生命周期内的国内建筑资源能源消耗研究进展

生命周期内的国内建筑资源能源消耗研究进展

1建筑和建筑部品生命周期各阶段可以分为两大阶段和两个阶段如图1所示，建筑物的生命周期分为五个阶段：建筑物的生产、建造、建筑运营、维护和拆除。其中,建筑部品主要包括建筑材料(钢、水泥、墙材、保温、门窗等)和建筑设备(空调器、水泵、卫生器具等)两大类,它们各自都有一个完整的生命周期,包括原材料开采、原料生产、产品生产、使用更新维护、回收和废弃处理几个阶段。各种能源存在于建筑和部品生命周期的各个阶段中,它们也有自己的生命周期,可分为能源矿石开采、能源生产、能源使用几个阶段。此外,能源输配和建筑部品运输贯穿于建筑、建筑部品和能源生命周期各个阶段,也是建筑LCA不可或缺的研究阶段。主要包括:建材部品生产阶段,建造施工阶段,建筑运行阶段和拆毁处置阶段。2建筑能耗现状建筑生命周期中不同阶段的能耗情况各不相同。对于建材生命周期能耗不仅包括产品生产过程(包括原材料开采、原料生产、产品生产加工等)的直接能耗,以及建材的使用更新维护、回收和废弃阶段的能耗,还包括生产所需能源的生产过程的间接能耗。其次,建筑材料的周转过程带来的运输能耗也是能源消耗中重要的一部分,特别是在我国资源分布不均匀的国情下,运输耗能较大,经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资源、能源等的数据清单,因此需要大量的数据调研工作,调研分析方法主要有两种,一种是基于行业输入输出总量的宏观方法,比如通过行业年鉴进行分析;另一种是从微观的角度分析,严格的跟踪各个能耗子过程的相关资源消耗、能源消耗,最终在产品生产链上进行综合。前者较注重总量平衡,能反映出平均水平,而后者数据来源可靠,能真正涵盖生产的全过程。数据匮乏是我国LCA工作难以开展的一个重要原因,而LCA的数据搜集和整理工作并非短时间能积累出的,它是一个耗时耗力的长周期过程。整个建筑行业涉及的产品繁多,建筑材料涉及面很广,按照材料种类分,包括木材及其制品、钢铁、高分子材料、陶瓷、复合材料及各种化工材料;按照材料用途分,大致有结构材料、装修材料、设备材料等。国内建筑材料的清单研究中,钢材、水泥、平板玻璃等主要建材因属于比较基本的工业产品,所以拥有较多的研究成果。2.1研究范围和研究方法宋萍等从资源和能源消耗以及污染物排放等3个方面对硫铝酸盐水泥进行了生命周期评价。该研究以旋风预热窑生产工艺为研究对象,分析从原料开采、水泥制造以及构成混凝土的生命周期各环节,功能单位为1m3C40混凝土所需硫铝酸盐水泥。燃煤开采的数据清单采用MatsunoYasunari,etal.(2002),与运输的相关数据清单采用了SimaPro5.1中的数据。陈效逑等利用物质流分析方法,对北京地区水泥生产和使用过程的物能代谢及其环境影响进行研究。调研了北京典型的水泥企业。特别对水泥的运输模式和环境影响进行了研究,得出水泥运输能耗占水泥生产能耗的14%。龚先政等利用生态指数方法对北京水泥生产过程的环境负荷进行数据编目、特征化分析和生态指数计算,探索改善北京水泥环境负荷的有效途径。研究范围为北京地区的水泥生产过程,包括了水泥从原料的开采、预处理、生料的粉磨和煅烧、熟料的粉磨,到水泥的均化、储存和部分运输过程;研究的功能单元定义为生产1kg42.5级普通硅酸盐水泥的环境负荷数据。文中给出了资源和能源消耗的总量。吴红等运用生命周期评价法,采用2004年中国环境年鉴和中国建筑材料工业年鉴统计数据,分析评价了我国现阶段水泥生产工艺过程及与水泥生产相关的原料开采、电力生产和煤炭生产过程的环境负荷状况。研究范围,由水泥原料开采、能源生产、生料制备、熟料煅烧及粉磨到水泥储存为止。主要考虑水泥生产工艺过程及与水泥生产相关的原料开采、电力生产和煤炭生产过程产生的环境影响。1kg通用水泥为功能单位。由于研究范围是从原料开采开始,所以涉及资源与能源生产的初级资源消耗,初级资源消耗采用狄向华计算的我国资源能源生产的生命周期排放数据。狄向华对我国干法预分解窑生产技术、湿法生产技术和立窑生产技术等典型水泥生产工艺过程进行了初步的LCA评价研究;初步地提出了水泥生产标准流程体系。研究范围界定为:由原料进厂、原料预处理、生料粉磨、生料锻烧、熟料粉磨,直至水泥均化、储存为止。在这样的研究范围中,未包括矿山开采、运输过程、水泥包装等具体过程。以1kg525#普通硅酸盐水泥所具有的使用性能作为功能单位。数据来源于对具体水泥生产线的调研。富丽采用生命周期评价法(LCA)和层次分析法对水泥窑系统不烧废弃物(A)、焚烧废弃物(B)、替代燃料(C)和替代原料(D)的四种情况进行了环境影响评价。生态水泥的生产工艺与普通水泥基本相同,主要是由原料运输、水泥制造、产品使用、废物回收等阶段组成。结合水泥生产过程本身的特点,研究范围界定为:从原料进厂、原料预处理、生料粉磨、生料锻烧、熟料粉磨,直至水泥均化、储存、包装为止。不考虑原料的生产加工过程,只考虑生产过程对环境的影响,即直接原料消耗和直接废物排放的过程。研究以1t525#普通硅酸盐水泥为功能单位。通过对北京地区某水泥厂进行实地调研,掌握各项基本情况,主要包括能耗、物耗和二废的排放等数据。刘顺妮等运用环境影响指标标准化和AHP权重定量法对硅酸盐水泥进行了较为系统的LCA评价。考虑到水泥寿命周期的不确定性,该研究以原料开采至水泥生产,同时以一定标准的混凝土制造构成LCA评价的寿命周期。研究对象为硅酸盐水泥,原料采用石灰石、粘土及石膏吨水泥料耗,不考虑工业废渣的利用。功能单位以1m3标准混凝土所用水泥重量计。不考虑水泥的循环利用、废弃处理。5t柴油汽车运输。水泥和混凝土原料运输距离分别假定为5km和30km。各文献里的能耗和资源数据清单如表1所示。2.2产品系统和工艺过程的统计与分析周和敏基于LCA方法分析了我国钢铁工业的资源消耗和环境状况,文中对钢铁的生命周期边界定义为生产过程,而没有考虑运输、使用和回收过程。对于工序能耗,统计了矿物燃料、二次能源如煤气、电耗,还统计了压缩空气、氧气、吹氢、蒸汽,将它们折算成标准能源。数据来源于对实际工厂的调研计算。文献中列出了钢铁生产耗用矿物资源,水资源和能源消耗的数据清单,年限为1991年到1998年。具体的数据清单见表2。刘江龙详细分析了钢铁冶炼各环节的输入输出物质清单。杨建新等采用生命周期清单分析方法分析了我国普通钢材生产过程中的能源消耗,物料消耗以及对环境的排放。研究主要以我国普通钢生产为研究对象,功能单位采用1kg普通钢材。所确定的产品系统边界以我国钢铁工业普遍采用的工艺流程进行划分,包括主要原料和辅助原料的采掘、生产、使用等诸过程,没有考虑最终处置阶段。主原料工艺过程:铁矿石开采及运输,矿石精选、造粒及运输,铁矿石烧结,高炉炼铁,炼钢,轧钢(粗轧)。其中炼钢分别考虑了平炉、转炉和电炉三种不同工艺。辅助原料生产工艺:石灰石(CaCO3)开采及其石灰(CaO)生产;原煤采掘及运输,炼焦。以《中国钢铁年鉴》(1998)为主要数据参考源。文中给出了生产1kg普通钢材的能源资源消耗清单以及排放清单。龚志起分析了钢材生产工艺各过程的数据清单。考虑钢材生产主要的工艺过程:铁矿石开采、铁矿石选矿、烧结、炼铁、炼钢以及压力加工等主要工艺过程和制氧、焦化及其它原料的制备等辅助工艺过程。功能单位为1t产品。钢材产品采用连铸工艺生产。研究给出了不同钢产品如型材、线材和板材等的相应的资源和能源消耗清单。2.3环境污染研究陈文娟等计算得到2002年我国平板玻璃生产生命周期的气态污染物排放和原料消耗清单,并选用模型得到特征化参数结果,指出了气态污染物危害的主要来源。研究范围是2002年我国平板玻璃业的气态污染物的直接排放和能源生产造成的间接排放以及原料消耗,原料的生产过程中造成的污染物排放不包括在此范围之内。文中给出了2002我国平板玻璃能源和资源消耗总量。龚志起选择浮法平板玻璃作为研究对象,通过对我国某浮法玻璃集团的调查,研究其在物化过程的环境影响。研究范围限定在平板玻璃在原材料获取阶段和生产阶段产生的直接环境影响,以及由于使用能源间接造成的环境影响。直接环境影响也包括运输过程造成的环境污染。文中给出了平板玻璃生产的能量消耗和资源消耗清单数据,以1重量箱玻璃为单位。张群等以华东与华中两家典型玻璃企业的350t/d和500t/d两条生产线为研究对象,采用生命周期评价的方法对其2004年至2007年的资源、能源消耗及废弃物排放等生产调研数据进行环境影响评价。研究范围包括配合料制备,熔融与气体保护,成型退火和切截、检验与包装四个阶段。而不包括原材料开采与运输和后期使用与废弃阶段。2.4研究方法及评价李晓鹏等采用生命周期评价(LCA)方法分析了我国典型卫生陶瓷企业从原材料开采,产品运输到产品生产的环境负荷。研究中选择了我国具有代表性卫生陶瓷生产企业为研究对象。功能单位选取1吨卫生陶瓷,系统边界涵盖卫生陶瓷从原材料开采到产品生产的生命周期过程。包括原材料的开采、原材料运输和产品生产三部分。陈庆文等应用生命周期评价方法,以一种型号为VWH002NP的建筑陶瓷釉面砖为研究对象,对建筑陶瓷原材料开采、原料制备、成型加工、施釉、烧成生产、产品使用或废弃及运输等7个子过程进行了清单分析,并分别计算出能耗及对环境的影响。给出了建筑陶瓷的能源和资源消耗清单(表4)。夏光华等采用LCA的方法对日用陶瓷生产过程进行了全面分析与评价,并提出了实施清洁生产的途径。研究阶段包括原料的制备,成型加工,高温烧成和成品的彩饰,烤花及制品的包装和运送销售整个过程。2.5原料运输和运输距离王超等采用生命周期评价方法评价了掺不同等级,不同含量粉煤灰混凝土的环境影响。其中取每吨水泥消耗:石灰石1.3t,黏土0.3t,石膏50kg,以1m3C30混凝土为功能单位。采用5t柴油车运输,水泥和混凝土原料的运输距离分别为5km和10km,其他生产设备和建筑设施相关的环境污染暂不考虑。文中列出了不同的混凝土配合比以及相应的能源消耗清单。黄冠群从原材料的开采、加工、运输开始,包括水泥的生产、混凝土的制造、到混凝土的回收利用、废弃处理的全过程来研究混凝土生产过程的环境协调性评价。不考虑混凝土作为建筑材料的使用和维护过程。研究对象是强度等级为C30的普通混凝土,原料采用硅酸盐水泥、粗骨料、细骨料。给出了普通混凝土生命周期清单分析(表5)。2.6黄志甲在建筑物能量系统生命周期评价中的应用另外对于粘土砖、砌块、木材等墙材的LCA也有一定的积累。高分子材料及其塑料产品方面也有一些研究。黄志甲在建筑物能量系统生命周期评价研究中对几种常见墙材的生产阶段清单数据进行了分析。其中,对于粘土空心砖、灰砂砖、普通混凝土砌块、加气混凝土等(表6)给出了生产的综合能耗和物料消耗的数据清单。3建筑采暖周期能耗及能耗分析建筑设备的生命周期能耗也是建筑生命周期能耗的一个组成部分。这里的建筑设备主要指与建筑能源系统相关的设备,比如房间空调器、冷水机组、风机盘管、水泵等。国内在建筑设备生命周期能耗的相关方面也有一定的研究,比如邓建强建立了燃气热泵的生命周期清单并进行了影响评价,郑元建立了水源中央空调系统的LCI并进行了环境影响评价,李兆坚对房间空调器、冷水机组、水泵等建筑暖通空调设备的生命周期资源和能源消耗进行了研究。这里的建筑设备主要指与建筑能源系统相关的设备,比如房间空调器、冷水机组、风机盘管、水泵等。这些设备的原材料大多为钢铁、铜、铝、塑料等基本材料,因此这些设备的生命周期环境负荷可以通过基本材料的消耗量和设备的加工能耗进行计算。李兆坚对这几类设备的耗材量进行了细致的分析。3.1空调器生命周期能耗根据李兆坚对1995~2005年全国房间空调器保有量的统计和总耗材量的计算,计算出各年份每台房间空调器的平均耗材量,设备加工耗电量按照0.12kWh/kg计算,按2005年的清单数据计算其生命周期能耗为3225.64MJ/台。清单如表7。3.2冷水机组不同类型冷水机组的单位额定制冷量的耗材清单如表8,机组加工耗电量按照0.18kWh/kg计算。3.3定额供冷量的总耗材量单台风机盘管的总重量与其额定供冷量有关,李兆坚拟合的公式如下式所示。其中:Xtc为风机盘管单位额定供冷量的总耗材量,kg/kW;Qc为风机盘管的额定供冷量(高档冷量),W。风机盘管的平均材料组成见表9,加工耗电量按照0.18kWh/kg计算。据此,只要知道了风机盘管的额定供冷量,就可以计算得到它的耗材清单和加工电耗。计算得到风机盘管的生命周期能耗为135.14MJ/kg。3.4水泵的平均材料组成单台水泵的重量与其额定功率之间存在较好的相关性,李兆坚拟合的公式如下式所示。其中:Wt为水泵净重,kg;N为水泵的额定功率,kW。水泵的平均材料组成见表10,加工耗电量按照0.18kWh/kg计算。据此,只要知道了水泵的额定功率,就可以计算得到它的耗材清单和加工电耗了:4中国建筑环境负荷评价体系的构成国内也有少量LCA数据库问世,其中收录了能源、钢铁、有色金属、建材、高分子材料等基础产品的清单,以及相关的影响评价方法。如北京工业大学依据ISO14040系列标准及ISO/CD14048的具体要求开发的典型材料环境协调性评价MLCA数据库及评价软件。其数据库的实现是基于服务器/客户端网络体系,在WindowsAdvanceServer2000平台上安装和配置了SQLServer2000企业版的后台数据库,在前台通过授权进行数据库操作和访问。其数据库系统采用关系模型数据库;设计的数据库框架主要包括:系统框架库、评价方法库、项目管理库、标准参考库、基础物质库、度量单位库、文献资料库和材料性能库等。评价方法数据库分析了目前广泛使用的LCA评价方法的特点,定义了LCA评价方法库,主要包括Eco2indicator99、CML2、EPS2000和Ecopoints97等评价体系的框架,其中包含了Eco2indicator99的全部评价指标体系数据。材料环境负荷数据库主要包括典型材料(钢铁、水泥、涂料、陶瓷、化工材料和高分子)在整个生产过程中的环境负荷数据,如资源消耗、能源消耗、空气排放、水体排放和土壤排放方面的数据。同时目前引进了国外著名LCA环境负荷数据库,如Simapro、Umberto、Gabi和DEAM,主要包括日用品、造纸、钢铁、石化、有机(无机)材料、能源、运输和电子产品等方面的环境负荷数据。同时开发了相应的LCA评价软件:生命周期分析系统。系统分为三大功能模块:LCA实例、基础数据、系统管理;LCA实例包括功能单元、流程建模、平衡计算