楊春峰, 肖 輝, 洪 宇, 肖作電

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

隨著建筑節(jié)能政策的全面實施和綠色建筑、低碳建筑理念的日益推動,建筑保溫材料的應(yīng)用獲得了長足的發(fā)展.泡沫混凝土作為一種新興的高防火墻材,由于其具有輕質(zhì)、防火、保溫等優(yōu)點,可以用于建筑物的外墻結(jié)構(gòu)中,達到減輕自重、保溫節(jié)能的效果,有較為廣泛的工程應(yīng)用前景,受到了建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注[1-2].

生命周期評價簡稱LCA(life cycle assessment),是一種用于評估與產(chǎn)品相關(guān)的環(huán)境因素和潛在影響的技術(shù),其研究內(nèi)容包括原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品生產(chǎn)與使用、產(chǎn)品報廢與回收,目的是分析材料在生命全過程中對環(huán)境的影響因素和潛在影響,是定量化的、系統(tǒng)的、敞開式的評價體系.目前LCA已經(jīng)成為能源消耗及環(huán)境評價的重要工具,在當(dāng)前國內(nèi)外綠色建筑評價中也越來越多地將建筑材料LCA分析納入考量范疇.

國內(nèi)關(guān)于節(jié)能保溫墻體的LCA評價處于起步階段,對泡沫混凝土墻體的LCA評價研究相關(guān)報道較少.本文基于LCA方法,對泡沫混凝土墻體進行生命周期分析評價,旨在探索我國泡沫混凝土墻體生命周期環(huán)境負荷的基本情況,以期為本地化泡沫混凝土墻體LCA數(shù)據(jù)庫的建立及綠色建筑生命周期環(huán)境負荷評價提供數(shù)據(jù)支持.

1 研究方法

LCA是從整個生命周期對產(chǎn)品的環(huán)境負荷進行全面、科學(xué)、量化、客觀評價的方法,對各階段中使用資源、排放廢棄物等給環(huán)境造成的影響和負荷進行評價.它作為一種重要的環(huán)境管理工具被納入ISO14040環(huán)境管理系列標(biāo)準.

依據(jù)ISO14040系列標(biāo)準,LCA的研究技術(shù)路線主要分為以下步驟: 選定研究目標(biāo)并確定研究的范圍及邊界; 根據(jù)選定的目標(biāo)和范圍邊界, 收集目標(biāo)產(chǎn)品在整個生命周期中各個階段的每個流程對材料與能源的消耗、廢棄物排放等數(shù)據(jù), 并對收集的數(shù)據(jù)進行定量化和系統(tǒng)化評價; 依托生命周期分析軟件對數(shù)據(jù)進行分析, 并提供LCA研究結(jié)果,對研究目標(biāo)存在的不足提出相應(yīng)的建議.

產(chǎn)品生命周期評價總結(jié)應(yīng)包括3個部分:產(chǎn)品上游過程中的資源、原材料開采與生產(chǎn)及其中涉及的運輸消耗;產(chǎn)品在生產(chǎn)階段的污染物排放和處理過程;產(chǎn)品在下游的銷售、使用、廢棄回收過程.在研究過程中,上游和下游過程統(tǒng)稱為后臺過程,生產(chǎn)過程稱為現(xiàn)場過程.對于非終端消費品,其生命周期評價模型一般只包含上游過程和產(chǎn)品生產(chǎn)過程,即從“搖籃”到“大門”.在研究中,泡沫混凝土被用作建筑物的上游產(chǎn)品,因此使用從搖籃到大門的生命周期模型[3].

研究著重考慮不可再生資源消耗和溫室效應(yīng).現(xiàn)場數(shù)據(jù)主要通過對國內(nèi)企業(yè)的調(diào)查獲得,背景數(shù)據(jù)主要來源于國內(nèi)外公開數(shù)據(jù)庫.利用四川大學(xué)開發(fā)的eBalance生命周期分析軟件對所收集的清單數(shù)據(jù)進行計算處理,從而獲得泡沫混凝土功能單位產(chǎn)品的各類環(huán)境影響指標(biāo)值[4].

2 泡沫混凝土墻體LCA

2.1 目標(biāo)與范圍定義

(1) 目標(biāo)的定義.對泡沫混凝土墻體產(chǎn)品進行生命周期評價,以期為我國本地化泡沫混凝土LCA數(shù)據(jù)庫的建立及低碳建筑生命周期環(huán)境負荷評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

(2) 功能單位確定.綜合考慮泡沫混凝土墻體現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的一般統(tǒng)計規(guī)則及建筑物評價協(xié)調(diào)性與匹配性等因素,本研究選擇1個280 mm厚,面積100 m2的泡沫混凝土墻作為功能單位.

(3) 系統(tǒng)邊界的確定.泡沫混凝土是先通過設(shè)備將混凝土發(fā)泡劑制成泡沫,然后將這些泡沫與石灰、水、水泥、外加劑及一些骨料混合攪拌而成[5].其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示.

圖1 泡沫混凝土墻體的生產(chǎn)流程圖Fig.1 Production flow chart of foam concrete wall

2.2 清單分析

(1) 現(xiàn)場數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)選擇.通過對泡沫混凝土現(xiàn)場施工生產(chǎn)開展深入調(diào)研,獲得泡沫混凝土生產(chǎn)場地單位產(chǎn)品的原材料消耗和能源消耗.背景數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)外公開數(shù)據(jù)庫,如表1所示.

(2) 清單編目.以280 mm厚,面積100 m2的泡沫混凝土為1個功能單位,對生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)及背景數(shù)據(jù)進行整理、計算,獲得本研究系統(tǒng)邊界內(nèi)各單元過程的主要能耗和氣體排放量,如表2、表3所示.

表1 確定清單的背景數(shù)據(jù)來源Table 1 Determining the background data source of the list

表2 泡沫混凝土生產(chǎn)中主要能源的CO2排放量Table 2 CO2 emissions from major energy sources in foam concrete production kg

表3 泡沫混凝土生產(chǎn)中的主要氣體排放量Table 3 Major gas emissions in foam concrete production kg

2.3 特征化指標(biāo)

特征化是指將不同的材料類型按照其對環(huán)境和資源的影響程度,用與其相關(guān)的貢獻大小得到所對應(yīng)的特征化因子,并根據(jù)該因子對產(chǎn)品進行生命周期量化分析.結(jié)合泡沫混凝土墻體生產(chǎn)材料的比例,采用eBalance軟件分析和處理后,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)1個功能單位的泡沫混凝土墻的生命周期清單的特性化指標(biāo)見表4.表4中ADP代表非生物資源消耗潛值、AP代表酸化潛值、CADP代表中國資源消耗潛值、PED代表一次性能源消耗、COD代表化學(xué)需氧量、EP代表富營養(yǎng)化潛值、GWP代表全球變暖潛值、IWU代表工業(yè)用水量、RI代表可吸入顆粒物、Waste代表固體廢棄物、Water Use代表淡水消耗量.

表4 泡沫混凝土墻體生產(chǎn)材料的特征化指標(biāo)Table 4 Characterized index of foam concrete wall production materials kg

通過分析表4中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),普通硅酸鹽水泥、水泥板、電力和雙氧水是排放CO2的主要來源,占泡沫混凝土整個生命周期碳排放量的90%以上.其中,普通硅酸鹽水泥約占碳排放量的80%;電力產(chǎn)生的碳排放量相對較少,僅占總排放量的2%.SO2的排放量是環(huán)境影響評價關(guān)注的焦點,水泥生產(chǎn)過程中SO2排放量占泡沫混凝土的整個生命周期SO2總排放量的75%.從總體來看,普通硅酸鹽水泥對在COD、PED、 GWP、EP和CADP中的特征值占比也很大.各項指標(biāo)中其他材料的所占比例相對較小,影響程度較低.

2.4 歸一化指標(biāo)

歸一化是一種無量綱的方法,可以使物理系統(tǒng)值的絕對值變成一定的相對值關(guān)系.能夠解釋不同類別數(shù)據(jù)的相對比較性.特征化結(jié)果要經(jīng)過歸一化處理,為了得到歸一化結(jié)果,可以用特征化指標(biāo)與其相對應(yīng)的歸一化基準值相除,對表4中的泡沫混凝土墻體生產(chǎn)材料清單特征化指標(biāo)進行歸一化處理[6],其結(jié)果如表5所示.

表5 泡沫混凝土墻體生產(chǎn)歸一化結(jié)果Table 5 Normalization results of foam concrete wall production kg

2.5 敏感度分析

敏感度分析是用來確定分析對象環(huán)境影響評價、經(jīng)濟效益評價、質(zhì)量和安全評價可行性的重要方法.從通過敏感度分析所得到的數(shù)據(jù)中找出變量最大、影響最大、敏感度最大的因素,選擇相對合適的方案或者尋求替代方案來預(yù)測和控制該因素的影響程度,以此來盡量減少或者避免不利的因素[7].通過對表5數(shù)據(jù)分析,得到敏感度對比分析柱形圖,如圖2～圖5所示.

圖2 酸化潛力值(AP)敏感度對比分析圖Fig.2 Bar chart of sensitivity contrast analysis for acidification potential value(AP)

圖3 一次性能源消耗(PED)敏感度對比分析圖Fig.3 Bar chart of sensitivity contrast analysis for primary energy depletion(PED)

圖4 碳排放量(CO2)敏感度對比分析圖Fig.4 Bar chart of sensitivity contrast analysis for carbon emission(CO2)

整個生命周期評價過程中,水泥在AP、PED、mCO2、GWP這幾個特征化指標(biāo)中所占的比例都超過了65%,所以,水泥材料在泡沫混凝土墻體的生產(chǎn)過程中對環(huán)境的影響因素是最大的,屬于最敏感因子.因此,選擇對環(huán)境負荷較小的水泥原材料來代替普通硅酸鹽水泥原材料,對改善泡沫混凝土墻體生產(chǎn)的整體環(huán)境行為尤為重要.

圖5 全球變暖潛值(GWP)敏感度對比分析圖Fig.5 Bar chart of sensitivity contrast analysis for global warming potential(GWP)

3 結(jié) 論

(1) 通過運用生命周期評價方法,對我國泡沫混凝土的一般生產(chǎn)方法給環(huán)境帶來的負荷現(xiàn)狀進行分析,并利用eBalance軟件對泡沫混凝土整個生命周期進行了詳細的分析和計算,根據(jù)水泥生產(chǎn)排放所占百分比,得到了泡沫混凝土環(huán)境影響排放由大到小依次為:mCO2、GWP、AP、PED.

(2) 對溫室效應(yīng)影響最大的水泥生產(chǎn)階產(chǎn)生的碳排放量占整個生命周期的碳排放總量的50%以上.因此,為了減少泡沫混凝土生產(chǎn)所造成的溫室效應(yīng)給環(huán)境帶來的影響和壓力,有必要減少生產(chǎn)階段的能源消耗量,并提高能源燃燒的效率或采用更先進的燃燒技術(shù).

(3) 在泡沫混凝土的生產(chǎn)過程中,水泥和水泥板的生產(chǎn)對環(huán)境影響所占比例也較大.因此,在泡沫混凝土的生產(chǎn)過程中,原材料的選擇不容忽視.