建设施工过程生态成本及EVR模型研究

冉　　然，郑　　磊　

（东南大学　土木工程学院，江苏　南京　210096，E-mail：1099212338@qq.com）

建设施工过程生态成本及EVR模型研究

冉然，郑磊

（东南大学土木工程学院，江苏南京210096，E-mail：1099212338@qq.com）

摘要：为衡量施工方案和施工过程的绿色化程度，定量分析建设施工阶段的环境破坏预防成本，在生命周期评价的基础上，引入了生态成本指标以及EVR计算模型，分析了建设施工生态成本的计算范围及具体方法。计算出我国普通建筑工程项目施工中涉及的主要有害排放物、能源、建筑原材料的生态成本及其 EVR。选取南京某普通住宅项目作为案例，计算其施工过程的生态成本和EVR，并根据计算结果分析各项生态成本的比例，探讨减少生态成本的有效方式及应用方向。

关键词：生命周期评价；生态成本；EVR模型；施工过程

建筑物及基础设施的建设施工活动消耗着大量能源并且产生了数量可观的温室气体。如何高效地将工程施工中对环境造成的影响进行定量化分析是减少建筑业环境负荷，提高生态效率首先需要解决的问题。使用生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）对建筑产品全生命期的环境影响进行评估，是目前使用较为广泛的一种方法。LCA需要选择单一指标作为影响评价的标准和最终结果。评价指标可以分为三类［1］：一是单一产物，如碳足迹，直接通过CO2排放量评价环境影响；二是基于破坏的指标，也就是环境破坏造成的损失，如EDIP97、Eco-indicator99、CML2001和生命周期环境成本；三是基于预防的指标，即为防止环境破坏的预防成本，这一指标的代表是Vogtländer提出的生态成本。

基于破坏的环境影响评价包含了复杂的计算来对整个环境带来负担进行多个角度的客观衡量。例如EDIP97和CML2001采用中间点方法，Eco-indicator99采用终结点方法量化环境影响［2］，基本计算过程都专业性较强且比较复杂，一般需要借助模型进行计算［3］。而生态成本的计算可以不借助任何模型，更加简单、透明［4］，而且最终结果是以货币价值的形式呈现，因此从经济的角度衡量时更加直观，可以直接与实际成本等进行计算、比较。实验证明，生态成本能够被大部分非专业人士理解。本文采用生态成本作为评价指标，计算工程施工过程的环境破坏预防成本，也就是防止施工活动造成环境破坏所需要的代价。通过生态成本/价值比率（Eco-costs/Value Ratio，EVR）模型［5］，计算出建设施工过程中涉及到的能源、有害排放物、材料等的EVR，以期对施工方案的绿色化水平进行定量分析 EVR越低，施工方案的绿色化程度越高，从可持续化的角度对比同一项目的不同施工方案，也可作为绿色承包商的评判标准［6］。

1　基本概念

1.1生命周期评价

根据国际标准化组织的定义，生命周期评价（LCA）是一个评估产品（或服务）从原材料提取到最终处理的整个过程中对环境造成潜在影响的工具［7］。目的是确认和量化产品生产使用全过程的原料用量、资源耗用量，以环境排放为基础，研究产品对环境的影响。评价内容包括：原料开采、运输、产品制造、产品使用、产品废弃全过程物质和能量的循环［8］。生命周期评价包括：目的和范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释，这4个步骤是相互关联、不断重复的［9］。

1.2生态成本

生态成本是Hendriks［10］提出的基于生命周期评价的一个单一指标，用于评估产品或活动的可持续性。它建立在 Vogtländer［11］提出的“虚拟污染预防成本”的基础上，是3种边际预防成本的总和：材料损耗、能源消耗和有害物质排放。除了这3种直接环境影响，生态成本还包含人力（办公采暖、照明、电脑、通讯等带来的环境影响）和生产资产（设备、建筑物、交通工具等）折旧这两项间接环境影响。为保证产品生产或活动在地球的承载能力范围内，即不对地球生态环境造成破坏，需要采取一定的预防措施，而采取这些措施需要的成本就是生态成本，所以生态成本是一种虚拟成本。

生态成本包括直接环境影响生态成本和间接环境影响生态成本两个部分，如图1所示［7］。

图1　　生态成本的系统组成结构　

（1）直接生态成本。包括有害排放物的生态成本（虚拟污染预防成本），即将产品链中产生的排放减少到可持续化水平需要的成本；能源的生态成本，即可持续能源的价格；材料损耗的生态成本，即原材料成本×（1-γ），其中γ是材料的回收率。需要注意的是，由于能源的使用过程中会产生有害排放物，因此在计算能源消耗相关的生态成本时，除了能源本身的生态成本，还要计算使用时产生的排放物的生态成本。

（2）间接生态成本。包括折旧的生态成本，即与设备、建筑物等的使用相关的生态成本；人力的生态成本，即与通讯和办公使用相关的生态成本。间接生态成本是指由于产品或活动间接产生的生态成本，但是其实质与直接生态成本相同，也是由排放物、能源、材料损耗的生态成本组成，因此计算方法与直接生态成本相同。

1.3生态成本/价值比率（EVR）模型

生态效率是可持续发展评价和定量分析的重要指标。世界可持续发展商会（WBCSD）对生态效率的定义为：通过创造有价格竞争优势的产品和服务来满足人类的需求并提高生活质量，同时将其环境影响和资源利用强度控制在地球的承载力水平之内［12］。这说明要从经济和生态两个维度来提高生态效率——从经济的角度将商务链（Business Chain）中的价值/成本比率最大化，从生态的角度使生态影响程度最小化。为衡量产品或活动同时达到这两个要求的程度，提出生态成本/价值比率模型［10］。

EVR=生态成本/价值

从商务链中的价值/成本比率，到生态成本/价值比率（EVR），其中价值，成本和生态成本三者的构成和关联如图2所示［5］。由于价值在实际计算中难以准确计算，因此将产品的市场价格视为产品价值。根据EVR计算公式，能够推导出：

生态成本=EVR×市场价格

图2　　生态成本、成本及市场价格的构成及关联　

所以只要知道产品的价值（市场价格）和EVR，就能求出产品的生态成本。EVR代表单位价值建设工程的生态成本，因此 EVR越低，施工方案的绿色化程度越高。

2　施工过程生态成本计算模型

2.1生态成本的计算范围

本文针对建筑工程施工阶段的生态成本进行计算。在建筑生命周期中，建设施工过程生态成本的计算范围如图3所示。

图3　　基于生命周期的建设施工生态成本计算范围　

2.2有害排放物的生态成本

有害排放物的生态成本，也就是“虚拟污染预防成本”，是有害排放物的边际预防成本的总和［12］。边际预防成本等于准备采取的减排措施中单位成本最高的一项，即：

式中，Cm为有害排放物的边际预防成本；Ai为各项减排措施的单位成本。

根据欧盟地区的有害排放物边际成本数据，表1归纳了各类排放物的污染预防成本［6］，即排放物的生态成本。

表1　　有害排放物的生态成本　

建设过程中的有害排放物主要来自于交通运输和设备使用过程中煤炭汽油等能源使用时产生的排放物。表2列出了能源使用产生有害排放物清单，通过下列换算公式，可以将能源消耗量转换为有害物排放量，从而计算有害排放物的生态成本：

式中，Ce为能源产生的有害排放物生态成本；Bi为能源的第i种有害排放物；Di为单位能源第i种有害物的排放量；Cmi为第i种有害排放物的生态成本（边际预防成本）。

表2　　能源主要有害排放物清单　

2.3能源的生态成本

用可再生能源系统取代现行能源系统的成本即为能源的生态成本。建设过程中使用的能源主要有电能、汽油、柴油、煤炭以及天然气。表3为计算出的各能源的生态成本及对应的EVR。

表3　　能源的生态成本及EVR　

2.3.1电能

REN21发布的《可再生能源 2015：全球现状报告》［13］统计出了 2015年全球各类可再生能源发电比例。表4为各类可再生能源2015年的发电比例以及估算的发电成本［14］。

表4　　2015年可再生能源发电比例及成本　

根据表4可以计算出我国可再生能源的综合发电成本，即为电能的生态成本，计算式如下：

式中，Cde表示电能的生态成本；Mi为各可再生能源的发电成本；Pi为对应的发电比例。火力发电成本Cd约为0.21元/kW·h［16］，即0.06元/M J，则根据计算式，Cde为0.11元/M J。根据EVR模型，电能的EVR=Cde/Cd=1.83。

2.3.2汽油和柴油

为取代汽油和柴油，目前采用比较普遍的替代性可再生能源为燃料乙醇和生物柴油，因此将燃料乙醇和生物柴油的单位产热成本分别作为汽油和柴油的单位生态成本。汽油和柴油价格均以最新的市场供应价格为准，我国现行燃料乙醇价格形成机制是以93#汽油供应价格乘以0.9111，生物柴油的价格目前没有具体的规定，通过查询2016年4月多家公司的生物柴油批发价格，统计出生物柴油的平均市价为4500元/t。

燃油的价值和生态成本计算在计算单位价格和生态成本时，均以热量单位MJ作为标准。因此需要利用热值和密度进行换算，由于各类生物柴油热值不同，因此计算时取平均值约为38MJ/kg。燃油的价格计算式为：

式中，Po为燃油的单位产热价格（元/M J）；P为燃油市场价格（元/L）；q为热值（M J/kg）；ρ为密度（kg/L）。具体各项取值和计算结果见表5。

表5　　汽油、柴油生态成本及EVR　

2.3.3煤和天然气

建设过程中使用到的煤炭一般为动力煤，根据2016年4月煤炭市场价格，5500大卡动力煤均价约为390元/t，则煤炭的单位产热价格为0.02元/M J，即为煤炭价格Ct。2015年天然气市场价格约为2.7 元/m3，天然气热值约为 36M J/m3，故天然气价格Cq计为0.08元/M J。目前替代煤和天然气的可再生能源主要为生物质燃料。生物质燃料种类较多，价格与热值也有变化，本文选择生物质玉米秆燃料进行分析，通过市场询价，2015年生物质玉米秆燃料市场价格约为750元/t，热值约为17.7M J/kg，则煤及天然气的生态成本Cte为0.04元/MJ，EVR（煤）=Cte/Ct=2.0；EVR（天然气）=Cte/Cq=0.5。

2.4材料耗损成本

生态成本的计算是以全生命周期评价为基础的，而在材料的生命周期清单分析中，许多材料是可回收的，如建筑材料中的钢材、玻璃等。因而对可再生材料进行生态成本分析时，需要考虑回收率的影响。如前文介绍的，将材料的耗损成本作为生态成本，具体的计算公式为：

式中，γ是材料的回收率。当建筑产品的原材料为不可再生材料时，γ=0，材料的损耗成本等于原材料的市场价值。对于可再生的建筑材料，既要考虑材料的回收能力也要考虑材料在我国的回收水平，因此本文采用综合回收率作为材料的回收率γ［14］：

式中：α为材料的回收能力，也称再生成材率，即单位质量的某种材料回收后能得到的该材料的质量；β为某种材料在我国的回收水平，即回收材料使用量占该材料总使用量的比例。

表6列出了一些主要建筑材料的回收能力、回收水平和综合回收率。

表6　　主要建筑材料的回收能力、回收水平及综合回收率　

2.5人力生态成本

建设过程中与人力有关的生态成本主要包括工作人员照明、空调、电脑及其他办公设备的相关电力消耗；通勤等交通活动产生的汽油、柴油消耗；采暖、炊事带来的煤炭消耗。因此人力生态成本——工作人员活动的能源消耗的生态成本与2.3中能源生态成本的计算方法相同。

2.6生产设施折旧的生态成本

使用固定资产的生态成本就是生产设施折旧的生态成本，因此折旧生态成本的计算方法与折旧的计算相同，计算公式为［10］：

折旧的生态成本=生产设施的生态成本/N/T式中：N为设施的平均使用年限；T为产品的年产量。由于本文中只考虑建设过程中的生态成本，并不涉及相关建筑产品的生产过程，因此不考虑生产设施折旧的生态成本。

3　案例研究

3.1项目概况

本文以南京市江宁区某住宅小区6号楼为例，计算其建设过程中的生态成本。该建设项目建筑面积16808.33m2；层数：22层；建筑结构类型为剪力墙结构；建筑抗震等级为丙类，抗震设防烈度为6度；建筑结构安全等级为二级；建筑设计合理使用年限为50年。该项目为一般高层住宅，建筑外观、结构类型等基本特征也较为普通，没有特殊的工艺要求，因此该项目的生态成本和EVR具有普遍性，可以为很多项目提供参考。

3.2计算过程

3.2.1能源消耗的生态成本

建设过程中的能源消耗主要来自机械设备使用。表7为项目施工使用的机械数量及价格汇总表。

通过《全国统一施工机械台班费用定额》（2014）［19］计算出各能源的消耗量，利用本文2.3中计算出能源单位生态成本可以求出该项目建设过程中能源消耗的总生态成本（见表8）。最终计算出该项目建设过程中能源消耗的生态成本为12.27万元。

表7　　机械数量及价格汇总表　

表8　　机械消耗能源数量及生态成本　

3.2.2有害排放物的生态成本

本项目有害排放物的来源主要为汽油和柴油使用过程中产生的各类排放物。根据表2的能源排放物清单可以计算相应的有害排放物数量，表1中已经列出各排放物的生态成本，因此可以计算得出有害排放物的总生态成本。具体计算结果见表9。可以求出有害排放物的生态成本为1822.02万元。

表9　　有害排放物的数量及生态成本　

3.2.3材料损耗的生态成本

计算材料消耗的生态成本时，不可回收材料的生态成本即为其价格，可回收材料则根据回收率计算，表 10为可回收建筑材料消耗量清单及其生态成本。本项目的材料费为10839281.68元，因此材料耗损的生态成本为：10839281.68-9276023.09+7881707.08=9444965.67元，约944.50万元。

表10　　可回收建筑材料消耗量清单及其生态成本　

3.2.4人力生态成本

本项目建设过程中人力生态成本是根据施工现场工作人员的办公区和生活区的能源消耗和相关排放来计算的。能源消耗的生态成本按照表3计算，有害排放物的生态成本根据表1和表2的数据计算。具体计算结果见表11。最终求出人力生态成本为568.20万元。本项目的人工费为455.79万元，视为人力价值，因此EVR为1.25。

表11　　现场工作人员耗能及人力生态成本　

3.3结果分析

对上文计算的各项生态成本求和，计算出项目的总生态成本为3346.99万元。本项工程的预算价为1932.20万元，将其视为整个项目建设过程的价值，则本项目建设过程的EVR为1.73。本案例中，各类生态成本的占总生态成本的比例如表12所示。

表12　　案例建设施工过程生态成本的构成　

可以看出，排放物生态成本占到总生态成本的一半以上，说明防止排放物对环境造成影响需要付出的成本最高。相反地，能源消耗的生态成本仅仅占到0.37%，表明在建设过程中，通过可再生能源减少环境负担的成本很少，可以推广这一方式。更重要的是，有害排放物主要来自于汽油、柴油、煤炭等不可再生能源的使用，因此使用可再生能源既能以很少的代价减少能源消耗，又能大大降低有害物的排放，从而使有害排放物的生态成本显著减少。材料耗损的生态成本占总生态成本的比例接近三分之一，说明我国建筑材料的回收利用率仍然偏低，需要从回收能力和回收水平两个方面共同努力，提高材料的综合回收率。建筑产品的循环利用不仅能够降低建设过程中的生态成本，而且从全寿命周期的角度，产品在生产过程中也会产生能源消耗、排放有害物质、原材料的耗损、人力和设备折旧的生态成本。因此提高建筑材料的循环利用率至关重要。人力生态成本所占比例约17%，虽然比例不高，但是可改善的空间很大。通过改善现场管理方式、精减人员、无纸化办公、应用BIM技术等措施，能够降低人力生态成本。

4　结语

本文引入了基于生命周期评价的生态成本以及 EVR模型，用来衡量建设施工过程中防止环境被破坏所需要的代价。计算出普通工程项目施工中涉及的主要有害排放物、能源、建筑原材料的生态成本及 EVR清单。从横向上看，计算建设过程生态成本可以对比某个项目中，不同承包商的施工方案的可持续化程度；从纵向上看，通过统计某一承包商不同施工项目的 EVR可以衡量其绿色施工水平，作为评选绿色承包商的参考。更宏观地，利用大数据思想，通过计算大量建设项目的生态成本和EVR，能了解整个建筑业的绿色化水平。

参考文献：

［1］Wever R，Vogtländer J.Eco-efficient Value Creation：An A lternative Perspective on Packaging and Sustainability［J］.Packaging Technology and Science，2013，26（4）：229-248.

［2］Dreyer L，Niemann A，Hauschild M.Comparison of Three Different LCIA M ethods：EDIP97，CML2001and Eco-indicator99［J］.Int J Life Cycle Assess，2003，8（4）：191-200.

［3］姜雪.生命周期评价（LCA）在产品环境影响评价中的应用［D］.华东师范大学，2014.

［4］Wever R，Vogtländer J.Eco-efficient Value Creation：An A lternative Perspective on Packaging and Sustainability［J］.Packaging Technology and Science，2013，26（4）：229-48.

［5］Vogtländer J，Brezet H，Hendriks C.The virtual eco-costs‘99A single LCA-based indicator for sustainability and the eco-costs-value ratio（EVR）model for econom ic allocation［J］.Int J Life Cycle Assess，2001，6（3）：157-66.

［6］Ahn C，Peñamora F，Lee S，et al.Consideration of the Environmental Cost in Construction Contracting for Public Works：A+C and A+B+C Bidding Methods［J］.Journal of Management in Engineering，2012，29（1）：86-94.

［7］ISO14040.Life Cycle Assessment—Principles and Framework.Geneva：International Organization for Standardization，1997.

［8］阴世超.建筑全生命周期碳排放核算分析［D］.哈尔滨工业大学，2012.

［9］张翔杰.考虑环境成本的建筑生命周期成本研究［D］.北京交通大学，2015.

［10］Hendriks C F，Vogtlaender J.The eco-costs/value-ratio［J］.Sustainable city ii：urban regeneration and sustainability，2002，559.

［11］Vogtlander J G，BIJMA A.The‘Virtual Pollution Prevention Costs‘99［J］.Int J Life Cycle Assess，2000，5 （2）：113-120.

［12］丁宁，杨建新.中国化石能源生命周期清单分析［J］.中国环境科学，2015，35（5）：1592-600.

［13］REN21P S.Renewables2011global status report［M］.Paris，France：REN21Secretariat，2015.

［14］李虹，董亮，段红霞.中国可再生能源发展综合评价与结构优化研究［J］.资源科学，2011，33（3）：431-440.

［15］聂龑，吕涛.考虑环境成本的燃煤发电与光伏发电成本比较研究［J］.中国人口资源与环境，2015，25（11）：88-94.

［16］苏醒，张旭，孙永强.考虑回收能力的材料生命周期清单分析模型［J］.同济大学学报（自然科学版），2011，10（10）：1528-1530，1547.

［17］卢伟.废弃物循环利用系统物质代谢分析模型及其应用［D］.清华大学，2010.

［18］关成，姜子波，何松元，等.中国塑料回收行业现状分析及发展前景［J］.塑料，2009，38（3）：36-38.

［19］中华人民共和国建设部.全国统一施工机械台班费用定额［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

中图分类号：TU723.3

文献标识码：A

文章编号：1674-8859（2016）03-020-06

DOI：10.13991/j.cnki.jem.2016.03.003

作者简介：

冉然（1991-），女，硕士研究生，研究方向：建筑生命周期评价，绿色建筑；

郑磊（1971-），男，副教授，博士研究生，研究方向：诚信评价，绿色建筑，虚拟建设。

收稿日期：2016-04-18.

基金项目：江苏省住房和城乡建设厅课题（苏建科［2016］56号）.

Eco-costs and Eco-costs/Value Ratio in Construction Process

RAN Ran，ZHENG Lei
（School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing210096，China，E-mail：1099212338@qq.com）

Abstract：In order to evaluate green degree and pollution prevention costs in building construction，a single LCA-based indicator for sustainability and the eco-costs/value ratio（EVR）model are proposed.The calculation scope and method of construction eco-costs is analyzed.Eco-costs and EVR of toxic em issions，energy and construction materials related to ordinary project construction in China are listed.By calculating eco-costs and EVR of a case of residential project in Nanjing，the proportion of each part of eco-costs is analyzed.Solutions to reduce eco-costs are discussed.

Keywords：life cycle assessment；eco-costs；EVR model；construction process