基于生態足跡模型的建筑工程環境評價

袁 強

(山煤房地產開發有限公司，山西 太原 030002)

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基于生態足跡模型的建筑工程環境評價

袁 強

(山煤房地產開發有限公司，山西 太原 030002)

基于生態足跡成分法原理，建立了建筑工程生態足跡評價模型，分析了消耗單位能源的生態足跡，得到的結果可以直接應用于建筑工程生態環境的評價之中，為建筑行業進行“綠色建筑”建設提供了參考依據。

生態足跡，成分法，建筑工程，環境評價

0 引言

建筑業是國民經濟的支柱產業，隨著國家經濟高速發展，建筑工程高速擴張。然而，建筑行業占用大量耕地、森林、草地等生物生產性土地，消耗大量能源、資源，產生和排放大量污染物，改變了資源地原有的生態環境。中國有30%～40%的能量消耗被用于建筑物的建造和使用過程[1]，34%的空氣污染和40%的固體廢棄物由建筑行業直接或間接造成[2]。對建筑業資源效率及可持續發展狀況的評價是當今重要的研究課題。

目前國內外已經建立了相應的環境評價標準，如英國建筑研究組織構建的BREEAM、美國綠色建筑協會發布的綠色建筑評價體系LEED。這些評價方法存在一些問題：第一，國內使用的標準是條款式的主觀評價方法，主觀因素較重；第二，研究的對象是能源、資源的消耗情況，與周邊生態未能建立聯系；第三，數據的追蹤和收集困難。生態足跡有成分法和綜合法兩種計算模型，成分法適合于小單元對象計算[3,4]。本文以具體建筑工程為研究對象，計算其生態足跡，為生態足跡計算方法提供了定量的評價指標和參考依據。

1 生態足跡基本理論

生態足跡方法由加拿大教授William Rees于1992年提出并由Wackernagel進一步完善[5,6]。目前，主要工業國家均已完成各自生態足跡指標的計算,其經驗也正在向發展中國家普及[7,8]。

1.1 生態足跡

將各種消費量折算為林地、牧地、耕地、建筑用地、化石能源地、水域等六類面積是生態足跡分析的特征[9]。生產性土地的任一類的面積Mk為：

(1)

其中，n為由第k類土地提供的消費項目的數量；Aki，Cki,Yki分別為由第k類土地提供的第i種消費的土地需求面積、年消費量和世界平均生產力。

1.2 均衡因子和產量因子

由前述可知，生態生產性土地劃分為六種，計算的各類能源、資源消耗量折算為這六種土地的面積，這六種土地的生產能力是不等的。均衡因子計算公式如下：

(2)

表1 均衡因子

建筑用地的均衡因子和耕地取為一致，化石能源用地的均衡因子與林地取為一致。因為，建筑工程占據的多是富饒的耕地，而化石能源因其形成過程可歸為林地。產量因子的引入是為了解決同一類型土地在不同地區、不同氣候條件下的生產力能力不同的問題，以使不同地區建立統一標準。

1.3 生態承載力

生態承載力也是生態容量，是不損害生態系統的生產功能前提下，本地區所能提供的生態生產性土地的面積，通過下式計算：

EC=∑SiEqiYi(1-13.4%)

(3)

其中，Si為第i種生態生產性土地的面積，hm2；Eqi為第i種生態生產性土地的均衡因子；Yi為產量因子；13.4%為處于謹慎考慮預留的比例。

2 建筑工程生態足跡模型

2.1 研究范疇

從工程管理的角度出發建筑工程項目的全壽命周期包括項目的決策階段、實施階段和使用階段。但是，對于本文的研究來說這樣的劃分顯然是不足的，工程項目最后的報廢和處理階段也需要消耗能量、資源，同樣與周圍的生態環境產生交互影響，因此必須將建筑工程項目的拆除納入研究范疇，從而真正實現對建筑項目的全壽命周期環境影響評價。在工程項目的決策階段并不涉及資源的消耗，但是決策階段對工程項目實際產生的生態足跡影響很大，良好的決策可以有效的減少能源消耗，降低生態足跡。本文的研究即可為項目決策提供參考。

2.2 研究對象

2.2.1 施工階段

建筑工程的能源消耗主要集中于施工階段，這一階段的生態足跡占用主要為建筑材料、施工輔助材料、周轉材料和施工機具。具體項目如圖1所示。其中，需要說明的是對于電能的消耗，要考慮電能的不同生產方式造成的生態足跡，目前國內主要發電方式有火力發電、水電和核電，對火電來說其生態足跡可歸結于化石能源用地，水電和核電則需要考慮設施建造過程中對土地的占用，因此將電能的消耗歸結為耕地和化石能源用地；對于水的消耗，除了直接的淡水資源外，還要考慮產水時所消耗的能源以及污水處理所耗的電能，因此將水資源的消耗歸結于水域、耕地和化石能源用地。

2.2.2 使用階段

使用階段的生態足跡主要是指為維持建筑物正常運行所必須的照明、空調、采暖和通風等設施對能源的消耗，以及在使用階段的水資源消耗。

2.2.3 拆除階段

拆除階段的生態足跡主要是指拆除過程中施工機具的能源消耗，包括化石能源和水資源，以及固體廢棄物處理對土地的占用。對廢物的處理一般是通過堆放和掩埋的方式實現，通常發生在遠離城區的廢棄土地，屬于低產地。低產地類型為后續新增的土地類型，其均衡因子本文取為0.46。

3 能源生態足跡

3.1 化石能源

文獻[10]將化石能源的消耗定義為“用于吸收化石能源消耗產生溫室氣體所需的森林量”，本文主要考慮的溫室氣體為CO2，其占溫室氣體總量的絕大部分。因此對于化石能源生態足跡的計算首先是確定消耗單位能源的CO2排放量，然后確定吸收單位CO2所需的化石能源地，計算公式如下：

(4)

其中，Mfi為第i種化石能源生態足跡，hm2；vi為能源單位重量熱值；α為碳到CO2的轉換系數；qi為能源的年消耗量；Yc為當地林地的CO2年吸收能力；ηi為單位熱值的碳排放量。常見化石能源的生態足跡如表2所示。

表2 常用化石能源的生態足跡

3.2 電能

用于吸收化石能源消耗產生溫室氣體所需的森林量是化石能源的消耗[10]，水電和火電兩種形式占全國發電總量的98%左右[11]。本文以這兩種電源形式的電計算中國生產1 kW·h 電的生態足跡。

1)火電。

(5)

其中，Mef為電力消耗的生態足跡；re為火力發電量占總發電量的比例；ve為單位重量標準煤的熱值；qe為年均用電量；ee為單位發電量標準煤消耗量；ηe為煤炭的碳排放系數。

2)水電。

Mew=qe×Cs×A×106

(6)

其中，Mew為生產耗用水電產生的間接生態足跡；qe為年耗電量；Cs為耗電量中水電比重，%；A為我國單位水電的生態足跡。參考國家電力信息網和國家統計局的相關數據以及環球足跡網絡的水電平均生產能力，計算得生產1 kW·h電占用的生態足跡為0.806 6 hm2。

3.3 水

Mw=Qw/Pw

(7)

其中，Mw為消耗新水所占用的生態足跡；Qw為耗用新水的總量；Pw為水資源世界平均足跡。抽水機工作耗電所占用部分歸類于電耗不作計算。

4 建筑工程生態足跡計算

4.1 施工階段

如前2.2.1所述，施工階段產生的生態足跡主要在于工程占地、材料消耗和能源消耗。對于建筑材料所占用的化石能源地可以根據生產單位重量建材CO2的排放量計算，但是此數據不易獲取。文獻[12]提出利用生產建材的能耗水平(即物化能)間接確定化石能源的占用情況。計算公式如下：

EFc=S·Eq+∑EEi·(1+coeff·C·Eqj)

(8)

其中，EFc為施工階段的生態足跡；S為建筑工程的面積；Eq為建筑用地的均衡因子；EEi為第i種建材均攤到年的物化能；C為物化能—生態生產性土地的轉化系數；coeff為現場耗能系數；Eqj為第j種生態生產性土地的均衡因子，鑒于國內作業較為粗放，因此coeff取為8%。

4.2 使用階段

使用階段的生態足跡主要產生于電能和水資源的消耗，文中第三節已經探討了單位電能對應的生態足跡以及水資源的生態足跡，易知：

EFu=qe·Me+Mw

(9)

其中，EFu為使用階段的生態足跡；qe為年耗電量；Me為單位電量生態足跡。

4.3 拆除階段

王羅春[13]的研究指出，建筑工程施工過程達7 000 t～1.2萬t。如前2.2.3所述，拆除階段的生態足跡主要產生于固體廢棄物的堆放對土地的占用，此處占用的為低產地。若固體廢棄物的密度按照1.8 t/m3計算，堆高5 m，則每噸建筑固體廢棄物占用低產地0.111 m2，堆高越大，其占用的土地越少。

5 結語

本文探討了生態足跡模型的基本原理和計算方法，運用生態足跡分析，建立了針對建筑工程的環境影響定量評價的方法，建立了以生態足跡為標準的統一的建筑工程環境影響指標，在項目決策時期，為有效降低工程能耗，減少環境污染提供參考依據。

文章詳細探討了各能源的生態足跡，給出了計算方法，對于特定建筑工程可以方便的計算各個階段對應的生態足跡，便于項目管理成員掌握各階段工程對環境的影響，從而采取有效措施降低生態足跡。

本文提出的方法雖具有一定適用性，同時也存在局限性，主要表現在：1)生態足跡指標偏向于對生態環境的評價，未能將經濟效益等考慮進來。2)衡量化石能源的消耗利用的是CO2這一指標，從而使化石能源用地的計算偏小。3)為能準確的計算生態足跡，需要詳細的資源消耗清單，資料的收集需貫穿于整個工程壽命周期，這無疑增加了項目的投入，制約了此種方法的普及。

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[13] 王羅春.建筑垃圾處理與資源化[M].北京：化學工業出版社，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 強(1987- )，男，工程師

X799.1

A