“钢结构建筑”与生命周期影响评价.doc

时间延续性之：“钢结构建筑”与生命周期影响评价10022213 王楠莹摘 要： 将生命周期评价运用到人类的生产与生活中，通过对生产与生活两方面所举的典型例子的简要分析和总结，阐述了生命周期评价对其进行分析，得出相应的环境影响，并且制定相关的解决措施，从而有针对性地改进生产的设备与技术，提高人类的生活健康，为可持续发展战略的实施提供有利的保障。关键词： 生命周期评价 钢结构建筑 举例 分析和总结0 引言本文以分析和总结生命周期评价在生活（钢结构建筑住宅部品、塑料和铝制咖啡机、推动电器产业可持续发展）和生产（机械加工工艺过程资源环境属性、能源上游、矿用风机叶轮加工过程、合成革湿法生产线、清洁生产审核、中国水泥工业）这两方面中的运用，阐述了生命周期评价在其中的重要环境影响，以及对消除不良影响所要制定的解决方案与实施的措施，从而肯定了生命周期评价在生活与生产方面起到的重大作用以及具有的深远意义。1 生命周期评价1.1 生命周期评价的定义生命周期评价（Life Cycle Assessment,即LCA）起源于1969年美国中西部研究所受可口可乐委托对饮料容器从原材料采掘到废弃物最终处理的全过程进行的跟踪与定量分析。LCA已经纳入ISO14000环境管理系列标准而成为国际上环境管理和产品设计的一个重要支持工具。根据ISO14040：1999的定义，LCA是指“对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价，具体包括互相联系、不断重复进行的四个步骤：目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释。它是一种用于评估产品在其整个生命周期中，即从原材料的获取、产品的生产直至产品使用后的处置，对环境影响的技术和方法。1.2 生命周期评价的技术框架1.2.1 目标定义和范围界定确定目标和范围是LCA研究的第一步。一般需要先确定LCA的评价目标，然后根据评价目标来界定研究对象的功能、功能单位、系统边界、环境影响类型等等，这些工作随研究目标的不同变化很大，没有一个固定的模式可以套用，但必须要反映出资料收集和影响分析的根本方向。另外，此研究是一个反复的过程，根据收集到的数据和信息，可能修正最初设定的范围来满足研究的目标。在某些情况下，由于某种没有预见到的限制条件、障碍或其它信息，研究目标本身也可能需要修正。1.2.2 清单分析清单分析的任务是收集数据，并通过一些计算给出该产品系统各种输入输出，作为下一步影响评价的依据。输入的资源包括物料和能源，输出的除了产品外，还有向大气、水和土壤的排放。在计算能源时要考虑使用的各种形式的燃料和电力、能源的转化和分配效率以及与该能源相关的输入输出。1.2.3 生命周期影响评价在LCA从中，影响评价是对清单分析中所辨识出来的环境负荷的影响作定量或定性的描述和评价。影响评价方法目前正在发展之中，一般都倾向于把影响评价作为一个“三步走”的模型，即影响分类、特征化和量化评价。影响分类：将从清单分析得来的数据归到不同的环境影响类型。影响类型通常包括资源耗竭、人类健康影响和生态影响3个大类。每一大类下又包含有许多小类，如在生态影响下又包含有全球变暖、臭氧层破坏、酸雨、光化学烟雾和富营养化等。另外，一种具体类型，可能会同时具有直接和间接两种影响效应。特征化： 特征化是以环境过程的有关科学知识为基础，将每一种影响大类中的不同影响类型汇总。目前完成特征化的方法有负荷模型、当量模型等，重点是不同影响类型的当量系数的应用，对某一给定区域的实际影响量进行归一化，这样做是为了增加不同影响类型数据的可比性，然后为下一步的量化评价提供依据。量化评价：量化评价是确定不同影响类型的贡献大小，即权重，以便能得到一个数字化的可供比较的单一指标。1.2.4 改善评价根据一定的评价标准，对影响评价结果做出分析解释，识别出产品的薄弱环节和潜在改善机会，为达到产品的生态最优化目的提出改进建议。2 典型例子的分析与总结2.1 钢结构住宅建筑部品生命周期清单分析2.1.1 综述:研究对象: 都江堰某钢结构住宅小区内3幢不同层数建筑。分析生命周期评价的环境影响与解决措施：1、 建筑、混凝土、水泥、钢筋是钢结构建筑部品生命周期能耗最大的四个部分，占60%以上；层数增加，钢构件能耗比例上升，混凝土和水泥的比例下降。因此，优化这几类建筑生产工艺，降低其生产能耗是降低建筑部品生命能耗的关键；2、 通过对比：3类住宅结构部分（钢铁）的能耗高于围护结构（水泥）的能耗,但结构部分(钢铁)的CO2排放要低于相应的围护结构（水泥）。因此，从生命周期的清单分析反映了钢结构建筑在低碳方面的优越性；3、 由于钢结构建筑施工过程简单，施工生命周期能耗仅为常规结构住宅的50%；4、 体量对钢结构建筑住宅部品的生命周期环境影响不大；小结：在“钢结构住宅建筑部品生命周期评价”的研究中，通过对“不同体量钢结构住宅结构部分材料和围护结构部分材料的耗量”、“3种体量钢结构住宅的施工量”、“建筑结构、围护结构单位建筑面积生命周期能耗及排放清单”的数据的收集、计算、整理、分析，能够从中了解到生命周期评价对其的影响，从而在以后的房屋建设过程中，利用上述得到的结果，更有针对性的选择建筑材料，建设方法进行施工，并有意识地避开施工过程中的可能遇到的不良因素，如材料的选择，工艺的优劣等。进而优化整个房屋建设，使其从原材料的采集、运输到整个房屋的施工及成型的生命周期过程中，尽可能的降低对环境的污染，保护环境。2.1.2 详细案例分析:钢结构住宅建筑是住宅建筑的一个分支，与砖石结构、钢筋混凝土结构、木结构一样是住宅建筑的重要组成部分，它以工厂生产的钢梁、钢柱为骨架，同时配以新型轻质、保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构建造而成，其主要承重骨架是由钢结构或钢管混凝土构建所组成。研究对象本文研究对象为2008年汶川大地震后，宝钢援助都江堰的钢结构住宅。本研究选取3幢建筑（三种体量建筑各一幢）作为研究对象，研究分析不同体量钢结构住宅建筑的结构及围护结构的生命周期能耗及环境排放。所选取的3种体量建筑相关参数如表1所示。）表1 研究选取代表住宅参数住宅编号层数建筑面积（m2）1#6层55242#11层55447#18层9574表2 不同体量钢结构住宅结构部分材料耗量（t）建筑体量钢筋钢柱钢梁钢板混凝土防火漆防腐漆6层158.036167.712189.38217.1981923.96356.261345.16211层151.755177.487214.12552.5852087.929113.179385.36918层270.556415.528471.8442839.706216.876864.458表3 不同体量钢结构住宅围护结构部分材料耗量建筑体量砂（t）碎石（t）水泥（t）玻璃（m2）石灰（t）加气混凝土砌块(m3）6层132013721398583776124611层116513771233662685109918层220723782337212212982082注：玻璃为双层中空玻璃（规格5mm+9mm+5mm）建筑材料/构件的生命周期清单由于在钢结构建筑中，钢材的回收率较高，尤其是型钢材料，因此这就涉及到可回收建材的生命周期处理方法问题。钢材属于易回收型建材，其能源消耗数据应分为与原钢和回收钢两部分。根据文献整理和宝钢提供的相关数据得到了原钢及回收钢生产主要流程的能源消耗数据清单，如表4，表5所示。钢梁、钢柱和钢板成型过程的能源消耗如表6。表4 生产1kg原钢主要流程能源消耗（单位：kJ）工艺流程电力煤天然气重油柴油焦炉气高炉气其它总计铁矿开采22312-248-20472629铁矿精选111-148259煤炭开采-洗煤151-258409石灰生产-419419烧结-1399-1179-350-4113339焦化79-247733712686195高炉炼铁12585730.4-566599-2177转炉炼钢107-49.3-370-265792连铸199-2941-2993439热轧317-2380-2697钢能耗/kg1111256779.7649924837643970411522355表5 生产1kg回收钢能源消耗（单位：kJ）工艺流程电力天然气总计电炉炼钢21242287.354411.35注：根据文献及宝钢数据整理得到表6 钢构件加工厂吨钢加工耗电量月份45678耗电量（kWh/t）13.1115.9417.0213.9717.98注：平均值作为钢构件吨钢加工能耗，为15.60 kWh/t清单结果根据以上结果对各类建材的生命周期能耗数据进行更新，进而得到各类建材的生命周期清单数据，再结合建材耗量的统计结果,可以得到整个住宅建筑结构及围护结构的生命周期能耗及环境排放。 结构/围护结构单位建筑面积生命周期能耗及排放清单结构部分围护结构部分住宅编号1#2#7#1#2#7#能耗总量（kJ/m2）3,332,4273,699,2663,732,1492590406.65 2300304.48 2554316.27 化石燃料消耗（kJ/m2）3,327,9013694190.413726556.9082589521.89 2299475.65 2553298.18 PM9851,0688831467.86 1291.49 1418.29 SOX1,3011,4351,3831355.59 1198.36 1318.99 NOX856952974581.04 516.87 568.83 CO1,1291,2271,0221532.92 1349.04 1480.42 NMHC13.515156.48 5.83 6.36 CH44.1 4.6 4.7 2.59 2.32 2.63 N2O3.1 3.5 3.5 2.22 1.97 2.17 CO2385,232424,224402,071524548.04 463109.06 510351.55 PM9.210.2 10.2 15.24 13.59 15.31 SOX94.6103.8 94.5 111.32 98.50 108.98 NOX74.883.2 84.7 42.32 38.36 42.13 CO16.318.1 18.5 12.19 10.98 12.14 NMHC3.23.5 3.6 1.39 1.28 1.38 生命周期清单分析将钢结构住宅结构、围护结构及施工阶段的生命周期数据清单累计在一起，可以对三种体量钢结构住宅的能耗及环境排放进行直观的展示。对于三种体量建筑来说，其建筑部品生命周期能耗均集中在水泥，混凝土，钢构件，钢筋及石灰等部品上，其所占份额均占各自能耗的80%以上。而占前两位的水泥和钢构件，其所占份额又将近占到各自能耗的一半左右，因此，降低水泥和钢材生产的能耗对于提高钢结构住宅的环境性能意义重大。对于不同体量的住宅来说，其各部品能耗比例又有所差异。随着楼层数（体量）的增加，钢构件（型钢）的能耗份额逐渐增加，由17%增长到23%，而水泥+混凝土能耗份额则相应减少，由1#楼的45%降到了7#楼的39%。究其原因，是因为对于钢结构住宅来说，其承重结构主要为钢梁、钢柱等型钢构件，楼层数越高，对承重结构的要求越严格，因此钢构件耗量越大。钢构件与水泥+混凝土均起承重作用，因此呈现此消彼长的态势。由清单结果可以看出，钢结构建筑施工阶段能耗仅占到整个建筑部品生命周期能耗的5%左右，施工阶段CO2排放所占分份额更少，仅占到整个建筑部品生命周期CO2排放的3%左右。如果考虑上建筑使用阶段的能耗及排放，其所占比例将更低，其能耗比例将在1%左右，要低于传统混凝土住宅的2.5%，体现了钢结构住宅的施工优势。 7#住宅生命周期能耗清单分布 1#住宅生命周期CO2清单分布 2#住宅生命周期CO2清单分布 7#住宅生命周期CO2清单分布结论钢结构建筑作为国内建筑行业的“朝阳产业”，已经引起了较多的关注，但国内的相关研究多集中在对其结构性能、抗震性能、防火性能、经济效益以及产业化方面研究，深入研究其环境性能，对验证其大规模推广