环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (6): 929-936  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.14

引用本文  

黄蓓佳, 赵凤, 赵娟, 等. 建筑材料隐含环境影响评估[J]. 环境科学研究, 2017, 30(6): 929-936.
HUANG Beijia, ZHAO Feng, ZHAO Juan, et al. Embodied Environmental Impact of Building Materials[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(6): 929-936.

基金项目

国家自然科学基金青年科学基金项目(71403170)

责任作者

作者简介

黄蓓佳(1984-), 女, 浙江义乌人, 副教授, 博士, 主要从事低碳与可持续发展研究, ywhbjia@163.com

文章历史

收稿日期:2016-10-01
修订日期:2017-02-19
建筑材料隐含环境影响评估
黄蓓佳1,2 , 赵凤1,2 , 赵娟1,2 , 印月1 , 许照莹1 , 谷超群1 , 陈娴1,2     
1. 上海理工大学环境与建筑学院, 上海 200093;
2. 上海理工大学环境与低碳科学研究中心, 上海 200093
摘要:我国建筑业快速发展,建筑开发使用大量的建筑材料给资源和环境带来严重负荷.以上海市为案例,运用生命周期评价方法,基于北京工业大学和Ecoinvent数据库中的建筑材料生产数据,采用ReCiPe法对上海市建筑物的材料隐含环境影响进行评估,并对未来的环境影响潜值进行预测.结果表明:在上海市居住建筑和非居住建筑所产生的各类环境影响中人类毒性、金属损耗最为突出,约占总环境影响的45%和20%;环境影响主要来源于钢筋和木材的生产,对各类环境影响贡献度分别约为47%、17%;高层居住建筑和非居住建筑中的工厂建筑物化环境影响在各自类型中所占比例最高.按现有趋势发展,2020年上海市居住建筑开发规模和环境影响潜值均将达到2014年的1.52倍,非居住建筑则可达到2014年的1.14倍.针对上海市建筑材料环境影响分析结果,为有效减轻上海市建筑物的环境影响,需重点关注钢筋、铝材、木材以及混凝土的生产,识别生产过程中污染物转移环节进而改进工序;在设计阶段考虑选择环境影响负荷低的绿色建材,如混凝土砌块、高性能混凝土等,从而降低环境影响;同时,应重点关注隐含环境负荷高的高层居住和工厂建筑类建筑,通过降低建材使用量等方案降低环境影响.
关键词建筑材料    环境影响    上海    居住建筑    非居住建筑    
Embodied Environmental Impact of Building Materials
HUANG Beijia1,2 , ZHAO Feng1,2 , ZHAO Juan1,2 , YIN Yue1 , XU Zhaoying1 , GU Chaoqun1 , CHEN Xian1,2     
1. School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. Environment and Low-Carbon Research Center, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: With the rapid development of China's construction industry, the tremendous consumption of building materials heavily threatens resources and the environment. Thus, it is necessary to identify resource consumption characteristics and environmental impact situation of different types of buildings. Shanghai was selected as the target in the present study. Based on the inventory of construction materials from Beijing University of Technology and Ecoinvent database, the embodied environmental impact of building materials was evaluated and forecasted by using the ReCiPe method. The results showed that the main environmental impacts resulting from building material production is human toxicity and metal depletion, accounting for 45% and 20% of the total environmental impact respectively. Steel bar and wood appears as the two highest environmental burden materials, contributing around 47% and 17% for diverse environment impacts. An assessment for the building construction in Shanghai in 2014 indicated that the high-level dwelling buildings and factory buildings had the most severe embodied environmental impact. According to the rapid development trend of construction, by 2020, the embodied environmental impact of residential buildings is predicted to be 1.52 times that of 2014, and non-residential buildings is 1.14 times. In order to reduce the embodied environmental impact of buildings, measures for reducing the environmental pollution for producing steel, cement, aluminum and wood should be explored. Environmentally-friendly materials such as aerated concrete blocks, high performance concrete and inorganic thermal insulation mortar should be considered. Besides, since the construction of high-rise residential buildings and factory buildings is tremendous, it is especially necessary to explore measures for saving building materials for them.
Keywords: building materials    environmental impact    Shanghai    residential buildings    non-residential buildings    

建筑活动是人类对自然资源、环境影响最大的活动之一[1].建筑过程使用的钢材(钢筋、钢板)、水泥、混凝土、砖块及木材等基础建筑材料均是高能耗、高污染的产品,建筑材料生产过程中的环境负荷在建筑物整体环境负荷中占有相当大的比例.自20世纪80年代初,国内外学者开始进行建筑LCA的研究[2-4]并主要针对建筑物生命周期的能源消耗和环境影响进行研究.研究表明,建筑生命周期中20%的能耗以及环境影响来自于建筑材料[5],建筑环境影响主要集中于水资源消耗、金属污染和全球气候变暖[6-7].近年来,国内外学者开始基于生命周期评价对于建筑物进行案例研究[8-10],评价了不同建筑材料[11-12]、不同的生产工艺或技术[13]、不同的建筑结构[14-15]的环境影响.目前,对于建筑物环境影响研究开始从案例研究转向区域建筑环境影响的研究[16-17]. Tanikawa等[18]利用4D-GIS技术对日本建筑材料的消耗量及建筑环境影响进行调研分析. CHANG等[19]基于投入产出生命周期评价(I-O LCA)方法,评估了中国建筑行业整体的能源消耗以及CO2、NOx等环境污染物的排放. HE等[20]基于LCA方法对2010年中国城镇住宅物化环境影响进行了评价,并利用情景分析方法探讨了2020年中国城镇住宅建筑的环境排放.根据建筑物和建筑材料LCA的研究现状和成果,发现当前的研究内容具有如下特点:① 多集中于建筑和建材的能源消耗和碳排放的评估核算,针对其他类型环境影响鲜见报道;② 以城市为尺度的,针对不同类型建筑物以及建材消耗量所带来的环境影响分析仍待探索.

上海作为世界最具影响力的国际大都市,城市经济迅速发展,面临人口和资源环境的压力.根据上海统计年鉴(2014)[21],上海建筑行业2005—2014年新建筑面积增加1倍.据统计,2014年上海市的各类建筑物的建材使用量占自然资源使用总量的41%.在城市迅速发展的背景下,评估当前建材使用的环境影响,寻求降低建筑物生命周期的环境影响途径,减缓城市建设发展与环境的矛盾,是迫切需要解决的问题.该研究首先根据上海市的地理位置分析了各类型建筑的建材消耗水平,其次基于本地化建材生产清单进行建材生产环境影响分析,并对上海市未来建筑发展下的建材隐含环境影响进行了预测.该研究的讨论有助于了解城市快速建设中建筑材料所隐含的环境影响特征,包括各类型建筑间隐含环境影响的差异,不同年份下的建材隐含环境影响变化规律及趋势,以期为有效控制建筑业的环境影响提供科学依据.

1 研究思路和数据来源

以上海市为研究对象,运用生命周期评价[22]方法,采用ReCiPe法[23]对上海市不同建筑物的材料物化环境影响评估.并且,依据上海市建筑产业的发展趋势[24],预测了上海市2020年居住建筑和非居住建筑的环境影响潜值.研究过程如图 1所示.

图 1 建筑物环境影响研究过程 Figure 1 The study process of environmental impact of buildings

建材生产阶段的环境影响是建筑物生命周期阶段中最主要的环境影响,该研究在研究建筑物的环境影响过程中,仅针对建筑物整个生命周期中建材生产阶段的环境影响进行分析,即评估建筑物材料隐含的环境影响.建筑物主要使用的11类建筑材料[11, 21]:钢筋、铝材、水泥、混凝土、木材、砖块、沙子、石材、石灰、玻璃以及瓷砖.根据上海市统计年鉴[21],将此次研究的上海市建筑物类型分为居住建筑的低层建筑、多层建筑、高层建筑,以及非居住建筑的工厂、教学楼、仓库堆栈、办公楼、商场店铺、医院、旅馆及其他.

为定量评估上海市建筑物的材料物化环境影响,结果以环境影响潜值表示,包括气候变化、地表酸化、光化学氧化剂、颗粒物的形成、臭氧层破坏、电离辐射、淡水富营养化、海洋富营养化、人类毒性、淡水生态毒性、海洋生态毒性、陆地生态毒性、化石燃料消耗以及金属损耗15种环境影响类别.该研究选用2014年上海市建筑作为研究对象.研究数据来自于北京工业大学的建筑材料生产数据、Ecoinvent建筑材料生产数据以及上海统计年鉴等.

2 清单分析 2.1 建材消耗清单分析

不同类型建筑物建材消耗量的影响因素主要是地理位置、建筑结构、建筑高度、建筑造型等[25].在对上海市建筑物调查时,综合考虑以上因素,主要根据上海建设工程造价信息数据库[26],居住建筑及非居住建筑的建材用量结合国内其他学者的调研结果进行统计[27-29],分析上海市不同类型建筑建材消耗量清单.在对2014年上海市新增建筑面积调研时,以年增加的建筑面积为量化指标(即当年的建筑竣工面积),数据来源于上海统计年鉴(2014)[21].上海市建筑物材料消耗清单可表示为

$ {M_j} = \mathop \sum \limits_{j = 1}^{11} B{C_j} $ (1)

式中:Mj为第j种建筑材料消耗总量,kg;B为不同建筑物的竣工面积,m2Cj为第j种建筑的建材密度,kg/m2.

2.2 建材生产清单分析

在建筑材料生产阶段环境影响评价中原材料的开采、运输和生产过程的环境影响清单不可或缺[30].建筑材料的生产清单来自北京工业大学的建筑材料生产数据、Ecoinvent建筑材料生产数据中的国内数据清单.采用ReCipe法对建筑材料生产的量化分析. ReCiPe法是将Eco-indicator和CML结合于一体的LCA分析方法[31-32],用特征化因将LCI归结为18种环境影响类别(该研究选用其中的15种).

单位建筑材料的环境影响分两步计算:

第1步:量化环境影响特征值[33],目前,ReCiPe中各类环境影响已经建立了统一的当量模型,借鉴其中的相关数据,建立建材生产中环境污染物中的特征化因子,各种环境影响特征值,可以根据式(2) 计算:

$ C{S_{(x)}} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^n C{S_{(x){i}}}{ = }\mathop \sum \limits_{i = 1}^n {Q_{(x){i}}}C{S_{F(x){i}}} $ (2)

式中,CS(x)为单位建材中第x种环境影响值特征化结果,CS(x)i为第i种胁迫因子对第x种环境影响特征值,Q(x)i为第i种建材生产中胁迫因子排放量,CSF(x)i为第i种胁迫因子对第x种环境影响特征化因子.

第2步:环境影响标准化分析[34].经过以上计算得到环境影响特征值,标准化的目的就是要消除各环境影响结果在量纲和级数上的差异,环境影响标准化后的结果直接反映了所研究的系统造成潜在环境影响的相对大小,从而分析出单位建材主要的环境影响.可以根据式(3) 计算:

$ N{S_{(x)}} = C{S_{({x)}}}{{R}_{x}} $ (3)

式中,NS(x)为单位建材中第x环境影响标准化值,Rx为第x种环境影响类别标准化因子.

单位建筑物的物化环境影响潜值可以根据式(4) 计算,2014年上海市建筑物的物化环境影响潜值可以根据式(5) 计算:

$ E{I_{s({x})}} = \mathop \sum \limits_{j = 1}^{11} N{S_{({x}){j}}}{{C}_{j}} $ (4)
$ E{I_{{b}({x})}} = \mathop \sum \limits_{j = 1}^{11} N{S_{({x}){j}}}{M_j} $ (5)

式中,EIs(x)为单位面积建筑物的第x种环境影响潜值,EIb(x)为2014年上海市建筑物的物化环境影响潜值,NS(x)j为第j类建材的第x环境影响标准化值.

3 建筑物的材料物化环境影响评价 3.1 单位建筑面积物耗及物化环境影响分析

根据上海市单位面积的居住建筑和非居住建筑建材用量统计结果,不同类型建筑的建材密度差距较大,如图 2所示.不同类型建筑的建材使用量差别非常大的原因是与建筑物本身的结构体系、结构强度以及建筑所要求的性能有关,其中居住建筑中低层建筑的建材消耗量最大,略高于高层建筑.非居住建筑中,其他类型的建筑物建材消耗量最高.在不同类型建筑建造过程中,对于钢筋、水泥、混凝土、砖块、石材、沙子这六类建材的需求量较大.在建造过程中混凝土消耗量最大,约占总耗材质量的60%.

图 2 单位面积建筑建材消耗量 Figure 2 The building materials consumption of buildings of per square meter

根据不同类型建筑物的建材消耗量数据清单,计算出单位面积居住建筑和非居住建筑的环境影响潜值.从图 3可以看出,居住建筑和非居住建筑所产生的主要环境影响是人类毒性、化石消耗燃料、金属损耗、颗粒物的形成以及气候变化.在各类建筑物的环境影响中人类毒性最为突出,约占总环境影响的45%;其次是金属损耗,约占20%.单位面积非居住建筑环境影响潜值的平均值大于居住建筑.非居住建筑中旅馆的环境影响潜值最大为5.08,其次是医院为4.21.居住建筑所产生的环境影响高层建筑最高,环境影响潜值为2.48.

图 3 单位面积建筑物的环境影响 Figure 3 Environmental impact of buildings of per square meter

结合已有研究[10-11, 25]以及建材生产的输入输出清单计算发现,在建材生产的全生命周期中,生产每kg的钢筋、铝材、混凝土、木材、玻璃以及瓷砖所造成的环境影响较大,铝材对于各类环境影响贡献度平均约占43%,其次是木材,约占25%,钢筋约占17%.结合建材的消耗量和生产单位建材的环境影响,分析单位建筑物的材料物化环境影响贡献度,结果如图 4所示,钢筋的使用对于各类环境影响贡献度约占47%,造成的主要环境影响是金属耗损;其次是木材,约占17%,环境影响主要是化石燃料消耗和颗粒物的形成;混凝土约占9%,带来的主要环境影响为淡水富营养化和淡水生态毒性.

图 4 建筑材料环境影响 Figure 4 Environmental impact of building materials

因此,降低建筑和建材的环境影响可采取以下措施:建筑物的建材消耗是建筑产生环境影响的主要因素,重点关注钢材、铝材、木材以及混凝土的生产,识别生产过程中污染物转移环节进而改进工序;可在设计阶段考虑选择其他替代绿色建材[27],如混凝土砌块、高性能混凝土、无机保温砂浆等,从而降低环境影响;推广绿色建筑建材生命周期评价方案,从生命周期的角度考虑建材的生产,在生产的过程中减轻环境污染.

3.2 不同类型建筑物环境影响

2014年上海市不同类型建筑物竣工面积及所占比例如表 1所示,该建筑竣工面积包括了上海周边各县.建筑物的材料隐含的环境影响如图 5所示.表 1显示,居住建筑中的高层建筑开发竣工远高于其他类型的建筑,占总建筑开发的42.93%;同时,高层居住建筑各类建材消耗量约占全年建材消耗总量的一半,远远高于其他类型建筑的开发.在对全年建筑隐含环境影响潜值计算结果(见图 5)发现,高层居住建筑和工厂及其他类型的非居住建筑占全年建筑物化环境影响的42%、18%、15%.上海居住建筑的环境影响潜值为6.47×107,非居住建筑为5.25×107.表明需要重点关注高层居住和工厂建筑开发,采用绿色建材,改进施工工艺,减少单位建筑面积建材的消耗量.对于其他类型的非居住建筑需要针对性调研,合理规划.

图 5 2014年上海市居住建筑和非居住建筑的环境影响 Figure 5 The environmental impact of Shanghai′s residential & non-residential buildings in 2014

表 1 2014年上海市不同类型建筑物竣工面积及所占比例 Table 1 Shanghai′s completed area and share of different types of buildingsin 2014
3.3 建筑环境影响回顾与预测

根据2014年上海市统计年鉴[21],至2014年底上海市居住面积达611 km2,非居住建筑面积达185 km2.从增长速度来看,2005—2010年建筑面积增加最快.根据上海市建筑业发展趋势[24, 29],预计2014年之后,居住建筑面积年增加约12 km2,非居住建筑面积年增加约16 km2.

居住建筑和非居住建筑环境影响潜值预测结果如图 6所示.按现有趋势发展,2020年上海市居住建筑开发规模和环境影响潜值均将达到2014年的1.52倍,非居住建筑则将达到2014年的1.14倍. 2020年,居住建筑物的材料隐含环境影响潜值将是非居住建筑的1.6倍左右.从增长速度来看,2005—2010年建筑面积增加最快,在此阶段上海环境影响增加最为显著.根据建筑材料隐含的潜在环境影响以及2014年上海市居住建筑和非居住建筑环境影响分析,预计2014—2020年建筑环境影响潜值主要是人类毒性、金属损耗、化石燃料消耗、颗粒物的形成以及气候变化这五类,其中人类毒性及金属损耗最为突出.预计2020年之后,建筑市场开始趋于饱和,建筑面积增加减缓,相应地各类环境影响增幅减缓.结果表明,由于近十多年居住建筑的大量兴建,居住建筑的环境排放量远大于非居住建筑,有必要探寻居住建筑的建筑材料的节约途径;未来的建筑环境影响主要是人类毒性、金属损耗、化石燃料消耗、颗粒物的形成以及气候变化,为了控制这些环境影响,应重点控制铝材、木材、钢筋的消耗.

图 6 居住建筑和非居住建筑环境影响潜值(2000—2020年) Figure 6 The environment impact potential of non-residential & residential buildings (2000-2020)
4 结论

a) 上海市建筑极度开发带来建材大量消耗,对于钢筋、水泥、混凝土、砖块、石材、沙子这六类建材的需求量比较大.在建造过程中混凝土消耗量最大,约占总耗材量的60%.

b) 上海市非居住建筑和居住建筑所产生的主要环境影响是人类毒性、化石消耗燃料、金属损耗、颗粒物的形成以及气候变化.在各类建筑物的环境影响中人类毒性最为突出,约占总环境影响的45%;其次是金属损耗,约占20%.

c) 上海市2014年建筑隐含环境影响结果表明,高层居住建筑和工厂及其他类型的非居住建筑占全年建筑物化环境影响的42%、18%和15%.上海居住建筑的环境影响潜值为6.47×107,非居住建筑为5.25×107.

d) 按现有趋势发展,2020年上海市居住建筑开发规模和环境影响潜值均将达到2014年的1.52倍,非居住建筑则达到2014年的1.14倍.为了控制环境影响,应重点控制铝材、木材、钢筋的消耗.

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