生命周期评价在建筑给排水管道材料优化中的应用

宋明洋　江冠君

【摘  要】建筑给排水管道的选择对建筑节能具有重要意义。过去，建筑设计师主要考虑管道在建筑给排水系统中的使用性能和一次性成本，而忽略了不同管道在整个生命周期内资源、能耗和污染物排放的差异。本文将生命周期评价与层次分析法相结合，分析了建筑给排水系统中不同管道的能耗、资源消耗及其对环境的影响。本研究表明，用PVC-U替代其他金属管道可以显著降低环境影响，这也意味着生命周期评估在建筑管道设计中的重要性。

【关键词】给排水科学;生命周期;材料优化

一、生命周期的角度

生命周期评价（LCA）是一种有用的潜在环境影响评价理论工具，它提供了产品在整个生命周期内的能源消耗、资源消耗和环境排放方面的广泛的产品信息，可以为改善环境提供建议和措施。它是实现可持续发展的重要工具。LCA通常包括四个阶段：目标和范围定义、生命周期库存分析（LCI）、生命周期影响评估（LCIA）和生命周期解释阶段。层次分析法将复杂的多目标决策问题视为一个系统，将目标分解为多个目标，通过进一步分解得到多层次的指标。最后，通过定性指标的模糊定量方法，可作为多目标、多方案决策优化的系统方法。LCA作为一种成熟的评价工具，越来越多地应用于水环境特别是城市给排水领域。利用LCA可以完成水系统的库存分析，优化资源配置和管理，减少资源和能源消耗，实现水系统的可持续发展。

二、系统描述

（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资源消耗、能源消耗和污染物排放情况。为了更好的指导今后的管道设计，本研究中的管道重量计算是在满足设计水量的前提下进行的。然后对库存进行分析，主要包括物料在生产、运输、安装运行阶段、可再生能源消耗阶段、资源消耗阶段和污染物排放阶段，通过库存分析，我们可以得到整个生命周期的总能源消耗（不包括回收材料的质量）和每根管道排放的污染物。我们建立了一个基于BWSDS生命周期分析的LCA模。[1]

在具体工作开展过程中，可基于地域的气候环境、植被特点、地形结构、水文特点等，进行综合全面的分析评估，进而开展科学合理的规划布局，保证景观建筑学应用的可行性与有效性。为达到预期工作开展目标，应当充分利用该地区的地形地貌，使得建筑物的整体安全性得到有效保障;其次，设计人员需了解该地区的气候环境、光照、降水量、湿度等，保证景观建筑物具有非常强的适应性，为民众提供有效的住所环境;最后，则需要合理利用当地的植被，使得景观建筑物与当地植被进行有效结合，体现出地域文化的内涵，推动我国景观建筑学逐渐迈向生态化方向。

（二）目標和范围定义

BWSDS的LCA评价过程包括原材料开采、原材料制造、管道生产、产品运输、管道安装、运营、维护、拆除和回收。生命周期的每个阶段都需要消耗资源和能源。本次评价的目的是比较BWSDS不同管道在其生命周期内的资源消耗、能源消耗和环境影响，以获得最适合该建筑的管道类型，并指导今后的管道设计。生命周期范围的定义取决于研究的目的、未来的应用、研究的深度和广度等。管道生命周期的范围可以定义为从原材料的使用开始到去除和回收的步骤。

根据管道的制造工艺和应用情况，选择具有代表性的PVC-U管道，采用LCA分析不同管道使用时的资源消耗、能源消耗和环境影响;供水管选用热镀锌钢管和铜管，排水管选用PVC-U管和铸铁管。库存分析是建筑LCA的主要部分，包括材料和能源消耗的库存分析，包括生产、现场作业、运输、作业、拆除、总能耗等。我们简化了分析，只考虑了主要因素，忽略了次要因素。影响分析和结论主要基于生产、运输和运营能耗。

（三）功能部件

在LCA中，功能单元是指产品系统在生命周期评估中作为参考单元的量化性能。功能单元必须是可测量的，以确保LCA结果的可比性。功能单元是以与规定相关的相同或类似因素或参数为前提设置的。我们认为不同的管道在容量上是不同的水的供应。因此，在管道供水相同的前提下考虑LCA评价，对今后的管道设计具有指导意义。我们选择了与基础机组供水能力相同的机组管道质量。为了比较其一致性，我们将不同的能源单位转换为标准煤进行计算。最后，我们以kgec/t和tec/t（每吨产品需要每吨标准煤当量）为功能单位。

三、系统描述

（一）硬聚氯乙烯管道的库存

聚氯乙烯的原料是氯乙烯。目前，氯乙烯的主要生产工艺有直接氯化、氧氯化和生产氯乙烯、电石和乙炔。其中，氧氯化法是世界上用乙烯和氯生产聚氯乙烯最常用的方法。生产1吨氯乙烯需要0.492t（单位生产能耗1.935 tec/t）乙烯和0.599 t氯（单位生产能耗0.788 tec/t），其中消耗0.09 tec。我国PVC的主要生产方式是悬浮法，生产1吨PVC需要1.01吨氯乙烯，消耗0.246 tec。对于PVC-U管的生产，除聚氯乙烯外，一般还要求添加约5%的轻质碳酸钙（单位生产能耗为0.3 tec/t）。根据PVC-U管的生产工艺和单位能耗，可以计算出PVC-U管的原料能耗为1.696 t/tec。用现有材料生产1吨PVC-U管需要0.32 tec。由于产品将被回收，平均循环次数、再生率、再生过程能耗值和加工成功率分别为3.333（n）、70%、0.16 tec/t和90%。乙烯的生产主要来自石油，生产1吨PVC-U需要5吨混合矿石。根据国家统计局工业和交通统计司（2004）的数据，30%的塑料制品及其原材料是由机动车运输的（单位运输的油耗为0.071 L/（t?km），其余由铁路运输（单位运输能耗达7.3电气/（t?kj）），和运输距离他们经验分别为61公里和780公里，能源消耗的原材料运输和制成品的运输被计算6 kgec / t。

（二）热镀锌钢管库存

镀锌钢的主要原料是钢材。炼钢原料主要是铁水、废钢和成渣剂。炼钢方法主要有高炉法、定向还原法和冶炼还原法。其原理是矿石在特定条件下（还原物质CO、H2、C和适当的温度）通过物理和化学反应生成生铁。在高炉工艺中，1吨铁生产需要1.812 t混合矿石、0.5 t焦炭和0.075 t粉煤灰分，其中烧结工艺能耗为0.06 tec/t，炼铁工艺能耗为0.41 tec/t。指的是研究可再生材料，这一过程的综合能耗为1.18 tec / t，再生率是80%，平均周期为5（n），再生过程的能源消耗是0.47 tec / t，处理成功率75%。材料成型工艺能耗为0.144 tec/t。运输能耗根据我国统计数据，以矿石运输为基础计算。

四、结束语

综合，环境评价结果显示，PVC-U管道在资源消耗、能源消耗和环境影响单项评价指标上均最小。因此，我们建议在类似的住宅建筑中推广使用PVC-U管道，不建议使用金属管道。从单一的影响评估指标来看，全球变暖是主要问题。但是，目前世界上的能源资源决定了绝大多数以石化原料为主要能源结构的国家在短时间内难以改变。我们要多注意管材的选择推广更环保的PVC-U管道，减少化石燃料的使用，促进能源结构调整。尽管如此，在BWSDS中管道的选择仍然受到其他几个因素的影响，如建筑要求、建筑使用寿命要求、使用场合、水温、水质等。对于我们来说，我们应该通过考虑所有这些因素来建立一个更加平衡和和谐的社会。

参考文献：

[1]李爱菊;陈红雨;环境友好材料的评价方法[A];2008全国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2008年.

[2]李钊;林忠平;吴昌甫;孙婧婷;风机过滤单元生命周期能耗分析[J];洁净与空调技术;2011年03期.