泡沫混凝土墙体生命周期评价研究

杨春峰, 肖 辉, 洪 宇, 肖作电

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

随着建筑节能政策的全面实施和绿色建筑、低碳建筑理念的日益推动,建筑保温材料的应用获得了长足的发展.泡沫混凝土作为一种新兴的高防火墙材,由于其具有轻质、防火、保温等优点,可以用于建筑物的外墙结构中,达到减轻自重、保温节能的效果,有较为广泛的工程应用前景,受到了建筑行业的广泛关注[1-2].

生命周期评价简称LCA(life cycle assessment),是一种用于评估与产品相关的环境因素和潜在影响的技术,其研究内容包括原材料生产、产品生产与使用、产品报废与回收,目的是分析材料在生命全过程中对环境的影响因素和潜在影响,是定量化的、系统的、敞开式的评价体系.目前LCA已经成为能源消耗及环境评价的重要工具,在当前国内外绿色建筑评价中也越来越多地将建筑材料LCA分析纳入考量范畴.

国内关于节能保温墙体的LCA评价处于起步阶段,对泡沫混凝土墙体的LCA评价研究相关报道较少.本文基于LCA方法,对泡沫混凝土墙体进行生命周期分析评价,旨在探索我国泡沫混凝土墙体生命周期环境负荷的基本情况,以期为本地化泡沫混凝土墙体LCA数据库的建立及绿色建筑生命周期环境负荷评价提供数据支持.

1 研究方法

LCA是从整个生命周期对产品的环境负荷进行全面、科学、量化、客观评价的方法,对各阶段中使用资源、排放废弃物等给环境造成的影响和负荷进行评价.它作为一种重要的环境管理工具被纳入ISO14040环境管理系列标准.

依据ISO14040系列标准,LCA的研究技术路线主要分为以下步骤: 选定研究目标并确定研究的范围及边界; 根据选定的目标和范围边界, 收集目标产品在整个生命周期中各个阶段的每个流程对材料与能源的消耗、废弃物排放等数据, 并对收集的数据进行定量化和系统化评价; 依托生命周期分析软件对数据进行分析, 并提供LCA研究结果,对研究目标存在的不足提出相应的建议.

产品生命周期评价总结应包括3个部分:产品上游过程中的资源、原材料开采与生产及其中涉及的运输消耗;产品在生产阶段的污染物排放和处理过程;产品在下游的销售、使用、废弃回收过程.在研究过程中,上游和下游过程统称为后台过程,生产过程称为现场过程.对于非终端消费品,其生命周期评价模型一般只包含上游过程和产品生产过程,即从“摇篮”到“大门”.在研究中,泡沫混凝土被用作建筑物的上游产品,因此使用从摇篮到大门的生命周期模型[3].

研究着重考虑不可再生资源消耗和温室效应.现场数据主要通过对国内企业的调查获得,背景数据主要来源于国内外公开数据库.利用四川大学开发的eBalance生命周期分析软件对所收集的清单数据进行计算处理,从而获得泡沫混凝土功能单位产品的各类环境影响指标值[4].

2 泡沫混凝土墙体LCA

2.1 目标与范围定义

(1) 目标的定义.对泡沫混凝土墙体产品进行生命周期评价,以期为我国本地化泡沫混凝土LCA数据库的建立及低碳建筑生命周期环境负荷评价提供基础数据.

(2) 功能单位确定.综合考虑泡沫混凝土墙体现场生产数据的一般统计规则及建筑物评价协调性与匹配性等因素,本研究选择1个280 mm厚,面积100 m2的泡沫混凝土墙作为功能单位.

(3) 系统边界的确定.泡沫混凝土是先通过设备将混凝土发泡剂制成泡沫,然后将这些泡沫与石灰、水、水泥、外加剂及一些骨料混合搅拌而成[5].其生产工艺流程如图1所示.

图1 泡沫混凝土墙体的生产流程图Fig.1 Production flow chart of foam concrete wall

2.2 清单分析

(1) 现场数据和背景数据选择.通过对泡沫混凝土现场施工生产开展深入调研,获得泡沫混凝土生产场地单位产品的原材料消耗和能源消耗.背景数据来源于国内外公开数据库,如表1所示.

(2) 清单编目.以280 mm厚,面积100 m2的泡沫混凝土为1个功能单位,对生产现场数据及背景数据进行整理、计算,获得本研究系统边界内各单元过程的主要能耗和气体排放量,如表2、表3所示.

表1 确定清单的背景数据来源Table 1 Determining the background data source of the list

表2 泡沫混凝土生产中主要能源的CO2排放量Table 2 CO2 emissions from major energy sources in foam concrete production kg

表3 泡沫混凝土生产中的主要气体排放量Table 3 Major gas emissions in foam concrete production kg

2.3 特征化指标

特征化是指将不同的材料类型按照其对环境和资源的影响程度,用与其相关的贡献大小得到所对应的特征化因子,并根据该因子对产品进行生命周期量化分析.结合泡沫混凝土墙体生产材料的比例,采用eBalance软件分析和处理后,发现生产1个功能单位的泡沫混凝土墙的生命周期清单的特性化指标见表4.表4中ADP代表非生物资源消耗潜值、AP代表酸化潜值、CADP代表中国资源消耗潜值、PED代表一次性能源消耗、COD代表化学需氧量、EP代表富营养化潜值、GWP代表全球变暖潜值、IWU代表工业用水量、RI代表可吸入颗粒物、Waste代表固体废弃物、Water Use代表淡水消耗量.

表4 泡沫混凝土墙体生产材料的特征化指标Table 4 Characterized index of foam concrete wall production materials kg

通过分析表4中数据发现,普通硅酸盐水泥、水泥板、电力和双氧水是排放CO2的主要来源,占泡沫混凝土整个生命周期碳排放量的90%以上.其中,普通硅酸盐水泥约占碳排放量的80%;电力产生的碳排放量相对较少,仅占总排放量的2%.SO2的排放量是环境影响评价关注的焦点,水泥生产过程中SO2排放量占泡沫混凝土的整个生命周期SO2总排放量的75%.从总体来看,普通硅酸盐水泥对在COD、PED、 GWP、EP和CADP中的特征值占比也很大.各项指标中其他材料的所占比例相对较小,影响程度较低.

2.4 归一化指标

归一化是一种无量纲的方法,可以使物理系统值的绝对值变成一定的相对值关系.能够解释不同类别数据的相对比较性.特征化结果要经过归一化处理,为了得到归一化结果,可以用特征化指标与其相对应的归一化基准值相除,对表4中的泡沫混凝土墙体生产材料清单特征化指标进行归一化处理[6],其结果如表5所示.

表5 泡沫混凝土墙体生产归一化结果Table 5 Normalization results of foam concrete wall production kg

2.5 敏感度分析

敏感度分析是用来确定分析对象环境影响评价、经济效益评价、质量和安全评价可行性的重要方法.从通过敏感度分析所得到的数据中找出变量最大、影响最大、敏感度最大的因素,选择相对合适的方案或者寻求替代方案来预测和控制该因素的影响程度,以此来尽量减少或者避免不利的因素[7].通过对表5数据分析,得到敏感度对比分析柱形图,如图2～图5所示.

图2 酸化潜力值(AP)敏感度对比分析图Fig.2 Bar chart of sensitivity contrast analysis for acidification potential value(AP)

图3 一次性能源消耗(PED)敏感度对比分析图Fig.3 Bar chart of sensitivity contrast analysis for primary energy depletion(PED)

图4 碳排放量(CO2)敏感度对比分析图Fig.4 Bar chart of sensitivity contrast analysis for carbon emission(CO2)

整个生命周期评价过程中,水泥在AP、PED、mCO2、GWP这几个特征化指标中所占的比例都超过了65%,所以,水泥材料在泡沫混凝土墙体的生产过程中对环境的影响因素是最大的,属于最敏感因子.因此,选择对环境负荷较小的水泥原材料来代替普通硅酸盐水泥原材料,对改善泡沫混凝土墙体生产的整体环境行为尤为重要.

图5 全球变暖潜值(GWP)敏感度对比分析图Fig.5 Bar chart of sensitivity contrast analysis for global warming potential(GWP)

3 结 论

(1) 通过运用生命周期评价方法,对我国泡沫混凝土的一般生产方法给环境带来的负荷现状进行分析,并利用eBalance软件对泡沫混凝土整个生命周期进行了详细的分析和计算,根据水泥生产排放所占百分比,得到了泡沫混凝土环境影响排放由大到小依次为:mCO2、GWP、AP、PED.

(2) 对温室效应影响最大的水泥生产阶产生的碳排放量占整个生命周期的碳排放总量的50%以上.因此,为了减少泡沫混凝土生产所造成的温室效应给环境带来的影响和压力,有必要减少生产阶段的能源消耗量,并提高能源燃烧的效率或采用更先进的燃烧技术.

(3) 在泡沫混凝土的生产过程中,水泥和水泥板的生产对环境影响所占比例也较大.因此,在泡沫混凝土的生产过程中,原材料的选择不容忽视.