住宅建筑生命周期内的扬尘排放研究

边亚东， 代艳茹， 李庆文， 豆康健， 杨龙龙

(中原工学院， 郑州 450007)

住宅建筑生命周期内的扬尘排放研究

边亚东， 代艳茹， 李庆文， 豆康健， 杨龙龙

(中原工学院， 郑州 450007)

基于生命周期评价理论，构建了住宅建筑生命周期内的扬尘排放的计算模型。利用该模型，分析了郑州地区3处住宅建筑在建材生产阶段、施工阶段、运行维护阶段和拆除阶段的扬尘排放量，得到整个生命周期内单位建筑面积的扬尘排放量。本研究对于降低建筑扬尘排放量、治理空气污染以及制定建筑物环保评价的相关标准具有重要参考意义。

生命周期评价；住宅建筑；扬尘排放

随着城市化进程的加快，建筑扬尘的排放量不断增加，空气污染问题日益突出。我国部分地区的建筑扬尘对颗粒物污染中PM10浓度的贡献达到12%[1]，排放源处对空气污染更严重。在改善空气质量的同时，如何确定建筑扬尘的排放量引起了广泛的关注。

赵普生等提出了Flux-FDM法，给出了适用于城市区域建筑物建设施工过程中扬尘排放的因子模型[2]。北京市环境保护科学研究院也对确定建筑扬尘的排放量做了大量的研究。其中，黄玉虎等基于“单元操作”排放因子法，结合北京建筑施工的条件，给出了拆除阶段的建筑扬尘排放量的估算方法[3]；田刚等构建了量化施工排放因子的四维通量法模型，填补了我国施工扬尘排放因子本地化研究的空白，并利用该模型得出北京和呼和浩特两地施工阶段的排放因子[4-5]。张雯婷结合北京地区的排放因子并利用美国EPA方法，估算了贵阳市区的建筑扬尘中PM10的排放量[1]。张丽丽等利用符合高斯模型条件的粉尘扩散模型，结合施工现场，得出了施工准备阶段建筑扬尘排放系数[6]。本文基于生命周期评价方法，对建材生产、施工、运行维护以及拆除4个阶段的扬尘排放情况进行研究，构建住宅建筑整个生命周期建筑扬尘排放量计算模型，为减少建筑扬尘污染提供理论依据。

1 生命周期评价理论

生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)最早产生于20世纪60年代末，是研究一个产品从原材料获得到生产、使用以及报废处置等整个过程对环境影响的一种定量分析方法。国际环境毒理会与化学学会(SETAC)和国际化标准组织(ISO)均提出了生命周期评价的技术框架。其中，ISO14040提出的生命周期评价的技术框架包括目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释4个相互关联的部分[7]，更符合研究需要，并且得到广泛的应用。

2 住宅建筑扬尘排放量计算模型

2.1 评价目的和范围的确定

住宅建筑生命周期划分为4个阶段，即建材生产阶段、施工阶段、运行维护阶段以及拆除阶段。本研究结合各阶段基本流的输入与输出，分析3处住宅建筑各个阶段的扬尘排放情况，得出住宅建筑生命周期扬尘排放因子，寻找住宅建筑扬尘排放量最大的单元过程，为建筑扬尘污染控制提供理论依据。其功能单位为单位建筑面积的扬尘排放量(kg/m2)。

2.2 构建模型

住宅建筑整个生命周期扬尘排放总量W为：

(1)

式中：Wi为第i阶段扬尘排放量，kg。

住宅建筑生命周期扬尘排放功能单位EF的计算模型为：

(2)

式中：S为总建筑面积，m2。

2.2.1 建材生产阶段

原材料开采、原材料运输和建材生产是建材生产阶段扬尘的主要来源。假设各类建材的损耗为0，即建材生产阶段各个环节的建材量相等，并且都等于建材使用量，则建材生产阶段的扬尘排放量为：

(3)

式中:EFj为第j种建材在生产阶段的扬尘排放因子，kg/“单位”；Qj为第j种原材料使用量，“单位”。

2.2.2. 施工阶段

施工阶段是住宅建筑成型的阶段，其扬尘排放主要由地基填挖、建材装卸及运输和装修等引起。就当前来看，受工期和建筑面积的影响，施工阶段扬尘排放量计算模型如下:

W2=EF2×T×S

(4)

式中：EF2为施工阶段的扬尘排放因子，kg /(m2·30 d)；T为工期，d。

2.2.3 运行维护阶段

运行维护阶段是住宅建筑实现其价值的阶段。运行维护阶段主要考虑使用过程的能耗，主要涉及采暖、空调、通风、照明用电和其他生活用电等能耗。此阶段的能耗在整个生命周期中所占比重最大，并且随着使用年限的增加逐年递增。因此，在计算运行维护阶段的扬尘排放量时要考虑运行时间。该阶段的扬尘排放量为：

W3=EF3×Y×S

(5)

式中：EF3为运行维护阶段的扬尘排放因子，kg/(m2·y)；Y为运行年限，y。

2.2.4 拆除阶段

拆除阶段仅考虑建筑物拆除和建筑垃圾运输过程的扬尘排放，忽略建筑垃圾处理过程的扬尘排放。该阶段的扬尘排放计算模型为：

W4=EF4×S

(6)

式中：EF4为拆除阶段的扬尘排放因子，kg/m2。

3 工程实例分析

住宅建筑的形式多种多样，不同类型的住宅建筑生命周期内扬尘排放量不同。为了较全面地了解住宅建筑生命周期内扬尘排放情况，本文选取郑州地区3处住宅建筑作为研究对象。工程概况如表1所示。

表1 住宅建筑概况

3.1 清单分析

3.1.1 建材消耗清单

住宅建筑在其建设过程中需要多种建筑材料，每种建材的需求量不同，造成大气污染的程度也不同。本文分析消耗量较大的5类建材(钢材、水泥(含白水泥)、商品混凝土、砖、加气砼块)的扬尘排放量。A、B、C 3处住宅建筑的建材使用量来自于施工单位的工程量清单，具体内容见表2。

表2 住宅建筑建材消耗量

3.1.2 各阶段排放清单

要计算整个生命周期内的建筑扬尘排放量，各阶段及各类建材的扬尘排放因子不可或缺。本文总结了关于建筑扬尘排放的研究成果[8]，对于无法从文献中获取的数据，采用行业标准[9]或相关数据替代。其中，运行维护阶段的扬尘排放因子用PM10的排放因子[10]替代。扬尘排放因子见表3。

表3 扬尘排放因子

3.2 住宅建筑扬尘排放量分析

将3处住宅建筑的清单数据代入构建的模型中，住宅建筑各阶段扬尘排放情况如表4所示。从中可以发现，虽然3处住宅的位置、结构、建筑面积以及使用年限存在差异，但3处住宅单位建筑面积生命周期的扬尘排放量却非常接近。由此可知，得出的结论具有一定可靠性。整个生命周期内单位建筑面积的平均扬尘排放量为23.36 kg，即EF=23.36 kg/m2。

3.3 影响评价

从表4可以看出，3处住宅建筑生命周期内扬尘排放量大小依次为：拆除阶段>运行维护阶段>施工阶段>建材生产阶段。因此，4个阶段中建筑拆除阶段对大气污染最重，而建材生产阶段对大气污染最小。

从3处住宅建筑(见图1)可以看出：在建材生产阶段和施工阶段，A住宅和B住宅的扬尘排放量所占比重均小于C住宅；而在拆除阶段，C住宅的扬尘排放量所占比重小于A住宅和B住宅。由此可以推断出：扬尘排放量受建筑结构制约，即结构不同，扬尘排放量不一样。

表4 住宅建筑全生命周期内的扬尘排放量

图1 各阶段扬尘排放量比重

虽然建材生产阶段的扬尘排放量小，但是不容忽视。图2给出了建材生产阶段5类建材扬尘排放量的比重。从图中可以看出，商品混凝土的扬尘排放量所占的比重最大，达到89%以上，其次是钢材。

图2 主要建材的扬尘排放量比重

3.4 结果分析

(1)比较住宅建筑各阶段可知，拆除阶段(未考虑建筑垃圾处理)的扬尘排放量最大，达到50%。住宅建筑拆除需要大量的能耗，扬尘排放随之增加。因此，可以通过降低能耗，封闭施工现场，覆盖隔尘布等措施来减少扬尘排放量。

(2)在建材生产阶段，商品混凝土和钢材的扬尘排放量所占比重最大，达到95%以上。商品混凝土和钢材是不可缺少的建材，从使用量上减少不现实。减少建材生产阶段的扬尘排放量，应该着重控制商品混凝土和钢材生产过程中的扬尘排放。

4 结 语

本文运用生命周期评价方法评价住宅建筑整个生命周期内的扬尘排放情况。研究表明，住宅建筑整个生命周期内单位建筑面积的扬尘排放量为23.36 kg；住宅建筑4个阶段中拆除阶段扬尘排放量所占的比重大于50%；建材生产阶段中商品混凝土的扬尘排放量所占的比重达到89%以上。

由于住宅建筑在整个生命周期内所涉及的物质流过多，数据收集相对困难，对本研究造成很大的限制。在今后研究中，将加强数据的收集和整理，对住宅建筑扬尘排放情况进行更深入的研究。

[1] 张雯婷, 王雪松, 刘兆荣，等. 贵阳建筑扬尘PM10排放及环境影响的模拟研究[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2010(2):258-264.

[2] 赵普生, 冯银厂, 张裕芬，等. 建筑施工扬尘排放因子定量模型研究及应用[J]. 中国环境科学, 2009 (6):567-573.

[3] 黄玉虎, 樊守彬, 秦建平，等. 北京建筑拆除工程扬尘污染排放研究[C]//2005年北京绿色奥运环境保护技术与发展研讨会论文集. 北京：国家环保总局， 2005:291-298.

[4] 田刚, 黄玉虎, 李钢. 四维通量法施工扬尘排放模型的建立与应用[J]. 环境科学, 2009(4):1003-1007.

[5] 黄玉虎, 蔡煜, 毛华云，等. 呼和浩特市施工扬尘排放因子和粒径分布[J]. 内蒙古大学学报(自然科学版), 2011(2):230-235.

[6] 张丽丽, 许意军, 王琨，等. 建筑施工扬尘排放系数测算与防治措施研究——以河南省郑州市为例[J]. 河南科学, 2012(7):961-963.

[7] ISO. ISO 14040 Environmental Management Life Cycle Assessment Principles and Framework[S]. Geneva: ISO, 2006.

[8] 李小玲, 孙文强, 赵亮,等. 典型钢铁企业物能消耗与烟粉尘排放分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2016(3):352-356.

[9] 第一次全国污染源普查资料编纂委员会.污染源普查产排污系数手册(上册)[M]. 北京:中国环境科学出版社,2011:121-137.

[10]朱嬿, 陈莹. 住宅建筑生命周期能耗及环境排放案例[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2010(3):330-334.

(责任编辑：陆俊杰)

Study on the Dust Emission in the Life Cycle of Residential Buildings

BIAN Ya-dong, DAI Yan-ru, LI Qing-wen, DOU Kang-jian, YANG Long-long

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Based on the theory of life cycle assessment, this paper structures a calculation model to calculate the dust emissions in the whole life cycle of residential buildings. This model is used to analyze the dust emission in the building materials production stage, construction stage, operation stage and demolition stage about three residential buildings which are situated in Zhengzhou region, obtained the amount of dust emission in the whole life. It is of great significance to reduce the dust emission of buildings, to control air pollution, and to formulate relevant standards for environmental assessment of buildings.

life cycle assessment；residential building；dust emission

2016-10-17

边亚东(1975-)，男，山东邹城人，教授，博士,主要研究方向为建筑生命周期评价、边坡工程与支挡结构、岩石爆破技术等。

1671-6906(2016)06-0078-04

X513

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.06.016