基于生命周期評價的綠色建筑選材研究

劉 宇，張宇峰，孫燕瓊，龔先政

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124)

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基于生命周期評價的綠色建筑選材研究

劉 宇，張宇峰，孫燕瓊，龔先政

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124)

我國建筑業能耗占全國總能耗的40%以上，建筑中由于圍護結構熱傳導而產生的空調與供暖能耗占建筑全生命周期能耗的70%以上，節能建筑材料的開發與應用是建筑節能的關鍵。以對建筑保溫性能具有關鍵作用的外墻外保溫材料、建筑玻璃窗與墻體材料為研究對象，利用生命周期評價方法定量分析典型節能建材從礦石開采、材料生產、運輸、使用直至最終廢棄全生命周期過程的資源消耗與環境影響，據此進行低環境負荷材料的擇優，為綠色建筑的科學選材提供理論與數據支撐。

建筑材料；生命周期評價；綠色建筑

1 研究背景

建筑業是我國經濟發展的支柱產業之一。據統計，每年我國建筑業能耗占全國總能耗的40%以上，由耗能帶來的污染物排放量亦十分巨大。隨著全社會對環境問題的日益關注，在全生命周期內最大限度節約資源能源、減少污染、保護環境已經成為建筑業發展的趨勢。

建筑材料是構成建筑的物質基礎，綠色建筑的發展離不開相應建筑材料的支持，無論建筑物化階段還是其運行階段的環境影響，均與建筑材料的性能以及環境影響有著密切的關系[1]。建筑中由于圍護結構熱傳導而產生空調與供暖能耗占建筑全生命周期能耗的70%以上[2]。因此，節能建筑材料的開發與應用是建筑節能的關鍵[3]，通過科學的方法選取材料達到最優的建筑節能效果，對綠色建筑的推廣具有重要意義。

生命周期評價(Life Cycle Assessment,LCA)是一種通過量化與評估對象相關的能源消耗、物質消耗和污染物排放，來評估某一產品、過程或事件環境負荷的方法。近些年，隨著建筑節能的發展，國內研究人員使用該方法開展了大量針對新型節能建材的研究：周駿貴等人對新型墻體材料的全生命周期評價研究進行了綜述[4]；李斌運用生命周期評價方法，分析了外墻外保溫體系從設計、施工、使用到廢棄全過程的成本，計算了該體系的生命周期成本與補償年限[5]；肖君利用生命周期評價方法分析了巖棉板和聚苯乙烯擠塑板在生產、使用和拆除階段的資源、能源消耗及污染物排放情況，從社會支付意愿角度衡量環境影響程度[6]；陳文娟基于生命周期評價方法分析了浮法玻璃生產的資源與能耗情況，定量化了富氧燃燒技術的節能減排潛力[7]；馬麗麗[8]、趙春芝[9]、馬麗萍[10]、郭鹿[11]、王波[12]等人分別對紙面石膏板、鋁塑板及單鋁板、聚苯板、銅塑鋁板和純銅板等建筑材料開展了環境負荷研究。

國外學者也基于生命周期評價方法對節能建筑材料開展了相關研究。Afif Hasan[13]計算了外墻保溫材料的全生命周期節能成本，結果顯示，根據墻體結構的不同，巖棉保溫材料的投資回收期在1年到1.7年之間，而聚苯板的投資回收期在1.3年到2.3年之間；Amaryllis Audenaert[14]用Eco-indicator 99方法對一棟19層低能耗建筑進行生命周期評價，結果顯示，保溫隔熱材料的選擇影響建筑的生態指數，使用聚苯板比使用巖棉板的建筑生態指數高15%；Ashwin Sabapathy[15]、Christopher Koroneos[16]分別對印度與希臘的燒結磚產品進行了環境影響對比； Mueller A[17]、 Kurama H[18]、 Huberman N[19]等人則對加氣混凝土砌塊從礦物開采到循環回收過程的環境負荷開展了相關研究。

本文從建筑選材的角度出發，以對建筑保溫性能具有關鍵作用的外墻外保溫材料、建筑玻璃窗與墻體三類節能建筑材料產品為研究對象，利用生命周期評價方法定量分析典型節能建材產品從礦石開采、材料生產、運輸、使用直至最終廢棄全生命周期過程的資源消耗與環境影響，據此進行低環境負荷材料的擇優，為綠色建筑的選材提供理論與數據支撐。

2 研究方法

本文基于ISO14040系列標準規范的生命周期評價方法與技術框架開展研究。按照國際標準化組織的定義，生命周期評價是對一個產品系統的生命周期中輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價[20]。這里的產品系統是通過物質和能量聯系起來的，具有一種或多種特定功能的單元過程集合。生命周期是指產品系統中前后銜接的一系列階段，從原材料的獲取或自然資源的生成，直至最終處置。

節能建筑材料產品的生命周期涉及多個環節，需要大量數據來支撐整個評價過程。通過與相關行業專家進行研討，制定環境負荷數據的收集計劃、系統邊界與質量控制規范，見表1所示。數據收集階段將行業協會、企業、設計部門的調研數據與統計資料(年鑒、行業報告)的統計數據相結合，涵蓋礦石開采、能源生產、運輸、材料生產與廢物處置等重要環節。通過數據質量控制與評價方法對所收集的數據進行審核、表征并分析數據的代表性、完整性、準確性和時效性。

表1 數據收集范圍與方式Table 1 The scope and methods of data collection

根據節能建筑材料的環境負荷特點，構建環境影響評價指標體系，見表2所示。通過數據收集定量化典型外保溫材料、建筑玻璃窗、墻體材料全生命周期的資源、能源消耗與污染物排放量，利用評價模型與指標體系將由此造成的重要環境問題基于自然科學進行綜合表征，據此比較同一種建筑結構采用不同材料對建筑整體環境負荷的影響，實現對節能建筑材料的科學擇優。

表2 環境影響評價指標體系Table 2 Environmental impact assessment indicators system

3 基于生命周期評價的典型外墻外保溫材料選材研究

墻體外保溫技術是建筑節能的重要手段，可有效消除墻體中的熱橋，達到優異的絕熱效果，同時消除冷凝，保持室溫穩定性，提高居住舒適性。從材料可燃性的角度，墻體外保溫材料主要分為三類，即可燃的有機保溫材料、難燃的有機-無機復合型保溫材料和不可燃的無機保溫材料。有機保溫材料以聚苯乙烯泡沫(EPS)板為代表，具有優越的保溫隔熱性能，但防火性能相對較差；無機保溫材料以巖棉板為代表，其保溫性能弱于有機保溫材料，但具有良好的防火性能。本文通過分析EPS板和巖棉板的全生命周期環境負荷，對比兩類典型外墻外保溫材料在達到相同保溫性能與防火等級情況下的環境影響，據此指導外墻外保溫材料的科學擇優。

3.1 相同保溫效果下兩種保溫系統的環境影響比較

根據北京地區居住建筑節能標準與對墻體圍護結構熱工設計的要求，將目標建筑的外墻傳熱系數設定為0.40W/(m2·K)，基層墻體設定為200mm的鋼筋混凝土墻，保溫板與基層墻體通過聚合物水泥砂漿粘結，且粘結面積不小于40%。功能單位選取為安全粘貼在200mm鋼筋混凝土墻基層墻體上，且保證墻體傳熱系數為0.40W/(m2·K)的1m2EPS薄抹灰外墻外保溫系統以及巖棉薄抹灰外墻外保溫系統。為達到設定的外墻傳熱系數，兩種保溫系統的EPS板和巖棉板用量分別為9kg/m2和17.33kg/m2；粘結砂漿用量分別為7.5kg/m2和9kg/m2；抹面砂漿、錨栓、玻璃纖維網格布和涂料的用量均為9,0.18,0.2和0.2kg/m2。據此計算相同保溫性能時兩種外保溫系統的環境影響，見圖1所示。

圖1 具有相同保溫性能時兩種外保溫系統的環境影響歸一化結果Fig.1 The environmental impact of two external thermal insulation composite systems in the same insulation performance

結果顯示，酸化和光化學煙霧為外保溫系統最主要的環境影響，主要是由材料生產過程排放的SO2與NOx所致；兩種系統中不可再生資源消耗和水體富營養化影響相差不大，原因為對這兩種環境影響起決定作用的干混砂漿用量基本相同；巖棉外保溫系統的溫室效應和人體健康損害兩種環境影響明顯高于EPS系統，由于巖棉板在生產過程的能耗遠高于相同功能單位的EPS板，直接導致大量溫室氣體的排放和人體健康損害的產生。綜合環境影響指標的對比結果顯示，巖棉外保溫系統的環境影響比相同保溫性能的EPS外保溫系統高23.3%。

3.2 綜合考慮保溫性能和阻燃性能的兩種保溫系統的環境影響比較

外墻外保溫系統在滿足圍護結構保溫性能的同時，還應兼顧系統本身的阻燃性能。因此，對比兩種保溫系統環境影響時，需要綜合考慮材料的隔熱性和阻燃性。本文設定表征材料隔熱性能和阻燃性能的綜合指標：1/(導熱系數×材料燃燒增長速率指數)，單位為[(m2·K·s)/W2]。巖棉為A級不燃材料，導熱系數0.040W/(m2·K)，燃燒增長速率指數≤120W/s， EPS板導熱系數0.039W/(m2·K)，燃燒性能等級B1，燃燒增長速率指數≤250W/s。以此為基準，對比相同保溫和阻燃性綜合指標下EPS外保溫系統和巖棉外保溫系統的環境影響，見圖2所示。結果顯示，EPS外保溫系統的環境負荷比巖棉外保溫系統高15.8%。

圖2 綜合指標下兩種外保溫系統的環境影響歸一化結果Fig.2 The environmental impact of two external thermal insulation composite systems in the composite indicator

綜上，若僅考慮墻體的保溫性能，EPS薄抹灰外墻外保溫系統的環境協調性優于巖棉薄抹灰外墻外保溫系統；但是在綜合考慮保溫性能和阻燃性能的情況下，巖棉外保溫系統則優于EPS外保溫系統。

4 基于生命周期評價的典型建筑玻璃窗選材研究

玻璃窗是建筑的重要組成部分，不僅起到美觀裝飾作用，還具有采光、保溫、隔聲等功能。本文以鋁合金窗、斷橋鋁合金窗、塑鋼窗、木塑復合窗和再生木塑復合窗5類典型玻璃窗為研究對象，其規格為1500mm×1500mm外墻用平開窗，玻璃類型為5+12A+5Low-E中空玻璃，使用增塑PVC密封膠條和硅酮密封膠，五金件均選用Q235鋼材。生產每平米各類型玻璃窗所需材料見表3所示。

根據確定的數據調研方案，對表3中各類材料生產的基礎清單、玻璃窗組裝電耗、以及部件運輸過程的能耗與污染物排放進行計算，據此分析5種玻璃窗生產造成的主要環境影響，見表4所示。

表3 生產每平米窗所需材料(kg)Table 3 Materials requirement of the 1m2 window(kg)

表4 各玻璃窗生產過程的環境影響評價結果Table 4 The environmental impact assessment results of the windows

在建筑玻璃窗的使用階段，因兩側存在溫差引發熱交換，需要由空調或暖氣提供額外熱量來進行補償以維持適宜的室內環境，用其表征玻璃窗在使用階段的能源消耗。對于夏季制冷建筑物中玻璃窗產生的能耗，同時考慮內外溫差引起的玻璃窗熱傳導以及太陽輻射引起的傳熱；對于冬季采暖建筑中玻璃窗產生的能耗，僅考慮內外溫差引起的玻璃窗熱傳導。鋁合金窗、斷橋鋁合金窗、塑鋼窗、木塑復合窗和再生木塑復合窗的傳熱系數分別為2.6,2.1,2.0,1.9和1.9W/(m2·K)。假定建筑內制熱和制冷均通過空調完成，空調的制冷系數為2.6，制熱系數為1.8，據此計算出玻璃窗造成的夏季制冷和冬季制暖能耗，見表5所示。

由于各類型玻璃窗壽命不同，因此需要將它們放置在整個建筑的生命周期中考慮。假定建筑壽命為70年，鋁合金窗、斷橋鋁合金窗的使用壽命分別為40年和50年，塑鋼窗、木塑復合窗以及再生木塑復合窗的使用壽命為30年，玻璃窗在使用壽命到期后需要更換。以此計算出每類玻璃窗在建筑服役周期中的年平均環境影響，見圖3所示。

表5 各類型玻璃窗使用階段每年的能耗 (MJ)Table 5 Energy consumption of the windows in use phase per year (MJ)

結果顯示，各類玻璃窗的使用階段均占全生命周期環境影響的90%以上，因此玻璃窗的隔熱性能對其環境影響具有主導作用。由于使用階段對環境影響的支配性貢獻，各類玻璃窗的環境影響分布基本相同，其中AP、GWP和POCP貢獻較大，分別為48%，28%和15%左右，而ADP、HTP和EP所占比例均低于5%，各類環境影響均主要源于使用階段的電耗以及發電過程的污染物排放。各類玻璃窗的對比結果顯示，再生木塑復合窗的環境影響最小，其次是木塑復合窗和塑鋼窗，鋁合金窗的環境影響最大。斷橋鋁合金窗、塑鋼窗、木塑復合窗以及再生木塑復合窗的環境影響分別比鋁合金窗減少13%、18%、23%和23%。

圖3 玻璃窗的年平均環境影響評價結果Fig.3 The annual average environmental impact assessment results of the windows

5 基于生命周期評價的典型墻體材料選材研究

近些年來，我國以保護土地、節約能源為目的，大力開展墻體材料改革，新型墻體材料不斷涌現。本文選取粘土實心磚、利廢空心磚、加氣混凝土砌塊和輕集料混凝土砌塊4類典型墻體材料為研究對象，對比不同墻體材料的選取對建筑環境負荷的影響，其基本信息見表6所示。系統邊界定義為從原料開采至材料出廠，即“從搖籃到大門”。

研究的功能單位定義為1m2具有相同保溫性能的圍護結構。由于4種典型墻體材料的導熱系數不同，由它們砌筑的具有相同保溫性能的圍護結構也有所差異。調研的4種墻體材料的導熱系數分別為0.8,0.5,0.2和0.28W/(m·K)，以粘土實心磚砌筑成三七墻為基準，將利廢空心磚砌筑的二四墻圍護結構、加氣混凝土砌塊砌筑的150mm厚圍護結構以及輕集料混凝土砌塊砌筑的190mm厚圍護結構設計成與基準具有同樣的保溫效果。不同材料圍護結構的環境影響評價結果如圖4所示。

表6 典型墻體材料產品的基本信息Table 6 Basic information of typical wall materials

圖4 不同材料圍護結構的環境影響評價結果Fig.4 The environmental impact of the building envelopes with different materials

各類環境影響的分析結果顯示，粘土實心磚生產造成的不可再生資源耗竭影響最大，主要源于大量粘土的消耗，空心磚與輕集料混凝土砌塊次之；兩類燒結磚的溫室效應影響較大，主要源于能源燃燒產生的CO2和CH4排放，而加氣混凝土砌塊在石灰生產和水泥生產中碳酸鹽礦物的分解會排放大量溫室氣體，導致其溫室效應大于輕集料混凝土砌塊；酸化效應主要由化石能源燃燒所排放的SO2和NOx引起，粘土實心磚與利廢空心磚的酸性氣體排放主要來自燒磚過程煤的燃燒，而輕集料混凝土中陶粒的燒結及水泥生產過程產生大量SO2和NOx，導致其酸化效應也較顯著，加氣混凝土砌塊的酸化效應最小；在光化學煙霧影響中，利廢空心磚和輕集料混凝土砌塊圍護結構由于生產過程中NMVOC和CO的排放量較大，其影響大于粘土實心磚圍護結構；粘土實心磚的水體富營養化影響最大，其主導物質是化石能源燃燒造成的NOx排放；人體健康影響的主導物質是粉塵、SO2和NOx，兩類燒結磚的人體健康影響大于兩類砌塊。

不同墻體材料的環境影響的對比結果顯示，粘土實心磚作為傳統建筑材料，其生產能耗高、資源消耗多、環境污染大，使用粘土實心磚的圍護結構具有最大的環境影響。相比粘土實心磚，采用利廢空心磚、加氣混凝土砌塊和輕集料混凝土砌塊的建筑圍護結構，環境影響分別降低34%、70%和56%。在具有相同保溫性能的情況下，采用加氣混凝土砌塊圍護結構具有最優的環境表現。

6 結 論

本文以對建筑保溫性能具有關鍵作用的外墻外保溫材料、建筑玻璃窗與墻體材料為研究對象，通過收集典型節能建材從礦石開采、材料生產、運輸、使用、直至最終廢棄全生命周期過程的資源、能源消耗與污染物排放數據，利用生命周期評價方法定量分析其環境影響，據此進行低環境負荷材料的擇優。

對于建筑外墻外保溫材料，若僅考慮墻體的保溫性能，EPS薄抹灰外墻外保溫系統的環境協調性優于巖棉薄抹灰外墻外保溫系統；但是在綜合考慮保溫性能和阻燃性能的情況下，巖棉外保溫系統則優于EPS外保溫系統。

對于建筑玻璃窗，再生木塑復合窗和木塑復合窗的年平均環境影響較低，比鋁合金窗減少23%左右；5類玻璃窗使用階段的環境影響均占據主導地位，采用新型材料降低傳熱系數是改善玻璃窗全生命周期環境表現的有效途徑。

對于建筑墻體材料，在具有相同保溫性能的情況下，加氣混凝土砌塊的總環境影響最小，實心粘土磚最大，為加氣混凝土砌塊的3倍以上。

綠色建筑的選材不僅需要考慮材料生產相關過程的資源消耗與環境排放，還需要考慮材料在具體建筑結構中的性能，兩者缺一不可。生命周期評價方法能科學、全面地定量評價建筑材料全生命周期的環境影響，確定在實現相同功能的前提下采用何種建筑材料能夠獲得最優的環境效益。基于生命周期評價方法對節能建材的環境影響分析，不僅有助于新型建筑材料的開發，而且可對綠色建筑的選材提供有力方法與數據支持。

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(編輯 惠 瓊)

《中國材料進展》2016年度編委會暨理事會在南京召開

在“2016新材料國際發展趨勢高層論壇”舉辦期間，《中國材料進展》第三屆編委會暨理事會第二次會議于2016年9月24日晚在南京國際青年交流中心成功召開。會議由雜志社副社長賈豫冬主持，主編周廉院士，編委會副主任、西北有色金屬研究院院長張平祥教授，編委會副主任、化學工業出版社周偉斌社長，副主編、中國材料研究學會秘書長韓雅芳教授，常務副主編劉建章教授，丁文江院士、騫錫高院士、謝建新院士、王玉忠院士、王迎軍院士等近50位編委/理事及代表參加會議。

主編周廉院士首先介紹了本屆編委會暨理事會的4個議題：① 針對雜志存在問題及改進措施展開討論；② 增加主編工作室力量，增強辦刊力度，聘任年輕副主編；③ 加強電子版的出版，促進網站建設，發揮網絡傳播優勢；④ 整合新材料戰略咨詢資源，恢復新材料戰略咨詢委員會的工作，通過“3個出口”+“3本雜志”+“1個大會與若干小會”的形式開展活動。“3個出口”就是指咨詢委員會工作要面向國家各部委、省市地方和民間企業高校共3個部分；“3本雜志”是指《中國材料進展》、《新材料產業》和《材料導報》，加強活動的媒體宣傳；“1個大會與若干小會”就是指“新材料國際發展趨勢高層論壇”及若干個專題會議。

隨后，主編周廉院士為雜志新聘副主編頒發了聘書。聘任西安交通大學材料學院院長單智偉教授為雜志副主編。雜志原副主編，中國工程院化工、冶金及材料學部左家和處長因崗位調整，由新任王愛紅主任接替副主編一職。兩位新任副主編分別表態，將用行動來回報主編及各位編委的信任。

常務副主編劉建章教授就雜志2015～2016年度的各項工作進行了詳細的工作報告，重點介紹了雜志一年來，落實編委會精神，采取的改進措施以及取得的成效。會上，針對雜志的繼續發展展開熱烈討論，各編委/理事紛紛獻計獻策，總結歸納主要有以下幾點：①要從活力、實力、影響力3個方面提升雜志的綜合競爭力；②堅持雜志的辦刊宗旨，堅持與高層論壇的緊密結合。③目前國際同行非常認可中國科學家所做的研究工作，我們應更加自信；④堅持組約稿，加強每期的規劃，進一步體現編委會的思想；⑤雜志應保持特色鮮明，不能同質化等等。

主編周廉院士作了總結發言，對編輯部高度重視歷屆編委及理事提出的90余條意見和建議、認真整理和歸納并逐步落實給予了充分的肯定。同時對雜志今后的發展進行了部署，針對2017年編委會改選提出了意見和建議，希望建立一支更加高效的編委隊伍，共同辦好《中國材料進展》！

(本刊通訊員 王 方)

Materials Selection for Green Building Based on Life Cycle Assessment

LIU Yu,ZHANG Yufeng,SUN Yanqiong,GONG Xianzheng

(College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Over 40% society energy consumption is contributed by the construction industry,where the building materials play an important role in the energy saving performance of a building. Research reveals that the energy consuming of air conditioning and heating system has taken 70% of the overall building energy consumption through all its life cycle,mainly due to the thermal transmission of building envelope structure. Therefore,this paper focuses on the exterior heat insulators,windows and wall materials,which are critical to building heat-insulating property,to study their resource consuming and environment impact during the life cycle from mining,production,transportation,utility,until disposal. In the end,the author aims to provide a robust rationale and database to optimize environmental friendly material selection for the green building.

building materials; life cycle assessment; green building

2016-02-07

北京市自然科學基金(2164056)，

劉 宇，男，1984年生，博士， Email:liuyu@bjut.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.10.02

TU5；X820.3

A

1674-3962(2016)10-0769-07