展示了过去五年(从2015年开始)的记录。有两个变量需要考虑。第一个是木质建筑的碳储存水平(第3.1小节),第二个是木质建筑在所有建筑中的百分比。在2015年,欧洲竣工的住宅总建筑面积为1.8571亿平方米,其中木建筑占4.9 [46, 47]。新建建筑的年增长率被设为0.87% [47]。

      我们考虑了四种情况。对于第一种,假设木建筑占所有建筑的5%,保持与2015年持平。对于第二种情况,假设占比为10%,接近于Hildebrandt等人[47]使用的9.1%的数值,代表木建筑数量在2015至2030年间的平均增长。对于第三种情况,我们使用了较高的估计值45%,该值介于第二种和最后一种情况的数值之间。对于最后一种情况,我们基于对2017年[48]北美住宅中木建筑的估计,使用了80%的数值。

      高层建筑的单位碳储存量差异似乎更大,原因可能是目前使用非木质部件的趋势,特别是在非结构性部分。建筑物的大小可能会有小的影响,即较大建筑物平均储存的碳更少。木质非结构部件会显著增加建筑物的碳储存。

      当地的建筑法规会影响木材的使用量,这会反向作用在建筑的碳储存量上。例如,更严格的消防安全规定会促使应用更厚或额外的木材。在日本这样的地方,地震法规对建筑物的结构部分有很大影响,建筑物的结构中使用了数量可观的木材。

      几位作者提议使用木制建筑来缓解气候问题,许多城市已经承诺在未来几年实现碳中和。在这项研究中,我们提出了新的木制建筑类型学,以展示如何通过木制建筑实现碳中和。

      本小节介绍了与欧洲四种木制建筑应用情景的分析结果。在这些应用情景中,雨季在2020年至2040年间,木制建筑分别占欧洲总建筑的5%、10%、45%和80%。对于每个情景,我们测试了不同碳储存水平的木制建筑将如何影响结果——低级水平100级、中级水平200级和高级水平300级。碳储存水平取自所研究的论文,以每平方米公斤二氧化碳为单位(见图1)。

      考虑到不同应用情形的结果,值得注意的是,如果新建筑使用钢和混凝土且人均建筑面积为30平方米,欧洲在20年期间的累计排放量将为0.195Gt;全球的数字将为10.819Gt。

      本研究旨在估算2020年至2040年期间欧洲木质建筑的碳储存潜力。为了得出契合实际的估计,我们研究了来自世界各地不同的50个案例建筑,并汇编了每栋建筑的碳储存量数据。我们还分析了这些建筑的生命周期评价,并将结果纳入研究。我们介绍了三类木质建筑,它们具有不同的潜在碳储存水平。100级建筑的碳储量为100 千克/平方米;200级和300级建筑的碳储量分别为200千克/平方米和300千克/平方米。尽管碳储量看起来有3倍的差异,但所有经过审阅的案例建筑确实都是木质的。因此,“木质建筑”这一术语的定义暂不明确。此外,我们根据碳捕获和生产的比较,区分了碳中性和碳负的木质建筑。我们建议将其作为缓解气候变化的解决方案。

      我们将不同比例的木质建筑及其碳储存水平(100,200,300)视为未来情景的变量。在各种情况下,2020年至2040年期间的二氧化碳年捕获量在1至5500吨之间变化。捕获的碳相当于2018年欧洲水泥产量的1%至47% [49]。Hildebrandt等人 [47]的研究表明从2020年的1700吨到2030年的6000吨不等。将Her¨aj¨arvi [40]报告的芬兰结果应用于欧洲(使用芬兰人口与欧洲人口的比率),得出2020年的结果为370吨。他假设,单户住宅的木质建筑比例为82%,连体住宅为60%,公寓建筑为1.5%。

      Churkina等人 [39]最近发表的文章估算了未来30年全世界新建筑的二氧化碳捕获潜力。在他们的计算中,欧洲的份额占1.8%。使用0.67的系数来考虑不同的时间维度(20年而不是30年)的结果是在10%的情况下,欧洲累计捕获的二氧化碳潜力为0.011-0.102 Gt,在50%的情况下为0.045-0.484 Gt,在90%的情况下为0.088-0.885 Gt。而我们的研究得出了以下估算值:5%的情况下为0.022-0.067 Gt,10%的情况下为0.044-0.133 Gt,45%的情况下为0.2-0.6 Gt,80%的情况下为0.356-1.067 Gt。这些结果之间的差异可能有3个原因。首先,Churkina等人 [50]将未来30年内建造的住宅和商业建筑都包括在内,而目前的研究仅以住宅建筑为基础。其次,他们使用了9.2-79.1平方米的人均居住面积进行计算,并估计了整个30年内的总人口增长,而我们假设建筑施工的年增长率为0.87%。最后,Churkina等人使用了一个典型的中高层建筑,运用了交叉层压木材(CLT)和胶合木,并用每GA(厚度单位)潜在碳储量为285千克/平方米作为模型,这导致计算出比我们研究中更高的估算值。这一数值接近我们研究中300级(高)木质建筑的碳捕获潜力。

      需要指出的是,在未来十年里,依赖中高层木质建筑可能并不现实,因为目前仍缺乏对这些建筑的经验,也缺乏对其建造和设计的技术把控。连体和独立式木质建筑已被广泛使用,因此建筑公司在这些建筑类型方面拥有丰富的经验,使其成为未来十年缓解汽车污染的可靠解决方案。根据人口增长来估算木质建筑的碳储量可能会导致数值被高估或低估,尤其是在欧洲,因为欧洲在未来可能会出现来自亚洲和非洲国家的移民。此外,欧洲的房主可能会决定拆除现有的房屋,建造新的房屋,而不是进行翻新。因此,新造建筑率是一个比人口增长更可靠的估算依据。

      为了支持未来的决策,我们制订了一个可行的碳储存方案,通过建造木质建筑,同时考虑木质建筑相对于其他建筑类型的百分比及其层高(图5)。这一情景可以作为一个增加欧洲建筑碳储量的野心路线图。在这种情况下,我们假设木质建筑在2020年占所有建筑的10%,到2040年将增加到80%。20年的时间被划分为若干个5年的子期。从2020年到2025年,这一比例每年增加2%,到2025年达到20%。之后的子期预计增长率分别为2025年至2030年的3%,2030年至2035年的4%,2035年至2040年的5%。我们假设木质建筑的碳储存潜力也将从2020年的100千克/平方米(100级建筑)增加到2030年的200千克/平方米(200级建筑),到2040年最高达到300千克/平方米(300级建筑)。那么,每年可捕获的二氧化碳量在2020年是200万,2030年是1500万,2040年是5500万。因此,这20年期间的累计量将是0.42 Gt。

      一般来说,有两种主要的方式来缓解气候变化并保护环境。一种是减少碳排放,另一种是碳捕获。即使可再生资源替代化石燃料,也无法将水泥或者钢铁等材料的二氧化碳排放量减少为零,因为生产这些材料涉及到化学反应,从而导致排放 [1]。在不同国家,有各种计划和激励措施用于减少建筑物的排放,但没有任何计划和激励措施用于可捕获碳的建筑物。即使是自愿性的绿色建筑证书,如积分制的LEED项目,也侧重于鼓励减少排放,而不是通过使用某些材料来捕获排放。

      人们一直在讨论,木材建筑是否是一个可行的碳减排战略,因为它需要采伐森林,而森林被认为是天然碳汇。常见的论点是,森林应该不被触动,以便让自然功能的碳汇来增加其碳储存。然而,当森林变老,它的二氧化碳捕获量变得与它的碳汇相等时,问题就出现了。此外,森林还含有多余的剩余的未使用的木材[54, 55],这些木材可用于替代混凝土等建筑材料,其成本接近于零[26, 56, 57]。

      虽然世界上存在着木材采伐的机会,但应该注意的是,只有在对森林进行管理的情况下,木材的采伐才是合理的。否则,使用木材进行建筑将导致森林的消失。从气候变化的角度来看,这甚至比目前的建筑做法更糟糕。虽然欧洲的大多数结构性木材都来自可持续管理的针叶林[58],但发展中地区的情况却很危险。在欠发达地区,情况却很危险。由于热带硬木的可能存在不可持续使用,建议使用全球认证体系,如森林认证认可计划Program for Endorsement of Forest Certification (PEFC)和森林管理委员会Forest Stewardship Council(FSC)[59]。

      使用木材资源的一个有效方法是在使用前进行种植,即人工林[60, 61]。通过种植,在木材生产以外会有如固碳、保水[62]和生物多样性保护[63]等优势。与天然林相比集约化管理的人工林每公顷可生产多达2至25倍的木材生物量[61]。

      结论对环境的关注以及对建筑的需求不断增加使得我们有必要寻找建筑材料,这不仅能在生产过程中产生较少的排放,而且还可以作为碳封存的解决方案,以便缓解气候变化。作为一种在欧洲广泛使用的材料,木材是一个重要的选择。有两个因素影响着木制建筑的碳储存总量。(1) 建筑物单位面积的木材量和。

      木制建筑的潜在碳储存与建筑类型、木材类型或建筑尺寸没有太大关系,而与这些建筑中木制部件的数量和体积却有很大关系。如果欧洲的新建筑计划采用木质材料,那么其碳储存能力相当于欧洲水泥行业二氧化碳排放量的1%和47%。另一方面,我们应该记住,如果注意可持续的森林管理和种植,木材在建筑中的使用并对环境有利是可能的。特别是如果目前的研究结果能用于欧洲以外有森林枯竭的风险的地方。

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