建筑排水系統(tǒng)管材的環(huán)境生命周期分析

宋 梨

（江蘇合谷建筑設(shè)計有限公司，江蘇 蘇州 215000）

傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)設(shè)計一直側(cè)重于最大化經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，而很大程度上忽視了環(huán)境影響和長期社會經(jīng)濟(jì)后果[1]。人們越來越關(guān)注環(huán)境影響、氣候變化和自然資源枯竭，但是很少有調(diào)查從生命周期評估（LCA）的角度評估排水系統(tǒng)對環(huán)境的影響，排水系統(tǒng)在所有生命周期階段（即生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和使用階段）都會對環(huán)境產(chǎn)生影響。其安裝階段非常重要，因為它涉及材料移除、挖掘和能源使用。如果排水系統(tǒng)采用純重力系統(tǒng)，則可以忽略LCA 研究中的廢水輸送和使用階段不需要能量，而考慮制造、運(yùn)輸和安裝等其他階段。如果關(guān)注的是存在泵站的平坦地區(qū)，那么摩擦損失和使用階段應(yīng)該包括在LCA 研究中。該研究的主要目標(biāo)是量化排水系統(tǒng)中不同管道材料的環(huán)境影響，并支持選擇管道材料以獲得更好的生命周期環(huán)境性能。

1 生命周期分析方法

生命周期分析（LCA）是一種評估產(chǎn)品或過程，在整個生命周期內(nèi)相關(guān)的潛在環(huán)境影響的方法[2]。該方法根據(jù)產(chǎn)品的材料和能源輸入、輸出來評估產(chǎn)品對環(huán)境的影響，比較LCA 通常用于確定哪種產(chǎn)品或材料對環(huán)境的影響最小。使用該方法，包括以下4 個步驟：①定義目標(biāo)和范圍以確定分析的目標(biāo)和系統(tǒng)邊界。②分析生命周期清單以量化所收集的數(shù)據(jù)。③評估LCA 結(jié)果及其對不同環(huán)境因素的影響，并將影響分配給不同的環(huán)境影響類別以獲得特定類別是指標(biāo)。④解釋以評估和總結(jié)從先前階段獲得的結(jié)果以得出實質(zhì)性結(jié)論[3]。該研究的系統(tǒng)邊界包括4 個生命周期階段：原材料獲取和制造、運(yùn)輸、安裝和使用和維護(hù)，如圖1所示。

圖1 生命周期評價研究的系統(tǒng)邊界

該研究旨在量化和比較排水系統(tǒng)中使用的不同管道材料對環(huán)境的影響，系統(tǒng)邊界包括管道制造、運(yùn)輸、安裝和使用。功能單元被定義為1 個擁有5 萬人的小鎮(zhèn)，在50年間所需的1km 排水系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施[4]。使用Ecoinvent 3 和SimaPro 8 進(jìn)行清單分析，使用 USEPA TRACI 方法進(jìn)行影響評估。

2 生命周期分析原理

純重力排水系統(tǒng)由于廢水的流動是由重力驅(qū)動的，在洪水罕見且地下水位低的地區(qū)運(yùn)行良好，因此在使用階段產(chǎn)生的能量消耗最少[5]。但位于平坦區(qū)域帶有泵送站的排水系統(tǒng)，需要泵送以克服摩擦損失，并且在50年的使用壽命期間，總能量消耗可能很大，預(yù)估一個擁有 5 萬人口小城市廢水的峰值流量為450L/s，摩擦損失取決于管道直徑、流速、管道長度和管道類型[6]。Hazen-Williams 方程通常用于計算摩擦損失和相對能量需求，管道摩擦引起的水頭損失的Hazen-Williams 如公式（1）所示。

式中：Pf為摩擦水頭損失（kPa）；C為Hazen-Williams 粗糙度常數(shù)（PVC 和FRP 為150，HDPE 為140，鋼筋混凝土為125～130，球墨鑄鐵為120，玻璃化黏土為110），Q為峰值流速（m3/h）；DI為內(nèi)部水力直徑（cm）?？紤]不同管道材料的C值不同，摩擦水頭損失計算如下：球墨鑄鐵：3.09kPa～3.32kPa；PVC 和FRP：2.40kPa；HDPE：2.72kPa；鋼筋混凝土：3.13kPa；玻璃化黏土：4.27kPa。

計算泵的功率需求如公式（2）所示。

式中：HP為泵所需功率；Pf為摩擦水頭損失；Pe為泵的效率。假設(shè)所有管道材料的泵效率均為50%，各系統(tǒng)所需的泵功率如下：HP球墨鑄鐵= 9529.07-10238.35W，HP玻璃化黏土= 13161.60W，HP鋼筋混凝土= 9649.35 W，HPHDPE=8383.65W，HPPVC&FRP=7397.34W。假設(shè)泵每天運(yùn)行時間為1h，表1 給出了每種管材在使用階段所需的總能量。

表1 材料在50年內(nèi)1km 的使用階段所需的總能量

3 排水系統(tǒng)管材生命周期影響分析

3.1 制造階段的環(huán)境影響

表2 顯示了在各種環(huán)境類別中制造6 種不同管道的影響[7]。球墨鑄鐵的制造過程不可避免地需要大量的材料和能量，幾乎對所有類別的影響都最大。玻璃化黏土的制造階段對臭氧消耗、富營養(yǎng)化和化石燃料消耗等環(huán)境類別也產(chǎn)生了重大影響。潛在的原因可能是FRP 需要大量的原油和釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物，玻璃化黏土管的生產(chǎn)階段對大多數(shù)品類都有重大影響，因為窯爐需要將大量玻璃化黏土加熱到1094℃高溫。

表2 使用 TRACI 的 1 km 不同管道系統(tǒng)的制造過程的生命周期影響

3.2 使用階段的環(huán)境影響

表3 列出6 個不同管道系統(tǒng)在使用階段對不同環(huán)境類別的影響[7]。在純重力排水系統(tǒng)中，摩擦水頭損失忽略不計，因此這里所示的結(jié)果是針對有泵送站的排水系統(tǒng)。對球墨鑄鐵管，假設(shè)基于海澄-威廉方程中不同C值的能耗范圍。PVC 和FRP 管道在使用階段的性能最好，泵送所需能量最低。由于其摩擦系數(shù)高，因此玻璃化黏土管在所有類別中影響最大。

表3 使用 TRACI 的 1 km不同管道系統(tǒng)使用階段生命周期影響

3.3 生命周期環(huán)境影響

對每個影響類別，結(jié)果歸一化為該類別中影響最大的材料的結(jié)果，六種不同管道材料的純重力排水系統(tǒng)和泵送排水的全生命周期環(huán)境影響如圖2 和圖3所示。考慮純重力排水系統(tǒng)和化石燃料消耗類別，HDPE 管道的影響最大，因此在圖2 中，HDPE 管道的化石燃料消耗被指定為100%。對其他管道材料，化石燃料消耗以百分比表示。

圖2 純重力排水系統(tǒng)中所有管道材料的生命周期比較特征圖

圖3 帶提升泵排水系統(tǒng)中所有管道材料的生命周期比較特征圖

當(dāng)考慮純重力排水系統(tǒng)時，制造階段主導(dǎo)了生命周期的影響。在6 種材料中，除化石燃料消耗外，球墨鑄鐵管對所有類別的影響最大。HDPE 和PVC 管材與其他管材相比，由于其原料來源于原油，因此化石燃料消耗相對較高。對有泵送站的泵送排水系統(tǒng)，所考慮的所有管道材料，使用階段的影響與制造階段相當(dāng)，甚至明顯更高。

在考慮的六種材料中，球墨鑄鐵和玻璃化黏土在許多類別中往往是最差和第二差的材料。雖然水泥制造也是能源密集型的，但應(yīng)該注意的是，用于制造下水管道的混凝土石膏僅含有約15%的水泥質(zhì)量。對這兩種類型的排水系統(tǒng)，鋼筋混凝土是最環(huán)保的選擇。

4 環(huán)境影響分析

在該文中進(jìn)行生命周期分析，以比較排水系統(tǒng)中6 種常用管道材料的環(huán)境性能。除了以往研究中通常研究的能源消耗和溫室氣體排放外，還確定了 EPA TRACI 追蹤方法中的其他環(huán)境影響類別。排水網(wǎng)絡(luò)材料選擇的主要目標(biāo)是通過將NOx和 CO2等有害化合物的排放量保持在盡可能低的水平，以保持最低的能源使用并滿足環(huán)境目標(biāo)。此外，根據(jù)現(xiàn)場和系統(tǒng)要求，不同管道材料的適用性不同，應(yīng)確認(rèn)與排水化學(xué)和土壤的相容性。

考慮管道制造、運(yùn)輸、安裝和使用階段，并考慮兩種類型的排水系統(tǒng)：純重力排水和泵送排水。對純重力系統(tǒng)，無論管道材料如何，制造階段都占主導(dǎo)地位。球墨鑄鐵的制造是所有環(huán)境類別中最差的；玻璃化黏土管的制造階段對大多數(shù)類別都有重大影響，因為玻璃化管制造在1094℃左右的窯爐中完成，需要大量的能量輸入；運(yùn)輸和安裝只占總影響的一小部分，由于鋼筋混凝土和玻璃化黏土管質(zhì)量大，與其他材料相比影響更大對泵送的排水系統(tǒng)，使用階段的影響與制造階段相當(dāng)甚至更高；所需泵送能量最低的 PVC 和 FRP 管道由于摩擦損失較低而在使用階段具有最佳性能，而陶瓷黏土管道最差。

5 結(jié)論

通過該文對6 種常用管道材料在制造、運(yùn)輸、安裝和使用階段對環(huán)境影響的比較可知，鋼筋混凝土是純重力排水和泵送排水的最環(huán)保材料。生命周期環(huán)境性能只是設(shè)計排水系統(tǒng)時需要考慮的因素之一，還應(yīng)考慮其他因素，如季節(jié)性溫度變化、腐蝕、安全要求、成本、溝槽條件（地質(zhì)條件）和地下水、土壤化學(xué)，朝著可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施和可持續(xù)城市的方向發(fā)展，排水系統(tǒng)設(shè)計需要同時考慮所有因素，以平衡技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。