基于生命周期理论的典型墙体材料评价研究

基于生命周期理论的典型墙体材料评价研究

现在，建筑已经成为消耗资源和污染的大行业。为了实现可持续发展，我们必须采取有力的措施改变其发展方式。其中之一是合理使用新型节能材料。这不仅是建材工业的重要组成部分，也是建材工业的发展方向和未来。然而，在整个生命周期中，各种材料消耗了大量资源，使环境陷入混乱。因此，在推广新材料的同时，需要一套科学的土壤材料评价体系。生命周期评价(lifecycleassessment,简称LCA)是一种用于评估与产品有关的环境因素及其潜在影响的技术,它研究贯穿产品生命全过程的环境因素和潜在影响,是系统的、定量化的、开放的评价体系.目前LCA已成为环境和资源评价领域的重要工具.在建筑业中,Gong等建立了基于生命周期理论的建材评价模型,分析了水泥、玻璃与钢材的生命周期环境影响情况;Costanzo等认为LCA可用于生态设计、维修、建筑改造以及环境综合评价;Worth等运用LCA进行了CO2排放影响和生命周期成本的研究;Winistorfer等将LCA结合能耗评价综合考察了建筑物整个生命周期过程中的能耗与污染气体排放情况;Assefa等用生命周期理论评价建筑能耗和污染物的外部影响,另外,用问卷形式调查了室内外不舒适与恶劣环境风险程度的内部影响,对生命周期理论作了适当的外延发展;徐洛屹等基于生命周期评价,对墙体材料进行了质量评价和环境评价,得到了不同墙体材料的综合得分,为墙体材料评价提供了依据.但是,墙体材料的LCA研究尚缺乏多目标评价模型,而墙体材料的生产成本和能耗应与建筑物建成后的运行成本和能耗结合考虑,墙体材料的环境、能源、成本评价单位及种类不同,需要一个统一的度量;对于多目标的评价结论,还需要确定评价目标的权重,使结果为单一直观的量化值等.本文基于生命周期理论对墙体材料进行多目标评价,提出了一种适合墙体材料评价的模型和方法.1确定研究目标《生命周期评价原则与框架》(ISO14040)把LCA实施步骤分为目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解释4个部分.根据研究目的以及决策者所需要的信息,确定评价目标,并按照评价目标来界定研究范围,为后续的结果解释服务.研究的目标、范围将影响研究的方向和深度,在研究过程中,还可以根据现实情况对评价目标范围进行修改.1.1墙体材料生命周期评估目标1.1.1资源消耗评价环境性是指待评价墙体材料在整个生命周期内对工作环境、地区环境和全球环境的影响.墙体材料在生产、运输和使用过程中消耗大量资源并排放污染,对环境造成影响.传统墙体材料资源消耗中最突出的问题是黏土资源的消耗,此外,还有石灰岩等其他不可再生资源的消耗,而新型建筑材料由于使用工业废渣等,对环境有利,因此,资源消耗评价将黏土消耗、其他不可再生资源消耗、工业废渣利用三方面作为评价指标.墙体材料的污染排放对环境的影响主要包括全球变暖、酸化、光化学烟雾、气溶胶以及人体毒性等五方面,因此,在对排放的污染气体按生命周期框架进行分类、特征化和量化处理后,将以上五方面作为其环境影响评价指标.1.1.2原料能耗模拟计算能源性表现为墙体材料从生产到废弃整个生命周期中能源的消耗量、原料资源的可获得性和替代节约效果.能源消耗主要包括墙体材料生产、运输和废弃处理时所消耗的能源和用于建筑物后因其导热引起的建筑能耗,后者需用能耗模拟软件进行模拟计算后纳入评价体系.本文中能源的原料包括煤、天然气与石油,三者间的差异体现在消耗量、可获得性和替代效果3个方面,其中可获得性和替代效果通过不同的消耗权重来体现,除此三方面的差异外,假定其他方面三者没有区别.1.1.3墙体材料的成本评价经济成本往往是影响产品制造和系统运营的重要因素.生命周期应用于墙体材料评价,在比较决策的过程中,决策者最终要考虑备选方案的经济性.如果不考虑墙体材料的经济性和实用性,决策者就不能在严格的生命周期基础上进行选择.在有限的资源条件下,鉴定哪种方案适用于现实情况,经济性的考虑还有利于缩小选择方案的范围.墙体材料的成本评价包括初始投资、运行费用、管理维护费用及报废回收成本.其中,初始投资指墙体材料的购买费用;运行费用是指墙体材料引起的建筑能耗费用;管理维护费用指墙体材料损坏的维修费用以及日常的管理费用;废弃回收成本是指墙体材料在其生命周期末的纯回收收益.本文在能源影响中虽已考虑使用墙体材料后的能耗情况,但为了显示运行成本在最终目标中的影响,在成本评价中还将考虑运行费用的情况.1.2现实数据及其他评价内容的搜集按照ISO14040生命周期评价框架,并结合现实数据及其他评价内容的搜集情况,把墙体材料评价范围分为原材料运输、墙体材料生产、墙体施工、建筑物使用以及墙体材料废弃几个阶段(见图1).2评价模型的构建在建立决策目标时,墙体材料生命周期经济性、环境性、能源性三种决策目标之间没有一个共同的度量指标,即具有不可公度性.为了解决它们的统一度量问题,本文采用了效用(utility)的概念,采用的决策标准即效用最大化标准.另外,墙体材料生命周期评价涉及到多方面的评价内容,其难点在于多目标间的矛盾性,为此本文采用权重(weight)这一概念,它是指某指标在整体评价中的相对重要程度,本文将采用层次分析法(analyticalhierarchyprocess,简称AHP)设定各目标权重.基于不同层次的目标评价模型,然后根据效用和权重方法得出总的评价模型.2.1生命周期环境监测墙体材料评价中,其生命周期的影响具体分为资源影响、非生命生态系统影响、人类健康和生态毒性影响4大类,其中:资源影响是指不可再生资源的消耗以及废物利用;非生命生态系统影响包括由CO2,NOx,CH4引起的全球变暖,CH4,NMVOC引起的光化学烟雾,SO2,NOx引起的酸化和微粒物PM引起的气溶胶;人体健康主要考察环境的SO2,CO,NOx所引起的人体毒性;生态毒性影响包括水生生态毒性和陆生生态毒性.假设决策者对4方面的偏好具有可加性,并且4方面之间的效用相互独立,则基于生命周期环境评价的生命周期环境影响效应U(LCA)为:U(LCA)=WRU(R)+WΝU(Ν)+WΗU(Η)+WEU(E)(1)WR+WΝ+WΗ+WE=1‚(WR‚WΝ‚WΗ‚WE∈)(2)U(LCA)=WRU(R)+WNU(N)+WHU(H)+WEU(E)(1)WR+WN+WH+WE=1‚(WR‚WN‚WH‚WE∈)(2)式(1),(2)中:U(x)为效用函数;WR为资源权重;WN为非生命生态系统权重;WH为人体毒性权重;WE为生态毒性权重.2.2生命周期能耗影响效应确定传统的生命周期评价仅考虑产品生命周期整体能源消耗指标.由于地球上化石能源的有限性,在衡量某产品生命周期能源消耗时,还应考虑能源的耗竭情况,依据能源的耗竭情况确定其生命周期能源评价权重.生命周期能耗影响效应U(ENERGY)为:U(EΝERGY)=WΟΙLU(ΟΙL)+WCΟALU(CΟAL)+WGASU(GAS)(3)WΟΙL+WCΟAL+WGAS=1‚(WΟΙL‚WCΟAL‚WGAS∈)(4)式(3),(4)中:WOIL为石油权重;WCOAL为煤炭权重;WGAS为天然气权重.2.3影响经济性评价的权重经济评价模型包括生命周期内原材料、生产、运输、施工等几项成本的合计,同时,墙体材料的使用寿命、回收难易及废弃回收时的粉尘和堆放对其经济评价也有较大影响,必须加以考虑,即:U(LCC)=WCΟSΤU(CΟSΤ)+WΟΤΗERU(ΟΤΗER)(5)WCΟSΤ+WΟΤΗER=1‚(WCΟSΤ‚WΟΤΗER∈)(6)式(5),(6)中:U(LCC)为生命周期成本效用值;WCOST为生命周期总成本影响经济性评价的权重;WOTHER为其他项权重,包括使用寿命、回收难易和堆放及粉尘情况影响经济性评价的权重.2.4综合评价模型本文评价目标包含环境、能源、经济三方面的因素,当将这三方面的因素结合起来时,必须考虑它们各自作用的独立性.假设决策者对这三方面的因素可加,即允许最终决策目标应用简单的相加形式,则综合评价模型结构如图2所示,最终的决策模型为:U(F)=WLCAU(LCA)+WEΝERGYU(EΝERGY)+WLCCU(LCC)(7)WLCA+WEΝERGY+WLCC=1,(WLCA‚WEΝERGY‚WLCC∈)(8)式(7),(8)中:U(F)为最终决策目标的效用值;WLCA,WENERGY,WLCC分别为环境、能源和经济三个方面在综合评价中所占权重.3墙材料生命周期的多目标评估3.1外墙材料生命周期评价鉴于墙体材料众多,各地的实际情况和发展也不均衡,本文选取10种较为常见的墙体材料,假设它们用于外墙面积为3447m2的建筑中,并结合陕西的区域发展情况进行生命周期评价.10种墙体材料的规格、性能参数、单价(取自2007年11月报价)及筑墙耗材量见表1.3.2路型钢货车运输生命周期清单分析对上述墙体材料按照生命周期评价范围的生产、运输、加工使用过程进行清单分析,统计出墙体材料(包括配套材料)在其生命过程中各个环节的资源消耗和污染排放等.生产阶段相关统计数据参考文献;在运输阶段,参考文献计算的高速公路重型货车运输生命周期清单分析数据;在加工使用阶段,对于使用不同墙体材料的建筑,评价系统边界假设耗电都来自于燃煤火电系统,各种污染物没有经过处理直接排放到大气中,排放系数参考文献.在选择最优方案时,决策人的偏好是不可避免的问题,根据模型中运用的效用和权重理论,决策者结合现实情况对各评价指标重要性给予属性值,计算出模型中各级指标的权重值.不同墙体材料的多目标评价最终归结为能源消耗、环境影响以及生命周期成本3个结果.根据陕西省能源、环境现状以及经济发展状况,目前陕西省对环境治理的需求明显大于解决能源不足的需求,与节约建设成本的需求相差不多.基于Saaty提出的9分标度法赋予分值,其能源消耗、环境影响以及生命周期成本一级权重如表2所示.3.3评估结果3.3.1墙体材料回收难,使用寿命小假定建筑物使用寿命为40a,不同墙体材料的成本效用值见图3.蒸压加气混凝土砌块的总成本效用值最高,即按购买费用与运行费用以及考虑了墙体材料回收难易、使用寿命和堆放粉尘的影响之后,蒸压加气混凝土砌块的满意度最大;而蒸压灰砂砖的初投资和运行费用均最高,因此,其成本效用值为0.对砖材而言,烧结粉煤灰砖的效用值最高,除页岩烧结砖效用值较低外,空心黏土砖、页岩空心砖与蒸压粉煤灰砖效用值均较高且大致相同.3.3.2环境影响效用值不同墙体材料的环境影响效用值如图4所示.在10种墙体材料中,对环境影响最小的是蒸压加气混凝土砌块.除蒸压粉煤灰砖的效用值较低外,其他材料的环境影响效用值相差不大.值得注意的是,环境影响效用值表示总的评价标准及结果,实际产生有害气体的差异仍不可忽视.3.3.3心黏土砖和页岩空心砖能耗效用比较不同墙体材料能耗效用值如图5所示.实心黏土砖的能耗效用值最低,其次为蒸压灰砂砖,泡沫混凝土空心砌块最高,而页岩空心砖的能耗效用值相对较高.3.3.4空心黏土砖综合效用值高根据上述一级权重结论,得到不同墙体材料总效用值如图6所示.在砖类墙体材料中,因为陕西有丰富的黏土资源,因此,空心黏土砖的综合效用值最高,烧结粉煤灰砖次之;砌块类墙体材料中,蒸压加气混凝土砌块的综合效用值最高,而蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖整体效用值较低.此外,空心页岩砖和泡沫混凝土砌块均是较好的墙体材料.由此可见,在陕西地区比较适宜发展空心黏土砖、空心页岩砖、烧结粉煤灰砖以及上述评价中的3种砌块.4墙体材料的生命周期评价本文以生命周期理论为基础,对常用墙体材料进