基于生態(tài)足跡模型的建筑工程環(huán)境評(píng)價(jià)

袁 強(qiáng)

(山煤房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，山西 太原 030002)

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基于生態(tài)足跡模型的建筑工程環(huán)境評(píng)價(jià)

袁 強(qiáng)

(山煤房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，山西 太原 030002)

基于生態(tài)足跡成分法原理，建立了建筑工程生態(tài)足跡評(píng)價(jià)模型，分析了消耗單位能源的生態(tài)足跡，得到的結(jié)果可以直接應(yīng)用于建筑工程生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)之中，為建筑行業(yè)進(jìn)行“綠色建筑”建設(shè)提供了參考依據(jù)。

生態(tài)足跡，成分法，建筑工程，環(huán)境評(píng)價(jià)

0 引言

建筑業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，建筑工程高速擴(kuò)張。然而，建筑行業(yè)占用大量耕地、森林、草地等生物生產(chǎn)性土地，消耗大量能源、資源，產(chǎn)生和排放大量污染物，改變了資源地原有的生態(tài)環(huán)境。中國(guó)有30%～40%的能量消耗被用于建筑物的建造和使用過(guò)程[1]，34%的空氣污染和40%的固體廢棄物由建筑行業(yè)直接或間接造成[2]。對(duì)建筑業(yè)資源效率及可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r的評(píng)價(jià)是當(dāng)今重要的研究課題。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了相應(yīng)的環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如英國(guó)建筑研究組織構(gòu)建的BREEAM、美國(guó)綠色建筑協(xié)會(huì)發(fā)布的綠色建筑評(píng)價(jià)體系LEED。這些評(píng)價(jià)方法存在一些問(wèn)題：第一，國(guó)內(nèi)使用的標(biāo)準(zhǔn)是條款式的主觀評(píng)價(jià)方法，主觀因素較重；第二，研究的對(duì)象是能源、資源的消耗情況，與周邊生態(tài)未能建立聯(lián)系；第三，數(shù)據(jù)的追蹤和收集困難。生態(tài)足跡有成分法和綜合法兩種計(jì)算模型，成分法適合于小單元對(duì)象計(jì)算[3,4]。本文以具體建筑工程為研究對(duì)象，計(jì)算其生態(tài)足跡，為生態(tài)足跡計(jì)算方法提供了定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)和參考依據(jù)。

1 生態(tài)足跡基本理論

生態(tài)足跡方法由加拿大教授William Rees于1992年提出并由Wackernagel進(jìn)一步完善[5,6]。目前，主要工業(yè)國(guó)家均已完成各自生態(tài)足跡指標(biāo)的計(jì)算,其經(jīng)驗(yàn)也正在向發(fā)展中國(guó)家普及[7,8]。

1.1 生態(tài)足跡

將各種消費(fèi)量折算為林地、牧地、耕地、建筑用地、化石能源地、水域等六類(lèi)面積是生態(tài)足跡分析的特征[9]。生產(chǎn)性土地的任一類(lèi)的面積Mk為：

(1)

其中，n為由第k類(lèi)土地提供的消費(fèi)項(xiàng)目的數(shù)量；Aki，Cki,Yki分別為由第k類(lèi)土地提供的第i種消費(fèi)的土地需求面積、年消費(fèi)量和世界平均生產(chǎn)力。

1.2 均衡因子和產(chǎn)量因子

由前述可知，生態(tài)生產(chǎn)性土地劃分為六種，計(jì)算的各類(lèi)能源、資源消耗量折算為這六種土地的面積，這六種土地的生產(chǎn)能力是不等的。均衡因子計(jì)算公式如下：

(2)

表1 均衡因子

建筑用地的均衡因子和耕地取為一致，化石能源用地的均衡因子與林地取為一致。因?yàn)椋ㄖこ陶紦?jù)的多是富饒的耕地，而化石能源因其形成過(guò)程可歸為林地。產(chǎn)量因子的引入是為了解決同一類(lèi)型土地在不同地區(qū)、不同氣候條件下的生產(chǎn)力能力不同的問(wèn)題，以使不同地區(qū)建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 生態(tài)承載力

生態(tài)承載力也是生態(tài)容量，是不損害生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)功能前提下，本地區(qū)所能提供的生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積，通過(guò)下式計(jì)算：

EC=∑SiEqiYi(1-13.4%)

(3)

其中，Si為第i種生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積，hm2；Eqi為第i種生態(tài)生產(chǎn)性土地的均衡因子；Yi為產(chǎn)量因子；13.4%為處于謹(jǐn)慎考慮預(yù)留的比例。

2 建筑工程生態(tài)足跡模型

2.1 研究范疇

從工程管理的角度出發(fā)建筑工程項(xiàng)目的全壽命周期包括項(xiàng)目的決策階段、實(shí)施階段和使用階段。但是，對(duì)于本文的研究來(lái)說(shuō)這樣的劃分顯然是不足的，工程項(xiàng)目最后的報(bào)廢和處理階段也需要消耗能量、資源，同樣與周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生交互影響，因此必須將建筑工程項(xiàng)目的拆除納入研究范疇，從而真正實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑項(xiàng)目的全壽命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)。在工程項(xiàng)目的決策階段并不涉及資源的消耗，但是決策階段對(duì)工程項(xiàng)目實(shí)際產(chǎn)生的生態(tài)足跡影響很大，良好的決策可以有效的減少能源消耗，降低生態(tài)足跡。本文的研究即可為項(xiàng)目決策提供參考。

2.2 研究對(duì)象

2.2.1 施工階段

建筑工程的能源消耗主要集中于施工階段，這一階段的生態(tài)足跡占用主要為建筑材料、施工輔助材料、周轉(zhuǎn)材料和施工機(jī)具。具體項(xiàng)目如圖1所示。其中，需要說(shuō)明的是對(duì)于電能的消耗，要考慮電能的不同生產(chǎn)方式造成的生態(tài)足跡，目前國(guó)內(nèi)主要發(fā)電方式有火力發(fā)電、水電和核電，對(duì)火電來(lái)說(shuō)其生態(tài)足跡可歸結(jié)于化石能源用地，水電和核電則需要考慮設(shè)施建造過(guò)程中對(duì)土地的占用，因此將電能的消耗歸結(jié)為耕地和化石能源用地；對(duì)于水的消耗，除了直接的淡水資源外，還要考慮產(chǎn)水時(shí)所消耗的能源以及污水處理所耗的電能，因此將水資源的消耗歸結(jié)于水域、耕地和化石能源用地。

2.2.2 使用階段

使用階段的生態(tài)足跡主要是指為維持建筑物正常運(yùn)行所必須的照明、空調(diào)、采暖和通風(fēng)等設(shè)施對(duì)能源的消耗，以及在使用階段的水資源消耗。

2.2.3 拆除階段

拆除階段的生態(tài)足跡主要是指拆除過(guò)程中施工機(jī)具的能源消耗，包括化石能源和水資源，以及固體廢棄物處理對(duì)土地的占用。對(duì)廢物的處理一般是通過(guò)堆放和掩埋的方式實(shí)現(xiàn)，通常發(fā)生在遠(yuǎn)離城區(qū)的廢棄土地，屬于低產(chǎn)地。低產(chǎn)地類(lèi)型為后續(xù)新增的土地類(lèi)型，其均衡因子本文取為0.46。

3 能源生態(tài)足跡

3.1 化石能源

文獻(xiàn)[10]將化石能源的消耗定義為“用于吸收化石能源消耗產(chǎn)生溫室氣體所需的森林量”，本文主要考慮的溫室氣體為CO2，其占溫室氣體總量的絕大部分。因此對(duì)于化石能源生態(tài)足跡的計(jì)算首先是確定消耗單位能源的CO2排放量，然后確定吸收單位CO2所需的化石能源地，計(jì)算公式如下：

(4)

其中，Mfi為第i種化石能源生態(tài)足跡，hm2；vi為能源單位重量熱值；α為碳到CO2的轉(zhuǎn)換系數(shù)；qi為能源的年消耗量；Yc為當(dāng)?shù)亓值氐腃O2年吸收能力；ηi為單位熱值的碳排放量。常見(jiàn)化石能源的生態(tài)足跡如表2所示。

表2 常用化石能源的生態(tài)足跡

3.2 電能

用于吸收化石能源消耗產(chǎn)生溫室氣體所需的森林量是化石能源的消耗[10]，水電和火電兩種形式占全國(guó)發(fā)電總量的98%左右[11]。本文以這兩種電源形式的電計(jì)算中國(guó)生產(chǎn)1 kW·h 電的生態(tài)足跡。

1)火電。

(5)

其中，Mef為電力消耗的生態(tài)足跡；re為火力發(fā)電量占總發(fā)電量的比例；ve為單位重量標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值；qe為年均用電量；ee為單位發(fā)電量標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量；ηe為煤炭的碳排放系數(shù)。

2)水電。

Mew=qe×Cs×A×106

(6)

其中，Mew為生產(chǎn)耗用水電產(chǎn)生的間接生態(tài)足跡；qe為年耗電量；Cs為耗電量中水電比重，%；A為我國(guó)單位水電的生態(tài)足跡。參考國(guó)家電力信息網(wǎng)和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的相關(guān)數(shù)據(jù)以及環(huán)球足跡網(wǎng)絡(luò)的水電平均生產(chǎn)能力，計(jì)算得生產(chǎn)1 kW·h電占用的生態(tài)足跡為0.806 6 hm2。

3.3 水

Mw=Qw/Pw

(7)

其中，Mw為消耗新水所占用的生態(tài)足跡；Qw為耗用新水的總量；Pw為水資源世界平均足跡。抽水機(jī)工作耗電所占用部分歸類(lèi)于電耗不作計(jì)算。

4 建筑工程生態(tài)足跡計(jì)算

4.1 施工階段

如前2.2.1所述，施工階段產(chǎn)生的生態(tài)足跡主要在于工程占地、材料消耗和能源消耗。對(duì)于建筑材料所占用的化石能源地可以根據(jù)生產(chǎn)單位重量建材CO2的排放量計(jì)算，但是此數(shù)據(jù)不易獲取。文獻(xiàn)[12]提出利用生產(chǎn)建材的能耗水平(即物化能)間接確定化石能源的占用情況。計(jì)算公式如下：

EFc=S·Eq+∑EEi·(1+coeff·C·Eqj)

(8)

其中，EFc為施工階段的生態(tài)足跡；S為建筑工程的面積；Eq為建筑用地的均衡因子；EEi為第i種建材均攤到年的物化能；C為物化能—生態(tài)生產(chǎn)性土地的轉(zhuǎn)化系數(shù)；coeff為現(xiàn)場(chǎng)耗能系數(shù)；Eqj為第j種生態(tài)生產(chǎn)性土地的均衡因子，鑒于國(guó)內(nèi)作業(yè)較為粗放，因此coeff取為8%。

4.2 使用階段

使用階段的生態(tài)足跡主要產(chǎn)生于電能和水資源的消耗，文中第三節(jié)已經(jīng)探討了單位電能對(duì)應(yīng)的生態(tài)足跡以及水資源的生態(tài)足跡，易知：

EFu=qe·Me+Mw

(9)

其中，EFu為使用階段的生態(tài)足跡；qe為年耗電量；Me為單位電量生態(tài)足跡。

4.3 拆除階段

王羅春[13]的研究指出，建筑工程施工過(guò)程達(dá)7 000 t～1.2萬(wàn)t。如前2.2.3所述，拆除階段的生態(tài)足跡主要產(chǎn)生于固體廢棄物的堆放對(duì)土地的占用，此處占用的為低產(chǎn)地。若固體廢棄物的密度按照1.8 t/m3計(jì)算，堆高5 m，則每噸建筑固體廢棄物占用低產(chǎn)地0.111 m2，堆高越大，其占用的土地越少。

5 結(jié)語(yǔ)

本文探討了生態(tài)足跡模型的基本原理和計(jì)算方法，運(yùn)用生態(tài)足跡分析，建立了針對(duì)建筑工程的環(huán)境影響定量評(píng)價(jià)的方法，建立了以生態(tài)足跡為標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的建筑工程環(huán)境影響指標(biāo)，在項(xiàng)目決策時(shí)期，為有效降低工程能耗，減少環(huán)境污染提供參考依據(jù)。

文章詳細(xì)探討了各能源的生態(tài)足跡，給出了計(jì)算方法，對(duì)于特定建筑工程可以方便的計(jì)算各個(gè)階段對(duì)應(yīng)的生態(tài)足跡，便于項(xiàng)目管理成員掌握各階段工程對(duì)環(huán)境的影響，從而采取有效措施降低生態(tài)足跡。

本文提出的方法雖具有一定適用性，同時(shí)也存在局限性，主要表現(xiàn)在：1)生態(tài)足跡指標(biāo)偏向于對(duì)生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)，未能將經(jīng)濟(jì)效益等考慮進(jìn)來(lái)。2)衡量化石能源的消耗利用的是CO2這一指標(biāo)，從而使化石能源用地的計(jì)算偏小。3)為能準(zhǔn)確的計(jì)算生態(tài)足跡，需要詳細(xì)的資源消耗清單，資料的收集需貫穿于整個(gè)工程壽命周期，這無(wú)疑增加了項(xiàng)目的投入，制約了此種方法的普及。

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The environmental assessment of construction engineering based on ecological footprint model

Yuan Qiang

(ShanxiCoalRealEstateDevelopmentLimitedCompany,Taiyuan030002,China)

Based on the ecological footprint component method theory, this paper established the ecological footprint assessment model of construction engineering, analyzed the ecological footprint of consumption unit energy, the gained results could be directly applied in the construction engineering ecological environmental assessment, provided reference for the “green building” construction of construction industry.

ecological footprint, composition method, construction engineering, environmental assessment

1009-6825(2016)24-0183-03

2016-06-13

袁 強(qiáng)(1987- )，男，工程師

X799.1

A