生命周期內(nèi)的國內(nèi)建筑資源能源消耗研究進展

1建筑和建筑部品生命周期各階段可以分為兩大階段和兩個階段如圖1所示，建筑物的生命周期分為五個階段：建筑物的生產(chǎn)、建造、建筑運營、維護和拆除。其中,建筑部品主要包括建筑材料(鋼、水泥、墻材、保溫、門窗等)和建筑設(shè)備(空調(diào)器、水泵、衛(wèi)生器具等)兩大類,它們各自都有一個完整的生命周期,包括原材料開采、原料生產(chǎn)、產(chǎn)品生產(chǎn)、使用更新維護、回收和廢棄處理幾個階段。各種能源存在于建筑和部品生命周期的各個階段中,它們也有自己的生命周期,可分為能源礦石開采、能源生產(chǎn)、能源使用幾個階段。此外,能源輸配和建筑部品運輸貫穿于建筑、建筑部品和能源生命周期各個階段,也是建筑LCA不可或缺的研究階段。主要包括:建材部品生產(chǎn)階段,建造施工階段,建筑運行階段和拆毀處置階段。2建筑能耗現(xiàn)狀建筑生命周期中不同階段的能耗情況各不相同。對于建材生命周期能耗不僅包括產(chǎn)品生產(chǎn)過程(包括原材料開采、原料生產(chǎn)、產(chǎn)品生產(chǎn)加工等)的直接能耗,以及建材的使用更新維護、回收和廢棄階段的能耗,還包括生產(chǎn)所需能源的生產(chǎn)過程的間接能耗。其次,建筑材料的周轉(zhuǎn)過程帶來的運輸能耗也是能源消耗中重要的一部分,特別是在我國資源分布不均勻的國情下,運輸耗能較大,經(jīng)估算能占到建筑材料本身制造能耗的5%左右。要得到建材能耗,就需要得到建筑材料和部件生命周期中的資源、能源等的數(shù)據(jù)清單,因此需要大量的數(shù)據(jù)調(diào)研工作,調(diào)研分析方法主要有兩種,一種是基于行業(yè)輸入輸出總量的宏觀方法,比如通過行業(yè)年鑒進行分析;另一種是從微觀的角度分析,嚴(yán)格的跟蹤各個能耗子過程的相關(guān)資源消耗、能源消耗,最終在產(chǎn)品生產(chǎn)鏈上進行綜合。前者較注重總量平衡,能反映出平均水平,而后者數(shù)據(jù)來源可靠,能真正涵蓋生產(chǎn)的全過程。數(shù)據(jù)匱乏是我國LCA工作難以開展的一個重要原因,而LCA的數(shù)據(jù)搜集和整理工作并非短時間能積累出的,它是一個耗時耗力的長周期過程。整個建筑行業(yè)涉及的產(chǎn)品繁多,建筑材料涉及面很廣,按照材料種類分,包括木材及其制品、鋼鐵、高分子材料、陶瓷、復(fù)合材料及各種化工材料;按照材料用途分,大致有結(jié)構(gòu)材料、裝修材料、設(shè)備材料等。國內(nèi)建筑材料的清單研究中,鋼材、水泥、平板玻璃等主要建材因?qū)儆诒容^基本的工業(yè)產(chǎn)品,所以擁有較多的研究成果。2.1研究范圍和研究方法宋萍等從資源和能源消耗以及污染物排放等3個方面對硫鋁酸鹽水泥進行了生命周期評價。該研究以旋風(fēng)預(yù)熱窯生產(chǎn)工藝為研究對象,分析從原料開采、水泥制造以及構(gòu)成混凝土的生命周期各環(huán)節(jié),功能單位為1m3C40混凝土所需硫鋁酸鹽水泥。燃煤開采的數(shù)據(jù)清單采用MatsunoYasunari,etal.(2002),與運輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)清單采用了SimaPro5.1中的數(shù)據(jù)。陳效逑等利用物質(zhì)流分析方法,對北京地區(qū)水泥生產(chǎn)和使用過程的物能代謝及其環(huán)境影響進行研究。調(diào)研了北京典型的水泥企業(yè)。特別對水泥的運輸模式和環(huán)境影響進行了研究,得出水泥運輸能耗占水泥生產(chǎn)能耗的14%。龔先政等利用生態(tài)指數(shù)方法對北京水泥生產(chǎn)過程的環(huán)境負(fù)荷進行數(shù)據(jù)編目、特征化分析和生態(tài)指數(shù)計算,探索改善北京水泥環(huán)境負(fù)荷的有效途徑。研究范圍為北京地區(qū)的水泥生產(chǎn)過程,包括了水泥從原料的開采、預(yù)處理、生料的粉磨和煅燒、熟料的粉磨,到水泥的均化、儲存和部分運輸過程;研究的功能單元定義為生產(chǎn)1kg42.5級普通硅酸鹽水泥的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)。文中給出了資源和能源消耗的總量。吳紅等運用生命周期評價法,采用2004年中國環(huán)境年鑒和中國建筑材料工業(yè)年鑒統(tǒng)計數(shù)據(jù),分析評價了我國現(xiàn)階段水泥生產(chǎn)工藝過程及與水泥生產(chǎn)相關(guān)的原料開采、電力生產(chǎn)和煤炭生產(chǎn)過程的環(huán)境負(fù)荷狀況。研究范圍,由水泥原料開采、能源生產(chǎn)、生料制備、熟料煅燒及粉磨到水泥儲存為止。主要考慮水泥生產(chǎn)工藝過程及與水泥生產(chǎn)相關(guān)的原料開采、電力生產(chǎn)和煤炭生產(chǎn)過程產(chǎn)生的環(huán)境影響。1kg通用水泥為功能單位。由于研究范圍是從原料開采開始,所以涉及資源與能源生產(chǎn)的初級資源消耗,初級資源消耗采用狄向華計算的我國資源能源生產(chǎn)的生命周期排放數(shù)據(jù)。狄向華對我國干法預(yù)分解窯生產(chǎn)技術(shù)、濕法生產(chǎn)技術(shù)和立窯生產(chǎn)技術(shù)等典型水泥生產(chǎn)工藝過程進行了初步的LCA評價研究;初步地提出了水泥生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)流程體系。研究范圍界定為:由原料進廠、原料預(yù)處理、生料粉磨、生料鍛燒、熟料粉磨,直至水泥均化、儲存為止。在這樣的研究范圍中,未包括礦山開采、運輸過程、水泥包裝等具體過程。以1kg525#普通硅酸鹽水泥所具有的使用性能作為功能單位。數(shù)據(jù)來源于對具體水泥生產(chǎn)線的調(diào)研。富麗采用生命周期評價法(LCA)和層次分析法對水泥窯系統(tǒng)不燒廢棄物(A)、焚燒廢棄物(B)、替代燃料(C)和替代原料(D)的四種情況進行了環(huán)境影響評價。生態(tài)水泥的生產(chǎn)工藝與普通水泥基本相同,主要是由原料運輸、水泥制造、產(chǎn)品使用、廢物回收等階段組成。結(jié)合水泥生產(chǎn)過程本身的特點,研究范圍界定為:從原料進廠、原料預(yù)處理、生料粉磨、生料鍛燒、熟料粉磨,直至水泥均化、儲存、包裝為止。不考慮原料的生產(chǎn)加工過程,只考慮生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響,即直接原料消耗和直接廢物排放的過程。研究以1t525#普通硅酸鹽水泥為功能單位。通過對北京地區(qū)某水泥廠進行實地調(diào)研,掌握各項基本情況,主要包括能耗、物耗和二廢的排放等數(shù)據(jù)。劉順妮等運用環(huán)境影響指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化和AHP權(quán)重定量法對硅酸鹽水泥進行了較為系統(tǒng)的LCA評價?？紤]到水泥壽命周期的不確定性,該研究以原料開采至水泥生產(chǎn),同時以一定標(biāo)準(zhǔn)的混凝土制造構(gòu)成LCA評價的壽命周期。研究對象為硅酸鹽水泥,原料采用石灰石、粘土及石膏噸水泥料耗,不考慮工業(yè)廢渣的利用。功能單位以1m3標(biāo)準(zhǔn)混凝土所用水泥重量計。不考慮水泥的循環(huán)利用、廢棄處理。5t柴油汽車運輸。水泥和混凝土原料運輸距離分別假定為5km和30km。各文獻里的能耗和資源數(shù)據(jù)清單如表1所示。2.2產(chǎn)品系統(tǒng)和工藝過程的統(tǒng)計與分析周和敏基于LCA方法分析了我國鋼鐵工業(yè)的資源消耗和環(huán)境狀況,文中對鋼鐵的生命周期邊界定義為生產(chǎn)過程,而沒有考慮運輸、使用和回收過程。對于工序能耗,統(tǒng)計了礦物燃料、二次能源如煤氣、電耗,還統(tǒng)計了壓縮空氣、氧氣、吹氫、蒸汽,將它們折算成標(biāo)準(zhǔn)能源。數(shù)據(jù)來源于對實際工廠的調(diào)研計算。文獻中列出了鋼鐵生產(chǎn)耗用礦物資源,水資源和能源消耗的數(shù)據(jù)清單,年限為1991年到1998年。具體的數(shù)據(jù)清單見表2。劉江龍詳細(xì)分析了鋼鐵冶煉各環(huán)節(jié)的輸入輸出物質(zhì)清單。楊建新等采用生命周期清單分析方法分析了我國普通鋼材生產(chǎn)過程中的能源消耗,物料消耗以及對環(huán)境的排放。研究主要以我國普通鋼生產(chǎn)為研究對象,功能單位采用1kg普通鋼材。所確定的產(chǎn)品系統(tǒng)邊界以我國鋼鐵工業(yè)普遍采用的工藝流程進行劃分,包括主要原料和輔助原料的采掘、生產(chǎn)、使用等諸過程,沒有考慮最終處置階段。主原料工藝過程:鐵礦石開采及運輸,礦石精選、造粒及運輸,鐵礦石燒結(jié),高爐煉鐵,煉鋼,軋鋼(粗軋)。其中煉鋼分別考慮了平爐、轉(zhuǎn)爐和電爐三種不同工藝。輔助原料生產(chǎn)工藝:石灰石(CaCO3)開采及其石灰(CaO)生產(chǎn);原煤采掘及運輸,煉焦。以《中國鋼鐵年鑒》(1998)為主要數(shù)據(jù)參考源。文中給出了生產(chǎn)1kg普通鋼材的能源資源消耗清單以及排放清單。龔志起分析了鋼材生產(chǎn)工藝各過程的數(shù)據(jù)清單。考慮鋼材生產(chǎn)主要的工藝過程:鐵礦石開采、鐵礦石選礦、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼以及壓力加工等主要工藝過程和制氧、焦化及其它原料的制備等輔助工藝過程。功能單位為1t產(chǎn)品。鋼材產(chǎn)品采用連鑄工藝生產(chǎn)。研究給出了不同鋼產(chǎn)品如型材、線材和板材等的相應(yīng)的資源和能源消耗清單。2.3環(huán)境污染研究陳文娟等計算得到2002年我國平板玻璃生產(chǎn)生命周期的氣態(tài)污染物排放和原料消耗清單,并選用模型得到特征化參數(shù)結(jié)果,指出了氣態(tài)污染物危害的主要來源。研究范圍是2002年我國平板玻璃業(yè)的氣態(tài)污染物的直接排放和能源生產(chǎn)造成的間接排放以及原料消耗,原料的生產(chǎn)過程中造成的污染物排放不包括在此范圍之內(nèi)。文中給出了2002我國平板玻璃能源和資源消耗總量。龔志起選擇浮法平板玻璃作為研究對象,通過對我國某浮法玻璃集團的調(diào)查,研究其在物化過程的環(huán)境影響。研究范圍限定在平板玻璃在原材料獲取階段和生產(chǎn)階段產(chǎn)生的直接環(huán)境影響,以及由于使用能源間接造成的環(huán)境影響。直接環(huán)境影響也包括運輸過程造成的環(huán)境污染。文中給出了平板玻璃生產(chǎn)的能量消耗和資源消耗清單數(shù)據(jù),以1重量箱玻璃為單位。張群等以華東與華中兩家典型玻璃企業(yè)的350t/d和500t/d兩條生產(chǎn)線為研究對象,采用生命周期評價的方法對其2004年至2007年的資源、能源消耗及廢棄物排放等生產(chǎn)調(diào)研數(shù)據(jù)進行環(huán)境影響評價。研究范圍包括配合料制備,熔融與氣體保護,成型退火和切截、檢驗與包裝四個階段。而不包括原材料開采與運輸和后期使用與廢棄階段。2.4研究方法及評價李曉鵬等采用生命周期評價(LCA)方法分析了我國典型衛(wèi)生陶瓷企業(yè)從原材料開采,產(chǎn)品運輸?shù)疆a(chǎn)品生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷。研究中選擇了我國具有代表性衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)企業(yè)為研究對象。功能單位選取1噸衛(wèi)生陶瓷,系統(tǒng)邊界涵蓋衛(wèi)生陶瓷從原材料開采到產(chǎn)品生產(chǎn)的生命周期過程。包括原材料的開采、原材料運輸和產(chǎn)品生產(chǎn)三部分。陳慶文等應(yīng)用生命周期評價方法,以一種型號為VWH002NP的建筑陶瓷釉面磚為研究對象,對建筑陶瓷原材料開采、原料制備、成型加工、施釉、燒成生產(chǎn)、產(chǎn)品使用或廢棄及運輸?shù)?個子過程進行了清單分析,并分別計算出能耗及對環(huán)境的影響。給出了建筑陶瓷的能源和資源消耗清單(表4)。夏光華等采用LCA的方法對日用陶瓷生產(chǎn)過程進行了全面分析與評價,并提出了實施清潔生產(chǎn)的途徑。研究階段包括原料的制備,成型加工,高溫?zé)珊统善返牟曙?烤花及制品的包裝和運送銷售整個過程。2.5原料運輸和運輸距離王超等采用生命周期評價方法評價了摻不同等級,不同含量粉煤灰混凝土的環(huán)境影響。其中取每噸水泥消耗:石灰石1.3t,黏土0.3t,石膏50kg,以1m3C30混凝土為功能單位。采用5t柴油車運輸,水泥和混凝土原料的運輸距離分別為5km和10km,其他生產(chǎn)設(shè)備和建筑設(shè)施相關(guān)的環(huán)境污染暫不考慮。文中列出了不同的混凝土配合比以及相應(yīng)的能源消耗清單。黃冠群從原材料的開采、加工、運輸開始,包括水泥的生產(chǎn)、混凝土的制造、到混凝土的回收利用、廢棄處理的全過程來研究混凝土生產(chǎn)過程的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價。不考慮混凝土作為建筑材料的使用和維護過程。研究對象是強度等級為C30的普通混凝土,原料采用硅酸鹽水泥、粗骨料、細(xì)骨料。給出了普通混凝土生命周期清單分析(表5)。2.6黃志甲在建筑物能量系統(tǒng)生命周期評價中的應(yīng)用另外對于粘土磚、砌塊、木材等墻材的LCA也有一定的積累。高分子材料及其塑料產(chǎn)品方面也有一些研究。黃志甲在建筑物能量系統(tǒng)生命周期評價研究中對幾種常見墻材的生產(chǎn)階段清單數(shù)據(jù)進行了分析。其中,對于粘土空心磚、灰砂磚、普通混凝土砌塊、加氣混凝土等(表6)給出了生產(chǎn)的綜合能耗和物料消耗的數(shù)據(jù)清單。3建筑采暖周期能耗及能耗分析建筑設(shè)備的生命周期能耗也是建筑生命周期能耗的一個組成部分。這里的建筑設(shè)備主要指與建筑能源系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備,比如房間空調(diào)器、冷水機組、風(fēng)機盤管、水泵等。國內(nèi)在建筑設(shè)備生命周期能耗的相關(guān)方面也有一定的研究,比如鄧建強建立了燃?xì)鉄岜玫纳芷谇鍐尾⑦M行了影響評價,鄭元建立了水源中央空調(diào)系統(tǒng)的LCI并進行了環(huán)境影響評價,李兆堅對房間空調(diào)器、冷水機組、水泵等建筑暖通空調(diào)設(shè)備的生命周期資源和能源消耗進行了研究。這里的建筑設(shè)備主要指與建筑能源系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備,比如房間空調(diào)器、冷水機組、風(fēng)機盤管、水泵等。這些設(shè)備的原材料大多為鋼鐵、銅、鋁、塑料等基本材料,因此這些設(shè)備的生命周期環(huán)境負(fù)荷可以通過基本材料的消耗量和設(shè)備的加工能耗進行計算。李兆堅對這幾類設(shè)備的耗材量進行了細(xì)致的分析。3.1空調(diào)器生命周期能耗根據(jù)李兆堅對1995~2005年全國房間空調(diào)器保有量的統(tǒng)計和總耗材量的計算,計算出各年份每臺房間空調(diào)器的平均耗材量,設(shè)備加工耗電量按照0.12kWh/kg計算,按2005年的清單數(shù)據(jù)計算其生命周期能耗為3225.64MJ/臺。清單如表7。3.2冷水機組不同類型冷水機組的單位額定制冷量的耗材清單如表8,機組加工耗電量按照0.18kWh/kg計算。3.3定額供冷量的總耗材量單臺風(fēng)機盤管的總重量與其額定供冷量有關(guān),李兆堅擬合的公式如下式所示。其中:Xtc為風(fēng)機盤管單位額定供冷量的總耗材量,kg/kW;Qc為風(fēng)機盤管的額定供冷量(高檔冷量),W。風(fēng)機盤管的平均材料組成見表9,加工耗電量按照0.18kWh/kg計算。據(jù)此,只要知道了風(fēng)機盤管的額定供冷量,就可以計算得到它的耗材清單和加工電耗。計算得到風(fēng)機盤管的生命周期能耗為135.14MJ/kg。3.4水泵的平均材料組成單臺水泵的重量與其額定功率之間存在較好的相關(guān)性,李兆堅擬合的公式如下式所示。其中:Wt為水泵凈重,kg;N為水泵的額定功率,kW。水泵的平均材料組成見表10,加工耗電量按照0.18kWh/kg計算。據(jù)此,只要知道了水泵的額定功率,就可以計算得到它的耗材清單和加工電耗了:4中國建筑環(huán)境負(fù)荷評價體系的構(gòu)成國內(nèi)也有少量LCA數(shù)據(jù)庫問世,其中收錄了能源、鋼鐵、有色金屬、建材、高分子材料等基礎(chǔ)產(chǎn)品的清單,以及相關(guān)的影響評價方法。如北京工業(yè)大學(xué)依據(jù)ISO14040系列標(biāo)準(zhǔn)及ISO/CD14048的具體要求開發(fā)的典型材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評價MLCA數(shù)據(jù)庫及評價軟件。其數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)是基于服務(wù)器/客戶端網(wǎng)絡(luò)體系,在WindowsAdvanceServer2000平臺上安裝和配置了SQLServer2000企業(yè)版的后臺數(shù)據(jù)庫,在前臺通過授權(quán)進行數(shù)據(jù)庫操作和訪問。其數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫;設(shè)計的數(shù)據(jù)庫框架主要包括:系統(tǒng)框架庫、評價方法庫、項目管理庫、標(biāo)準(zhǔn)參考庫、基礎(chǔ)物質(zhì)庫、度量單位庫、文獻資料庫和材料性能庫等。評價方法數(shù)據(jù)庫分析了目前廣泛使用的LCA評價方法的特點,定義了LCA評價方法庫,主要包括Eco2indicator99、CML2、EPS2000和Ecopoints97等評價體系的框架,其中包含了Eco2indicator99的全部評價指標(biāo)體系數(shù)據(jù)。材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)庫主要包括典型材料(鋼鐵、水泥、涂料、陶瓷、化工材料和高分子)在整個生產(chǎn)過程中的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù),如資源消耗、能源消耗、空氣排放、水體排放和土壤排放方面的數(shù)據(jù)。同時目前引進了國外著名LCA環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)庫,如Simapro、Umberto、Gabi和DEAM,主要包括日用品、造紙、鋼鐵、石化、有機(無機)材料、能源、運輸和電子產(chǎn)品等方面的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)。同時開發(fā)了相應(yīng)的LCA評價軟件:生命周期分析系統(tǒng)。系統(tǒng)分為三大功能模塊:LCA實例、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理;LCA實例包括功能單元、流程建模、平衡計算