基于生命周期评价的井干式木结构建筑环境影响研究

胡家航，姬晓迪，代倩，郭明辉

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨 150040)

基于生命周期评价的井干式木结构建筑环境影响研究

胡家航，姬晓迪，代倩，郭明辉*

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨 150040)

分析了井干式木结构的环境影响，为木结构建筑企业的节能减排提供参考。基于生命周期评价方法，根据工厂搜集的基础数据清单，采用GaBi 6.0软件分析了1 m2井干式木结构产品物化过程(从原材料开采到产品出厂的生命周期)中的原材料消耗、能源消耗以及对环境的污染排放，并利用软件提供的CML2001方法和数据库评价了井干式木结构产品生命周期范围内造成的环境影响。结果表明：制造1 m2井干式木结构产品，全球变暖潜值、人体毒性、非生物资源耗竭、环境酸化、光化学臭氧生成潜力和富营养化的加权后结果依次为-7.54×10-8，7.19×10-8，1.79×10-8，1.51×10-8，9.94×10-9和3.79×10-9。其中，全球变暖潜值和人体毒性是墙体产品环境影响的主要类型，分别占环境影响总值的-174.0%和166.0%。木结构产品从原材料获取到产品出厂可分为原材料获取、预制和运输过程3个子系统，而预制过程为环境影响的主要阶段。除去原材料获取过程中木材固定大量CO2对环境的积极影响，在环境污染方面，人体毒性占总环境影响的166.0%，为污染的绝大部分，主要由原木加工、锯材干燥、地板加工和墙体加工等工艺产生的粉尘而导致。

井干式木结构建筑；环境影响；物化过程；生命周期评价

从产品与材料的生命周期评价(life cycle assessment，LCA)角度看，建筑业属于重污染行业[1]，是温室气体排放的前三大行业之一。随着资源、能源与环境问题的日益凸显，建筑材料在节能、减排、降耗和安全等方面的性能成为研究热点。钢筋、水泥和黏土砖等传统消耗性建筑结构材料逐渐被人诟病，而以木材为原料的木结构建筑作为绿色环保建材越来越引起各领域研究者的关注[2-4]。木材拥有传统建筑结构材料不具备的节能环保、施工周期短等优点，同时契合了我国“资源节约和环境友好”的国家政策。LCA是评估贯穿一个产品或整体活动整个生命周期环境后果的一种工具，为可持续生产提供了途径和方法。LCA在绿色建筑方面的应用，可定量评价木结构建筑的环境影响。

国内外对于绿色建筑材料的生命周期评价方法已有相关研究，并取得了一定成果。燕鹏飞等[5]将生命周期评价法与工厂生产数据结合，得到胶合木、规格材和定向刨花板3种木结构构件生命周期范围内的环境影响情况，结果表明：在一定功能单位情况下，3种木结构产品在生命周期范围内的环境影响负荷分别为定向刨花板(1.096)最大、胶合木(0.886)居中、规格材(0.662)最小。Li等[6]通过对结构用胶合竹集成材生产过程的生命周期评价发现，结构用胶合竹的制备过程对全球变暖潜值(GWP)、酸化(AP)、富营养化(EP)以及非生物资源耗竭(ADP)有很大影响，其中，使用脲醛树脂胶产生的环境影响占总环境影响的67%以上。黄东梅等[7]界定资源采掘到安装建造过程为生命周期范围，并对竹结构建筑进行相关生命周期评价研究表明：划分的4个不同阶段的环境影响占比分别为资源采掘过程的30.82%、运输过程的3.43%、建材生产过程的52.17%和现场建造过程的13.57%。González-García等[8]对英国通风木质墙体做了全生命周期评价，发现原材料获取阶段环境影响最大，达到57%～87%，主要原因是墙体中定向刨花板(OSB)和中密度纤维板(MDF)的使用较多，两者都属于高污染产品，并且有部分原材料来自巴西，运输带来的环境影响占比较大。目前，关于我国木结构墙体产品的生命周期评价较少。

井干式木结构是中国传统民居木结构建筑的主要类型之一。井干式木结构木材消耗量较大，因此，在森林资源覆盖率较高地区或环境寒冷地区(如中国东北地区)有较广的应用。笔者以井干式木结构为研究对象，利用GaBi 6.0 LCA软件建立具体的评价模型，分析产品制造的整个过程中资源、能源消耗和环境影响，目的在于分析井干式木结构各制造过程的环境影响类别和环境负荷，确定主要影响环境的生产环节和环境影响类别，为木结构的工艺优化和清洁生产提供理论基础。

1 井干式木结构建筑生命周期评价

1.1 目标与范围的定义

选用东北地区常见的井干式木结构(图1)为研究对象。井干式木结构采用方形、圆形或六角形基本构件，将构件水平向上层层叠加形成预制墙体[8](图2)，产品原料为落叶松(Larixgmelinii)。研究范围为我国木材工业普遍采用的墙体产品从原材料获取到产品出厂的所有工艺流程[9-10]，其中包括若干工艺单元(如原木采伐，锯材加工和干燥指接等)，并依其所属划分为原材料获取过程(P1)、预制过程(P2)和各种材料运输过程(P3)3个子系统[11-12]。每个子系统中包含若干工艺流程，这样不仅能够统计和分析出整个产品生产过程的生命周期清单，也能对具体生产过程中各个环节的环境影响进行分析和评价，对深入研究产品产生的环境影响具有非常重要作用。以界定的原材料开采到木结构产品出厂的生命周期系统边界为基础，对各个工艺单元进行清单分析(在生命周期软件中建立工艺单元过程的输入和输出表)，井干式木结构生命周期系统边界如图3所示。

图1 井干式木结构Fig. 1 Log house

图2 墙体模型Fig. 2 Wall model

图3 井干式木结构生命周期系统边界Fig. 3 System boundaries for log house

1.2 清单分析

本研究调研了东北地区国内最大的木结构建筑企业之一S企业(该企业拥有国内领先的设备，其木结构生产数据基本能反映我国井干式木结构墙体的普遍生产情况)设计建造的新疆果子沟林业管理所项目，该项目主体结构为一栋井干式木结构，总建筑面积为501.83 m2(不考虑下层钢筋混凝土地基)，获得该项目井干式木结构产品所需资源和能源消耗的最新实际生产相关数据。研究中主要考虑系统边界内消耗量较大的原材料和能源，对于用量较小和环境影响较低的则不予考虑[13]。

本研究的功能单位为1 m2井干式木结构产品，输入的主要原材料为原木、水、白乳胶、水性漆(主要用于解决木材耐久性问题)和钢材等，主要能源消耗为电能、汽油和柴油等。这些输入均为工厂搜集的原始数据或由其统计数据计算而得，数据质量较高。其中，进口落叶松原木从俄罗斯到国内满洲里的路程估算为942 km，满洲里加工干燥完的锯材运送到S企业的距离估算为700 km。防腐木生产数据来自文献[14]。本研究中使用的能源数据均采用GaBi 6.0数据库和Ecoinvent 数据库(已更新至2017年最新数据)中的中国来源数据，并将不同类型能源换算成四种基础能源类型(电能、原煤、原油和天然气)[15]。按照制造流程，井干式木结构产品分为4个主要构件，所制井干式木结构的资源和能源消耗清单见表1和2。

表1 整栋井干式木结构资源消耗情况Table 1 Resource consumption of one log house /kg

表2 整栋井干式木结构能源消耗情况Table 2 Energy consumption of one log house /MJ

1.3 评价方法

基于ISO14040：14043中的生命周期评价理论，采用德国PE-INTERNATIONAL开发的针对产品可持续发展的生命周期评价软件GaBi 6.0进行评价，GaBi 6.0软件包括CML2001/96、EI95/99、EDIP1997/2003和UPB等评价方法。考虑到研究对象的原材料获取在中国不同地域，且60%的原料数据来源于欧洲，所以选取对于建筑产品较为常用的CML2001方法[16]，对井干式木结构产品生命周期的环境负荷清单数据进行特征化、归一化和加权处理后得到所对应的环境影响值。其中考虑的主要环境影响类型为非生物资源耗竭、环境酸化、富营养化、全球变暖潜值、人体毒性(HTP)和光化学臭氧生成潜力(POCP)[17]。GaBi 6.0软件中CML2001方法的分类、特征化、归一化和权重因子见表3。

表3 CML2001方法的分类、特征化、归一化和权重因子Table 3 Classification，characterization，normalization and weighting factors in the CML2001 method

2 井干式木结构环境影响评价

评价过程中，依次对数据进行特征化、归一化和加权处理。特征化过程是依据污染物相对于等效物的当量数进行的标准化过程；归一化和加权处理是通过比较分析数据，综合国际上的通用环境影响权重值实现不同影响类型的特征化结果比较。

2.1 特征化

利用GaBi 6.0软件，采用CML2001特征化模型，依据3个子系统对井干式木结构产品生命周期进行环境影响特征化处理，对清单分析结果进行计算分析，转换成同一单位的环境影响类型参数。1 m2井干式木结构生命周期环境影响特征化计算结果见表4。

表4 1 m2井干式木结构生命周期环境影响特征化结果Table 4 Characterization results of life cycle assessment for 1 m2 log house

2.2 归一化和加权处理

各环境影响类型参数结果的归一化和加权处理就是按照表3中的归一化基准和加权因子，对研究对象所产生的各阶段不同环境影响类型值进行统一计算，增加对研究对象各参数结果相对重要性的认识，使不同影响类型造成的环境影响具有可比性[18-19]。1 m2井干式木结构生命周期环境影响归一化和加权结果见表5。

表5 1 m2井干式木结构生命周期环境影响归一化和加权结果Table 5 Normalization and weighted results of life cycle assessment for 1 m2 log house

2.3 生命周期结果解释

根据加权计算得出井干式木结构产品生产过程的环境影响评价结果，从总体上看，井干式木结构产品从生命周期范围内对环境的影响总值为4.33×10-8。其中，原材料获取过程的环境影响结果为-3.59×10-8(负数表明从原材料获取到墙体产品出厂过程对环境是有积极影响的)。这是因为原木的获取阶段固定了大量的CO2，原木在生长过程中吸收的CO2对环境的积极影响远大于产品制备过程中其他污染带来的消极影响。而木结构墙体产品可以实现CO2的长时间封存，因此，墙体产品的物化过程对环境有积极影响是合理的。

图4 井干式木结构各生产阶段对环境影响的贡献值Fig. 4 Various environmental impact proportions indifferent manufacture phase of log house

木结构墙体产品的生命周期内，环境影响大小依次为全球变暖潜值、人体毒性、非生物资源耗竭、环境酸化、光化学臭氧生成潜力和富营养化。全球变暖潜值的绝对值最大，表明全球变暖潜值在墙体产品物化过程中对环境影响最大，占总环境影响的-174.0%(负值表示对环境有积极作用)；人体毒性占总环境影响的166.0%，影响次之；资源消耗、环境酸化、光化学臭氧生成潜力和富营养化则分别占总环境影响的41.3%，34.9%，23.0%和8.8%。

2.4 改善评价

从环境影响角度考虑，墙体产品生命周期范围内对环境的影响总值为4.33×10-8。除了原材料获取过程中木材固定CO2对环境有积极影响，在环境污染方面，人体毒性占总环境影响的166.0%，占污染的绝大部分，由图4可知，人体毒性主要由原材料获取和预制过程贡献。根据生命周期评价软件导出的3个子系统主要工艺的人体毒性特征化结果见表6。由表6可知，3个子系统主要加工工艺的人体毒性是由原木加工、锯材干燥、地板加工和墙体加工这4个加工工艺造成的，占比超过80%，而这些工序主要的能耗为电能，主要的人体毒害来源于木材加工过程产生的粉尘和噪音。

因此，为减少木结构建筑生命周期内的环境负荷，需从减少人体毒害这一主要环境影响类型着手。建议企业生产车间引进先进的除尘设备，对工厂的粉尘和加工废料进行清理和收集，减少粉尘对人体的直接伤害。由于工厂处于寒冷地区，约有8个月左右的时间需要集中供暖，而目前该企业的供暖主要靠煤炭，先进的除尘设备可以将粉尘回收利用，给工厂的锅炉房供暖，间接实现节约能源的目标，同时在生产过程中让工人做好噪音防护措施，减少噪音对人体的直接损害。

表6 子系统主要加工工艺的人体毒性特征化结果Table 6 Human toxic characterization resultsof the main processes of subsystem

3 结论与讨论

井干式木结构墙体产品生产生命周期范围内的环境影响结果表明，生产1 m2井干式木结构产品全球变暖潜值、人体毒性、非生物资源耗竭、环境酸化、光化学臭氧生成潜力和富营养化加权后的结果依次为-7.54×10-8，7.19×10-8，1.79×10-8，1.51×10-8，9.94×10-9和3.79×10-9。因此，全球变暖潜值和人体毒性是井干式木结构产品环境影响的主要类型。全球变暖潜值为负值表明井干式木结构产品在界定的生命周期内对环境是有积极影响的。

井干式木结构墙体产品物化过程的环境影响总值为4.33×10-8。井干式木结构产品从原材料获取到产品出厂可分为原材料获取、预制和运输过程这3个子系统，其中，预制过程的环境影响结果绝对值最大，为整个木结构产品生命周期内环境影响的最主要环节。

井干式木结构产品作为木结构建筑的主要类型之一，其生命周期内的原材料获取过程这一子系统环境影响为负值，表明木结构在界定的生命周期范围内对环境是有积极作用的，从侧面反映木结构的绿色环保性及其作为民宅在我国推行的可行性。同时，从节能减排的角度，根据生命周期评价的结果，给木结构建筑企业提出了相关减排意见，希望能给企业的节能减排工作带来实质性的进展。

[1]LI X D, ZHU Y M, ZHANG Z H. An LCA-based environmental impact assessment model for construction processes[J]. Building and Environment, 2010, 45(3):766-775.

[2]陈咏军, 祁忆青. 木结构建筑用多种木材燃烧性能研究[J]. 林业工程学报, 2016, 1(4):51-57.

CHEN Y J, QI Y Q. Comparative study on combustion properties of species wood in timber construction[J]. Journal of Forestry Engineering, 2016, 1(4):51-57.

[3]林琳, 高欣, 柯清, 等. 木结构建筑用材防霉方法的现状[J]. 家具与室内装饰, 2016(4):66-67.

LIN L, GAO X, KE Q, et al. Present situation ofthe methods for the wood structure building material mould prevention[J]. Furniture amp; Interior Design, 2016(4):66-67.

[4]刘中洋, 李甲第, 王雪婷, 等. 木结构建筑墙体隔声性能研究发展[J]. 木工机床, 2015(2):17-19.

LIU Z Y, LI J D, WANG X T, et al. Progress in researches on sound insulation performance of timber structure wall[J]. Woodworking Machinery, 2015(2):17-19.

[5]燕鹏飞, 杨军. 木结构产品物化环境影响的定量评价[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2008, 48(9):1395-1398.

YAN P F, YANG J. Quantitative assessment of the embodied environmental impact of wood products[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2008, 48(9):1395-1398.

[6]LI J Q, YUAN Y, GUAN X. Assessing the environmental impacts of glued-laminated bamboo based on a life cycle assessment[J]. BioResources, 2016, 11(1):1941-1950.

[7]黄东梅, 周培国, 张齐生. 竹结构民宅的生命周期评价[J]. 北京林业大学学报, 2012, 34(5):148-152.

HUANG D M, ZHOU P G, ZHANG Q S. Life cycle assessment of bamboo-constructed house[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2012, 34(5):148-152.

[9]ROBERTSON A B, LAM F C F, COLE R J. A comparative cradle-to-gate life cycle assessment of mid-rise office building construction alternatives:laminated timber or reinforced concrete[J]. Buildings, 2012, 2(3):245-270.

[10]MAHALLE L, ALEMDAR A, MIHAI M, et al. A cradle-to-gate life cycle assessment of wood fibre-reinforced polylactic acid (PLA) and polylactic acid/thermoplastic starch (PLA/TPS) biocomposites[J]. The International Journal of Life Cycle Assessment, 2014, 19(6):1305-1315.

[11]PUETTMANN M E, BERGMAN R, HUBBARD S, et al. Cradle-to-gate life-cycle inventory of US wood products production:CORRIM Phase I and Phase Ⅱ products[J]. Wood amp; Fiber Science, 2010, 42(3):15-28.

[12]LIU Y, GUO M H. Environmental load analysis of forestation and management process ofLarixolgensisplantation by life cycle analysis[J]. Journal of Cleaner Production, 2016, 14(2):S61-S62.

[13]LIU J, HU H R, XU J F, et al. Optimizing enzymatic pretreatment of recycled fiber to improve its draining ability using response surface methodology[J]. BioResources, 2012, 7(2):2121-2140.

[14]BOLIN C A, SMITH S T. Life cycle assessment of borate-treated lumber with comparison to galvanized steel framing[J]. Journal of Cleaner Production, 2011, 19(6/7):630-639.

[15]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):1592-1600.

DING N, YANG J X. Life cycle inventory analysis of fossil energy in China [J]. China Environmental Science, 2015, 35(5):1592-1600.

[16]GUINEE J B. Handbook on life cycle assessment operational guide to the ISO standards[J]. The International Journal of Life Cycle Assessment, 2002, 7(5):311-313.

[17]袁媛, 郭明辉. 基于复配改性木质素磺酸铵的环保型木质材料的生命周期评价[J]. 环境科学学报, 2016, 36(11):4245-4252.

YUAN Y, GUO M H. Life cycle assessment of hybrid modified industrial lignin/wood fiber composites[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(11):4245-4252.

[18]袁宝荣, 聂祚仁, 狄向华, 等. 乙烯生产的生命周期评价(Ⅱ)影响评价与结果解释[J]. 化工进展, 2006, 25(4):432-435.

YUAN B Y, NIE Z R, DI X H, et al. Life cycle assessment of ethylene production (Ⅱ):impact assessment and life cycle interpretation[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2006, 25(4):432-435.

[19]徐小宁,陈郁,张树深,等.复合硅酸盐水泥的生命周期评价[J].环境科学学报, 2013, 33(9):2632-2638.

XU X N, CHEN Y, ZHANG S S, et al. Life cycle assessment of composite portland cement[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2013, 33(9):2632-2638.

Environmentalimpactofloghousebasedonlifecycleassessment

HU Jiahang, JI Xiaodi, DAI Qian, GUO Minghui*

(Key Laboratory of Bio-based Material Science amp; Technology (Northeast Forestry University),Ministry of Education, Harbin 150040, China)

Analyzing the impacts of log house on environment could promote the energy conservation and emissions reduction of wood structure enterprise. Based on the cradle-to-gate inventories from factory, considering 1 m2log house as a functional unit, life cycle assessment (LCA) was used to examine the raw material, energy consumption and environment emissions of the materialization process. Furthermore, the CML2001 method and database provided by GaBi were used to evaluate environment impact of wooden house product in the life circle scope. The results showed that six impact categories were assessed in detail in the LCA study, i.e., global warming potential (GWP), human toxic potential (HTP), acidification (AP), eutrophication (EP), photochemical ozone creation potential (POCP) and abiotic depletion (ADP), and their results were -7.54×10-8, 7.19×10-8, 1.79×10-8, 1.51×10-8, 9.94×10-9and 3.79×10-9, respectively. The GWP and HTP were mainly responsible for the total amount of the environmental impacts in the preparation of wall product, accounted for -174.0% and 166.0%, respectively. A wood manufacturing factory was assessed in detail, and the process was divided into three subsystems:the raw material obtaining phase, the prefabrication phase and the transportation process. The prefabrication phase was mainly responsible for the log house fabrication. Excluding the positive impact of the photosynthesis, HTP was mainly responsible for the environmental deterioration. The detailed analysis of each stage indicated that the most important environmental hot spot of HTP was the dust appeared during wood manufacture such as timber drying, etc.

log structure; environmental impact; materialization; life cycle assessment

2017-05-06

2017-07-11

“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD14B0501)。

胡家航，男，研究方向为木结构。

郭明辉，女，教授。E-mail:gmh1964@126.com

TU366.2；X383

A

2096-1359(2017)06-0133-06