基于生命周期分析的中国城镇住宅物化环境影响评价
刘毅, 何小赛
清华大学 环境学院,北京 100084

作者简介: 刘毅(1975—), 男(汉), 辽宁, 教授。E-mail:yi.liu@mail.tsinghua.edu.cn

摘要

中国城镇住宅在建筑材料的生产、运输和施工过程中带来严重的环境影响,该文综合运用生命周期评价和情景分析方法,基于eBalance数据库平台,研究了中国城镇住宅的物化环境影响。结果表明: 2010年中国城镇住宅的物化环境影响约占中国15.5%、 15.2%、 39.2%、 4.1%、 15.9%和17.5%的能源消耗、用水量、化学需氧量、氨氮、二氧化硫和氮氧化物排放量,且主要来自建筑材料的生产阶段,尤其是钢材和水泥的生产,二者之和约占全部建筑材料生产阶段环境影响的70%, 其中钢材占55%。因此,从环境保护的视角考虑中国城镇住宅发展的调控具有重要意义。

关键词: 城镇住宅; 建筑材料; 生命周期评价(LCA); eBalance数据库
中图分类号:X820.3 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2015)01-0074-06
Embodied environmental impact assessments of urban residential buildings in China based on life cycle analyses
Yi LIU, Xiaosai HE
School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract

Building material production, transportation, and building construction of urban residential buildings all impact the environment in China. The eBalance software was used to calculate the embodied environmental impact of urban residential buildings in China using the life cycle assessment (LCA) method and scenario analyses. The results show that the embodied environmental impact of urban residential buildings in China accounted for 15.5% of the national total energy use, 15.2% of the water use, 39.2% of the COD emissions, 4.1% of the NH3-N emissions, 15.9% of the SO2 emissions, and 17.5% of the NO x emissions in 2010. The impacts were mainly due to the manufacturing of the building materials, especially the steel and cement which accounted for 70% of all the buildings materials with steel itself being 55%. Therefore, it is vital for regulating the urban residential buildings based on the perspective of environmental protection.

Keyword: urban residential buildings; building material; life cycle assessment (LCA); eBalance database

改革开放以来,特别是1998年政府深化城镇住房制度改革以来,伴随着中国快速的城镇化进程,中国城镇住宅产业得到飞速发展。2000—2010年间,中国城镇住宅年施工面积增长3.0倍,城镇人均住宅建筑面积提高55.7 %至31.6 m2。2010年,城镇房地产开发投资占全社会固定资产投资比例达17.4 %,建筑业和房地产业总量占 GDP的比例达12.3 %。中国城镇住宅业对扩大内需、促进消费和拉动投资等社会经济发展发挥了重要作用。然而,在其强大的经济拉动效益背后,中国城镇住宅也带来了巨大的资源环境影响。

本文所述“物化”来自英语“ embodied”一词。物化阶段指的是某一物品或服务在使用之前所有上游生产过程的总和[1,2,3,4]。有研究表明,住宅建筑物化阶段的环境影响不容忽视, 建筑物全生命周期中20 %的能源消耗来自建筑材料[5]。住宅使用阶段的直接用水量仅占全生命周期用水量的6.4 %[6], 建材开采生产和建筑施工阶段排放的二氧化碳( CO2)、 二氧化硫( SO2)、 氮氧化物( NOx)占比达5 %~15 %[7]。目前国内外对住宅建筑环境影响的研究主要集中于特定的单体住宅全生命周期环境影响[8,9,10]、 运行阶段的能耗[11,12,13,14], 几种不同建筑结构(钢混结构、钢结构和木结构等)住宅的生命周期环境影响[15]以及建筑原材料(水泥、钢材、铝材等)全生命周期环境影响[16,17]等。但是,从全国尺度定量研究中国城镇住宅发展带来的物化环境影响的文献相对缺乏。本文运用生命周期评价( LCA)与情景分析的方法,基于 eBalance数据平台,定量研究2010年及2020年中国新建城镇住宅发展带来的物化环境影响。

1 研究范围和数据来源

住宅建筑的全生命周期主要包括建筑材料的生产(含原材料的开采、运输及生产加工)、住宅施工、住宅使用及住宅拆除这4个阶段,本文所述物化阶段主要指的是建筑材料的生产和住宅施工这2个过程。住宅的建设需要包括钢筋、水泥、混凝土、砂子、石子、建筑陶瓷、石灰、粘土砖、木材、铝合金及防水卷材等60多种建筑材料,本研究依据单位建筑面积所消耗的建筑材料用量和该建筑材料的潜在环境影响确定6类建筑原材料: 水泥、钢材、玻璃、铝材、建筑陶瓷和粘土砖。

为定量评价因为城镇住宅发展带来的物化环境影响,本文选取2010年中国施工的城镇住宅为研究对象。结合国家统计年鉴的统计口径,以年施工城镇住宅面积为量化指标。住宅施工房屋面积指研究期内施工的全部城镇住宅建筑面积,包括本年新开工的面积和上年开工跨入本年继续施工的住宅面积以及上年已停建在本期恢复施工的住宅面积。本年竣工和本年施工后又停缓建的住宅,其建筑面积仍计入本年住宅施工面积。

本研究采用6项环境影响评价指标,包括能源消耗、用水量、化学需氧量(COD)、 氨氮(NH3-N)、 SO2、 NO x等。研究数据主要来自eBalance数据库与国家有关部门正式出版的统计年鉴。

2 生命周期清单分析
2.1 建筑材料消耗清单

不同住宅的单位建筑面积建筑材料消耗量各不相同,主要受住宅的结构、层数、造型及施工工艺等因素的影响。因此,中国城镇住宅建筑材料消耗量的计算不同于单体住宅,需要综合考虑,识别出影响单位建筑面积材料消耗量的关键因素。本文通过文献调研[18,19]得出如下主要结论: 低层框架结构房屋的单位面积建材消耗量要远大于高层砖混结构房屋,低层框架结构和高层框架结构房屋单位面积建材消耗差别不大; 砖混结构房屋亦如此; 不同建筑结构商品房屋的单位面积建材消耗量差别较大。由此识别出影响单位面积建筑材料消耗量的关键因素为住宅的结构。

目前,中国尚无详实的全国尺度的城镇住宅结构统计数据,本研究基于“十五”国家科技攻关计划项目“绿色建筑关键技术研究”中课题二“绿色建筑的机构体系与评价方法研究”的成果[20], 对2003—2005年期间,中国25个省90个城市743栋建筑结构体系分布状况调研案例的统计分析,测算出中国城镇住宅的各结构分布比例(表 1)。本文结合上述课题研究成果和国内其他学者[21,22,23,24,25]的调研结果测算出单位建筑面积主要建筑原材料消耗量(表2)。

表1 标准化的中国城镇住宅结构体系分布情况
表2 不同结构住宅单位建筑面积主要原材料消耗量(t·100 m-2)

由此,中国城镇住宅建设的主要建筑材料消耗清单可表述为

(1)

其中: q为住宅建筑材料消耗量; i为建筑材料类型: 水泥、钢材、玻璃、铝材、建筑陶瓷、木材、粘土砖; A为不同结构体系的普通商品住房施工面积; str为普通商品住房结构类型: 砖混结构、框架框剪结构、剪力墙结构和其他结构; c为单位面积住宅施工面积消耗的建筑材料质量。

2.2 建筑材料生产阶段

在定量评价建筑材料生产阶段的环境影响时,原材料的开采、运输和生产过程的环境影响清单不可或缺。由于目前国内相关领域的研究比较匮乏,本研究借助国内生命周期评价软件 eBalance的数据库分析平台实现整个建筑材料生产阶段的环境影响评价。 eBalance数据库在每个基本单元过程的环境影响清单计算时,已经考虑其全生命周期过程。以水泥生产为例,水泥作为 eBalance的一个基本单元过程,其环境影响涵盖了不同工艺下石灰石等主要原材料的开采、运输、水泥熟料的烧结、水泥粉磨的全部过程。建筑原材料生产过程的环境影响为

(2)

其中: Q p为建筑原材料生产过程总体环境影响; δ为单位质量建筑原材料的环境影响; n为环境影响评价指标类别: 能耗、用水量、 COD NH3 -N SO2 NOx

2.3 建筑材料运输阶段

根据《中国统计年鉴2011》[26]统计,中国建筑原材料主要通过公路和铁路2种方式运输。公路运输主要为中型和重型货运汽车运输,铁路运输包括内燃机车和电力机车运输。有

(3)

(4)

(5)

其中: Q t为建筑原材料运输过程产生的环境影响; Q road为建筑原材料公路运输产生的环境影响; Q railway为建筑原材料铁路运输产生的环境影响; αi为公路运输的建筑原材料质量比例; L road为公路货物运输的平均周转距离; θi为中型货车运输建筑原材料的周转里程比例; I middle为中型货车单位周转里程的环境影响; I heavy为重型货车单位周转里程的环境影响; L railway为铁路货物运输的平均周转距离; γi为内燃机车运输建筑材料的周转里程比例; I diesel为内燃机车单位周转里程的环境影响; I electric为电力机车单位周转里程的环境影响。

2.4 住宅建筑施工阶段

住宅施工阶段的环境影响主要表现为施工现场的噪声、 PM10以及施工器械产生的大气污染物等[27], 但国内外的定量研究极少,因此本文仅根据《中国能源统计年鉴2011》[28]估算其能源消耗量和用水量为

(6)

(7)

其中: Q ce为住宅施工阶段能耗; Q conind为中国建筑业能耗总量; β1为房屋工程建筑业年产值占建筑业比重; β2为城镇住宅施工面积占房屋施工面积比重。Q cw为住宅施工阶段用水量; β c为住宅建筑施工过程中单位面积用水量。

3 2020年情景分析

本研究从住宅发展速度、住宅结构与住宅施工技术这3个维度来考虑中国城镇住宅发展所带来的物化环境影响。以2020年为情景水平年,结合住宅产业发展趋势、国家经济与社会发展规划和各工业行业发展规划等因素给出3种目标情景。

情景一 中国城镇住宅发展速度保持现有速度不变,即年住宅建筑施工面积增长速度以近5 a平均水平(2006—2010年)线性增长,城镇住宅结构和单位面积主要建筑原材料消耗量维持现有水平。线性拟合方程为

S=46326.0·y+135542.9, R2=0.989. (8)

情景二 城镇住宅发展速度适当减缓,即年住宅建筑施工面积保持对数增长; 由于城镇土地资源的集约利用,高层建筑的大量出现带来城镇住宅结构中砖混结构和其他结构的比例下降,框架结构比例上升。砖混结构、框架框剪结构、剪力墙结构、钢结构和其他结构比例分别为16.7 %、 50.0 %、 25.4 %、 3.3 %和4.6 %。单位面积主要建筑原材料消耗量维持现有水平。对数拟合方程为

S=110001.1· ln(y)+169195.1, R2=0.901. (9)

情景三 城镇住宅发展速度同情景二,技术进步带来单位面积主要建筑原材料消耗量的减少,即各种结构住宅单位建筑面积的钢材消耗量减少10 %。城镇住宅结构体系维持现有水平。

4 影响评价
4.1 2010年环境影响

2010年中国城镇住宅建设消耗了钢材、水泥、玻璃、铝材、建筑陶瓷和粘土砖21 114.4万 t、 82 308.8万 t、 1 131.1万 t、 767.3万 t、 7 165.9万 t和39 969.7万 t, 分别占中国产量的26.3 %、 43.7 %、 34.1 %、 34.3 %、 48.0 %和55.4 %

2010中国城镇住宅发展带来的物化环境影响及其占全国总体环境影响比例如表 3表 4所示,结果显示城镇住宅发展带来的物化环境影响分别为50 377.3万 tce能耗( ton of standard coal equivalent, 即吨标准煤)、 220.5亿 t用水量及170.4万 t、 1.1万 t、 297.2万 t、 255.8万 t COD NH3 -N SO2 NOx排放量,分别占中国整体环境影响的比例为15.5 %、 15.2 %、 39.2 %、 4.1 %、 15.9 %和 17.5 %。其中, 77.0 %~95.7 %的能耗、用水量、水污染和大气污染排放来自建筑原材料的生产阶段。进一步分析,不同住宅建筑结构的建筑原材料消耗量不尽相同,其对应单位建筑面积的物化环境影响存在较大差异,如表 5所示。结果显示,砖混结构住宅的物化环境影响较小,其次是钢结构住宅; 抗震墙结构住宅的物化环境影响最大。

表3 2010年城镇住宅发展物化环境影响情况
表4 2010年中国城镇住宅物化环境影响占全国总体环境影响比例
表5 单位住宅建筑面积(每百平方米)物化环境影响

图1所示,在建筑原材料生产阶段,钢材生产过程的环境影响最为突出,平均占54.8%左右,其次是水泥。陶瓷生产过程中的用水量也不容忽视,占64.0%。粘土砖生产过程的环境影响相对较小。对于不同住宅结构,其物化环境影响也不相同。

图1 主要建筑原材料生产过程环境影响

4.2 2020年环境影响

在3种目标情景下, 2020年城镇住宅发展的物化环境影响如表 6所示,城镇住宅建设的物料消耗量如表 7所示。结果显示, 3种情景的物料消耗量分别平均为2010年的2.21倍、 1.23倍和1.22倍。这表明城镇住宅发展速度对物料消耗的量的影响远大于住宅结构体系的优化和建筑施工技术的进步。3种情景的物化环境影响分别平均为2010年的 2.22 倍、 1.26倍和1.19倍,表明城镇住宅发展速度也是其物化环境影响的关键影响因素,建筑施工技术的进步比住宅结构体系的优化对减轻住宅物化环境影响的意义略大。

表6 2020年城镇住宅发展物化环境影响
表7 2020年城镇住宅建设物料消耗情况 万t
5 结论与建议

1) 城镇住宅产业的发展尽管具有较强的经济拉动效益,但也带来钢材、水泥等建筑原材料的极大消耗。钢材的消耗量占中国近三分之一的产量,水泥消耗量占中国产量达44%, 粘土砖的消耗量甚至超过中国总产量的一半,达55%。

2) 中国城镇住宅发展的物化环境影响不容忽视,其能源消耗约占中国总消费量的16%, COD排放量占工业排放总量比例达39%, SO2和NO x的排放量占工业排放总量的比例也分别达16%和18%。进一步分析表明,城镇住宅的物化环境影响主要来自建筑原材料的整个生产阶段,尤其是钢材和水泥的生产,两者之和约占总体物化环境影响的62%。

3) 按现有发展趋势推算, 2020年中国城镇住宅建设所需主要建筑原材料量将大幅提高,结合中国现有的钢铁行业和建材行业发展规划,中国建筑原材料的产量将无法满足城镇住宅建设的需求。2020年中国城镇住宅发展的物化环境影响也将快速增大,平均为2010年的2.2倍。降低单位住宅面积原材料消耗以及优化住宅结构体系将不足以抵消城镇住宅施工面积增长所产生的负面环境影响。

基于上述分析,围绕城镇住宅的健康持续发展,本研究从环境保护角度提出对策和建议如下:

1) 综合考虑城镇住宅的经济效益和环境影响,适度控制其增长速度,促进中国环境保护目标的实现。据本文测算,中国城镇住宅增速控制在2%~3%水平,才能保证2020年城镇住宅物化环境影响与2010年基本持平。但是,相比“十一五”期间20%左右的发展速度,考虑到国内实际需求对住宅产业增长的拉动以及住宅产业较强的行业相关性,实施产业发展调控的任务十分艰巨。有鉴于此,建议在中国城镇住宅产业的政策制定与宏观调控中要充分考虑全生命周期的环境影响,推动国家有关决策部门重视城镇住宅产业的物化环境影响,引导产业健康有序发展。

2) 严格控制主要建筑原材料整体生产过程的环境影响。在国家节能减排目标的基础上,重点加大对钢铁、水泥等原材料生产和加工行业的节能减排力度,积极推进绿色建材的生产,减少主要原材料运输距离。

3) 节约城市土地资源,合理优化城镇住宅结构体系,提倡框架结构的住宅建筑,尤其是钢结构住宅; 改进住宅建设设计施工技术,大力推进高强钢筋在住宅建设中的应用,逐步减少单位建筑面积主要建筑材料消耗水平。

The authors have declared that no competing interests exist.

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