生命周期评价的发展新方向：基于GIS的生命周期评价

田亚峻，邓业林，张岳玲，谢克昌（北京低碳清洁能源研究所，北京 009；Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee , USA；华北电力大学环境与化学工程学院，北京 006；太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室，山西 太原 000；清华大学热能工程系，北京 0008）



生命周期评价的发展新方向：基于GIS的生命周期评价

田亚峻1，邓业林2，张岳玲3，谢克昌4,5
（1北京低碳清洁能源研究所，北京 102209；2Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee 53211, USA；3华北电力大学环境与化学工程学院，北京 102206；4太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室，山西 太原 030024；5清华大学热能工程系，北京 100084）

摘要：综述了生命周期评价（LCA）区域化研究的进展，论述了将空间信息数据引入LCA的必要性与可行性，以及GIS（geographical information system）在LCA地域化的重要作用。综述表明GIS能系统有效地组织和管理空间数据，能够管理LCA明细的地域信息、LCA影响的地域信息，从而实现GIS与LCA的结合。在此基础上，进一步提出了基于地理信息的LCA的架构，分析了基于GIS的LCA发展的机遇和挑战。基于地理信息的LCA将突破传统LCA缺乏空间信息的致命缺陷，其结果将更具准确性和科学性，基于地理信息的LCA的绿色设计和管理对企业以及政府将更具可操作性，是生命周期评价方法发展的新方向。

关键词：生命周期评价；地理信息；GIS；数据库；可持续性；环境；能源

2015-11-30收到初稿，2016-02-18收到修改稿。

联系人及第一作者：田亚峻（1972—），男，教授。

Received date: 2015-11-30.

Foundation item: supported by the China Knowledge Center for Engineering Science and Technology: Professional Knowledge Service System for Energy.

引　言

伴随着中国经济快速发展和工业化进程的不断推进，中国的环境负担变得愈发严峻。大气污染、土壤污染、地下水污染、气候变化、资源枯竭等问题越来越成为制约中国可持续发展的重要因素。由于中国能源高度依赖煤炭，中国二氧化硫、氮氧化物、烟尘以及可吸入颗粒物排放总量高居世界之首，严重威胁到人民的健康[1]。2002年以来中国的二氧化碳排放以年均9%的增速激增，2012年中国二氧化碳排放量占全球总排放量的26.7%，远超排名第二的美国（16.8%）[1]。为应对不断恶化的环境和气候问题，中国政府相继推出了一系列严厉的环保政策和措施法规，如2013年颁布《大气污染防治行动计划》[2]以及2015年颁布《水污染防治行动计划》[3]等。此外，2014年中国还与美国达成中美气候变化联合声明，承诺2030年前停止增加二氧化碳排放，表达了中国保护环境和减缓气候变化的决心[4]。

化工是人类活动中最重要的过程之一。人类离不开化工，化工过程的发展促进了人类生活水平的提高。如能源主要通过化工过程转化得以利用，煤炭通过燃烧产生电力和热力、通过热解生产焦炭、通过气化等过程生产化肥、电石、甲醇、烯烃等化学产品，而石油更是通过化工过程转化成人类生活所必需的各种化学品。然而，化工过程必然会对环境产生影响。中国对化工过程的环境影响评价方法存在明显缺陷，造成所有的项目环境评价合格但环境却越来越差的尴尬现象。其原因在于中国的评价方法仅以工厂所形成的厂界为边界，没有采用全生命周期的方法，问题常常被转移，各种政策也因此失效。

为了使以上的种种政策较好地达到目的，必须首先发展能够科学和合理评估产品环境性能的方法和数据库。对于一个产品来说，其所涉及原材料的开采、生产、使用和废弃过程伴随着资源、能源的消耗和各种污染物的排放，要完整地反映这一系列过程对生态环境的影响，需要对产品的全生命周期过程进行评价，才能得到客观和全面的结果，防止问题发生转移。

1　生命周期评价方法的发展

1.1生命周期评价方法

生命周期评价（life cycle assessment, LCA）是被当前科学界广泛接受的定量评估产品全生命周期的环境影响的工具。根据ISO14040-44标准（图1）[5]，LCA分析开始于目标和范围定义，需要明确LCA的目的、对象、时间、地理和技术范围等[6]。LCA覆盖某产品包括原材料获取、加工、制造、使用以及最后报废处理的全部生命周期。LCA总结和归纳产品各个生命周期阶段的材料/能量的消耗以及排放，并编制该产品对应的生命周期清单（life cycle inventory, LCI），最后从产品的生命周期清单数据出发，依据环境影响特征因子（characterization factors）计算不同类型的环境影响（life cycle impact assessment, LCIA）[7]。产品生命周期内对环境的影响越小，则产品的环境性能越好。产品生命周期内对环境产生影响的类别众多，常用的环境影响类别有全球气候变暖、平流层臭氧损耗、光化学烟雾形成、大气酸化、人类致癌性、水生生物毒性、陆地生物毒性、栖息地破坏、不可再生资源损耗和富营养化等。

图1　生命周期评价的执行框架Fig.1　Framework of life cycle assessment

LCA作为一种科学的产品环境影响评价方法，在欧美已经有广泛应用。美国的建筑标准LEED v4里面明确把建筑产品、材料是否进行过LCA作为一项重要的评分标准[8]。在更大范围上，美国政府要求（executive orders 13514）所有的联邦机构评估自身的碳排放水平并且要求为政府采购制定相应的碳排放政策[9]。预计未来美国LCA相关的就业岗位将高达67000人，包含LCA学者、公司雇员、咨询人员、软件开发人员等。欧盟在LCA及相关领域活动更为活跃，法国2007年通过Grenelle环境法令要求所有的大众消费品提供产品环境影响声明（EPD）[10]。欧盟从2011年开始研发基于LCA的Product Environmental Footprint（PEF）规范，目前已经进入第2阶段。PEF旨在促进全欧盟范围内实行统一的产品环境影响评价方法，以便有效提高产品环境影响计算的可靠性和不同产品之间环境影响数据的可比较性[11]。这些举措都极大地促进了LCA在全球的应用和发展。

1.2生命周期评价方法的缺陷

2）政府适当放宽政策，灵活处理异地医保报销，为在乡村旅游的大量老年游客提供就近疗养和医治的条件。设置多个医疗机构，保证老年人能充分及时治疗。独立设置康复医院、护理院、社区卫生服务中心等医疗机构，为老年人提供常见疾病的诊断治疗、常见慢性病的非治疗性医疗护理及一般的卫生保健服务。

2.2基于地理信息的LCA架构

现有的著名的生命周期清单数据库的数据大多数都是针对某个区域的平均数据，如Ecoinvent主要针对欧洲[19]。目前主流的环境影响评价方法包含CML2001[20]、ReCiPe[21]和IMPACT2002+[22]，仅考虑了欧洲和全球的大致区分。

表1　不同环境影响类别的时间和空间尺度[7]Table 1　Different environmental impact categories and their corresponding spatial scale[7]

1.3区域化生命周期评价的进展

意境和意象虽然概念上不同但是两者是相通的，据史料记载“意境”和禅宗学说有着密切联系。唐代诗僧皎然云：“了空如藏史，始肯会禅家”；王昌龄说：搜求于象，心人于境，神会于物因心而得（《诗格》）[3]；唐代僧人神秀：“身是菩提树，心如明镜台；时时勤拂拭，勿使惹尘埃”表明他已参透人生，不入红尘。他们作诗风格都是深受禅宗的影响，作诗时将佛境引入诗境。诗人将有形变化成无形，无感变化为有感，实境幻化成虚境，这使得诗中的意境深远且韵味无穷，将普通的生活境界升华到了艺术境界。

绝热加速量热仪实验过程中,要求样品热电偶能够实时地、无失真地反映温度变化过程。然而,热电偶的动态响应特性受工艺限制,响应缓慢,存在动态测量误差[14],需要研究其动态特性,使其输入量随时间变化的曲线与被测量随同一时间变化的曲线一致或近似。

有研究指出使用通用的LCA数据会造成数据的严重失真，得到的结果与区域LCA得到的结果有显著的差异[27]。区域LCA虽然在一定程度上提高了结果的精确度，但本质上还是采用了平均化的方法，得到的结果仍然无法得到企业的认可。随着全球环境的不断恶化，包括中国在内的主要工业大国对于环境保护和气候变化的问题越加重视，正在研究包括市场机制在内的各种应对策略。希望发挥市场作用，让更多的企业、团体甚至个人自觉参与环境改善，然而这需要能基于具体地点、路径来进行EPD或者PEF等“精算”的方法论和数据库，这样的结果对于企业或者政府开展核算、设计或者优化才具有现实的指导和商业价值，这就要求必须将LCA和具体的地理信息（geographic information，GI）结合起来。

1.4基于GIS系统的生命周期评价

地理信息系统（geographic information system, GIS）是计算机技术与地理信息数据相结合的产物，是在计算机硬件、软件及网络支持下，对有关空间数据进行数字化处理、输入、存储、查询检索、运算、分析、显示、更新并提供应用的技术体系[27]。随着地理信息系统的发展，GIS能够通过强大的可视化技术、有效的地图系统将复杂的空间数据和属性数据以地图的形式进行描述，从而实现了文本、图形和图像信息的结合。科学准确的LCA必须与其发生所在的地理位置紧密关联才可能更具实际意义，而GIS为LCA的精细化提供了可能性。

中车长春轨道客车股份有限公司(以下简称长客股份公司)研制的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车辆车体(见图4)，采用CFRP夹芯结构，通过模块化设计、一体成型技术设计而成，最高运行速度为100 km/h，较同类B型铝合金地铁车体减重35%。该车体满足极限恶劣环境的使用要求，具有优良的力学性能、环保性能和防火性能。

有研究尝试利用GIS收集和管理特定区域数据，并结合通用生命周期清单数据库进行LCA研究。Keisuke等[28]首先利用GIS为环境影响评估提供空间支持。Saad等[29]为加拿大不同生态区的土壤生态系统建立了区域化的环境影响特征因子。Civit 等[30]为阿根廷的大气酸化影响划分了16个区域，并分别计算了特征因子。Impact2002+环境影响评估模型把欧洲的大气和水域划分为网格，并把每个网格细胞的环境背景信息输入GIS系统建立影响因子特征数据库[22,31]。类似的模型目前也被加拿大和美国用于环境影响评估[32]。Mutel等[27]基于GIS工具计算了美国不同位置的发电厂所产生的生态毒性影响的不同。此外，GIS已被用于在全球范围内创建基于不同空间尺度的环境影响评估方法，Pfister等[33]在流域基础上建立了淡水资源消耗的环境影响特征因子的地图。Pfister等[34]还分别计算了10类气候特征下的土地使用对土壤有机碳含量的影响。

2　基于GIS的LCA系统架构设计

2.1基于GIS的LCA的必要性

LCA区域化是一项非常重要的工作，对于像中国这样人口、地理环境和经济发展水平相差巨大的国家来说，以整个国家为空间尺度所得到的结果不具有现实意义。以水消耗的环境影响评价指标来说，由于中国各地的人口、经济结构还有水资源储量分布差距较大，不同的区域水消耗的环境影响指标（DALY, disable adjusted life year, 伤残调整寿命年）可以有高达2个数量级的差异[35]。为了客观判断产品的环境性能，在中国发展基于GIS的LCA显得尤其必要。然而基于GIS的LCA在架构和方法论上还没有完善，在GIS化的生命周期清单数据库建设、GIS化的影响类别特征因子建设等方面还少有报道。

虽然传统LCA在目标与范围的定义中要求明确地理范围，在相应的清单数据收集也需要使用代表与指定范围吻合的数据，但是由于没有明确的方法论指导和数据库做支撑，大量的LCA计算实际往往采用某个国家或者地区的平均数据[12]。平均数据虽极大地简化了计算和数据收集工作，但其缺陷之一是抹平了地理空间上的差异，导致结果不能有效地反映实际情况[13]。以发电为例，同样生产1 kW·h的电能，不同的地区由于不同的一次能源发电比例导致所排放的温室气体截然不同，这在中国的南方和北方表现尤其明显[14]。其次，传统的LCA方法论中环境影响评价过程对地理范围的定义更加模糊，实际中的LCA环境影响评价过程中一般仅附带地理位置，然而环境评价必须与地理信息包含人口密度、经济水平、地质、地貌等结合起来，对LCA的影响评价结果的诠释才有现实意义。举例来说，排放同样数量的颗粒物或者消耗相同数量的水资源，在人口稠密的地区或者是水资源匮乏的地区造成的环境影响大不相同[15]。而酸雨化的环境影响对碱性地区和酸性地区的影响却是相反的[16]。以上情景说明LCA结果与其发生的区域有密切的关系，这种区域化的影响包含两大类：第1类是生命周期清单数据的区域化，相同的工业过程在不同的地区生命周期的清单数据可能差异很大，计算结果差别也很大[17]；第2类是环境影响的区域化，由于LCA的核心目的之一是将计算的数据反映到实际的地理环境上，因此相同的计算数据在不同的地域上影响结果可能也完全不同。表1所列的环境影响类别中，很多终端影响（endpoints）是局部性的，这就要求LCA必须与特定地理信息结合，否则评价结果将失去实际意义，而这正是传统LCA所缺乏的[18]。

LCA的区域化包含生命周期清单数据的区域化和环境评估影响因子的区域化两个方面。基于地理信息的架构可以通过如图2所示的典型产品生命周期的阶段来说明。从原材料的获取，到产品的设计制造，最后到终端用户的使用和报废都可能发生在不同的地域，而不同地域对应不同的地理环境、人口密度、资源分布和经济发展水平等，因此不同地域对应不同的生命周期清单数据的同时也对应不同的环境影响特征因子。所以对于经历区域差异较大的产品来说，LCA的计算必须反映其生命周期内的地理进程，结果才能够更加准确反映产品在生命周期内对环境的影响，而且对环境影响的地理足迹亦一目了然。

图2　基于区域的产品生命周期Fig. 2　Illustration of regionalized product life cycle assessment

可见，将空间信息与LCA相结合可以突破传统LCA方法中地理信息缺失的问题。针对这个问题，本文提出在LCA方法中引入空间数据，并构建图3所示基于空间信息的LCA的方法执行框架。

图3　基于空间信息的LCA执行框架Fig.3 Framework of LCA based on spatial information

可以分为以下几个步骤：

（1）定义对象生命周期评价的目的、功能单位、范围以及对象的全生命周期内供应链对应的地理区域；

[3]国务院. 水污染防治行动计划[OL]. [2015/08/22]. http: //zfs.mep. gov.cn/fg/gwyw/201504/t20150416_299146.htm. State Council. Action plan for prevention and control of water pollution[OL]. [2015/08/22]. http: //zfs.mep.gov.cn/fg/gwyw/201504/ t20150416_299146.htm.

（3）将计算结果和对应区域内的环境影响特征因子相结合进行影响评价；

（4）结合地理信息的结果诠释。

基于图3的框架，基于空间信息的LCA可细分为两个部分：第1个部分为区域化的生命周期清单数据，也就是为生命清单数据中的材料的损耗、能量的使用及排放指定相应的区域；第2个部分是环境影响评价的区域化。这个部分可以包含以下步骤：第1步是确定影响范围，这一步往往针对的是生命周期清单数据中的排放数据，对于某个区域记录的排放（例如SO2、NOx、颗粒物、重金属离子），计算其扩散的范围和路径，从而确定其潜在的影响范围；第2步是根据暴露影响模型计算环境影响，这一步结合大量的空间信息收集如排放影响区域中河流、土壤、物种、人口、饮食习惯等相关信息，从而确认这些生态物种或者是人体针对该排放的暴露度是多少；最后一步根据暴露健康模型计算最终造成的健康损害（图4）。

图4　基于GIS的LCA系统工作原理Fig. 4　Flowchart of GIS based LCA system

基于空间信息的LCA就是这一连串信息的乘积，最后以空间分布的形式把环境影响信息反映出来。

可见，在基于空间信息的LCA系统架构中，地理信息不再仅仅是目标和范围定义中关于地理位置的信息，而是一个基于空间位置的信息数据库。GIS可把地理空间信息库与LCA的生命周期清单的数据库结合起来，形成基于GIS架构的LCA系统。该系统将基于地域定义的生命周期过程的生命周期清单数据和环境影响特征因子抽取出来，转化成一个普通的LCA问题进行计算，然后将计算得到的区域化的影响结果再次与GIS结合进行分析，即可以得到可视化的、反映生命周期链的、反映地理位置变化的环境影响足迹，这对于国家产业布局、企业的绿色供应链优化设计等是十分有价值的。基于GIS的LCA的使用原理见图5。

海拔高度的差异是造成烟叶化学成分和感官评吸质量差异的重要因素之一。本研究取样点少，且仅涉及1年样品，而影响烟叶化学成分和评吸质量的因素很多，不同年份不同海拔的土壤、栽培措施、气候条件之间也存在差异，因此恩施烟区烟叶化学成分和感官评吸质量与海拔高度之间的相互关系还需要进一步研究。

目前，我国科技馆建设还处于发展阶段，属于一个发展壮大且没有前人可以借鉴的行业，建立科技馆行业自有的职称评聘体系，对科技馆行业是一大幸事，有利于科技馆从业者的职业规划和未来发展，同时也能有效刺激科技馆专业技术人才的素质发展和能力提升。目前科技馆的职称评定工作还在探索尝试中，存在许多现实问题，需要提升和改善的地方还有很多，如何尽快设立合法、合理、科学自有职称序列，我们科技馆人任重道远。

“真的啊？那你可是我女儿的学长咯，她年底就要来悉尼大学报到了。”提到她女儿时，她的眼里如同能放出光芒般神采飞扬。“她学习成绩可好了，省重点熊猫班前三……”

2.3基于GIS的LCA的机遇与挑战

[11]FINKBEINER M. Product environmental footprint—breakthrough or breakdown for policy implementation of life cycle assessment? [J]. Int. J. LCA, 2013, 19(2): 266-271.

然而，中国行业体量巨大，各地发展不平衡，各行业发展也不平衡，收集数据的任务量巨大。加之中国的数字化整体比较落后，中国的企业缺乏数据共享的意愿，因此建设GIS系统和LCA系统面临的挑战巨大。

图5　基于GIS的LCA系统工作原理Fig. 5　Flowchart of GIS based LCA system

3　结　论

文献综述表明环境影响评估清单数据和特征因子在不同的区域有较大差异。LCA的区域化是LCA未来发展的重要方向，而GIS是对LCA做区域化的核心工具。本文总结了LCA区域化的进展以及GIS技术用于LCA计算的研究，最后提出了基于地理信息的LCA的架构和基于GIS的LCA系统的工作原理。GIS与LCA结合可以有效弥补传统LCA区域信息缺失的缺陷，能提供更加全面、准确和基于地理信息的LCA结果，这无论对于企业还是政府将更具有应用价值。未来LCA可以和一切可以用GIS表达的数据（如人口、经济等）相融合，LCA所发挥作用的领域将更加广阔。

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（2）整理编制对应于区域的对象的生命周期清单和数据；

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高速铁路运输是一种新型的交通运输方式，对我国交通运输结构有着重大影响，促进交通业转型。目前高铁的客流运输极大地改善了我国的交通运输情况，促进我国向高速运输时代迈进。京沪线高铁的运营对民航业带来了一定程度的影响，目前要根据旅客出行方式具体情况进行分析研究，协调二者的发展。

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1.5.1 药物治疗有效率 本研究以骨折发生率作为评估治疗效果的指标。原发性骨质疏松症防治的终点目标是降低骨折发生率，因而主要探讨治疗药物在防治骨质疏松性骨折的优势。芪骨胶囊方案组和仙灵骨葆胶囊方案组的骨折发生率来自于《密骨胶囊治疗原发性骨质疏松症Ⅲ期临床试验》［6］。有效率为未发生骨折患者人数占总治疗人数的比例。

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基于GIS的LCA能有效地把地理信息与环境影响信息整合在一起，能显著提高LCA结果的精确度、可靠度以及应用价值。中国地大物博，地区发展极不平衡，在中国开展基于GIS的LCA对于中国产业结构调整、产业升级以及产业布局而言具有非常主要的意义。近年来中国环境问题日益突出，中国对环境问题亦日益重视，而基于GIS的LCA能够为企业提供非常具体的指导和优化，因此潜在需求巨大。可喜的是，中国工程院作为政府权威的咨询机构已经意识到该重要性，由工程院领导的中国工程科技知识中心正在开展能源领域的基于GIS的LCA数据库建设，这为中国在LCA领域赶超发达国家，并引领全球LCA的发展方向提供了可能。

本文通过对现阶段自动气象站在农业发展中所起到的作用入手，结合相关防雷措施，对自动气象站的防雷技术进行研究发现，只有通过采取合适的措施，提高自动气象站的防雷效果，才能实现农业的进一步发展。

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Potting等[23]在1997年对LCA的区域化做了深入的论述，由于早期计算机的计算性能和数据储备能力非常有限，他们仅将区域化LCA的尺度简化为3类：第1类是通用LCA （generic LCA），这类LCA使用从典型区域获得的数据作为通用数据，对不同地点可能存在的差异不做考虑；第2类是定点LCA（site-specific LCA），定点LCA类似于项目的环境风险评估，数据完全来自采集点，结果完全反映其特定条件下的工业活动对当地的影响；第3类是区域LCA（site dependent LCA），区域LCA介于通用LCA和定点LCA之间，它把地理环境划分为多个类别，每个区域类别的空间尺度可能有数千公里。Potting 等[24]建立了RAINS（regional air pollution information and simulation）模型，可计算不同欧洲国家区域大气酸化环境影响特征因子，计算表明不同国家大气酸化环境影响特征因子差异巨大，最大的特征因子比最小的特征因子高约1000倍。EDIP（environment-dependent interatomic potential）是第一个用于估算不同环境影响类别地域特征因子的系统化方法[25]。除了EDIP方法以外，其他环境影响类别也有各自在不同区域的环境影响特征因子的计算模型，但绝大多数的方法仅适用于欧洲国家的地理情况[26]。

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(1)新授课的内容对学生来说不全是新的，教师要正视这一点，教学设计时不要在结论、结果上做表面文章，要在概念中蕴含的数学思想方法上、定理和性质证明的思考过程中设置问题，引导学生深入思考，学会思考．教学设计应简单真实．

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研究论文

New direction of life cycle assessment: GIS-based life cycle assessment

TIAN Yajun1, DENG Yelin2, ZHANG Yueling3, XIE Kechang4,5
(1National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Beijing 102209, China;2Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee 53211, USA;3School of Environment and Chemical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;4Laboratory of Coal Science and Technology, Ministry of Education and Shanxi Province, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;5Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：The study presents an overview on the development of regionalization of life cycle assessment （LCA）. The results of the paper indicate that incorporating spatial information into the process of the life cycle assessment is both necessary and feasible. The GIS (geographical information system), on the other hand, is an important platform to serve the purpose. The paper shows that GIS can effectively align and manage the spatial data in a flexible way, and thus promote the application of regionalized LCA study. The paper proposes a framework for the design of GIS based LCA. By integration GIS and LCA, the accuracy and representativeness of LCA results can be upgraded, which lays a solid foundation for policy making process.

Key words：life cycle assessment; geographic information; GIS; database; sustainability; environment; energy

中图分类号：X 823

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）06—2195—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151795

基金项目：中国工程院工程科技知识中心能源专业知识服务系统建设项目。

Corresponding author:Prof. TIAN Yajun, tianyajun@nicenergy.com