住宅建筑生命周期內(nèi)的揚塵排放研究

邊亞東， 代艷茹， 李慶文， 豆康健， 楊龍龍

(中原工學院， 鄭州 450007)

住宅建筑生命周期內(nèi)的揚塵排放研究

邊亞東， 代艷茹， 李慶文， 豆康健， 楊龍龍

(中原工學院， 鄭州 450007)

基于生命周期評價理論，構(gòu)建了住宅建筑生命周期內(nèi)的揚塵排放的計算模型。利用該模型，分析了鄭州地區(qū)3處住宅建筑在建材生產(chǎn)階段、施工階段、運行維護階段和拆除階段的揚塵排放量，得到整個生命周期內(nèi)單位建筑面積的揚塵排放量。本研究對于降低建筑揚塵排放量、治理空氣污染以及制定建筑物環(huán)保評價的相關標準具有重要參考意義。

生命周期評價；住宅建筑；揚塵排放

隨著城市化進程的加快，建筑揚塵的排放量不斷增加，空氣污染問題日益突出。我國部分地區(qū)的建筑揚塵對顆粒物污染中PM10濃度的貢獻達到12%[1]，排放源處對空氣污染更嚴重。在改善空氣質(zhì)量的同時，如何確定建筑揚塵的排放量引起了廣泛的關注。

趙普生等提出了Flux-FDM法，給出了適用于城市區(qū)域建筑物建設施工過程中揚塵排放的因子模型[2]。北京市環(huán)境保護科學研究院也對確定建筑揚塵的排放量做了大量的研究。其中，黃玉虎等基于“單元操作”排放因子法，結(jié)合北京建筑施工的條件，給出了拆除階段的建筑揚塵排放量的估算方法[3]；田剛等構(gòu)建了量化施工排放因子的四維通量法模型，填補了我國施工揚塵排放因子本地化研究的空白，并利用該模型得出北京和呼和浩特兩地施工階段的排放因子[4-5]。張雯婷結(jié)合北京地區(qū)的排放因子并利用美國EPA方法，估算了貴陽市區(qū)的建筑揚塵中PM10的排放量[1]。張麗麗等利用符合高斯模型條件的粉塵擴散模型，結(jié)合施工現(xiàn)場，得出了施工準備階段建筑揚塵排放系數(shù)[6]。本文基于生命周期評價方法，對建材生產(chǎn)、施工、運行維護以及拆除4個階段的揚塵排放情況進行研究，構(gòu)建住宅建筑整個生命周期建筑揚塵排放量計算模型，為減少建筑揚塵污染提供理論依據(jù)。

1 生命周期評價理論

生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)最早產(chǎn)生于20世紀60年代末，是研究一個產(chǎn)品從原材料獲得到生產(chǎn)、使用以及報廢處置等整個過程對環(huán)境影響的一種定量分析方法。國際環(huán)境毒理會與化學學會(SETAC)和國際化標準組織(ISO)均提出了生命周期評價的技術(shù)框架。其中，ISO14040提出的生命周期評價的技術(shù)框架包括目的與范圍的確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋4個相互關聯(lián)的部分[7]，更符合研究需要，并且得到廣泛的應用。

2 住宅建筑揚塵排放量計算模型

2.1 評價目的和范圍的確定

住宅建筑生命周期劃分為4個階段，即建材生產(chǎn)階段、施工階段、運行維護階段以及拆除階段。本研究結(jié)合各階段基本流的輸入與輸出，分析3處住宅建筑各個階段的揚塵排放情況，得出住宅建筑生命周期揚塵排放因子，尋找住宅建筑揚塵排放量最大的單元過程，為建筑揚塵污染控制提供理論依據(jù)。其功能單位為單位建筑面積的揚塵排放量(kg/m2)。

2.2 構(gòu)建模型

住宅建筑整個生命周期揚塵排放總量W為：

(1)

式中：Wi為第i階段揚塵排放量，kg。

住宅建筑生命周期揚塵排放功能單位EF的計算模型為：

(2)

式中：S為總建筑面積，m2。

2.2.1 建材生產(chǎn)階段

原材料開采、原材料運輸和建材生產(chǎn)是建材生產(chǎn)階段揚塵的主要來源。假設各類建材的損耗為0，即建材生產(chǎn)階段各個環(huán)節(jié)的建材量相等，并且都等于建材使用量，則建材生產(chǎn)階段的揚塵排放量為：

(3)

式中:EFj為第j種建材在生產(chǎn)階段的揚塵排放因子，kg/“單位”；Qj為第j種原材料使用量，“單位”。

2.2.2. 施工階段

施工階段是住宅建筑成型的階段，其揚塵排放主要由地基填挖、建材裝卸及運輸和裝修等引起。就當前來看，受工期和建筑面積的影響，施工階段揚塵排放量計算模型如下:

W2=EF2×T×S

(4)

式中：EF2為施工階段的揚塵排放因子，kg /(m2·30 d)；T為工期，d。

2.2.3 運行維護階段

運行維護階段是住宅建筑實現(xiàn)其價值的階段。運行維護階段主要考慮使用過程的能耗，主要涉及采暖、空調(diào)、通風、照明用電和其他生活用電等能耗。此階段的能耗在整個生命周期中所占比重最大，并且隨著使用年限的增加逐年遞增。因此，在計算運行維護階段的揚塵排放量時要考慮運行時間。該階段的揚塵排放量為：

W3=EF3×Y×S

(5)

式中：EF3為運行維護階段的揚塵排放因子，kg/(m2·y)；Y為運行年限，y。

2.2.4 拆除階段

拆除階段僅考慮建筑物拆除和建筑垃圾運輸過程的揚塵排放，忽略建筑垃圾處理過程的揚塵排放。該階段的揚塵排放計算模型為：

W4=EF4×S

(6)

式中：EF4為拆除階段的揚塵排放因子，kg/m2。

3 工程實例分析

住宅建筑的形式多種多樣，不同類型的住宅建筑生命周期內(nèi)揚塵排放量不同。為了較全面地了解住宅建筑生命周期內(nèi)揚塵排放情況，本文選取鄭州地區(qū)3處住宅建筑作為研究對象。工程概況如表1所示。

表1 住宅建筑概況

3.1 清單分析

3.1.1 建材消耗清單

住宅建筑在其建設過程中需要多種建筑材料，每種建材的需求量不同，造成大氣污染的程度也不同。本文分析消耗量較大的5類建材(鋼材、水泥(含白水泥)、商品混凝土、磚、加氣砼塊)的揚塵排放量。A、B、C 3處住宅建筑的建材使用量來自于施工單位的工程量清單，具體內(nèi)容見表2。

表2 住宅建筑建材消耗量

3.1.2 各階段排放清單

要計算整個生命周期內(nèi)的建筑揚塵排放量，各階段及各類建材的揚塵排放因子不可或缺。本文總結(jié)了關于建筑揚塵排放的研究成果[8]，對于無法從文獻中獲取的數(shù)據(jù)，采用行業(yè)標準[9]或相關數(shù)據(jù)替代。其中，運行維護階段的揚塵排放因子用PM10的排放因子[10]替代。揚塵排放因子見表3。

表3 揚塵排放因子

3.2 住宅建筑揚塵排放量分析

將3處住宅建筑的清單數(shù)據(jù)代入構(gòu)建的模型中，住宅建筑各階段揚塵排放情況如表4所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，雖然3處住宅的位置、結(jié)構(gòu)、建筑面積以及使用年限存在差異，但3處住宅單位建筑面積生命周期的揚塵排放量卻非常接近。由此可知，得出的結(jié)論具有一定可靠性。整個生命周期內(nèi)單位建筑面積的平均揚塵排放量為23.36 kg，即EF=23.36 kg/m2。

3.3 影響評價

從表4可以看出，3處住宅建筑生命周期內(nèi)揚塵排放量大小依次為：拆除階段>運行維護階段>施工階段>建材生產(chǎn)階段。因此，4個階段中建筑拆除階段對大氣污染最重，而建材生產(chǎn)階段對大氣污染最小。

從3處住宅建筑(見圖1)可以看出：在建材生產(chǎn)階段和施工階段，A住宅和B住宅的揚塵排放量所占比重均小于C住宅；而在拆除階段，C住宅的揚塵排放量所占比重小于A住宅和B住宅。由此可以推斷出：揚塵排放量受建筑結(jié)構(gòu)制約，即結(jié)構(gòu)不同，揚塵排放量不一樣。

表4 住宅建筑全生命周期內(nèi)的揚塵排放量

圖1 各階段揚塵排放量比重

雖然建材生產(chǎn)階段的揚塵排放量小，但是不容忽視。圖2給出了建材生產(chǎn)階段5類建材揚塵排放量的比重。從圖中可以看出，商品混凝土的揚塵排放量所占的比重最大，達到89%以上，其次是鋼材。

圖2 主要建材的揚塵排放量比重

3.4 結(jié)果分析

(1)比較住宅建筑各階段可知，拆除階段(未考慮建筑垃圾處理)的揚塵排放量最大，達到50%。住宅建筑拆除需要大量的能耗，揚塵排放隨之增加。因此，可以通過降低能耗，封閉施工現(xiàn)場，覆蓋隔塵布等措施來減少揚塵排放量。

(2)在建材生產(chǎn)階段，商品混凝土和鋼材的揚塵排放量所占比重最大，達到95%以上。商品混凝土和鋼材是不可缺少的建材，從使用量上減少不現(xiàn)實。減少建材生產(chǎn)階段的揚塵排放量，應該著重控制商品混凝土和鋼材生產(chǎn)過程中的揚塵排放。

4 結(jié) 語

本文運用生命周期評價方法評價住宅建筑整個生命周期內(nèi)的揚塵排放情況。研究表明，住宅建筑整個生命周期內(nèi)單位建筑面積的揚塵排放量為23.36 kg；住宅建筑4個階段中拆除階段揚塵排放量所占的比重大于50%；建材生產(chǎn)階段中商品混凝土的揚塵排放量所占的比重達到89%以上。

由于住宅建筑在整個生命周期內(nèi)所涉及的物質(zhì)流過多，數(shù)據(jù)收集相對困難，對本研究造成很大的限制。在今后研究中，將加強數(shù)據(jù)的收集和整理，對住宅建筑揚塵排放情況進行更深入的研究。

[1] 張雯婷, 王雪松, 劉兆榮，等. 貴陽建筑揚塵PM10排放及環(huán)境影響的模擬研究[J]. 北京大學學報(自然科學版), 2010(2):258-264.

[2] 趙普生, 馮銀廠, 張裕芬，等. 建筑施工揚塵排放因子定量模型研究及應用[J]. 中國環(huán)境科學, 2009 (6):567-573.

[3] 黃玉虎, 樊守彬, 秦建平，等. 北京建筑拆除工程揚塵污染排放研究[C]//2005年北京綠色奧運環(huán)境保護技術(shù)與發(fā)展研討會論文集. 北京：國家環(huán)?？偩?， 2005:291-298.

[4] 田剛, 黃玉虎, 李鋼. 四維通量法施工揚塵排放模型的建立與應用[J]. 環(huán)境科學, 2009(4):1003-1007.

[5] 黃玉虎, 蔡煜, 毛華云，等. 呼和浩特市施工揚塵排放因子和粒徑分布[J]. 內(nèi)蒙古大學學報(自然科學版), 2011(2):230-235.

[6] 張麗麗, 許意軍, 王琨，等. 建筑施工揚塵排放系數(shù)測算與防治措施研究——以河南省鄭州市為例[J]. 河南科學, 2012(7):961-963.

[7] ISO. ISO 14040 Environmental Management Life Cycle Assessment Principles and Framework[S]. Geneva: ISO, 2006.

[8] 李小玲, 孫文強, 趙亮,等. 典型鋼鐵企業(yè)物能消耗與煙粉塵排放分析[J]. 東北大學學報(自然科學版), 2016(3):352-356.

[9] 第一次全國污染源普查資料編纂委員會.污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(上冊)[M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社,2011:121-137.

[10]朱嬿, 陳瑩. 住宅建筑生命周期能耗及環(huán)境排放案例[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2010(3):330-334.

(責任編輯：陸俊杰)

Study on the Dust Emission in the Life Cycle of Residential Buildings

BIAN Ya-dong, DAI Yan-ru, LI Qing-wen, DOU Kang-jian, YANG Long-long

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Based on the theory of life cycle assessment, this paper structures a calculation model to calculate the dust emissions in the whole life cycle of residential buildings. This model is used to analyze the dust emission in the building materials production stage, construction stage, operation stage and demolition stage about three residential buildings which are situated in Zhengzhou region, obtained the amount of dust emission in the whole life. It is of great significance to reduce the dust emission of buildings, to control air pollution, and to formulate relevant standards for environmental assessment of buildings.

life cycle assessment；residential building；dust emission

2016-10-17

邊亞東(1975-)，男，山東鄒城人，教授，博士,主要研究方向為建筑生命周期評價、邊坡工程與支擋結(jié)構(gòu)、巖石爆破技術(shù)等。

1671-6906(2016)06-0078-04

X513

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.06.016