生命周期评价在铁路节能评估中的应用研究

陈淑连，曾虢霆，吕名云，栗健

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

实际节能评估工作中发现，不同节能措施的节能效果和经济效益可能相当，需要根据措施的环境效果、社会效果和国家能源政策等因素综合比选确定，而措施的环境效果、社会效果往往难以量化，导致评估的主观因素扩大。因此，亟需引入一种科学全面的评价方法，在进行能源消耗统计和能效水平评估的基础上，对节能的环境和社会层面影响进行量化，以全面、客观的评估项目能源利用情况。

1 生命周期评价

1.1 生命周期评价及发展趋势

生命周期评价(LCA)是一种评价产品、工艺过程或活动从原材料的采集和加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境负荷的过程［1］。目前，生命周期评价已被纳入ISO14040环境管理体系。

工业产品生命周期评价发展较完善，是进行工业产品环境影响评价的主要方法之一，其应用主要包括:为节约原料和能源，企业在产品开发设计的过程中，对不同的替代方案进行比较研究;为政府环境管理部门公共政策的制定提供依据。

农业生命周期评价发展较晚，但目前也已经有一个比较完善的体系。其研究方向主要集中在单一农产品生命周期评价、不同种植模式或方法下农产品生命周期评价以及农业生命周期评价方法等。

建筑生命周期评价是近年来生命周期评价的新分支。国外建筑生命周期评价主要集中在绿色或低碳建筑，用于提供绿色建筑环境影响信息;国内的研究主要集中在建筑生命周期评价方法应用以及辅助设计优化。

在环境保护领域，生命周期评价也有一些较为成熟的研究，如水处理工艺评价、生活垃圾处理方式评价等;电厂建设领域生命周期评价是目前生命周期评价的热点之一，内容涵盖生命周期评价模型的建立及至实际的应用;在节能技术评价方面，目前已有部分专家和学者尝试将生命周期评价引入该评价体系。

1.2 基于全生命周期成本的生命周期评价

传统技术－经济评价只考虑到产品的单纯生产成本，缺乏产品全生命周期成本的决策。全生命周期成本和外部环境成本概念的引入，扩展了生命周期评价的层次，在电厂建设生命周期评价中，将经济因素引入了生命周期评价，使得生命周期评价涵盖了能源、环境和社会影响、经济等多个方面，使得评价结论更为全面，对环境管理的支持更加完善。同时，上述概念的引入，也解决了节能技术评估中在技术－经济评价的基础上进行生命周期评价两步走的模式，通过基于全生命周期成本的生命周期评价，可以一次性提供节能技术的技术、经济和环境评价。

1.3 基于全生命周期成本(LCC)的节能技术生命周期评价(LCA)技术框架

1.3.1 目的与范围的确定

生命周期评价的第一步是目的与范围的确定。这一步包括评价体系的描述和系统边界的确定。

对于节能技术的生命周期评价，其目的可以是单项节能技术节能效果、经济成本、环境和社会效益的评价;或是从技术、经济、环境和社会多方面对不同节能技术进行生命周期影响评价，进而确定最优方案;也可通过生命周期评价，用于节能技术的改善以及辅助节能管理。

范围的确定应尽可能涵盖整个节能技术生命周期，从节能技术生产、使用直至废弃、回收的全过程。

在功能单位的确立上，可以建立以产品为导向的功能单位，如我国学者对汽车燃料的全生命周期排放评价中，其功能单位为相同的汽车在相同的条件下行驶相同的距离。

1.3.2 清单分析

生命周期评价第二步的核心是建立以产品功能单位表达的产品系统的输入和输出(即建立清单)，即清单分析，其意义在于指明并定量表示出所有输入输出数据。产品系统的输入和输出数据应涵盖产品生命周期范围内所有输入的物质和能量以及向环境的输出。

在节能技术生命周期评价中，应该特别注意考虑能源生产系统的输入与输出，而节能技术的选择对生命周期输入输出的影响也应谨慎界定。

1.3.3 资源消耗成本和外部环境成本核算

在LCA的生命周期清单分析中，资源消耗应当包括材料、能源、动力等生产要素，而这些生产要素的量分别乘以它们的单价便得到它们所占的成本，这部分成本计入产品的内部成本。

在产品的生命周期中，由于主体经济活动对环境产生影响，从而造成了损失，其中并未由受益的主体所承担的那部分损失被称为产品生命周期外部环境成本。根据外部环境成本理论，产品生命周期环境成本可用下式计算。

式中:LCEC——产品生命周期环境成本;

i——环境负荷种类;

Eli——某种环境负荷量;

UECi——该种环境负荷的单位成本。

1.3.4 影响评价

生命周期影响评价是对生命周期清单分析中所提供的大量物质以及能源消耗、污染物排放对环境所造成的压力进行定性以及定量评价的过程［2］。这一步是LCA中难度最大，争议最多的部分，其实质是对清单分析阶段、成本核算的数据进行定性或定量排序的一个过程，包括:影响分类、特征化和量化。

1.3.4.1 影响分类

影响分类是将清单分析中的输入和输出数据进行归类，组合成相对一致的环境影响类型。目前，资源消耗、温室效应、酸化、富营养化等环境影响已经建立了比较成熟的评价体系，在节能技术的生命周期评价中，该环境影响分类框架能较好地满足评价要求。

1.3.4.2 特征化

不同污染物特征化可采取“当量系数法(equivalent factor)”，表1是当量换算表［3］。

表1 环境影响特征化模型(Character model of environment impact)

1.3.4.3 量化

(1)标准化

杨建新以1990年为基准年，建立了中国环境影响评价标准化基准［4］。其中，资源消耗和生态毒性以1995年世界人均环境影响潜力为基准［5］，DCB指的是1，4-Dichlorobenzene(见表2)。

表2 中国环境影响评价标准化基准)Normalization values for different impact categories)

(2)加权评估

根据影响分类、特征化和标准化的结果，结合不同环境影响类型相对贡献大小或权重，以及成本核算的结果，可得到产品生命周期总的环境影响水平以及技术－经济评估结果。

1.3.5 生命周期解释

生命周期解释的目的是根据LCA前几个阶段的研究或清单分析的发现，以透明的方式来分析结果、形成结论、解释局限性、提出建议并报告生命周期解释的结果，尽可能提供对生命周期评价研究结果的易于理解的、完整的和一致的说明。

对于节能技术生命周期评价，评估结果可用于系统评估产品、工艺或活动的整个生命周期内削减资源、能源消耗以及环境释放的需求与机会，提出相应改进措施，进而应用于管理;或者用于不同节能技术资源、能源损耗削减量、环境影响程度以及经济效益的量化比较，为科学决策提供支持。

综上所述，基于全生命周期成本(LCC)的节能技术生命周期评价(LCA)技术框架如图1所示。

图1 基于全生命周期成本(LCC)的生命周期评价(LCA)技术框架

1.4 生命周期评价在铁路节能工作中的应用研究

开展铁路节能评估工作，应首先研究建立并完善节能评估方法和模式。而节能效果和经济效益较易量化、环境和社会效益难以量化的特点，也导致长期以来节能工作对节能效果和经济效益关注较多，对环境和社会效益考虑较少。因此，在节能评估中引入一种新方法，以涵盖技术、经济、环境和社会层面，无论单纯用于某种节能技术的评估，或是多种节能技术的综合比选，还是用于辅助节能管理，均是大有裨益的。

铁路节能评估工作方法对节能的技术、经济、管理层面考虑较多，生命周期评价方法的引入，在涵盖技术、经济和管理层面的基础上，能够弥补节能工作在环境和社会层面的缺失。铁路运输系统组成庞杂，涉及专业和耗能设备较多，生命周期评价有利于决策者对整个体系的宏观把控;同时，也能够辅助进行决策，在设计阶段和运营管理阶段，均能发挥相应作用。

生命周期评价方法在工业和农业领域的应用，均包含产品的运输过程，并有相应的分析与研究;而其在电厂建设领域的拓展和节能技术领域的发展，也说明生命周期评价方式适用于铁路节能评估工作。对于生命周期评价方法在铁路节能评估中的应用，可分为节能技术评估和铁路运输系统评估两个层面。

节能技术层面，可用于某种节能技术的生命周期评价，或多种竞争方案的综合比选，以及多个节能技术方案的优化评价。如机车选型方面，评价的基础是不同机车在相同的线路上行驶相同的距离，以换算周转量为功能单位，对其在资源消耗(电力资源、石油资源、煤炭资源等)、全球变暖(温室气体排放，主要发生于火力发电、燃油资源消耗等过程)、酸化(酸性气体排放，主要发生于火力发电、燃油资源消耗等过程)以及水体富营养化等方面环境影响进行评估，给出节能减排效益最优的机车型号。

铁路运输系统层面，可通过生命周期评价，对整个运输系统中的输入输出数据——能源、资源的输入，产生的环境影响——进行分析评价，从而对铁路运输系统整体环境、社会和节能减排影响量化表述，分析其环境影响的最大环节和重要环节，进而辅助运营管理和改进设计。

2 结论与讨论

2.1 结论

随着环境问题的加剧，人们评价产品、技术或服务的优劣已不再是单纯的技术是否先进或经济是否合理，而是更加重视产品、技术或服务对环境和社会的直接影响和潜在危害。现有的节能评估方法往往将重点集中于节能效果和经济效益两方面，已不能满足节能评估的需要。因此，本研究尝试在节能评估领域引入一种新的评估方法，以解决节能评估中技术、经济、环境和社会的综合评价。

生命周期评价(LCA)是一种“从摇篮到坟墓”的全面的评价体系，而全生命周期成本(LCC)的生命周期评价(LCA)的发展，使产品生命周期内资源能源消耗、环境影响、资源消耗成本和外部环境成本分析量化得以实现，对节能技术的综合效果评估以及节能决策管理有较好的支持辅助作用。

综上所述，研究认为基于全生命周期成本(LCC)的生命周期评价(LCA)能够满足铁路节能评估需要，并且符合铁路节能评估的发展趋势。该方法的引入，将成为铁路节能评估和节能管理的重要工具之一。

2.2 讨论

生命周期评价(LCA)是一种新型的环境影响评价方法，而基于全生命周期成本(LCC)的生命周期评价(LCA)是近年来生命周期评价(LCA)发展的新趋势，且它的应用范围较为局限。因此，无论是作为方法本身，还是引入节能评估这个新领域，该方法都有许多需要完善的地方。

(1)节能评估涵盖面较广，评估对象可能是一种或多种节能产品、技术，或者节能工艺流程，因此需要评估者对其整个生命周期流程和环节有较为清晰的认识，否则在生命周期评价范围的确定上可能出现偏差。因此，对评估者自身的要求较高。

(2)生命周期评价涉及范围较广，所需数据较多，有些数据难以获得，且国内尚无统一完善的标准。评价时所用的部分数据库往往来源于国外的数据库，难免与中国实际情况有差异。因此，建立一个统一完善的中国生命周期评价数据库将是今后中国生命周期评价研究发展和推广应用的重点工作之一。

(3)全生命周期成本分析和外部环境成本理论引入生命周期评价时间较短，应用有限，仍需进行进一步发展，尤其是对环境负荷成本的深入研究，以更好地支撑生命周期评价。

(4)铁路运输系统组成庞杂，涉及专业和耗能设备较多，生命周期评价涉及系统的全时段和全方面，相应的数据积累仍需发展完善。

［1］ 王寿兵.生命周期评价方法及其进展［J］.上海环境科学，1998，17(11):7－10.

［2］ ISO 1997 Environment management——life cycle assessment，International Standard ISOP 14040.

［3］ Yang jian xin，Per H Nielsen.Chinese life cycle assessment factors［J］.Journal of Environmental Sciences，2001，13(2): 205－209.

［4］ Heidi K S，Leif H，Ander S.LCA technical report:Impact categories，normalization and weighting in LCA.Update on selected EDIP97－data，Technology/dk－TEKNIK，2003.

［5］ HUijbregtsM A J， Breedveld L， HuppesG， etal.Normalization figures for environmental life－cycle assessment The Netherlands(1997/1998)，Western Europe(1995)and the world (1990 and 1995)［J］.JournalofCleaner Production，2003，11:737－748.