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四川大学硕十学位论文 建筑生命周期能源消耗及其环境影响研究 环境工程专业 研究生：仲平指导教师：蒋文举 建筑的能源使用在我国能源消耗中占有越来越重要的地位，同时带来的大 气污染等环境问题也日益突出。有关建筑生命周期能耗的研究始于上个世纪九 十年代中后期，先后在欧洲、北美洲和大洋洲的发达国家得到了很多应用，但 在我国的发展却基本上处于空白。建筑生命周期能耗研究有助于全面了解我国 建筑能耗水平、建筑用能模式、积累建筑能耗基础数据、评价相关环境影响， 从更加全面、系统的层面和更长远的眼光来看待建筑在不同生命周期阶段中的 能源消耗以及所带来的环境问题，从而设计出适用于建筑整个生命周期的能源 环境策略，使其在整个生命周期中的能源消耗与环境影响水平达到最优化。 本研究在剖析我国面临的能源与环境挑战基础上，将生命周期理论应用于 建筑系统能源消耗研究中，建立了宏观建筑系统和微观单体建筑生命周期能耗 评估模型，并运用所建立的模型对我国宏观建筑系统的生命周期能量消耗和位 于北京市的两座不同建筑结构的住宅建筑进行了实例分析，得出：2 0 0 0 年我国 建筑系统生命周期能源消耗总量为5 7 6 1 6 m t c e ，占当年全国能源总消耗量的 4 4 1 ，远远高于人们传统认识层面的建筑能源消耗：位于北京的砖混结构住 宅建筑a 在整个生命周期的能源消耗总量为1 5 6 2 4 9 9 9 c 玎，单位面积能源消耗 为3 0 9 4 g j ；全现浇结构住宅建筑b 在整个生命周期的能源消耗总量为 8 1 9 8 4 7 9 9 g j ，单位面积能源消耗为3 0 6 9 g j 。研究估算2 0 0 0 年我国建筑整个 生命周期能源使用所引起的主要环境排放为：二氧化碳3 2 0 1 9 m t ( 碳) 、甲烷 6 8 4 0 4 万t 、二氧化硫7 8 2 1 8 万t 、氮氧化物5 8 7 3 9 万t 、烟尘3 5 9 7 6 万t ，分 别占当年全国总排放量的3 6 o 、1 6 o 、3 9 2 、2 9 5 和3 0 9 。 通过模型所反映出来的趋势和建筑生命周期不同阶段的能源使用特点，可 以推断我国建筑生命周期能源消耗所带来的环境影响将逐步加深，并被赋予一 四川大学硕十学位论文 些新的特点需要采取新的环境策略来应对；研究提出全方位的建筑节能是缓 解我国建筑能源使用所带来环境问题的有效途径，提倡大力开展建材工业节 能、建筑节能设计、交通运输节能、废旧建材的回收利用以及建筑的生命周期 设计等手段来减少建筑系统的生命周期能耗，从而减少相应的环境排放。 关键词：建筑生命周期能源消耗环境影响 四川大学硕士学位论文 s t u d yo fb u i l d i n gl i f e c y c l ee n e r g yu s ea n dr e l e v a n t e n v i r o n m e n t a li m p a c t s m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：p i n gz h o n gs u p e r v i s o r ：、n j uj i a n g b u i l d i n ge n e r g yu s eh a sb e e nr a i s i n gm o r ea n dm o r ec o n c e r n si nc h i n ao nt h e f i e l do fe n e r g yc o n s u m p t i o na sw e l la se n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o n r e s e a r c h e s r e l a t e dw i t hb u i l d i n gl i f e c y c l ee n e r g yu s ew e r es t a r t e di nt h el a t e1 9 9 0 s r e s e a r c h e r s o fw e s t e u r o p e ，n o r t h a m e r i c aa n do c e a n i ah a da p p l i e dt h i ss t u d yi n t om a n yc a s e s a n dg e n e r a t e dl o t so fu s e f u lo u t c o m e s ，b u tt h e r ea r en o t h i n gh a db e e ns y s t e m a t i c a l l y d o n ei nc h i n a s t u d yo fb u i l d i n gl i f e c y c l ee n e r g yu s ei sh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h e o v e r a l ll e v e la n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i n e s eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，t o a c c u m u l a t eb a s i cd a t ao nb u i l d i n ge n e r g yu s ea n dt oa s s e s sr e l e v a n te n v i r o n m e n t a l i m p a c t s i tc a np r o v i d eam o r ec o m p r e h e n s i v e ，s y s t e m a t i ca n dl o n g - t e r mv i e wf o r r e s e a r c h e r so nb u i l d i n ge n e r g yu s e b yc o n d u c t i n gs u c hr e s e a r c h e s ，m u c hm o l e c o m p r e h e n s i v e a n d s o p h i s t i c a t e du n d e r s t a n d i n g s a n d s t r a t e g i e sd e a l i n g w i t h e n v i r o n m e n t a li m p a c t sa r a i s e db yb u i l d i n ge n e r g yu s ec a nb ee x p e c t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fc u r r e n te n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lc h a n l l e n g e st h a t c h i n ai sc o n f r o n t i n g ，t h es t u d ya p p l i e dl i f e c y c l et h e o r yi n t ot h er e s e a r c ho fb u i l d i n g e n e r g yu s e t h i sr e s e a r c he s t a b l i s h e dn u m e r i c a lm o d e l st oe s t i m a t eb u i l d i n gl i f e - c y c l ee n e r g yu s ef r o mb o t hm a c r oa n dm i c r ol e v e l ，a n df u r t h e ra p p l i e dt h o s em o d e l s t oe v a l u a t ec h i n e s eo v e r a l lb u i l d i n g l i f e - c y c l ee n e m y u s ea n dt w od o m e s t i c b u i l d i n g so fd i f f e r e n tt y p ei nb e i j i n ga se x a m p l e s t h er e s e a r c hr e v e a l e dt h a t ：t h e t o t a la m o u n to ft h eb u i l d i n gl i f e c y c l ee n e r g yu s ei nc h i n ah i t s5 7 6 1 6m t c e ，a c c o u n t f o r4 4 1 o ft o t a le n e r g yc o m s u p t i o ni nc h i n ai n2 0 0 0 w h i c hi sm u c hh i g h e rt h a n 四川大学硕士学位论文 t h ec o n v e n t i o n a l p e r c e p t i o n ；b u i l d i n ga ( m a i ns t r u c t u r e i sm a d eo fb r i c k sa n d c o n c r e t e ) c o n s u m e s15 6 2 4 9 9 9g ja n d3 0 9 4g j i m 2t h r o u g ha l li t sl i f e b u i l d i n gb ( m a i ns t r u c t u r ei s m a d eo fc o n c r e t e ) c o n s u m e s8 1 9 8 4 7 9 9g ja n d3 0 6 9g j m z t h r o u g ha l l i t sl i f e b a s e do nt h e s e f i n d i n g sa n dc o n c l u s i o n s ，t h ea u t h o rf u r t h e r e s t i m a t e dt h ea n n u a le n v i r o n m e n t a le m i s s i o nr e l a t e dw i t ht h eb u i l d i n gl i f e c y c l e e n e r g yu s ei n2 0 0 0 ：c 0 23 2 0 1 9m t ( c o a le q u i v a l e n t ) ，c h 4 6 8 4 0 4k t ，s 0 27 8 2 1 8k t ， n o 。5 8 7 3 9k ta n ds o o t3 5 9 7 6k t ，a c c o u n t i n gf o r3 6 o ，1 6 o ，3 9 2 ，2 9 5 a n d 3 0 9 o ft h et o t a ln m i o ne m i s s i o nl e v e lr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h et e n d e n c ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g yu s eo fe a c hl i f es t a g e r e f l e c t e df r o mt h em o d e lr e s u l t s ，c o n c l u s i o no ft h ew o r s e n i n go fe n v i r o n m e n t a l i m p a c t sa r a i s e d f r o m b u i l d i n gl i f e - c y c l ee n e r g y u s e c a nb ed e d u c e d t h e s e e n v i r o n m e n t a li m p a c t sw i l lb ee n d o w e ds o m en e wf e a t u r e s ，w h i c hn e e dt ob e a l l e v i a t e dv i an e we n v i r o n m e n t a ls t r e t a g i e s t h es t u d yc a l l sf o rw h o l el i f e - c y c l e e n e r g yc o n s e r v a t i o ni no r d e rt oc e a s et h et e n d e n c yo fi n c r e a s i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n a n dw o r s e n i n go ft h ee n v i r o n m e n t ，p o l i c yi n s t r u m e n t so ne a c hb u i l d i n gl i f es t a g e s u c ha se n e r g ys a v i n gi nc o n s t r u c t i o nm a t e r i a li n d u s t r y ，b u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c y d e s i g n ，t r a n s p o a a t i o ne n e r g yc o n s c r v m i o n ，r e c y c l ea n dr e u s et h ec o n s t r u c t i o nw a s t e s a n dt h eb u i l d i n gl i f e c y c md e s i g na r ea l ln e c e s s a r yt or e a c ham o r es u s t a i n a b l e b u i l d i n gl i f e - c y c l ee n e r g yu s e k e yw o r d s ：b u i l d i n g ，l i f e c y c l e ，e n e r g yc o n s u m p t i o n u s e ，e n v i r o n m e n t a li m p a c t 四j 大学颐士学位论文 1 前言 随着科学技术与人类文明的不断进步、社会经济的持续发展，以及人们对 生活品质、舒适度需求的提高，人类社会对于能源的需求和依赖程度也在不断 的增加，同时能源使用也给人类带来了越来越大的环境压力卜3 1 。能源的开 采、转换和利用对公众身体健康、自然生态环境以及全球气候变化产生了巨大 的影响。 1 1 我国面临的能源与环境挑战 2 0 0 2 年，我国一次能源消费总量为1 5 1 4 亿吨标准煤，比1 9 9 0 年增加5 2 7 亿吨标准煤，增长5 3 ，年均增长3 6 f 4 】。随着社会经济的迅速发展，我国已 经从能源生产和消费基本平衡转变为一个能源进口大国，而且能源供需的缺口 还在不断地加大。到按照目前的能源消耗趋势预测【】，中国在2 0 2 0 年需要一 次能源3 3 亿吨标煤以上，其中煤炭2 8 亿吨，原油6 亿吨。 为了实现党的十六大提出的到2 0 2 0 年我国将全面建设小康社会的目标， 在人口持续增加，工业化和城镇化进程逐步加快的同时，全面提高人民的生活 质量，能源需求量必然将大幅度上升，因能源使用而引发的各种社会、经济以 及环境问题都将变得更加严峻。 能源生产和消费会引起许多环境问题，包括化石燃料消耗、自然生态破 坏、全球气候变暖、酸雨、大气悬浮颗粒、光化学污染、固体废弃物污染等， 中国以煤炭为主的能源消费结构令这些环境问题表现得更加突出。我国是少数 以煤为主要能源的国家，也是世界上最大的煤炭消费国，煤烟型污染相当严 重。2 0 0 2 年，煤炭消费量1 4 2 亿吨，比1 9 9 0 年增长3 4 ，年均增长2 5 t 4 j 。 其中，近7 0 的原煤没有经过洗选直接燃烧，造成的二氧化硫排放量约占排放 总量的9 0 ，达到1 7 0 0 多万t ；二氧化碳和烟尘排放量约占排放总量的7 0 8 0 ，分别达到5 8 0 0 0 多万t 和7 0 9 万t 7 l 。目前，因二氧化硫排放形成的酸雨 区面积己占我国国土面积的三分之一；化石燃料燃烧引起的二氧化碳排放是我 国温室气体的主要来源喁i 。能源消费的不断增长使中国成为当前世界上最大的 二氧化硫排放国和仅次于美国的二氧化碳排放国，温室气体排放量占全世界总 摊放量的1 0 以上【9 】。 1 四川大学硕士学位论文 中国单位g d p 的碳排放量明显下降( 1 9 9 0 年至2 0 0 1 年下降了5 2 ) ，但二 氧化碳排放总量却从1 9 8 0 年的3 9 4 亿t 碳增加到2 0 0 1 年的8 3 2 亿t 碳；到9 0 年代中期，酸雨区面积比8 0 年代扩大了1 0 0 多万平方公里8 、1 0 】。由于严重的 环境污染，造成了高昂的经济成本和环境成本，并对公众健康产生了明显损 害，国内外研究显示，这些污染造成的经济损失占我国g d p 的3 7 【9 】。 按照目前的能源消耗趋势预测【5 】，2 0 2 0 年二氧化硫排放量将达到5 0 0 0 万 吨，比2 0 0 0 年增长2 6 倍。考虑到我国目前脆弱的生态环境，各类污染物的排 放量将大大超过环境的容纳和承载能力。同时，京都议定书已于2 0 0 5 年2 月1 6 起正式生效，虽然中国作为发展中国家，根据“共同但有区别的责任” 的原则，在履约的第一阶段暂不承担任何减排任务。但是，在2 0 1 0 年之后， 联合国气候变化框架公约将赋予中国何样的减排任务还不得而知。而且， 我们还必需认识到全球气候变暖带来的各种不利的影响将由全世界的所有人类 共同承担。到2 0 3 0 年左右，中国有可能成为第一大温室气体排放国，将面临 强大的国际压力。 因此，我国在今后相当长时期内将会面临能源与环境的双重压力，重视现 有能源消耗结构的改善、产业政策的调整以及环境保护是实现小康社会发展目 标刻不容缓的任务。 1 2 我国建筑业与建筑能耗现状 1 2 1 我国建筑业现状 自从2 0 世纪8 0 年代中后期以来，我国的建筑业经历了近2 0 年的快速发展 期，近几年每年建成房屋达1 6 2 0 亿m 2 ( 表1 1 ) ，超过所有发达国家年建 成建筑面积的总和【1 1 1 2 】。在全面建设小康社会目标的指引下，我国城市化将加 速发展，人民生活水平不断提高，建筑业也将继续保持迅速发展，并且这种蓬 勃发展的势头将至少保持1 0 2 0 年【1 1 1 4 l 。截至2 0 0 2 年底，全国城乡房屋建筑 面积共计为3 8 8 亿m 2 ，其中城市1 3 1 8 亿m 2 【4 i 。预计到2 0 1 0 年底，全国房屋 建筑面积将达到5 1 9 亿r r l 2 ，其中城市1 7 1 亿m 2 ；估计到2 0 2 0 年底，全国房屋 建筑面积将增至6 8 6 亿m 2 ，其中城市2 6 1 亿m 2 【1 3 1 5 1 。 2 四j i i 大学硕士学位论文 表1 1 全国1 9 9 6 2 0 0 2 新建房屋面积h ”1 6 】 1 2 2 我国建筑能耗现状 建筑能耗向来是能源消耗的重要组成部分。建设部的统计资料表明，1 9 9 6 年，中国建筑年消耗3 3 5 亿t 标准煤，占能源消费总量的2 4 ；到2 0 0 1 年， 达到3 7 6 亿t 标准煤，占总量的比例为2 7 6 ，年增加约o 5 e 1 1 】。在全世界范 围内，建筑的使用能耗一般占能源总消费量的3 0 以上，在高纬度国家，这个 比例甚至高达5 0 【1 2 1 4 、1 7 一”1 。 参比发达国家的发展历程，在我国全面建立小康社会的进程中，随着人民 生活水平的提高，建筑能耗必然会有较快增长，主要原因包拼1 2 】： 房屋、建筑的存量将继续快速增长。据国家统计年鉴资料统计【4 】，近几 年每年新增房屋面积1 6 2 0 亿m 2 ，平均每人新增1 3 。1 5 m 2 ；同时，人口数量 也在持续增长，每年增加约9 0 0 万人；平均每户人口减少，即户数逐步增加， 这些都将导致建筑总能耗的增加。 城镇化比例逐步提高，进入快速发展期，农村人口大量地向城市转移。 1 9 8 5 年，中国城镇人口占总人口比例为2 3 7 ；2 0 0 3 年底，这个比例上升到 4 0 5 ，平均每年约以1 的速度递增【2 0 】。高速的城镇化与城镇人口的快速增 加将导致建筑能耗猛增，因为以目前的人均用能现状来看，每个城市人口的日 均用能量大大高于农村，约为3 5 ：1 。 人们对建筑热舒适性的要求越来越高f l2 1 。冬天室温由1 6 c 提高到1 8 1 2 甚至2 0 x 2 ；夏天的室温由3 2 c ，降低至2 8 c ，甚至2 4 。在“非典”肆虐以 后，又普遍提高了通风要求，从而增加了采暖和空调的能耗。 3 四j i l 大学硕士学位论文 采暖区大大向南扩展 i2 1 。过去采暖区限定在陇海线以北，现在从福州到 桂林，居民冷天都用上了电暖器。空调的使用也越来越普及，已经不再是南方 炎热地区或是公共建筑专用品。 居民家用电器品种、数量的增加。电视机、电冰箱、洗衣机、电炊具、 淋浴热水器等已经日益成为一般家庭的必备用品；家用热水器用户越来越多， 用量愈来愈大；建筑照明条件也大为改善。表1 2 反映了近年来我国家用电器 平均拥有量的增长情况【4 】。 表i 一2 全国城镇居民家庭家用电器平均拥有量( 1 9 9 5 2 0 0 2 )单位：台百户 广大农村地区生活用能的逐步商品化【12 1 。过去，农村地区往往使用秸 秆、薪柴等生物质能源烧饭和取暖；目前，这些非商品能源的使用量已渐趋减 少，逐步改用煤、电、燃气等商品能源。 由于以上诸多因素的综合影响，今后，建筑能耗的持续增加的趋势是不可 避免的，但是由于受到发展条件和特殊国情的限制，人均建筑能耗将依然处于 较低水平。发达国家，例如美国，2 0 0 2 年建筑能耗为1 4 5 亿吨标煤，人均建 筑能耗5 0 3 吨标煤，约为中国人均建筑能耗的1 6 倍，我国不可能也不应该效 仿这种不可持续的高能耗的发展模式【1 2 、2 ”。 建筑是使用寿命最长的经济产品之一【1 8 1 2 2 1 。尽管建筑的寿命会由于多种因 素，包括用途、所处位置、建造材料和建造方式的不同而有差异，但通常都长 4 四川大学硕士学位论文 达数十年甚至上百年。漫长的使用寿命还导致了建筑极低的更新率，房屋一旦 建成，如果不进行比较彻底的改造，其所带来的影响将至少延续到房屋的退役 拆除。 然而，根据建设部现有统计数据，我国目前既有的近4 0 0 亿r n 2 建筑中 9 9 为高能耗建筑，在新建建筑中9 5 上仍属于高能耗建筑 1 2 】。这些高能耗 建筑的修建不仅在今天消耗大量的8 9 源，而且给我国的发展遗留下沉重的能耗 包袱，令我国目前已经略显紧张的能源局势变得更加严峻。 1 2 3 建筑的能源消耗所引起的环境问题 在建筑的直接环境后果中，最严重的是能源和资源的消耗 2 3 - 2 4 i ，这些能源 的消费又引起了诸多其他的环境问题，包括全球气候变暖、酸雨、大气悬浮颗 粒、光化学污染、固体废弃物污染和自然生态破坏等，其中以温室气体的排放 引起的全球气候变暖和二氧化硫为主的污染排放导致的酸雨等大气环境问题最 为显著。 建筑的使用能耗向来是我国能源消耗的重要组成部分，在2 0 0 1 年，达到 3 7 6 亿t 标准煤，占我国能源消耗总量的2 7 6 ，近十年来每年约增加 0 5 0 1 1 。可以说，建筑的能源使用所产生的环境影响几乎占到我国因能源使用 所引发环境影响的三分之一。如果从更加广泛的层面上考虑建筑系统，加上建 筑材料工业这类位于建筑生命周期上游的工业所消耗的能源，广义上的建筑能 耗则有可能超过我国能源总消耗的4 0 以上，由此所引起的环境影响也将大大 超过我们依照传统思维模式下的判断。 因此，分析建筑系统能源消耗的结构和特点，制定恰当的能源政策可以提 高建筑系统能源的使用效率，大大减少相关污染物的排放，对缓解我国的能源 和环境压力具有重要的意义，也是对环境和地球生态系统最好的保护。 1 3 建筑能耗与环境的研究现状 1 3 1 国内研究现状 在中国，建筑能耗通常指民用建筑( 包括居住建筑和公共建筑以及服务 业) 使用过程中的能耗，主要包括采暖、空调、通风、热水供应、照明、炊 事、家用电器、电梯等方面的能耗【1 2 、1 4 、2 5 i 。 5 四川大学硕十学位论文 国内对建筑能耗的研究着重是从节能的角度开展的，现有的研究分为宏观 和微观两个层面。宏观建筑能耗研究主要是关于建筑使用能耗的统计与调查， 属于能源统计范畴。但是，建筑能耗的调查统计作为能源统计中的一个消费环 节，长期被分割汇杂在能源消费的各个领域，比如住宅的能耗被归入城乡人民 生活能源消费，而其他各类建筑能耗被归入非物质生产部门的能源消费等嘶l 。 1 9 8 9 开始，以涂逢祥为首的“中国建筑节能经济技术政策研究”组开展了 以“系统掌握我国建筑能耗、建筑熟环境、建筑节能工作进展的实际情况”为 目的的调查工作2 7 1 。调查覆盖我国北方采暖地区和长江沿岸的重庆、宜昌、武 汉、南京四城市的各类建筑类型，旨在了解我国城市热环境与能耗状况，完善 我国的建筑节能政策。通过本次调查得到的所调查城市的单位建筑面积能耗数 据，为建筑节能法规政策的制定提供了强有力的数据基础。 1 9 9 0 年，魏积义等通过对我国三北地区的建筑能耗的调查研究，对我国的 建筑能耗现状进行了分析，为建筑节能研究工作提供充分的理论依据，并提出 了一些有效的建筑节能途径【2 引。 龙惟定、倪德良等在1 9 9 8 年分别对上海市的公共建筑和整体建筑能耗现 状和存在问题进行了分析研究 2 9 - 3 0 】。 清华大学的李世朋等曾对北京5 座具有典型意义的旅馆类建筑能耗现状进 行了调查与分析，提出了相应的节能措施 3 ”。 清华大学的武海斌等曾对北京市的4 1 0 户城市居民家用空调器的耗电量进 行了调查与研究，得出了以建筑面积为自变量的空调用电量的概算指标计算公 式，并对未来家用空调器耗电量进行了分析预测【32 1 。 广州大学对广州八个区6 3 3 户住宅建筑能耗现状进行调查与分析 3 3 1 。根据 广州的气候特点，调查分空调使用期与非空调使用期进行。通过调查得到了广 州市住宅单位面积能耗、人均能耗、户均能耗指标，并提出了该地区住宅建筑 可行的节能措施。 华中科技大学胡平放等对湖北省城乡住宅进行了抽样调查，统计了体形系 数、楼层数、窗墙比、窗框材料、住宅能耗和住宅结构等特征数据，分析了城 乡住宅能耗的差别并对比了居住建筑节能设计标准，指出了现存的差距和突出 问题。 6 四川大学硕士学位论文 建设部科技发展中心与哈尔滨工业大学合作对哈尔滨市建筑物基本情况、 单体建筑能耗、居民住宅的能耗总量、采暖区煤耗量进行调查，并编制建筑能 耗统计软件【3 “，为建筑能耗统计在全国范围内开展提供有力的工具。 微观的建筑能耗研究则专注于特定或是典型的个体建筑能耗，又分为传统 个体建筑热工分析和建筑生命周期( l i f e c y c l e ) 聒耗研究。其中，传统的个体建 筑热工分析作为主流研究领域，主要研究建筑在使用阶段的能量使用【3 刚。随着 计算机与建筑技术的结合，电脑辅助设计( c a d ) 技术的不断发展，计算机辅助 模拟也逐渐被运用于建筑能耗研究领域。清华大学热能系空调教研组在近2 0 年的建筑和空调系统模拟研究的基础上，开发了一套集成于c a d 之上的建筑 热环境分析软件d e s t ( d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t s ) 口6 1 ，该程序能够在模拟对 象特定参数给定的条件下，模拟计算出该建筑全年的基础室内、自然室温、能 耗负荷等。 近些年来，关于建筑物的生命周期能源消耗的环境影响研究也在逐步展 开，基本上是由环境领域的研究学者运用生命周期评价( l i f e c y c l ea s s e s s m e n t ) 的思想，作为建筑物整个生命周期环境影响的一部分对建筑物的能源消耗进行 评价口h “。这些研究的主体是建筑在部分或是整个生命周期的综合环境影响， 而不是关注所消耗的能源本身，因此关于能源消耗的分析的完整性和精度都非 常低，往往不能代表真正意义上的建筑生命周期能耗研究。 台湾朝阳科技大学的彭文正运用产品生命周期的思想，在建筑物生命周期 各阶段运用清单分析( i n v e n t o r ya n a l y s i s ) 建立分析模型，并对两座不同结构的建 筑进行实例分析，探讨了钢结构和钢筋混凝土结构建筑在其生命周期各阶段的 能源使用情况，并比较了二者在能耗表现方面的优劣【4 2 1 。不足之处同样在于评 估模型中大多参数直接照搬国外研究，取值方式的合理性也值得商榷，无法代 表台湾本地现状，研究结果的可靠性不高。此外，香港科技大学的学者在参照 西方建筑生命周期能耗研究的基础上，建立了香港的建筑物内含能量 ( e m b o d i e de n e r g y ) ，也有称物化能量的评估模型，并对香港两栋典型的高层住 宅进行了分析【4 3 】。模型中的参数也多来自国外的相关研究，但这样也与其多数 建材进口自外国的现状相符，结果有一定的合理性。 7 四川大学硕士学位论文 1 3 2 国外研究现状 2 0 世纪7 0 年代的石油危机，启动了世界范围内的建筑节能事业，同时也 开启了建筑能耗研究的大门”。和国内相同，国外的建筑能耗研究同样分为宏 观和微观两个层面。 在宏观研究层面，主要开展的是国家层面的能耗统计和较大范围的抽样调 查。1 9 7 6 年，英国和美国便已经开始了对建筑物能耗的调查，这类详细调查的 目的主要是对已经存在的建筑进行节能改造，就是节能潜力研究，有时这种技 术也被称为建筑能源审计( e n e r g ya u a i t i 鲤) 由于调查涉及的内容非常详细， 一般还与节能措施相结合，因此，这类工作经常需要较长的时间【4 牟4 5 l 。近些年 来，建筑能源审计的运用仍然非常普遍，在希腊、印度、美国和加拿大也都有 诸多应用 4 6 4 ”。在英国，国家层面的宏观能耗统计中还专门将建筑材料的生产 能耗、运输能耗从工业能耗和交通运输能耗中剥离出来，以便于研究与整个建 筑系统相关的能源消费【l8 1 。 在建筑能耗微观层面的研究主要分为两个部分：与计算机相结合的单体 建筑的能耗模拟，包括诸如e n e r g yp l u s ，d o e 2 ，e c o t e c t 等能耗模拟软件的开 发与运用；建筑物全生命周期的能耗分析，包括建筑生命周期部分阶段如建 筑物内含能量的研究、建筑全生命周期能耗研究与整合在建筑生命周期环境影 响评价( l i f e c y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 的能源消耗部分的研究【4 9 。5 3 】。由于起步 较早，国外在建筑的生命周期能耗研究已经基本形成了固定的研究体系和方 法，积累了大量的基础数据，有些还被开发成专门的软件，如d e a m 。”、 a t h e n a 等。但是，由于气候、建筑风格等因素的影响，不同国家的建筑和建筑 能耗有着非常显著的区别，这些已有的基础数据、模型和软件也都带有着极大 的地域性，并不能直接套用中国的参数来使用。 1 3 3 目前国内外研究存在的问题 对比国内外目前的建筑能耗研究现状，可以发现在宏观和微观的建筑全生 命周期能耗研究方面，尤其是专门的建筑生命周期能耗研究领域，国内还基本 处于空白阶段。目前，我国目前的建筑节能主要针对建筑使用阶段的能源消 耗，随着节能战略的推广和实施，建筑使用阶段能耗占整个生命周期能耗比例 将逐渐减小，从更加系统的层面重新设计原有的建筑节能战略就成了新的课 8 四川大学硕士学位论文 题。在我国目前能源形势紧张、生态环境的脆弱以及温室效应等全球环境问题 的日益严峻的背景下，从更加全面、系统的层面重新考察建筑的能源消耗有助 于分析并减少建筑在不同生命周期阶段中因能源使用所带来的环境影响。 1 4 论文研究的目的、内容和意义 1 4 1 论文研究的目的 建筑的能源使用在我国能源消耗中占有越来越重要的地位，同时带来的环 境污染问题也e l 益突出。建筑的生命周期能耗研究有助于全面了解我国建筑能 耗水平、建筑用能模式、积累建筑能耗基础数据、评价相关环境影响，从更全 面、系统的层面和更加长远的眼光来看待建筑在不同生命周期阶段中的能源消 耗，深入地了解广义的建筑系统的能源使用所带来的环境问题，从而设计出适 用于建筑整个生命周期的能源环境策略，使其在整个生命周期中的能源消耗与 环境影响水平达到最优化。 1 4 2 研究内容 本研究包括如下几个部分： 1 ) 建筑的生命周期与生命周期能耗分析将生命周期理论引入建筑 系统，对建筑系统整个生命周期的能源使用进行初步分析； 2 ) 建筑生命周期能耗模型研究研究将在宏观和微观两个层面展 开，在宏观层面，以建筑生命周期思想为指导，对广义的建筑系统 的能源消耗在全国的层面进行研究；在微观层面，借助现有的产品 生命周期评价框架，运用基于过程的能源消耗清单分析，对单体建 筑在其生命周期各阶段的能源消耗进行研究，建立单体建筑生命周 期能耗模型； 3 ) 宏观层面建筑生命周期能耗模型的应用应用宏观建筑生命周期 模型对我国建筑系统的生命周期能耗进行研究，以期得出每年建筑 生命周期能耗总量，并考察各生命阶段建筑能源消耗间的关系； 4 ) 微观层面建筑生命周期能耗模型的应用应用微观建筑生命周期 模型对典型建筑的生命周期能耗进行研究，以期得出单位建筑面积 9 四川大学硕十学位论文 建筑在其生命周期的能量总消耗量及其在建筑生命周期各阶段的能 耗分布状况； 5 ) 建筑生命周期能源消耗的环境影响及对策分析根据模型在宏观 和微观层面上的应用结果，评估建筑生命周期能源消耗所产生的环 境影响，并提出相应的政策建议。 1 4 3 论文研究的意义 本研究将生命周期思想运用于建筑系统，并借助生命周期评价工具建立建 筑生命周期能源消耗模型，分析国家建筑能源消耗现状及趋势和典型单体建筑 能源消耗状况，进而从建筑能源消耗建立与环境污染的联系，提出针对性的环 境对策，为国家能源结构调整、制定与检验相关能源环境政策、挖掘建筑节能 潜力提供有力的数据支持，对国家建筑节能工作的全面推进以及能源使用相关 环境问题的缓解有着积极的现实意义。 1 0 四川大学硕士学位论文 2 生命周期思想与生命周期评价 生命周期思想正引起人们越来越多的关注，它与其他领域的结合也衍生出 多种不同的分析方法和工具，其中与环境领域相结合所衍生出的分析工具 产品生命周期评价( l i f e c y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 在许多环境问题中发挥着越来 越重要的作用。 2 1 生命周期思想概述 2 1 1 生命周期的概念 生命周期的概念源自生物学。作为严格的生物学概念，是指具有生命现象 的有机体从出生、成长到成熟衰老直至死亡的整个过程。生物的生命周期共有 三个特征：首先生命周期是一个有限的时间过程；其次生命周期具有阶段性， 一个完整的生命周期包括出生、成长、成熟、衰老、死亡五个阶段：第三生物 在整个生命周期过程中都会与外界环境进行物质、能量的交换1 5 4 。随着社会发 展与学科间的融合，生命周期概念被逐步引入到经济、管理、社会组织和环境 等其他领域，并衍生出了一系列基于生命周期思想的理论和研究方法。现阶 段，包括市场营销、组织管理、人文科学、图书情报学和环境科学在内越来越 多的研究领域都采用生命周期方法研究各自领域的现象和问题脚j 。 2 ，1 2 生命周期方法的理论基础 生命周期方法有两大理论基础：社会有机体论和系统论【5 6 1 。利用生物生命 周期的思想，生命周期方法将对象( 组织、产品或是服务) 从其形成到展后消 亡看成是一个完整的生命过程( 运动整体性) ；而对象的整个生命过程中因其 先后表现出不同的价值形态可划分为几个不同的运动阶段( 运动阶段性) ；在 不同的运动阶段中，根据对象的不同特点，采用各自适宜的管理方式和应对措 施( 运动阶段内各要素间的内在联系的特点) 。 从社会层面来看，生命周期方法的理论基础是社会有机体论，即用生物有 机体的观点看待社会组织，认为生物学方法对社会研究具有普遍适用性。组织 四川大学硕士学位论文 生命周期理论、国家生命周期理论、企业生命周期理论、产业生命周期理论、 家庭生命周期理论等都是生命周期思想与社会有机体论相结合的产物。 生命周期方法的另一个理论基础是系统论，遵循整体性、关联性、结构性 和动态性原则1 5 们。首先生命周期方法遵循整体性原则，将研究对象看成一个完 整的生命周期的过程，对象从形成到最后消亡是一个完整的生命过程，例如在 环境保护领域，生命周期思想被认为是一种从整体上解决环境问题的途径；其 次，遵循关联性原则，将研究对象的生命周期分为不同的阶段，各阶段之间具 有紧密的联系：第三，遵循结构性原则，强调研究对象生命周期的各个阶段重 点不同，分别需要相应的策略相配合；最后，遵循动态性原则，研究对象并非 一成不变，往往随其所处外部环境或内部关系的变化而变化。 工业产品的生命周期理论是生物学生命周期思想与社会有机体理论及系统 理论相结合所衍生出的最为典型、应用也最为广泛新理论。该理论认为工业产 品的生命周期包括从原材料获取和加工、生产、运输、销售、使用再使用，维 修、再循环到最终处置的整个过程，图2 1 所示便为工业产品生命周期的一般 模式【5 ”。目前较为热门的一些设计理念和评价工具，如面向x 的设计1 、生命 周期评价( l i f e c y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 、产品生命周期成本分析等都是产品 生命周期理论在产品设计、环境保护方面和经济等领域的运用。 图2 - 1 产品生命周期的一般模式 2 2 生命周期评价 作为生命周期思想在环境保护领域具体应用的重要工具，生命周期评价方 法将被运用于本研究对建筑生命周期各阶段的能源消耗及与能源使用相关环境 排放进行分析，因此有必要在此对其进行简要的介绍。 1 x 可以是a 、c 、d 、e 、m 、r 、s 、t 等，分别代表可装配性、遵守法规性、可拆卸性、环 境友好性、可制造性、可靠性、可维护性、可测试性、简单性、再循环性等i ”i 。 1 2 四川大学硕士学位论文 2 2 1 生命周期评价的定义 根据国际环境毒理学和化学学会( s e t a c ) 的定义，生命周期评价是种客 观评价产品、过程或者活动的环境负荷的方法。该方法通过识别与量化所有物 质和能量的使用以及环境排放，来评价由此造成的环境影响，评估和实旌相应 改善环境表现的机会。生命周期评价包括产品、过程或活动从原材料获取和加 工、生产、运输、销售、使用，再使用维修、再循环到最终处置的整个生命周 期1 4 0 、5 7 1 。 2 2 2 生命周期评价的理论框架 国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，i s o ) 于19 9 7 年6 月颁 布了i s 0 1 4 0 4 0 ( 环境管理一生命周期评价一原则和框架) 标准，将生命周期 评价分为互相联系的、不断重复进行的四个步骤：目的和范围的确定、清单分 析、影响评价和结果解释，见图2 3 5 剐。 图2 - 21 8 0 1 4 0 4 0 生命周期评价框架 确定研究目的和范围是生命周期评价研究的第一步。一般需要先确定评价 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，没有一个固定的标准模 式可以套用，但必须要反映资料收集和影响分析的根本方向。另外，l c a 研究 是一个反复的过程，根据收集到的数据和信息，可以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，研究 目标本身也可能需要修正。 1 3 四j l l 大学硕士学位论文 图2 1 清单分析程序 清单分析的任务是收集数据，并通过计算给出该产品系统各种输入输出， 作为影响评价的依据。输入的资源包括物料和能源，输出除了产品外，还有向 大气、水体和土壤的排放。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。清单分析共有三种 类型：基于过程的清单分析：基于经济投入产出的清单分析和复合清单分析， 其中基于过程的清单分析因其直观明了的特点而应用最为广泛，图2 3 展示了 清单分析程序的一般步骤【5 8 1 。 1 4 四川大学硕十学位论文 影响评价是对清单分析中所识别出的环境负荷的影响作定量或定性的描述 和评价。通过清单数据确定各种能量、物质流的潜在环境影响类型，并将不同 种类环境影响汇总，分析各因子对环境影响的相对贡献，最后根据各因子的相 对重要性对不同种类的环境影响赋予相应权重。 结果解释是根据生命周期评价前几个阶段的研究或清单分析的发现，以尽 量客观的方式分析结果、形成结论、解释局限、提出建议并报告生命周期解释 的结果，尽可能提供对所确立的研究目的和范围相符且易于理解的、完整的和 一致的说明【5 0 ”l 。 1 5 四川大学颂十学位论文 3 建筑生命周期能耗模型 以前文引入生命周期思想和生命周期影响评价方法为基础，本章在宏观和 微观层面分别对建筑系统建立生命周