羅智星，于運星，張帥帥，倉玉潔，盧 梅，楊 柳

(1.西部綠色建筑國家重點實驗室，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055；3.西安建筑科技大學 管理學院，陜西 西安 710055)

隨著建筑節(jié)能標準的進一步提高，作為建筑節(jié)能重要環(huán)節(jié)的圍護結構熱工性能[1]，逐漸成為了人們關注的重點，外墻外保溫技術與形式也得到了快速發(fā)展與廣泛使用.據統(tǒng)計，截止到2018年，建筑外墻外保溫面積已達約113.1億m2[2].然而，外保溫系統(tǒng)如此快速發(fā)展的同時也產生了各種問題，如開裂、脫落、壽命短需要二次更換等，這便增加了外墻外保溫系統(tǒng)使用階段的成本投入，加之現(xiàn)階段我國建筑外墻外保溫防火技術及施工質量難以保證，安全問題時有發(fā)生，因此建筑外墻外保溫市場迫切需要著新型保溫系統(tǒng)的出現(xiàn).

增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)為本團隊與當?shù)氐湫徒ㄖ脦r棉制品生產廠家合作研發(fā)的新型外墻外保溫系統(tǒng)，其作為保溫結構一體化技術的產物，憑借可與建筑同壽命、易施工等特點，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)外墻外保溫系統(tǒng)的不足，在當?shù)厥袌鲆阎饾u推廣應用，并建立了楓林九溪、金泰東郡等示范項目.同時，隨著《建筑外墻外保溫系統(tǒng)的防火性能試驗方法》GB/T 29416—2012[3]、《建筑設計防火規(guī)范》GB 50016—2014[4]等條文的發(fā)布，人們對建筑材料的防火性能提出了更高的要求.巖棉由于其不燃性以及A級燃燒性能等級得到了廣泛的關注[5]，而增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)作為其下游產品，在保持了原有的防火性能的同時更優(yōu)化了熱工性能等，這使其逐漸迎來了廣闊的市場.但與此同時輕質砂漿、鋼制螺栓等組成保溫系統(tǒng)所必須材料的使用無疑會增加產品生產過程中造成的環(huán)境負荷，在碳達峰、碳中和雙碳目標背景下，對建筑領域開展環(huán)境影響評價和減排策略制定顯得尤為重要，因此，很有必要對其進行生命周期評價，從而量化其環(huán)境友好度.

為系統(tǒng)化定量分析增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)整個生產生命周期中各個環(huán)節(jié)的原輔材料、能源消耗以及主要環(huán)境影響，本研究采用生命周期評價方法[6](Life Cycle Assessment，以下簡稱LCA).LCA是一種用于評價產品相關的環(huán)境因素及其整個生命周期環(huán)境影響的工具[7]，現(xiàn)已被納入ISO14040等環(huán)境管理標準中[8].因此，對增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)開展LCA研究是有顯著意義的.

首先，為更為科學地定量化各保溫構造的環(huán)境負荷，使各材料之間可進行橫向的環(huán)境友好度對比，各學者基于LCA方法對建筑保溫材料開展了各式各樣的研究.其中，馬麗萍等[9]通過生命周期評價法對巖棉板、聚苯板和硬泡聚氨酯板進行了計算分析，并以單位質量為功能單位對其產生的環(huán)境影響做了比較和分析，結果表明：三類保溫板生產階段環(huán)境影響大小排序為巖棉板<聚氨酯板<聚苯板；Nuno Pargana等[10]以從搖籃到大門為系統(tǒng)邊界、單位質量保溫材料為功能單位，通過LCA方法對膨脹粘土輕骨料、XPS、EPS、聚氨酯板和膨脹軟木結塊進行了研究，結果表明EPS的環(huán)境影響較小，且其環(huán)境影響的大多數(shù)都是在原材料開采及加工階段產生的.他們的研究為相關材料的環(huán)境影響做出了評價，并為節(jié)能減排等下游研究提供了可參考的具體影響數(shù)值，但是由于材料本身容重存在的較大差異性，導致以單位重量為功能單位時產生的環(huán)境影響結果科學性難以評定.

而另一些學者考慮到不同保溫材料熱工性能帶來的使用影響，以單位熱阻為功能單位展開了研究.趙薇等[11]基于生命周期評價方法，以相同保溫效果即1(m2·K)/W熱阻為功能單位，分析了巖棉板、EPS板和XPS板環(huán)境影響的主要貢獻者，并為其關鍵過程的優(yōu)化提出見解；Carabano, Rocio等[12]通過LCA方法，以1(m2·K)/W熱阻為功能單位，對比評估了XPS板和玻璃棉的環(huán)境影響，結果表明玻璃棉對“酸化”指標的影響較小但是對“臭氧層惡化”指標影響較大.這些研究排除了材料本身容重的影響，相比之下科學性有所提升，然而由于該方式下得到的結果又會受到材料導熱系數(shù)的影響，并且在實際材料環(huán)境負荷比較與選擇中需要先計算構造總傳熱系數(shù)，依舊難以以最佳的功能單位反應材料實際的環(huán)境負荷，甚至不同功能單位下的研究結論可能會有所偏差.這便制約了各材料間環(huán)境負荷的橫向對比性，因而難以為提供科學指導.

相比之下，以單位面積為功能單位進行的研究既能排除材料本身特性如容重、導熱系數(shù)等的影響又可與建筑的計量單位相匹配，同時也可靈活反應不同厚度下材料的環(huán)境影響，因而使材料的環(huán)境負荷科學性得到提升.為此，劉宇等[13]以滿足北京市75%節(jié)能標準的1 m2EPS薄抹灰和巖棉薄抹灰保溫系統(tǒng)，利用LCA方法對比分析了兩種保溫系統(tǒng)從礦石開采到最終廢棄的全過程資源消耗與環(huán)境影響，為綠色建筑的選材提供了有利方法；ZHU Li等[14]基于生命周期評價對巖棉板和EPS板從原材料開采到成品出廠的環(huán)境影響進行了分析，結果表明，巖棉板每單位平方米生命周期能耗較大且造成的環(huán)境影響比EPS大；Noelia Llantoy[15]運用LCA方法，以保溫材料聚氨酯、擠塑聚苯乙烯和礦棉為研究對象，分析了在地中海大陸氣候下的環(huán)境負荷，結果表明，以單位面積為功能單位計，聚苯乙烯保溫材料的環(huán)境影響最大，礦棉的環(huán)境性能最好；SU X等[16]對礦棉、泡沫玻璃和酚醛樹脂等保溫材料進行了生命周期評價，結果表明泡沫玻璃生命周期能耗和碳排放最大，酚醛樹脂最小.

總之，基于LCA方法對建筑保溫材料開展的研究已經較為豐富，但是，由于各研究劃定的功能單位、系統(tǒng)邊界的差別以及數(shù)據來源等不同，導致得到的研究結果存在著一定差異，使得各結果之間難以通過統(tǒng)一的標準進行對比分析，更難以對保溫材料實際的生產情況進行環(huán)境負荷的評定.因此，本研究采用LCA方法，選定科學性更高、對比性更優(yōu)的單位面積為功能單位，通過對當?shù)氐湫推髽I(yè)的調研進行實景數(shù)據收集和取舍，建立增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)從搖籃到大門的生命周期評價模型，識別其造成環(huán)境影響的主要階段和關鍵清單、提出可選擇的優(yōu)化改進方案，為增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)本土化數(shù)據庫的建立和應用提供支持，同時為建筑外墻外保溫系統(tǒng)的選擇提供新的決策.

1 增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)及其生產流程簡介

1.1 系統(tǒng)介紹

增強復合巖棉條板即通過專用設備、特殊生產工藝，在巖棉條周圍表面覆蓋阻燃聚氨酯發(fā)泡劑、玻璃纖維預浸水泥基布、耐堿玻璃纖維網格布和抹面膠漿所形成的具有復合增強作用的保溫板材，如圖1(a).

以增強復合巖棉條板作為主要保溫材料，再與壓入熱鍍鋅鋼絲網的抹面膠漿復合而成的抹面層結合，使其熱工、結構性能等得到提升，便構成可參與保溫結構一體化體系的外墻外保溫系統(tǒng).該系統(tǒng)采用機械錨固為主粘接為輔的方式與基層墻體進行連接，其中包括圓形支撐塊、專用連接件和熱鍍鋅電焊網等配件，如圖1(b).

圖1 增強復合巖棉條板及其保溫系統(tǒng)現(xiàn)場照片

1.2 生產流程簡介

增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)是以成品巖棉板為原材料的下游產品，經實地調研了解后可將其具體生產工藝分為三個單元過程，其中：單元過程一為巖棉板生產流程，見圖2；單元過程二及單元過程三分別為復合巖棉條板、增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)的生產流程，見圖3、圖4.

圖2 巖棉板生產流程示意圖

圖3 復合巖棉條板生產示意圖

圖4 增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)生產示意圖

單元過程一：將原材料稱重配比后經振動篩、提升機、上料機后投入沖天爐，利用高溫將原料制成熔體后經流槽導入(四輥)離心機，離心甩絲后經鼓風機將絮棉噴吹至集棉機中，并通過抽風機使纖維牽落到網帶上形成原氈，后經擺錘布棉機將其鋪疊成較為均勻的狀態(tài)，再經打褶機(縫紉設備)、固化爐完成最終定型，經冷卻機降溫后通過切割機進行切割，吹渣清潔并待其溫度冷卻適宜即可完成包裝入庫；

單元過程二：將成型巖棉板用裁條機切條后經翻板機旋轉九十度，使其成為豎向棉絲以增強其抗拉能力，后經上條機、推板機運輸并完成與水泥基布的貼合，再經發(fā)泡機對巖棉條板進行添加劑的復合，之后通過層壓機和燃氣熱風爐完成固化定型，噴涂界面劑并切割成需求尺寸，最后經熱縮包裝機完成包裝入庫，同時使用光氧機對油霧等廢氣進行處理；

單元過程三：將所需原料從儲料罐中提取后經沙料提升機和上料絞籠運輸至計量倉，后經混合倉、攪拌倉處理制成水泥漿料，通過下料倉和刮板機完成對復合板正面的材料復合，同時在刮板機前方將玻璃網格布鋪設于板材表面，待養(yǎng)護穩(wěn)定后經翻板機翻至背面進行相同處理，穩(wěn)定后經切割機制成所需尺寸，最后將鋼制螺栓等連接構件固定后即可完成增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)的生產制備.

2 研究方法

依據GB/T 24044[7]、ISO 14040[17]等相關標準，本研究采用LCA技術框架：(1)目的和范圍；(2)清單分析；(3)影響評價；(4)結果解釋，對增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)的LCA結果進行系統(tǒng)分析和定量評價.為對其生命周期每個具體流程的資源、能源投入與環(huán)境影響進行詳細分析并識別需要優(yōu)化改進的階段，本文選用基于過程的LCA展開研究.另外，將增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)的生命周期模型劃分為背景過程即資源、能源的生產及所包含的運輸過程和實景過程即研究對象的生產制備和各過程的主要排放.

2.1 目的和范圍

考慮到增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)生產制備過程中體積變化以及與建筑物的評價協(xié)調性等因素，研究選定單位面積即1 m2為功能單位.70 mm厚巖棉作為所調研企業(yè)生產規(guī)模、市場流通量最大且目前既有建筑中使用較為廣泛的規(guī)格型號，具有很大的研究價值，因此，本研究選取70 mm厚巖棉芯材作為其主要保溫層.以民用建筑熱工設計規(guī)范GB 50176-2016[18]給定的參數(shù)計算，此時該保溫系統(tǒng)能滿足大多數(shù)省市正在使用的65%建筑節(jié)能設計標準，構造大樣如圖5.需要說明的是，鋼筋混凝土剪力墻作為保溫系統(tǒng)的重要組成部分，對其熱工及力學性能均起到了一定作用，但由于剪力墻中鋼筋與混凝土的配比難以確定且存在地方性差異，故不考慮此部分產生的環(huán)境影響.

圖5 增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)構造大樣

選取氣候變化(GWP)、初級能源消耗(PED)等9個常用的環(huán)境影響類別為評價指標，對增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)進行生命周期評價與定量分析，識別其造成環(huán)境影響的關鍵階段并提出可選擇的改進方案.另外，eq是equivalent的縮寫，意為當量.例如氣候變化指標(GWP)是以CO2為基準物質，其他各種溫室氣體按溫室效應的強弱都有各自的CO2當量因子，因此，產品生命周期的各種溫室氣體排放量可以各自乘以當量因子，累加得到氣候變化指標總量，其單位為kgCO2eq，詳見表1.

表1 環(huán)境影響類型指標選取

2.2 系統(tǒng)邊界

研究選定從原材料開采運輸至增強復合巖棉條板成品出廠(從搖籃到大門)的生命周期評價模型，劃定系統(tǒng)邊界為：(1)原輔材料(玄武巖、酚醛樹脂等)的生產及運輸階段；(2)電力、天然氣等能源的生產及運輸階段；(3)70 mm厚巖棉板的生產制備過程(擺錘法)即單元過程一；(4)復合巖棉條板的生產制備過程即單元過程二；(5)增強復合巖棉條板生產制備過程即單元過程三，其中包括構成該保溫結構一體化系統(tǒng)所必需的材料，如輕質砂漿等造成的環(huán)境負荷，具體如圖6.

圖6 系統(tǒng)邊界

2.3 取舍準則

以ISO 14044[19]標準為準則，參考中國CLCD數(shù)據庫引介的相關研究[20-21]，本文的取舍準則以各項材料投入占產品重量或過程總投入的重量比為依據，即對于重量<1%產品重量的普通物料以及低價值廢物原料(秸稈等)，可忽略其上游生產數(shù)據，且總共忽略的物料重量不超過5%.

2.4 清單分析

2.4.1 背景數(shù)據

背景數(shù)據來源于國內外公開數(shù)據庫，對于部分材料如酚醛樹脂、聚氨酯膠等，由于國內基礎數(shù)據庫的缺乏，本研究酌情采用歐洲數(shù)據庫進行匹配.詳見表2：

表2 背景數(shù)據庫

2.4.2 實景數(shù)據

陜西華遠尚潤新型建材有限公司是當?shù)氐湫偷慕ㄖ脦r棉制品生產廠家，其生產產品廣泛銷售到全國各處，并與本研究團隊共同開發(fā)了增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)等專利產品，因此，本研究以功能單位1 m2增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)計，通過對該企業(yè)實地調研收集生產過程中的實景數(shù)據，其中，運輸距離為所調研企業(yè)至周邊典型原輔料生產廠家的行駛距離，主要排放數(shù)據由企業(yè)環(huán)評報告獲得.具體見表3～5.

表3 巖棉板生產消耗與主要排放

表4 復合巖棉條板生產消耗與主要排放

表5 增強復合巖棉條板生產消耗與主要排放

3 影響評價與結果解釋

3.1 生命周期影響評價

eFootprint軟件是由億科環(huán)境科技有限公司研發(fā)的在線LCA分析軟件，支持全生命周期過程分析，并內置了中國生命周期基礎數(shù)據庫(CLCD)、歐盟ELCD數(shù)據庫和瑞士的Ecoinvent數(shù)據庫[22]，本研究采用eFootprint軟件，建立了1 m2增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)生產階段的生命周期模型并計算得到其LCA結果，詳見表6：

表6 整體LCA結果

3.2 各單元過程結果解釋

進一步對主要單元過程進行分析，可以看出在整個產品的生產生命周期中巖棉板生產過程和復合巖棉條板的增強過程對各項指標的貢獻較大，結合其具體生產工藝和生產投入可得：

(1)對于AP、EP、RI、ODP、POFP五類環(huán)境影響指標，三個單元過程數(shù)值均較小，分析可知在增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)的生產過程中基本不涉及此類指標的主要清單物質，其中單元過程二由于復合巖棉條板生產過程相比較為簡單、能源和原料消耗較少，因而環(huán)境影響更??；

(2)對于單元過程一即巖棉板生產流程，由于生產線上較多的運行設備以及沖天爐熔融效率、擺錘布棉機集棉效率的有限性，造成此過程的電力消耗最多，同時由于環(huán)境友好度較差的粘結劑——酚醛樹脂等材料的使用，最終導致此單元過程非生物資源消耗較多，因而PED、ADP影響指標較大；

(3)對于復合巖棉條板的增強過程，較多的生產原材料投入如輕質砂漿、抹面膠漿等的使用，導致該過程對于PED、ADP指標的貢獻較大，加之熱鍍鋅鋼絲網和鋼制螺栓等連接構件生產過程中產生的碳排放等環(huán)境影響，使該過程相比之下對GWP指標產生了最多的貢獻，具體結果見表7.

表7 各單元過程LCA結果

4 基于GWP指標的單元過程關鍵清單識別與改進

由人類活動引起的氣候變化帶來的挑戰(zhàn)已逐漸引起了全球性的關注[23]，而氣候變化指標(GWP)作為評價環(huán)境影響的關鍵參數(shù)，對于材料環(huán)境友好度的評測有著重要意義.因此選定該指標對產品的整個生產流程進行關鍵清單即碳排放主要貢獻者的識別，并提出可選擇的優(yōu)化改進方案，旨在降低生產過程碳排放，改善其環(huán)境友好度.

4.1 單元過程一的關鍵清單識別

巖棉板生產過程中產生8.32 kgCO2eq，占總體碳排放貢獻的27.44%；其中酚醛樹脂、電力清單分別產生了3.50和3.07 kgCO2eq碳排放，在該單元過程的GWP貢獻分別為42.07%和36.90%，為此過程主要貢獻者，具體如圖7.

圖7 單元過程一GWP貢獻圖

4.2 單元過程二的關鍵清單識別

復合巖棉條板的生產過程即以巖棉板作為主要原材料的復合過程，該過程共產生3.40 kgCO2eq碳排放，占總體貢獻的11.21%.可見復合過程對于整個生產過程的GWP指標貢獻較小.其中聚氨酯膠、異氰酸酯分別產生1.09、1.07 kgCO2eq，在該單元占比為32.06%和31.47%，為此過程的主要貢獻者，如圖8.

圖8 單元過程二GWP貢獻圖

4.3 單元過程三的關鍵清單識別

增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)生產過程產生18.60 kgCO2eq，占總體貢獻的61.35%.其中輕質砂漿、抹面膠漿及該過程材料的運輸在此單元過程的貢獻分別為26.02%、23.28%及22.27%，各自產生4.84、4.33及4.14 kgCO2eq碳排放，為該過程的較大貢獻者即關鍵清單，如圖9.

圖9 單元過程三GWP貢獻圖

由于輕質砂漿、抹面膠漿生產配料及工藝相近，故以輕質砂漿為例進行進一步追溯和分析：該過程中共產生4.84 kgCO2eq碳排放，其中，水泥作為該制備流程的主要參與者，碳排放貢獻達3.74 kgCO2eq，占比77.27%，為此流程最大貢獻者即關鍵清單，如圖10.

圖10 抹面膠漿生產過程GWP貢獻圖

4.4 可選擇的改進方案

基于GWP指標對增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)生產流程進行分析可以得出：巖棉板的生產過程及復合巖棉條板的增強過程為GWP指標的主要貢獻階段，分別貢獻27.46%、61.30%的碳排放，也是為降低其環(huán)境影響可選擇的主要改進流程.因此，對于該企業(yè)或相似生產工藝下的其他巖棉制品企業(yè)，若想減少其生產過程碳排放，優(yōu)化其環(huán)境影響，可選擇以下改進方案：

1.對于巖棉板的生產過程可考慮使用更高效的酚醛樹脂種類，減少其用量進而減少碳排放，或采用有相同功能的環(huán)境友好度更高的粘結劑進行替代；

2.改進巖棉板的生產工藝，如采用更高效的“三維法”替代“擺錘法”，以提高車間生產效率，從而減少設備用電；

3.對于增強過程中由輕質砂漿、抹面膠漿產生的碳排放，應考慮選用更高強的漿料或選用采用更先進水泥生產工藝，以減少其在生產制備過程中產生的影響；

4.對于由于運輸產生的碳排放，可考慮就近購買原材料，或者采用排量較小的貨車進行運輸；

5.改進車間用電來源如使用太陽能光伏發(fā)電等，進而減少電力生產造成的碳排放.

5 結論

基于過程LCA方法，對增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)進行了分析研究，得到了其整體及各主要生產流程的環(huán)境負荷，并以GWP指標為關鍵參數(shù)對各單元過程進行了清單識別，主要結論如下：

(1)以從搖籃到大門為系統(tǒng)邊界、1 m2為功能單位計，運用eFootprint軟件得到了增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)生產流程所產生的LCA結果：氣候變化3.03E+01 kgCO2eq、初級能源消耗3.66E+02 MJ、非生物資源消耗潛值2.16E-03 kgantimony eq、水資源消耗3.45E+01 kg、酸化1.50E-01 kgSO2eq、富營養(yǎng)化潛值0.30E-01 kgPO43-eq、可吸入無機物0.40E-01 kgPM2.5 eq、臭氧層消耗1.32E-06 kgCFC-11 eq、光化學臭氧合成0.70E-01 kgNMVOC eq；

(2)基于GWP指標對增強復合巖棉條板保溫系統(tǒng)生產過程進行分析可以得出：單元過程一巖棉板的生產過程及單元過程三即復合巖棉條板的增強過程為GWP指標的主要貢獻階段和改進流程；

(3)酚醛樹脂、電力(巖棉板生產階段)、水泥及材料運輸清單為整個生產生命周期環(huán)境影響的關鍵清單，為改善產品的環(huán)境友好度，可考慮將對應材料更換為具有相同功能的更高效的材料，或改進車間生產工藝，提高生產效率等.