基于生态足迹模型的建筑工程环境评价

袁 强

(山煤房地产开发有限公司，山西 太原 030002)



基于生态足迹模型的建筑工程环境评价

袁 强

(山煤房地产开发有限公司，山西 太原 030002)

基于生态足迹成分法原理，建立了建筑工程生态足迹评价模型，分析了消耗单位能源的生态足迹，得到的结果可以直接应用于建筑工程生态环境的评价之中，为建筑行业进行“绿色建筑”建设提供了参考依据。

生态足迹，成分法，建筑工程，环境评价

0 引言

建筑业是国民经济的支柱产业，随着国家经济高速发展，建筑工程高速扩张。然而，建筑行业占用大量耕地、森林、草地等生物生产性土地，消耗大量能源、资源，产生和排放大量污染物，改变了资源地原有的生态环境。中国有30%～40%的能量消耗被用于建筑物的建造和使用过程[1]，34%的空气污染和40%的固体废弃物由建筑行业直接或间接造成[2]。对建筑业资源效率及可持续发展状况的评价是当今重要的研究课题。

目前国内外已经建立了相应的环境评价标准，如英国建筑研究组织构建的BREEAM、美国绿色建筑协会发布的绿色建筑评价体系LEED。这些评价方法存在一些问题：第一，国内使用的标准是条款式的主观评价方法，主观因素较重；第二，研究的对象是能源、资源的消耗情况，与周边生态未能建立联系；第三，数据的追踪和收集困难。生态足迹有成分法和综合法两种计算模型，成分法适合于小单元对象计算[3,4]。本文以具体建筑工程为研究对象，计算其生态足迹，为生态足迹计算方法提供了定量的评价指标和参考依据。

1 生态足迹基本理论

生态足迹方法由加拿大教授William Rees于1992年提出并由Wackernagel进一步完善[5,6]。目前，主要工业国家均已完成各自生态足迹指标的计算,其经验也正在向发展中国家普及[7,8]。

1.1 生态足迹

将各种消费量折算为林地、牧地、耕地、建筑用地、化石能源地、水域等六类面积是生态足迹分析的特征[9]。生产性土地的任一类的面积Mk为：

(1)

其中，n为由第k类土地提供的消费项目的数量；Aki，Cki,Yki分别为由第k类土地提供的第i种消费的土地需求面积、年消费量和世界平均生产力。

1.2 均衡因子和产量因子

由前述可知，生态生产性土地划分为六种，计算的各类能源、资源消耗量折算为这六种土地的面积，这六种土地的生产能力是不等的。均衡因子计算公式如下：

(2)

表1 均衡因子

建筑用地的均衡因子和耕地取为一致，化石能源用地的均衡因子与林地取为一致。因为，建筑工程占据的多是富饶的耕地，而化石能源因其形成过程可归为林地。产量因子的引入是为了解决同一类型土地在不同地区、不同气候条件下的生产力能力不同的问题，以使不同地区建立统一标准。

1.3 生态承载力

生态承载力也是生态容量，是不损害生态系统的生产功能前提下，本地区所能提供的生态生产性土地的面积，通过下式计算：

EC=∑SiEqiYi(1-13.4%)

(3)

其中，Si为第i种生态生产性土地的面积，hm2；Eqi为第i种生态生产性土地的均衡因子；Yi为产量因子；13.4%为处于谨慎考虑预留的比例。

2 建筑工程生态足迹模型

2.1 研究范畴

从工程管理的角度出发建筑工程项目的全寿命周期包括项目的决策阶段、实施阶段和使用阶段。但是，对于本文的研究来说这样的划分显然是不足的，工程项目最后的报废和处理阶段也需要消耗能量、资源，同样与周围的生态环境产生交互影响，因此必须将建筑工程项目的拆除纳入研究范畴，从而真正实现对建筑项目的全寿命周期环境影响评价。在工程项目的决策阶段并不涉及资源的消耗，但是决策阶段对工程项目实际产生的生态足迹影响很大，良好的决策可以有效的减少能源消耗，降低生态足迹。本文的研究即可为项目决策提供参考。

2.2 研究对象

2.2.1 施工阶段

建筑工程的能源消耗主要集中于施工阶段，这一阶段的生态足迹占用主要为建筑材料、施工辅助材料、周转材料和施工机具。具体项目如图1所示。其中，需要说明的是对于电能的消耗，要考虑电能的不同生产方式造成的生态足迹，目前国内主要发电方式有火力发电、水电和核电，对火电来说其生态足迹可归结于化石能源用地，水电和核电则需要考虑设施建造过程中对土地的占用，因此将电能的消耗归结为耕地和化石能源用地；对于水的消耗，除了直接的淡水资源外，还要考虑产水时所消耗的能源以及污水处理所耗的电能，因此将水资源的消耗归结于水域、耕地和化石能源用地。

2.2.2 使用阶段

使用阶段的生态足迹主要是指为维持建筑物正常运行所必须的照明、空调、采暖和通风等设施对能源的消耗，以及在使用阶段的水资源消耗。

2.2.3 拆除阶段

拆除阶段的生态足迹主要是指拆除过程中施工机具的能源消耗，包括化石能源和水资源，以及固体废弃物处理对土地的占用。对废物的处理一般是通过堆放和掩埋的方式实现，通常发生在远离城区的废弃土地，属于低产地。低产地类型为后续新增的土地类型，其均衡因子本文取为0.46。

3 能源生态足迹

3.1 化石能源

文献[10]将化石能源的消耗定义为“用于吸收化石能源消耗产生温室气体所需的森林量”，本文主要考虑的温室气体为CO2，其占温室气体总量的绝大部分。因此对于化石能源生态足迹的计算首先是确定消耗单位能源的CO2排放量，然后确定吸收单位CO2所需的化石能源地，计算公式如下：

(4)

其中，Mfi为第i种化石能源生态足迹，hm2；vi为能源单位重量热值；α为碳到CO2的转换系数；qi为能源的年消耗量；Yc为当地林地的CO2年吸收能力；ηi为单位热值的碳排放量。常见化石能源的生态足迹如表2所示。

表2 常用化石能源的生态足迹

3.2 电能

用于吸收化石能源消耗产生温室气体所需的森林量是化石能源的消耗[10]，水电和火电两种形式占全国发电总量的98%左右[11]。本文以这两种电源形式的电计算中国生产1 kW·h 电的生态足迹。

1)火电。

(5)

其中，Mef为电力消耗的生态足迹；re为火力发电量占总发电量的比例；ve为单位重量标准煤的热值；qe为年均用电量；ee为单位发电量标准煤消耗量；ηe为煤炭的碳排放系数。

2)水电。

Mew=qe×Cs×A×106

(6)

其中，Mew为生产耗用水电产生的间接生态足迹；qe为年耗电量；Cs为耗电量中水电比重，%；A为我国单位水电的生态足迹。参考国家电力信息网和国家统计局的相关数据以及环球足迹网络的水电平均生产能力，计算得生产1 kW·h电占用的生态足迹为0.806 6 hm2。

3.3 水

Mw=Qw/Pw

(7)

其中，Mw为消耗新水所占用的生态足迹；Qw为耗用新水的总量；Pw为水资源世界平均足迹。抽水机工作耗电所占用部分归类于电耗不作计算。

4 建筑工程生态足迹计算

4.1 施工阶段

如前2.2.1所述，施工阶段产生的生态足迹主要在于工程占地、材料消耗和能源消耗。对于建筑材料所占用的化石能源地可以根据生产单位重量建材CO2的排放量计算，但是此数据不易获取。文献[12]提出利用生产建材的能耗水平(即物化能)间接确定化石能源的占用情况。计算公式如下：

EFc=S·Eq+∑EEi·(1+coeff·C·Eqj)

(8)

其中，EFc为施工阶段的生态足迹；S为建筑工程的面积；Eq为建筑用地的均衡因子；EEi为第i种建材均摊到年的物化能；C为物化能—生态生产性土地的转化系数；coeff为现场耗能系数；Eqj为第j种生态生产性土地的均衡因子，鉴于国内作业较为粗放，因此coeff取为8%。

4.2 使用阶段

使用阶段的生态足迹主要产生于电能和水资源的消耗，文中第三节已经探讨了单位电能对应的生态足迹以及水资源的生态足迹，易知：

EFu=qe·Me+Mw

(9)

其中，EFu为使用阶段的生态足迹；qe为年耗电量；Me为单位电量生态足迹。

4.3 拆除阶段

王罗春[13]的研究指出，建筑工程施工过程达7 000 t～1.2万t。如前2.2.3所述，拆除阶段的生态足迹主要产生于固体废弃物的堆放对土地的占用，此处占用的为低产地。若固体废弃物的密度按照1.8 t/m3计算，堆高5 m，则每吨建筑固体废弃物占用低产地0.111 m2，堆高越大，其占用的土地越少。

5 结语

本文探讨了生态足迹模型的基本原理和计算方法，运用生态足迹分析，建立了针对建筑工程的环境影响定量评价的方法，建立了以生态足迹为标准的统一的建筑工程环境影响指标，在项目决策时期，为有效降低工程能耗，减少环境污染提供参考依据。

文章详细探讨了各能源的生态足迹，给出了计算方法，对于特定建筑工程可以方便的计算各个阶段对应的生态足迹，便于项目管理成员掌握各阶段工程对环境的影响，从而采取有效措施降低生态足迹。

本文提出的方法虽具有一定适用性，同时也存在局限性，主要表现在：1)生态足迹指标偏向于对生态环境的评价，未能将经济效益等考虑进来。2)衡量化石能源的消耗利用的是CO2这一指标，从而使化石能源用地的计算偏小。3)为能准确的计算生态足迹，需要详细的资源消耗清单，资料的收集需贯穿于整个工程寿命周期，这无疑增加了项目的投入，制约了此种方法的普及。

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[13] 王罗春.建筑垃圾处理与资源化[M].北京：化学工业出版社，2004：8.

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 强(1987- )，男，工程师

X799.1

A