生命周期評價在鐵路節(jié)能評估中的應(yīng)用研究

陳淑連，曾虢霆，呂名云，栗健

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

實際節(jié)能評估工作中發(fā)現(xiàn)，不同節(jié)能措施的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益可能相當(dāng)，需要根據(jù)措施的環(huán)境效果、社會效果和國家能源政策等因素綜合比選確定，而措施的環(huán)境效果、社會效果往往難以量化，導(dǎo)致評估的主觀因素擴大。因此，亟需引入一種科學(xué)全面的評價方法，在進行能源消耗統(tǒng)計和能效水平評估的基礎(chǔ)上，對節(jié)能的環(huán)境和社會層面影響進行量化，以全面、客觀的評估項目能源利用情況。

1 生命周期評價

1.1 生命周期評價及發(fā)展趨勢

生命周期評價(LCA)是一種評價產(chǎn)品、工藝過程或活動從原材料的采集和加工到生產(chǎn)、運輸、銷售、使用、回收、養(yǎng)護、循環(huán)利用和最終處理整個生命周期系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境負(fù)荷的過程［1］。目前，生命周期評價已被納入ISO14040環(huán)境管理體系。

工業(yè)產(chǎn)品生命周期評價發(fā)展較完善，是進行工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境影響評價的主要方法之一，其應(yīng)用主要包括:為節(jié)約原料和能源，企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的過程中，對不同的替代方案進行比較研究;為政府環(huán)境管理部門公共政策的制定提供依據(jù)。

農(nóng)業(yè)生命周期評價發(fā)展較晚，但目前也已經(jīng)有一個比較完善的體系。其研究方向主要集中在單一農(nóng)產(chǎn)品生命周期評價、不同種植模式或方法下農(nóng)產(chǎn)品生命周期評價以及農(nóng)業(yè)生命周期評價方法等。

建筑生命周期評價是近年來生命周期評價的新分支。國外建筑生命周期評價主要集中在綠色或低碳建筑，用于提供綠色建筑環(huán)境影響信息;國內(nèi)的研究主要集中在建筑生命周期評價方法應(yīng)用以及輔助設(shè)計優(yōu)化。

在環(huán)境保護領(lǐng)域，生命周期評價也有一些較為成熟的研究，如水處理工藝評價、生活垃圾處理方式評價等;電廠建設(shè)領(lǐng)域生命周期評價是目前生命周期評價的熱點之一，內(nèi)容涵蓋生命周期評價模型的建立及至實際的應(yīng)用;在節(jié)能技術(shù)評價方面，目前已有部分專家和學(xué)者嘗試將生命周期評價引入該評價體系。

1.2 基于全生命周期成本的生命周期評價

傳統(tǒng)技術(shù)－經(jīng)濟評價只考慮到產(chǎn)品的單純生產(chǎn)成本，缺乏產(chǎn)品全生命周期成本的決策。全生命周期成本和外部環(huán)境成本概念的引入，擴展了生命周期評價的層次，在電廠建設(shè)生命周期評價中，將經(jīng)濟因素引入了生命周期評價，使得生命周期評價涵蓋了能源、環(huán)境和社會影響、經(jīng)濟等多個方面，使得評價結(jié)論更為全面，對環(huán)境管理的支持更加完善。同時，上述概念的引入，也解決了節(jié)能技術(shù)評估中在技術(shù)－經(jīng)濟評價的基礎(chǔ)上進行生命周期評價兩步走的模式，通過基于全生命周期成本的生命周期評價，可以一次性提供節(jié)能技術(shù)的技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境評價。

1.3 基于全生命周期成本(LCC)的節(jié)能技術(shù)生命周期評價(LCA)技術(shù)框架

1.3.1 目的與范圍的確定

生命周期評價的第一步是目的與范圍的確定。這一步包括評價體系的描述和系統(tǒng)邊界的確定。

對于節(jié)能技術(shù)的生命周期評價，其目的可以是單項節(jié)能技術(shù)節(jié)能效果、經(jīng)濟成本、環(huán)境和社會效益的評價;或是從技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境和社會多方面對不同節(jié)能技術(shù)進行生命周期影響評價，進而確定最優(yōu)方案;也可通過生命周期評價，用于節(jié)能技術(shù)的改善以及輔助節(jié)能管理。

范圍的確定應(yīng)盡可能涵蓋整個節(jié)能技術(shù)生命周期，從節(jié)能技術(shù)生產(chǎn)、使用直至廢棄、回收的全過程。

在功能單位的確立上，可以建立以產(chǎn)品為導(dǎo)向的功能單位，如我國學(xué)者對汽車燃料的全生命周期排放評價中，其功能單位為相同的汽車在相同的條件下行駛相同的距離。

1.3.2 清單分析

生命周期評價第二步的核心是建立以產(chǎn)品功能單位表達的產(chǎn)品系統(tǒng)的輸入和輸出(即建立清單)，即清單分析，其意義在于指明并定量表示出所有輸入輸出數(shù)據(jù)。產(chǎn)品系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋產(chǎn)品生命周期范圍內(nèi)所有輸入的物質(zhì)和能量以及向環(huán)境的輸出。

在節(jié)能技術(shù)生命周期評價中，應(yīng)該特別注意考慮能源生產(chǎn)系統(tǒng)的輸入與輸出，而節(jié)能技術(shù)的選擇對生命周期輸入輸出的影響也應(yīng)謹(jǐn)慎界定。

1.3.3 資源消耗成本和外部環(huán)境成本核算

在LCA的生命周期清單分析中，資源消耗應(yīng)當(dāng)包括材料、能源、動力等生產(chǎn)要素，而這些生產(chǎn)要素的量分別乘以它們的單價便得到它們所占的成本，這部分成本計入產(chǎn)品的內(nèi)部成本。

在產(chǎn)品的生命周期中，由于主體經(jīng)濟活動對環(huán)境產(chǎn)生影響，從而造成了損失，其中并未由受益的主體所承擔(dān)的那部分損失被稱為產(chǎn)品生命周期外部環(huán)境成本。根據(jù)外部環(huán)境成本理論，產(chǎn)品生命周期環(huán)境成本可用下式計算。

式中:LCEC——產(chǎn)品生命周期環(huán)境成本;

i——環(huán)境負(fù)荷種類;

Eli——某種環(huán)境負(fù)荷量;

UECi——該種環(huán)境負(fù)荷的單位成本。

1.3.4 影響評價

生命周期影響評價是對生命周期清單分析中所提供的大量物質(zhì)以及能源消耗、污染物排放對環(huán)境所造成的壓力進行定性以及定量評價的過程［2］。這一步是LCA中難度最大，爭議最多的部分，其實質(zhì)是對清單分析階段、成本核算的數(shù)據(jù)進行定性或定量排序的一個過程，包括:影響分類、特征化和量化。

1.3.4.1 影響分類

影響分類是將清單分析中的輸入和輸出數(shù)據(jù)進行歸類，組合成相對一致的環(huán)境影響類型。目前，資源消耗、溫室效應(yīng)、酸化、富營養(yǎng)化等環(huán)境影響已經(jīng)建立了比較成熟的評價體系，在節(jié)能技術(shù)的生命周期評價中，該環(huán)境影響分類框架能較好地滿足評價要求。

1.3.4.2 特征化

不同污染物特征化可采取“當(dāng)量系數(shù)法(equivalent factor)”，表1是當(dāng)量換算表［3］。

表1 環(huán)境影響特征化模型(Character model of environment impact)

1.3.4.3 量化

(1)標(biāo)準(zhǔn)化

楊建新以1990年為基準(zhǔn)年，建立了中國環(huán)境影響評價標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)［4］。其中，資源消耗和生態(tài)毒性以1995年世界人均環(huán)境影響潛力為基準(zhǔn)［5］，DCB指的是1，4-Dichlorobenzene(見表2)。

表2 中國環(huán)境影響評價標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn))Normalization values for different impact categories)

(2)加權(quán)評估

根據(jù)影響分類、特征化和標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果，結(jié)合不同環(huán)境影響類型相對貢獻大小或權(quán)重，以及成本核算的結(jié)果，可得到產(chǎn)品生命周期總的環(huán)境影響水平以及技術(shù)－經(jīng)濟評估結(jié)果。

1.3.5 生命周期解釋

生命周期解釋的目的是根據(jù)LCA前幾個階段的研究或清單分析的發(fā)現(xiàn)，以透明的方式來分析結(jié)果、形成結(jié)論、解釋局限性、提出建議并報告生命周期解釋的結(jié)果，盡可能提供對生命周期評價研究結(jié)果的易于理解的、完整的和一致的說明。

對于節(jié)能技術(shù)生命周期評價，評估結(jié)果可用于系統(tǒng)評估產(chǎn)品、工藝或活動的整個生命周期內(nèi)削減資源、能源消耗以及環(huán)境釋放的需求與機會，提出相應(yīng)改進措施，進而應(yīng)用于管理;或者用于不同節(jié)能技術(shù)資源、能源損耗削減量、環(huán)境影響程度以及經(jīng)濟效益的量化比較，為科學(xué)決策提供支持。

綜上所述，基于全生命周期成本(LCC)的節(jié)能技術(shù)生命周期評價(LCA)技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 基于全生命周期成本(LCC)的生命周期評價(LCA)技術(shù)框架

1.4 生命周期評價在鐵路節(jié)能工作中的應(yīng)用研究

開展鐵路節(jié)能評估工作，應(yīng)首先研究建立并完善節(jié)能評估方法和模式。而節(jié)能效果和經(jīng)濟效益較易量化、環(huán)境和社會效益難以量化的特點，也導(dǎo)致長期以來節(jié)能工作對節(jié)能效果和經(jīng)濟效益關(guān)注較多，對環(huán)境和社會效益考慮較少。因此，在節(jié)能評估中引入一種新方法，以涵蓋技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境和社會層面，無論單純用于某種節(jié)能技術(shù)的評估，或是多種節(jié)能技術(shù)的綜合比選，還是用于輔助節(jié)能管理，均是大有裨益的。

鐵路節(jié)能評估工作方法對節(jié)能的技術(shù)、經(jīng)濟、管理層面考慮較多，生命周期評價方法的引入，在涵蓋技術(shù)、經(jīng)濟和管理層面的基礎(chǔ)上，能夠彌補節(jié)能工作在環(huán)境和社會層面的缺失。鐵路運輸系統(tǒng)組成龐雜，涉及專業(yè)和耗能設(shè)備較多，生命周期評價有利于決策者對整個體系的宏觀把控;同時，也能夠輔助進行決策，在設(shè)計階段和運營管理階段，均能發(fā)揮相應(yīng)作用。

生命周期評價方法在工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，均包含產(chǎn)品的運輸過程，并有相應(yīng)的分析與研究;而其在電廠建設(shè)領(lǐng)域的拓展和節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，也說明生命周期評價方式適用于鐵路節(jié)能評估工作。對于生命周期評價方法在鐵路節(jié)能評估中的應(yīng)用，可分為節(jié)能技術(shù)評估和鐵路運輸系統(tǒng)評估兩個層面。

節(jié)能技術(shù)層面，可用于某種節(jié)能技術(shù)的生命周期評價，或多種競爭方案的綜合比選，以及多個節(jié)能技術(shù)方案的優(yōu)化評價。如機車選型方面，評價的基礎(chǔ)是不同機車在相同的線路上行駛相同的距離，以換算周轉(zhuǎn)量為功能單位，對其在資源消耗(電力資源、石油資源、煤炭資源等)、全球變暖(溫室氣體排放，主要發(fā)生于火力發(fā)電、燃油資源消耗等過程)、酸化(酸性氣體排放，主要發(fā)生于火力發(fā)電、燃油資源消耗等過程)以及水體富營養(yǎng)化等方面環(huán)境影響進行評估，給出節(jié)能減排效益最優(yōu)的機車型號。

鐵路運輸系統(tǒng)層面，可通過生命周期評價，對整個運輸系統(tǒng)中的輸入輸出數(shù)據(jù)——能源、資源的輸入，產(chǎn)生的環(huán)境影響——進行分析評價，從而對鐵路運輸系統(tǒng)整體環(huán)境、社會和節(jié)能減排影響量化表述，分析其環(huán)境影響的最大環(huán)節(jié)和重要環(huán)節(jié)，進而輔助運營管理和改進設(shè)計。

2 結(jié)論與討論

2.1 結(jié)論

隨著環(huán)境問題的加劇，人們評價產(chǎn)品、技術(shù)或服務(wù)的優(yōu)劣已不再是單純的技術(shù)是否先進或經(jīng)濟是否合理，而是更加重視產(chǎn)品、技術(shù)或服務(wù)對環(huán)境和社會的直接影響和潛在危害?，F(xiàn)有的節(jié)能評估方法往往將重點集中于節(jié)能效果和經(jīng)濟效益兩方面，已不能滿足節(jié)能評估的需要。因此，本研究嘗試在節(jié)能評估領(lǐng)域引入一種新的評估方法，以解決節(jié)能評估中技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境和社會的綜合評價。

生命周期評價(LCA)是一種“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜娴脑u價體系，而全生命周期成本(LCC)的生命周期評價(LCA)的發(fā)展，使產(chǎn)品生命周期內(nèi)資源能源消耗、環(huán)境影響、資源消耗成本和外部環(huán)境成本分析量化得以實現(xiàn)，對節(jié)能技術(shù)的綜合效果評估以及節(jié)能決策管理有較好的支持輔助作用。

綜上所述，研究認(rèn)為基于全生命周期成本(LCC)的生命周期評價(LCA)能夠滿足鐵路節(jié)能評估需要，并且符合鐵路節(jié)能評估的發(fā)展趨勢。該方法的引入，將成為鐵路節(jié)能評估和節(jié)能管理的重要工具之一。

2.2 討論

生命周期評價(LCA)是一種新型的環(huán)境影響評價方法，而基于全生命周期成本(LCC)的生命周期評價(LCA)是近年來生命周期評價(LCA)發(fā)展的新趨勢，且它的應(yīng)用范圍較為局限。因此，無論是作為方法本身，還是引入節(jié)能評估這個新領(lǐng)域，該方法都有許多需要完善的地方。

(1)節(jié)能評估涵蓋面較廣，評估對象可能是一種或多種節(jié)能產(chǎn)品、技術(shù)，或者節(jié)能工藝流程，因此需要評估者對其整個生命周期流程和環(huán)節(jié)有較為清晰的認(rèn)識，否則在生命周期評價范圍的確定上可能出現(xiàn)偏差。因此，對評估者自身的要求較高。

(2)生命周期評價涉及范圍較廣，所需數(shù)據(jù)較多，有些數(shù)據(jù)難以獲得，且國內(nèi)尚無統(tǒng)一完善的標(biāo)準(zhǔn)。評價時所用的部分?jǐn)?shù)據(jù)庫往往來源于國外的數(shù)據(jù)庫，難免與中國實際情況有差異。因此，建立一個統(tǒng)一完善的中國生命周期評價數(shù)據(jù)庫將是今后中國生命周期評價研究發(fā)展和推廣應(yīng)用的重點工作之一。

(3)全生命周期成本分析和外部環(huán)境成本理論引入生命周期評價時間較短，應(yīng)用有限，仍需進行進一步發(fā)展，尤其是對環(huán)境負(fù)荷成本的深入研究，以更好地支撐生命周期評價。

(4)鐵路運輸系統(tǒng)組成龐雜，涉及專業(yè)和耗能設(shè)備較多，生命周期評價涉及系統(tǒng)的全時段和全方面，相應(yīng)的數(shù)據(jù)積累仍需發(fā)展完善。

［1］ 王壽兵.生命周期評價方法及其進展［J］.上海環(huán)境科學(xué)，1998，17(11):7－10.

［2］ ISO 1997 Environment management——life cycle assessment，International Standard ISOP 14040.

［3］ Yang jian xin，Per H Nielsen.Chinese life cycle assessment factors［J］.Journal of Environmental Sciences，2001，13(2): 205－209.

［4］ Heidi K S，Leif H，Ander S.LCA technical report:Impact categories，normalization and weighting in LCA.Update on selected EDIP97－data，Technology/dk－TEKNIK，2003.

［5］ HUijbregtsM A J， Breedveld L， HuppesG， etal.Normalization figures for environmental life－cycle assessment The Netherlands(1997/1998)，Western Europe(1995)and the world (1990 and 1995)［J］.JournalofCleaner Production，2003，11:737－748.