DOI: https://doi.org/10.1007/s44213-024-00036-1
تاريخ النشر: 2024-10-31
المؤلف: Guohao Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأثر البيئي والاستدامة
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة مراجعة شاملة لانبعاثات الكربون طوال دورة حياة المباني (CEBL)، حيث تجمع بين رؤى من أكثر من 300 منشور حديث وتقوم بإجراء تحليلات متعمقة لأكثر من 100 دراسة رئيسية. تقوم بتقييم منهجي لانبعاثات CO₂ في كل مرحلة من مراحل دورة حياة المبنى، بما في ذلك إنتاج المواد، والنقل، والبناء، والتشغيل، والهدم، وإعادة التدوير. بينما تؤكد الأدبيات الحالية على كفاءة الطاقة التشغيلية، تحدد المراجعة فجوات كبيرة في قياس انبعاثات النقل، وتقييم انبعاثات المعدات في الموقع أثناء البناء، ومعالجة الخصائص المحددة للمباني غير السكنية. كما تسلط الضوء على الحاجة الملحة لتحسين ممارسات إدارة نفايات البناء، خاصة في البلدان النامية حيث يعتبر دفن النفايات شائعًا.
تناقش الورقة استراتيجيات فعالة لتقليل انبعاثات الكربون من المباني، مثل استخدام مصارف ثاني أكسيد الكربون، وتنفيذ أنظمة طاقة متكاملة، ودمج الألواح الشمسية المدمجة في المباني (BIPV)، وإصدار تدخلات سياسية قوية. تؤكد على ضرورة إجراء المزيد من الأبحاث لقياس انبعاثات النقل واستهلاك الطاقة لمعدات البناء في الموقع، حيث يتم تجاهل هذه الجوانب غالبًا. بالإضافة إلى ذلك، تدعو إلى مزيد من الاهتمام بمرحلة نهاية حياة المباني، خاصة في المناطق النامية. من خلال الكشف عن بيانات حاسمة وحدود نظرية في الأبحاث الحالية، تدعو هذه المراجعة إلى اتباع نهج أكثر تكاملاً وخصوصية للسياق في تقييم CEBL، مما يسهم في بيئة مبنية أكثر استدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة البحثية الضوء على الدور الكبير لصناعة البناء في الاحتباس الحراري، مشيرة إلى أنها مسؤولة عن حوالي 30-40% من استهلاك الطاقة العالمي وتصدر حوالي 40% من انبعاثات CO₂. بحلول عام 2050، من المتوقع أن تصل انبعاثات CO₂ من هذا القطاع إلى 50%. تؤكد الورقة على الحاجة إلى تحليل شامل لانبعاثات الكربون طوال دورة حياة المباني بالكامل، والتي تشمل استخراج المواد الخام، والتصنيع، والنقل، والبناء، والتشغيل، والهدم. تم تحديد طريقة تقييم دورة الحياة (LCA) كأداة حاسمة لتقييم الآثار البيئية للمباني، ومع ذلك، غالبًا ما تركز الأبحاث الحالية بشكل ضيق على مواد أو مراحل معينة، متجاهلة الترابط بين مراحل دورة الحياة.
أجرى المؤلفون مراجعة منهجية للأدبيات لتحديد الاتجاهات والفجوات في الأبحاث الحالية حول انبعاثات الكربون في دورة حياة المباني (CEBL). وجدوا أنه بينما هناك تركيز كبير على كفاءة الطاقة التشغيلية والمباني ذات الطاقة الصفرية، يتم إعطاء اهتمام أقل لتداعيات الكربون لمرحلة الإنتاج والانبعاثات من معدات البناء. علاوة على ذلك، تتطلب مرحلة نهاية الحياة، التي تحمل إمكانيات لتقليل الكربون من خلال إدارة النفايات ومبادئ الاقتصاد الدائري، مزيدًا من الاستكشاف. تهدف المراجعة إلى تقديم منظور محدث حول CEBL، مع معالجة التجاوزات التاريخية واقتراح توصيات قابلة للتنفيذ لتقليل انبعاثات الكربون في صناعة البناء. كما تؤكد الورقة على أهمية النظر في انبعاثات الصيانة والتجديد، التي تسهم بشكل كبير في البصمة الكربونية الإجمالية للمبنى، خاصة مع تحول الصناعة نحو المباني ذات الطاقة المنخفضة والصفرية.
طرق
تناقش هذه القسم الانبعاثات الكبيرة من الكربون المرتبطة بإنتاج ونقل مواد البناء، والتي تساهم مجتمعة في الأثر البيئي للبناء. حوالي 60% من انبعاثات الكربون خلال دورة حياة المبنى التي تمتد لـ 50 عامًا تنشأ أثناء التشغيل، بينما تنشأ حوالي 40% من أنشطة البناء والإنتاج. تمثل الهيكل الرئيسي وغلاف المباني حوالي ثلثي هذه الانبعاثات، مما يبرز إمكانياتها في توفير الطاقة. تم تنظيم الفصل إلى جزئين: عمليات توريد وتصنيع المواد الخام، والانبعاثات الكربونية الناتجة عن نقلها. تم إصدار لوائح مختلفة على مستوى العالم لمراقبة وإدارة هذه الانبعاثات.
إنتاج مواد البناء كثيف الكربون بشكل خاص، حيث تستهلك صناعة البناء حوالي 60% من المواد الخام على كوكب الأرض. في عام 2019، مثلت انبعاثات CO₂ من مواد البناء 10% من إجمالي الانبعاثات من قطاع البناء العالمي، حيث كانت الخرسانة، والأسمنت، والفولاذ هي المساهمين الرئيسيين. على سبيل المثال، ينتج عن إنتاج طن واحد من الأسمنت حوالي 0.73 طن من مكافئ CO₂. تشير الدراسات إلى أن الأسمنت يمثل 56% من انبعاثات الكربون خلال مرحلة تصنيع مواد البناء، وقد تم تطوير نماذج مختلفة لتقييم البصمة الكربونية لمواد وممارسات البناء المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يصبح نقل مواد البناء، رغم أنه يبدو ضئيلًا في المشاريع الفردية، مهمًا عند النظر في نطاق النقل العالمي. يمكن أن تختلف الانبعاثات من النقل بناءً على المسافة ونوع النقل، حيث يعتبر النقل البحري والسككي أكثر كفاءة من النقل البري. بشكل عام، يعد إدارة الانبعاثات من كل من الإنتاج والنقل أمرًا ضروريًا لتقليل الأثر البيئي للبناء.
مناقشة
تؤكد قسم المناقشة في الورقة البحثية على القلق المتزايد بشأن انبعاثات الكربون خلال مرحلة البناء من المباني، والتي تزداد بشكل متناسب مقارنةً بالانبعاثات خلال مرحلة التشغيل. بينما ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على الانبعاثات خلال تشغيل المباني، تسلط النتائج الحديثة الضوء على أهمية الانبعاثات من أنشطة البناء، وخاصة من الآلات الثقيلة واستهلاك الطاقة. على سبيل المثال، تمثل الانبعاثات الناتجة عن بناء الأساسات، المدفوعة بشكل كبير بالمعدات التي تعمل بالديزل، جزءًا كبيرًا من إجمالي انبعاثات الغازات الدفيئة. تكشف دراسات الحالة أن الانبعاثات من الأساسات المدفوعة والأساسات العائمة كبيرة، حيث تولد الأولى 1596 طنًا والثانية 982 طنًا من الغازات الدفيئة.
في الهندسة الإنشائية، تم تحديد الهياكل الخرسانية المسلحة كمساهمين رئيسيين في انبعاثات الكربون، حيث تشير الدراسات إلى أن الأنشطة الهندسية المدنية يمكن أن تمثل ما يصل إلى 75% من الانبعاثات خلال البناء. تشير الأبحاث أيضًا إلى أنه بينما تهيمن انبعاثات مرحلة التشغيل على دورة حياة المباني، حيث تحدث حوالي 85.4% من انبعاثات الكربون خلال هذه المرحلة، لا يزال تأثير نفايات البناء وإدارتها غير مستكشف بشكل كافٍ. تدعو الورقة إلى اتباع نهج شامل لتقليل انبعاثات الكربون عبر جميع مراحل دورة حياة المباني، بما في ذلك إعادة تدوير نفايات البناء والهدم، مما يمكن أن يخفف بشكل كبير من الانبعاثات. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة إلى استراتيجيات مستهدفة لمعالجة الانبعاثات في كل من مراحل البناء والتشغيل لتعزيز الاستدامة في البيئة المبنية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44213-024-00036-1
Publication Date: 2024-10-31
Author(s): Guohao Wang et al.
Primary Topic: Environmental Impact and Sustainability
Overview
This paper provides a thorough review of carbon emissions throughout the building lifecycle (CEBL), synthesizing insights from over 300 recent publications and conducting in-depth analyses of more than 100 key studies. It systematically evaluates CO₂ emissions at each stage of a building’s lifecycle, including material production, transportation, construction, operation, demolition, and recycling. While existing literature emphasizes operational energy efficiency, the review identifies significant gaps in quantifying transportation emissions, assessing on-site equipment emissions during construction, and addressing the specific characteristics of non-residential buildings. It also highlights the pressing need for improved construction waste management practices, particularly in developing countries where landfilling is common.
The paper discusses effective strategies for reducing building carbon emissions, such as utilizing carbon dioxide sinks, implementing integrated energy systems, incorporating building-integrated photovoltaics (BIPV), and enacting robust policy interventions. It emphasizes the necessity for further research to quantify transportation emissions and the energy consumption of on-site construction equipment, as these aspects are often overlooked. Additionally, it calls for more attention to the end-of-life stage of buildings, especially in developing regions. By revealing critical data and theoretical limitations in current research, this review advocates for more integrated and context-specific approaches to CEBL assessment, ultimately contributing to a more sustainable built environment.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant role of the construction industry in global warming, noting that it is responsible for approximately 30-40% of global energy consumption and emits about 40% of CO₂ emissions. By 2050, it is projected that CO₂ emissions from this sector could reach 50%. The paper emphasizes the need for a comprehensive analysis of carbon emissions throughout the entire lifecycle of buildings, which includes raw material extraction, manufacturing, transportation, construction, operation, and demolition. The Life Cycle Assessment (LCA) method is identified as a critical tool for evaluating the environmental impacts of buildings, yet existing research often focuses narrowly on specific materials or stages, neglecting the interconnectedness of the lifecycle phases.
The authors conducted a systematic literature review to identify trends and gaps in current research on building lifecycle carbon emissions (CEBL). They found that while there is substantial focus on operational energy efficiency and zero-energy buildings, less attention is given to the carbon implications of the production stage and the emissions from construction equipment. Furthermore, the end-of-life stage, which holds potential for carbon reduction through waste management and circular economy principles, requires further exploration. The review aims to provide an updated perspective on CEBL, addressing historical oversights and proposing actionable recommendations for reducing carbon emissions in the construction industry. The paper also underscores the importance of considering maintenance and renovation emissions, which contribute significantly to a building’s overall carbon footprint, particularly as the industry shifts towards low and zero-energy buildings.
Methods
The section discusses the significant carbon emissions associated with the production and transportation of building materials, which collectively contribute to the environmental impact of construction. Approximately 60% of carbon emissions over a building’s 50-year life cycle arise during operation, while nearly 40% stem from construction and production activities. The main structure and envelope of buildings account for about two-thirds of these emissions, highlighting their potential for energy savings. The chapter is organized into two parts: the supply and manufacturing processes of raw materials, and the carbon emissions incurred during their transportation. Various regulations have been enacted globally to monitor and manage these emissions.
The production of building materials is particularly carbon-intensive, with the construction industry consuming around 60% of Earth’s raw materials. In 2019, CO₂ emissions from construction materials represented 10% of total emissions from the global construction sector, with concrete, cement, and steel being the primary contributors. For instance, producing one ton of cement emits approximately 0.73 tons of CO₂ equivalent. Studies indicate that cement accounts for 56% of carbon emissions during the manufacturing stage of building materials, and various models have been developed to assess the carbon footprint of different materials and construction practices. Additionally, the transportation of building materials, while seemingly minor in individual projects, becomes significant when considering the scale of global transportation. Emissions from transportation can vary based on distance and mode, with marine and rail transport being more efficient than road transport. Overall, managing emissions from both production and transportation is essential for reducing the environmental impact of construction.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the growing concern regarding carbon emissions during the construction phase of buildings, which have been increasing in proportion compared to emissions during the operational phase. While previous studies have primarily focused on emissions during building operation, recent findings highlight the significance of emissions from construction activities, particularly from heavy machinery and energy consumption. For instance, emissions from foundation engineering construction, driven largely by diesel-powered equipment, account for a substantial portion of total greenhouse gas emissions. Case studies reveal that emissions from pile foundations and raft foundations are significant, with the former generating 1596 tons and the latter 982 tons of greenhouse gases.
In structural engineering, reinforced concrete structures are identified as major contributors to carbon emissions, with studies indicating that civil engineering activities can account for up to 75% of emissions during construction. The research also points out that while operational phase emissions dominate the life cycle of buildings, with approximately 85.4% of carbon emissions occurring during this phase, the impact of construction waste and its management remains underexplored. The paper advocates for a comprehensive approach to reducing carbon emissions across all phases of building life cycles, including the recycling of construction and demolition waste, which can significantly mitigate emissions. Overall, the findings underscore the need for targeted strategies to address emissions in both the construction and operational phases to promote sustainability in the built environment.