建筑項目全壽命周期生態(tài)足跡測算模型

陳虹宇， 滕佳穎， 王彥玉， 吳賢國， 覃亞偉

(1. 悉尼大學(xué) 商學(xué)院, 澳大利亞 悉尼 2006; 2. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

中國作為建筑業(yè)大國，建筑業(yè)對能源和資源的不合理利用、排放的大量垃圾和CO2已對環(huán)境造成前所未有的負面影響[1]。而到2020年中國還要在目前建筑面積的基礎(chǔ)上新增約80%，中國迫切需要解決建筑快速發(fā)展與環(huán)境日益惡化之間的矛盾[2]，合理預(yù)估評價建筑項目的生態(tài)環(huán)境影響程度，制定并推行生態(tài)最優(yōu)方案，實現(xiàn)建筑項目的生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展。

近幾年，建筑能耗和碳排放成為生態(tài)環(huán)境影響程度評價的熱門指標(biāo)，但這兩項指標(biāo)并不能評價項目消耗的材料、水資源以及產(chǎn)生的固體垃圾對環(huán)境造成的影響。生態(tài)足跡是20世紀(jì)90年代早期Mathis Wackernagel提出的指標(biāo)[3]，已是公認(rèn)的簡單和有效的生態(tài)可持續(xù)評價指標(biāo)[4～6]，但目前生態(tài)足跡還未廣泛應(yīng)用于建筑項目的生態(tài)環(huán)境影響程度評價，相關(guān)研究較少，如： Solís-Guzmán[6]等構(gòu)建了住宅建筑施工階段生態(tài)足跡的計算模型，初步完善了生態(tài)足跡在建筑項目生態(tài)可持續(xù)性評價中的應(yīng)用。Bin[5]等基于全壽命周期分析方法建立了生態(tài)足跡模型，用于評價住宅建筑的可持續(xù)性。但是，現(xiàn)有生態(tài)足跡模型或缺少考慮能源本身的生態(tài)足跡、或缺少考慮CO2生態(tài)足跡、或缺少考慮水資源和固體垃圾生態(tài)足跡的不足。

因此，本文將構(gòu)建建筑項目全壽命周期生態(tài)足跡測算模型，用于作為一個集合指標(biāo)，全面預(yù)估評價建筑項目全壽命周期各個階段消耗的能源、資源以及排放的CO2和固體垃圾對生態(tài)環(huán)境的影響程度，為決策者制定生態(tài)最優(yōu)方案提供依據(jù)。

1 全壽命周期生態(tài)足跡測算模型構(gòu)建

建筑項目全壽命周期生態(tài)足跡是指提供項目消耗的能源和資源，以及吸收產(chǎn)生的CO2和固體垃圾所需的土地面積，用于明確量化項目全壽命周期的生態(tài)環(huán)境影響程度。

計算原理：首先將投入項目全壽命周期各個階段的資源量和能源量以及產(chǎn)出的固體垃圾數(shù)量和CO2數(shù)量利用化石能源用地、可耕地、草地、森林、建設(shè)用地或水域生態(tài)生產(chǎn)性用地面積表示；然后再結(jié)合均衡因子將各類生態(tài)生產(chǎn)性用地面積統(tǒng)一為以國家公頃(national hectare，nha)[2]為計量單位的土地面積，并求和。以nha為單位比以往通用的以全球公頃(global hectare，gha)為計算單位更能真實反應(yīng)國家的生態(tài)足跡情況，故本文以nha為計量單位。

全生命周期生態(tài)足跡指標(biāo)EFtot由前期準(zhǔn)備、物化、運營以及拆除和垃圾處理4個階段的生態(tài)足跡模型構(gòu)成，由式(1)計算。

EFtot=EFpre+EFcon+EFope+EFdem

(1)

式中：EFpre，EFcon，EFope，EFdem分別為建筑前期準(zhǔn)備階段(包括規(guī)劃、設(shè)計和勘察)、物化階段(包括材料生產(chǎn)和項目施工階段)、運營階段、拆除和垃圾處理階段的生態(tài)足跡。

根據(jù)相關(guān)文獻[7,8]可知，前期準(zhǔn)備階段以及拆除和垃圾處理階段的資源、能源和碳排放量在全壽命周期所占的比例較小，本文這兩個階段生態(tài)足跡模型主要是基于物化階段，應(yīng)用相關(guān)系數(shù)折算。

1.1 建筑前期準(zhǔn)備階段生態(tài)足跡模型

建筑前期準(zhǔn)備階段生態(tài)足跡EFpre主要來自交通、辦公設(shè)備、照明、空調(diào)用電和生活用水等消耗的能源、資源以及排放的CO2的生態(tài)足跡。根據(jù)建筑物化階段的生態(tài)足跡推算，見式(2)。

EFpre=lpreEFcon

(2)

式中：lpre為基于建筑物化階段生態(tài)足跡的轉(zhuǎn)換系數(shù)，建議取1.1%[7, 8]。

1.2 建筑物化階段生態(tài)足跡模型EFcon

建筑物化階段生態(tài)足跡EFcon來自材料生產(chǎn)、施工活動過程和建設(shè)用地的生態(tài)足跡，由式(3)計算。

EFcon=EFmat+EFact+EFbui

(3)

式中：EFmat，EFact，EFbui分別表示材料生產(chǎn)、施工活動和建設(shè)用地的生態(tài)足跡。

EFmat由式(4)計算，材料生產(chǎn)的生態(tài)足跡主要來自兩方面：其一是消耗的原材料生態(tài)足跡EFmr，由式(5)，(6)計算；其二是原材料開采、運輸加工到生產(chǎn)成為建筑材料過程消耗的能源和排放的CO2的生態(tài)足跡EFmp，由式(7)計算。式(4)與其他研究不同，不僅考慮材料生產(chǎn)能耗和排放CO2的生態(tài)足跡，增加考慮了消耗的原材料生態(tài)足跡。

EFmat=EFmr+EFmp

(4)

(5)

式中：Amr,i為第i種原材料的單位生態(tài)生產(chǎn)性土地面積(ha/kg)；Qmr,i為第i中原材料的消耗總量(kg)，由式(6)計算；λmr,i為第i種原材料占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地類型的均衡因子(nha/ha)；n為主要消耗的原材料種類總數(shù)。

Qmr,i=qi(1+wi)

(6)

式中：qi為第i種原材料消耗數(shù)量(kg)；wi為第i種建筑原材料在施工過程中因工藝損耗或管理不善等原因的廢棄比例(%)。式(6)增加考慮了材料施工過程的廢棄比例，更加全面地計算材料生產(chǎn)的生態(tài)足跡。

(7)

式中：ei為第i種材料的內(nèi)含能源，包括原材料開采、加工生產(chǎn)和運輸能耗(MJ/kg)；Amp,i為第i種材料生產(chǎn)過程使用的能源的單位生態(tài)生產(chǎn)性土地面積(ha/MJ)；λmp,i為第i種原材料生產(chǎn)過程使用的能源占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地類型的均衡因子(nha/ha)；ACO2為吸收能源消耗過程排放的CO2所需的單位生態(tài)生產(chǎn)性土地面積(ha/kg)；λCO2為占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地類型的均衡因子(nha/ha)；μi為第i種建筑原材料開采、加工生產(chǎn)和運輸過程能耗的碳轉(zhuǎn)換因子。

EFact主要來自施工活動消耗的能源和排放的CO2的生態(tài)足跡，由式(8)計算。

(8)

式中：m為施工活動的總數(shù)；qj為第j種施工活動施工量(t，m3，m2)；ej為第j種施工活動的單位能耗(MJ/t，MJ/m3，MJ/m2)；Aaa,j為第j種施工活動使用的能源的單位生態(tài)生產(chǎn)性土地面積(ha/MJ)；λaa,j為第j種施工活動使用的能源占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地類型的均衡因子(nha/ha)；μj為第j種施工活動使用的能源的碳轉(zhuǎn)化因子(kg/MJ)。

EFbui是建筑項目占用的土地面積，由式(9)計算。

EFbui=Abuiλbui

(9)

式中：Abui為建筑用地面積(ha)；λbui為建設(shè)用地的均衡因子(nha/ha)。

1.3 建筑運營階段生態(tài)足跡模型

建筑運營階段生態(tài)足跡EFope由式(10)計算，建筑運營階段生態(tài)足跡主要來自兩方面：其一是消耗的水資源生態(tài)足跡EFow，由式(11)計算;其二是采暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明等建筑設(shè)備消耗的能源和排放的CO2的生態(tài)足跡EFoe，由式(12)計算。式(10)增加了運營階段水資源消耗的生態(tài)足跡，由于中國669座城市中有400多座供水不足，110座嚴(yán)重缺水，對于運營階段生活用水量生態(tài)足跡的計算是不容忽視的一部分。

EFope=N(EFow+EFoe)

(10)

式中：N為運營期年限。

EFow=AwQwλw

(11)

式中：Aw為運營期使用的水資源單位生態(tài)生產(chǎn)性土地面積(ha/kg)；Qw為水資源消耗量(kg)；λw為水域均衡因子(nha/ha)。

(12)

式中：Aoe,i為運營期消耗的第i種能源單位生態(tài)生產(chǎn)性土地面積(ha/kWh；ha/MJ)；Qoe,i為運營期第i種能源每年消耗的數(shù)量(kWh；MJ)；λoe,i為第i種能源占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地類型的均衡因子(nha/ha)；n為運營期主要消耗的能源種類總數(shù)(電、天燃氣)；μoe,i為第i種能源的碳轉(zhuǎn)換因子(kg/kWh；kg/MJ)。

1.4 建筑拆除和垃圾處理階段生態(tài)足跡模型

建筑拆除和垃圾處理階段生態(tài)足跡EFdem主要來自拆除活動消耗的能源、產(chǎn)生的CO2以及固體垃圾的生態(tài)足跡，可由式(13)計算。

EFdem=ldemEFact+AdwQdwλdw

(13)

式中：ldem為基于建筑物化階段施工活動生態(tài)足跡的轉(zhuǎn)換系數(shù)，建議取1%[7]；Adw為垃圾處理的單位生態(tài)生產(chǎn)性土地面積(ha/kg)；Qdw為垃圾的數(shù)量(kg)；λdw為占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地類型的均衡因子(nha/ha)。

2 測算模型的優(yōu)勢及應(yīng)用示例

2.1 測算模型的優(yōu)勢

本文提出的全壽命周期生態(tài)足跡測算模型存在兩點優(yōu)勢：

(1)可全面體現(xiàn)建筑項目在整個壽命周期內(nèi)與生態(tài)自然環(huán)境之間的需求和供給關(guān)系。其中“需求”指需要生態(tài)環(huán)境提供土地面積吸收建筑項目產(chǎn)生的CO2和固體垃圾，“供給”指生態(tài)環(huán)境提供給建筑項目的資源和能源所用的土地面積。

(2)彌補了現(xiàn)有的生態(tài)足跡計算模型或缺少考慮能源本身的生態(tài)足跡、或缺少考慮CO2生態(tài)足跡、或缺少考慮水資源和固體垃圾生態(tài)足跡的不足，擴展了生態(tài)足跡在建筑項目中的應(yīng)用范圍，進一步完善了建筑項目生態(tài)可持續(xù)性評價理論。

2.2 測算模型關(guān)鍵參數(shù)的參考取值

單位生態(tài)生產(chǎn)性面積和均衡因子是生態(tài)足跡測算模型的關(guān)鍵參數(shù)，具體參考數(shù)值及來源見表1。

此外，材料的廢棄比例wi、內(nèi)含能源ei、材料生產(chǎn)過程的碳轉(zhuǎn)換因子μi、施工活動類型及其單位能耗ej、施工活動消耗的能源的碳轉(zhuǎn)化因子μj和第i種能源的碳轉(zhuǎn)換因子μoe,i的參考數(shù)值及來源分別見表2，3，4。

表1 單位生態(tài)生產(chǎn)性土地面積和均衡因子

表2 材料廢棄比率和材料內(nèi)含能源

表3 施工活動類型的單位能耗

表4 不同能源的碳轉(zhuǎn)換因子

3.3 測算模型的應(yīng)用示例

研究對象是武漢某展館，其水資源消耗量約為175200000 kg，產(chǎn)生的垃圾數(shù)量約為422052170 kg，具體的材料消耗量和能源年消耗量見表5。

應(yīng)用式(1)計算展館全壽命周期生態(tài)足跡為280261 nha，由式(2)～(13)計算全壽命周期各個階段的生態(tài)足跡，如表6所示。

表6結(jié)果表明全壽命周期生態(tài)足跡測算模型可反映項目各個階段與生態(tài)自然環(huán)境之間的需求和供給關(guān)系，全面評價項目各階段的生態(tài)環(huán)境影響程度，有利于明確造成生態(tài)影響的主要階段，全面分析造成生態(tài)環(huán)境影響的原因(能源、資源、CO2和垃圾)，制定生態(tài)最優(yōu)方案，實現(xiàn)項目的可持續(xù)發(fā)展。

表5 各種材料消耗量和各種能源年消耗量

表6 全壽命周期各階段生態(tài)足跡 nha

3 結(jié) 語

本文構(gòu)建了建筑項目全壽命周期生態(tài)足跡測算模型，涵蓋了建筑前期準(zhǔn)備階段、物化階段、運營階段、拆除及垃圾處理階段4個階段的生態(tài)足跡測算模型。本文提出的測算模型可用于全面評價各個階段消耗的能源和資源，以及產(chǎn)生的CO2和垃圾對生態(tài)環(huán)境的影響，擴展了生態(tài)足跡在建筑項目中的應(yīng)用范圍，進一步完善了建筑項目生態(tài)可持續(xù)性評價理論，為制定生態(tài)最優(yōu)方案提供依據(jù)，對推進建筑項目的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展有非常重要的作用。

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