生命周期評價在建筑給排水管道材料優(yōu)化中的應用

宋明洋　江冠君

【摘? 要】建筑給排水管道的選擇對建筑節(jié)能具有重要意義。過去，建筑設計師主要考慮管道在建筑給排水系統(tǒng)中的使用性能和一次性成本，而忽略了不同管道在整個生命周期內資源、能耗和污染物排放的差異。本文將生命周期評價與層次分析法相結合，分析了建筑給排水系統(tǒng)中不同管道的能耗、資源消耗及其對環(huán)境的影響。本研究表明，用PVC-U替代其他金屬管道可以顯著降低環(huán)境影響，這也意味著生命周期評估在建筑管道設計中的重要性。

【關鍵詞】給排水科學;生命周期;材料優(yōu)化

一、生命周期的角度

生命周期評價（LCA）是一種有用的潛在環(huán)境影響評價理論工具，它提供了產品在整個生命周期內的能源消耗、資源消耗和環(huán)境排放方面的廣泛的產品信息，可以為改善環(huán)境提供建議和措施。它是實現可持續(xù)發(fā)展的重要工具。LCA通常包括四個階段：目標和范圍定義、生命周期庫存分析（LCI）、生命周期影響評估（LCIA）和生命周期解釋階段。層次分析法將復雜的多目標決策問題視為一個系統(tǒng)，將目標分解為多個目標，通過進一步分解得到多層次的指標。最后，通過定性指標的模糊定量方法，可作為多目標、多方案決策優(yōu)化的系統(tǒng)方法。LCA作為一種成熟的評價工具，越來越多地應用于水環(huán)境特別是城市給排水領域。利用LCA可以完成水系統(tǒng)的庫存分析，優(yōu)化資源配置和管理，減少資源和能源消耗，實現水系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

二、系統(tǒng)描述

（一）建立LCA模型

本研究的目的是研究建筑管道在生命周期中的資源消耗、能源消耗和污染物排放情況。為了更好的指導今后的管道設計，本研究中的管道重量計算是在滿足設計水量的前提下進行的。然后對庫存進行分析，主要包括物料在生產、運輸、安裝運行階段、可再生能源消耗階段、資源消耗階段和污染物排放階段，通過庫存分析，我們可以得到整個生命周期的總能源消耗（不包括回收材料的質量）和每根管道排放的污染物。我們建立了一個基于BWSDS生命周期分析的LCA模。[1]

在具體工作開展過程中，可基于地域的氣候環(huán)境、植被特點、地形結構、水文特點等，進行綜合全面的分析評估，進而開展科學合理的規(guī)劃布局，保證景觀建筑學應用的可行性與有效性。為達到預期工作開展目標，應當充分利用該地區(qū)的地形地貌，使得建筑物的整體安全性得到有效保障;其次，設計人員需了解該地區(qū)的氣候環(huán)境、光照、降水量、濕度等，保證景觀建筑物具有非常強的適應性，為民眾提供有效的住所環(huán)境;最后，則需要合理利用當地的植被，使得景觀建筑物與當地植被進行有效結合，體現出地域文化的內涵，推動我國景觀建筑學逐漸邁向生態(tài)化方向。

（二）目標和范圍定義

BWSDS的LCA評價過程包括原材料開采、原材料制造、管道生產、產品運輸、管道安裝、運營、維護、拆除和回收。生命周期的每個階段都需要消耗資源和能源。本次評價的目的是比較BWSDS不同管道在其生命周期內的資源消耗、能源消耗和環(huán)境影響，以獲得最適合該建筑的管道類型，并指導今后的管道設計。生命周期范圍的定義取決于研究的目的、未來的應用、研究的深度和廣度等。管道生命周期的范圍可以定義為從原材料的使用開始到去除和回收的步驟。

根據管道的制造工藝和應用情況，選擇具有代表性的PVC-U管道，采用LCA分析不同管道使用時的資源消耗、能源消耗和環(huán)境影響;供水管選用熱鍍鋅鋼管和銅管，排水管選用PVC-U管和鑄鐵管。庫存分析是建筑LCA的主要部分，包括材料和能源消耗的庫存分析，包括生產、現場作業(yè)、運輸、作業(yè)、拆除、總能耗等。我們簡化了分析，只考慮了主要因素，忽略了次要因素。影響分析和結論主要基于生產、運輸和運營能耗。

（三）功能部件

在LCA中，功能單元是指產品系統(tǒng)在生命周期評估中作為參考單元的量化性能。功能單元必須是可測量的，以確保LCA結果的可比性。功能單元是以與規(guī)定相關的相同或類似因素或參數為前提設置的。我們認為不同的管道在容量上是不同的水的供應。因此，在管道供水相同的前提下考慮LCA評價，對今后的管道設計具有指導意義。我們選擇了與基礎機組供水能力相同的機組管道質量。為了比較其一致性，我們將不同的能源單位轉換為標準煤進行計算。最后，我們以kgec/t和tec/t（每噸產品需要每噸標準煤當量）為功能單位。

三、系統(tǒng)描述

（一）硬聚氯乙烯管道的庫存

聚氯乙烯的原料是氯乙烯。目前，氯乙烯的主要生產工藝有直接氯化、氧氯化和生產氯乙烯、電石和乙炔。其中，氧氯化法是世界上用乙烯和氯生產聚氯乙烯最常用的方法。生產1噸氯乙烯需要0.492t（單位生產能耗1.935 tec/t）乙烯和0.599 t氯（單位生產能耗0.788 tec/t），其中消耗0.09 tec。我國PVC的主要生產方式是懸浮法，生產1噸PVC需要1.01噸氯乙烯，消耗0.246 tec。對于PVC-U管的生產，除聚氯乙烯外，一般還要求添加約5%的輕質碳酸鈣（單位生產能耗為0.3 tec/t）。根據PVC-U管的生產工藝和單位能耗，可以計算出PVC-U管的原料能耗為1.696 t/tec。用現有材料生產1噸PVC-U管需要0.32 tec。由于產品將被回收，平均循環(huán)次數、再生率、再生過程能耗值和加工成功率分別為3.333（n）、70%、0.16 tec/t和90%。乙烯的生產主要來自石油，生產1噸PVC-U需要5噸混合礦石。根據國家統(tǒng)計局工業(yè)和交通統(tǒng)計司（2004）的數據，30%的塑料制品及其原材料是由機動車運輸的（單位運輸的油耗為0.071 L/（t?km），其余由鐵路運輸（單位運輸能耗達7.3電氣/（t?kj）），和運輸距離他們經驗分別為61公里和780公里，能源消耗的原材料運輸和制成品的運輸被計算6 kgec / t。

（二）熱鍍鋅鋼管庫存

鍍鋅鋼的主要原料是鋼材。煉鋼原料主要是鐵水、廢鋼和成渣劑。煉鋼方法主要有高爐法、定向還原法和冶煉還原法。其原理是礦石在特定條件下（還原物質CO、H2、C和適當的溫度）通過物理和化學反應生成生鐵。在高爐工藝中，1噸鐵生產需要1.812 t混合礦石、0.5 t焦炭和0.075 t粉煤灰分，其中燒結工藝能耗為0.06 tec/t，煉鐵工藝能耗為0.41 tec/t。指的是研究可再生材料，這一過程的綜合能耗為1.18 tec / t，再生率是80%，平均周期為5（n），再生過程的能源消耗是0.47 tec / t，處理成功率75%。材料成型工藝能耗為0.144 tec/t。運輸能耗根據我國統(tǒng)計數據，以礦石運輸為基礎計算。

四、結束語

綜合，環(huán)境評價結果顯示，PVC-U管道在資源消耗、能源消耗和環(huán)境影響單項評價指標上均最小。因此，我們建議在類似的住宅建筑中推廣使用PVC-U管道，不建議使用金屬管道。從單一的影響評估指標來看，全球變暖是主要問題。但是，目前世界上的能源資源決定了絕大多數以石化原料為主要能源結構的國家在短時間內難以改變。我們要多注意管材的選擇推廣更環(huán)保的PVC-U管道，減少化石燃料的使用，促進能源結構調整。盡管如此，在BWSDS中管道的選擇仍然受到其他幾個因素的影響，如建筑要求、建筑使用壽命要求、使用場合、水溫、水質等。對于我們來說，我們應該通過考慮所有這些因素來建立一個更加平衡和和諧的社會。

參考文獻：

[1]李愛菊;陳紅雨;環(huán)境友好材料的評價方法[A];2008全國功能材料科技與產業(yè)高層論壇論文集[C];2008年.

[2]李釗;林忠平;吳昌甫;孫婧婷;風機過濾單元生命周期能耗分析[J];潔凈與空調技術;2011年03期.