建筑围护结构全生命期环境影响计算模型及分析

杨倩苗，付宇

(1．山东省绿色建筑协同创新中心，济南25%1；

2．山东建筑大学，济南25%1；

3．清华大学，北京100084)

 [摘要]为了评价、比较相同节能效果的不同建筑围护结构的环境表现，基于全生命期环境评价理论，论文建立了建筑围护结构全生命期环境影响计算模型，可以用单一结果“环境指标”来计算、表征全生命期5个不同阶段、11个环境影响类型的环境影响。并对居住建筑节能65%的外窗、填充墙进行了环境评价、分析，能够在工程实践中指导部品选型和进一步优化建筑部品的环境表现。

 [关键词]建筑围护结构；全生命期；环境影响；计算模型；环境指标

O  引言

 建筑产品是建筑全生命期不同过程产品的总称，包括建筑材料、建筑部品和建筑。目前，对建筑全生命期环境影响的研究主要有两个方向，一是研究水泥、钢筋、混凝土、砂石、再生石料、保温材料等基础建材生产过程中对环境的影响，进而比较再生骨料混凝土等再利用建材与常规建材的环境影响；二是研究整栋建筑全生命期的环境影响，重点研究建材生产、建筑物使用过程中的能源消耗或CO：排放。不难看出，建筑全生命期环境影响的研究缺少了对建筑部品的环境影响的研究，建筑部品是具有相对独立功能的建筑产品，如结构层、保温层、防水层、门窗、围护结构等，建筑部品环境影响研究的缺失必然导致整栋建筑环境影响研究的不完善和不精确。另外，建筑设计实践中也需要横向对比相同功能的不同建筑部品的环境影响，以选择环境影响小的建筑产品。

 建筑围护结构是具有围合空间、保温隔热功能的建筑部品，主要包括门窗、外墙、屋面和地面4种建筑部品。建筑节能是目前建筑行业的重点领域，因此本文以一定传热系数的围护结构为研究对象，基于生命周期评价理论，建立其全生命期环境影响计算模型，并计算、分析4种围护结构的环境指标，对比其全生命期不同阶段、不同影响类型的环境影响。

1  计算模型

1.1  模型概述

 本文确定的计算模型是在传热系数一定的情况下，应用全生命期评价理论，评价建筑围护结构50年使用期限内对环境的影响，作为优化选取建筑围护结构的依据。建筑围护结构的全生命期边界包括建材的生产和运输、部品的施工、使用和废弃处理5个阶段。

1.2  建立模型

1.2.1  清单模型

建筑围护结构清单模型是统计建筑围护结构在建材的生产和运输、部品的施工、使用和废弃处理5个阶段资源及能源消耗量和污染物排放量，计算公式如下。

式中：QE为建筑围护结构全生命期的环境影响清单；Q。、Q。、Q。、Q。、Q。分别为建筑围护结构在建材生产阶段、建材运输阶段、部品施工阶段、部品使用阶段和部品废弃阶段的环境影响清单。

建筑围护结构全生命期产生的影响环境的物质i的计算公式如下：

式中：i为建筑围护结构全生命期产生的影响环境的某物质，包括消耗的资源、能源和排放的污染物；QE。为建筑围护结构全生命期产生的影响环境的物质：的数量；Q。；、Q。、Q。；、Q。．、Q。。分别为建筑围护结构在建材生产阶段、建材运输阶段、部品施工阶段、部品使用阶段和部品废弃阶段产生的影响环境的物质i的数量。

 1)建材生产

建材生产阶段产生的影响环境的物质i数量的计算公式如下：

式中：j为建筑围护结构所使用的某建材；mj为单位数量的建材j生产过程中产生的影响环境的物质i的数量；N，为建材j的数量；R，为建材，的替换系数；其他参数含义同前。

 《全国统一建筑工程基础定额》是住建部颁布的建筑工程量计算标准，规定了完成单位工程量消耗的劳动力、建材、机械台班的数量。根据《全国统一建筑工程基础定额》、围护结构构造做法，将建筑围护结构“分解”为若干建材种类及数量N，。

 建筑围护结构中的某些部品，如面层、保温层、防水层、门窗在建筑50 a的使用期限内需要维修更新，必将导致相关建材和施工机械的成倍增加。因此，使用建材的替换系数RJ、施工机械的替换系数R。计算由此增加的环境负荷。R，=R。=建筑部品使用年限+ 0.4，四舍五入取整数。

 2)建材运输

建材运输阶段产生的影响环境的物质i的数量的计算公式如下：

式中：tW、tT和tv分别是内河水运、铁路、公路运输单位运输周转量货物产生的影响环境物质i的数量；Wj为建材，的重量；Dj为建材j的运输距离。1.67为公路运输空车返回的环境负荷系数（公路运输空车的环境负荷是满载的0. 67倍；其他参数含义同前。

 3)围护结构施工

围护结构施工阶段产生的影响环境的物质i数量的计算公式如下：

式中：，c为施工过程中的某施工机械；c。为每台班施工机械，c产生的影响环境物质；的数量；N。为施工机械K的数量。R。为施工机械K的替换系数；其他参数含义同前。

 根据《全国统一建筑工程基础定额》确定建筑围护结构施工过程中需要的施工机械种类及数量N。。

 4)围护结构使用

围护结构使用阶段产生的影响环境的物质i数量的计算公式如下：

式中：M为生产1 MJ热量产生的影响环境物质i的数量；E为50 a使用期限内通过围护结构损失的热量，MJ；K为围护结构传热系数，W/(m2．K)；F为围护结构的面积，m2，取1 m2。t。为冬季室内计算温度，取18℃；t。为供暖期室外平均计算温度，℃；Z为计算供暖期天数，d；其他参数含义同前。

5)围护结构废弃处理

围护结构的废弃物处理主要是指建筑垃圾的填埋和可回收建材的再利用。因此围护结构拆除阶段产生仅统计产生的建筑垃圾的重量，其计算公式见式(8)：

式中：Wa，为建材，的垃圾产生率，钢筋、玻璃、木材等可回收建材的Waj =0，混凝土、砌块、砂浆等不可回收建材的Wa．=1；其他参数含义同前。

1.2.2评价模型

 建筑围护结构评价模型是将得到的清单数据归到11种不同的影响类型中，并将每一种影响类型中的不同物质转化、汇总成特征物质，以1990年全国人均能源、资源消耗量和污染物排放量作为基准值，将不同影响类型进行无纲量化，并根据不同环境影响类型的重要程度将11个无纲量影响结果加权成可供比较的单一结果——环境指标EI。

建筑围护结构环境指标的计算公式如下：

式中：El为建筑围护结构全生命期的环境影响指标；EI。、EI．、El。、El。、El。分别为建筑围护结构在建材生产阶段、建材运输阶段、部品施工阶段、部品使用阶段和部品废弃阶段的环境影响指标；El，为建筑围护结构在第f种环境影响类型的环境影响指标；f为某种环境影响类型，根据建筑围护结构的特点，选择全球变暖、臭氧耗竭等11种环境影响类型；CC。为影响环境的物质l的特征化系数；CN,为第l种环境影响类型的人均当量基准值；CWL为第l种环境影响类型的权重系数；其他参数含义同前。CN，、CW，按表1取值。

1.3  模型验证

从大量研究建筑部品全生命期环境影响的学术论文中，选取评价结果单一、论文结论清晰、具有可比性的两篇典型论文，使用原论文的基础数据和本论文的计算模型，比较了20种建筑部品的环境影响。评价结果如表2所示，基本验证了本文计算模型的准确性。

2  算例分析

2.1基础数据

本文的研究对象是符合居住建筑节能65%要求的外窗和填充墙全生命期的环境指标El。以山东省潍坊市某住宅为例，供暖期室外平均计算温度te=0.3℃；计算供暖期天数Z=117 d。65%节能传热系数2. 10 W/( m2．K)的塑钢窗构造：四腔结构型材，Low-E(5 +9 +3)中空玻璃，窗框面积占窗户面积的35%；木窗构造：70 mm厚木框料，Low-E(5 +12 +3)中空玻璃，窗框面积占窗户面积的45%。表3给出了建筑50 a使用期限内1m2上述规格塑钢窗及木窗2个算例的基础数据。65%节能传热系数0.57 W/( m2.K)的灰砂填充墙构造：水泥砂浆面层+240 mm灰砂砖填充层+20mm水泥砂浆找平层+60 mmEPS保温层+涂料面层；加气混凝土砌块填充墙构造：水泥砂浆面层+240 mm粉煤灰加气混凝土砌块填充层+20 mm水泥砂浆找平层+20 mmEPS保温层+涂料面层。表4、表5给出了建筑50 a使用期限内1 m2的上述规格的灰砂填充墙、加气混凝土砌块填充墙2个算例的基础数据。研究表明建材重量小于功能单元重量的2 %，则该建材对环境影响可忽略不计，因此在表4~5建材统计过程中，玻纤布、胶粉、膨胀剂等用量小的建材不统计。

2.2模型计算

 将以上数据代入式(1)~式(15)，得到塑钢窗等4个算例模型的环境指标El，涉及的建材生产过程的环境影响清单mj，运输过程的环境影响清单tw、t，、tv，施工机械的环境影响清单c。，使用过程能耗的环境影响清单M，根据参考文献[11]取值。塑钢窗、木窗、加气混凝土砌块填充墙和灰砂砖填充墙50 a全生命期的环境指标EI分别是21. 85、258. 08、11. 65和23. 74。

 1)全生命期不同阶段的El

塑钢窗、木窗在建材生产阶段m、建材运输阶段t、部品施工阶段c、部品使用阶段u和部品废弃阶段w的环境影响指标如图1所示，其中EI。、El。、El。分别是0. 68和5.94、0.26和231. 24、0.01和0.00，El。、EI。都是0.00和20. 89。塑钢窗、木窗的El。分别是其El。的30. 72倍和3.52倍，分别是其El。的80. 35倍和0.09倍。木窗的EI。占其全生命期EI的89. 6%。

加气混凝土砌块填充墙、灰砂砖填充墙在建材生产阶段m、建材运输阶段t、部品施工阶段c、部品使用阶段u和部品废弃阶段w的环境影响指标如图2所示，其中El。、El．、El。、El。分别是3.84和12. 78、0.21和1.27、0.002和0.004、1.93和4.00，El。都是5.67。加气混凝土砌块填充墙、灰砂砖填充墙的El。分别是其EI。的1.48倍和0.44倍，分别是其El．的27倍和4.46倍，分别是其EI。的2.94倍和1. 42倍。

 2)全生命期不同环境影响类型的El，

塑钢窗、木窗在全球变暖等1 1个类型的环境影响指标如图3所示，其中El。、E/c、E/E、E/F、E/c分别是2. 08和49. 52、18. 21和18. 38、0.84和50. 04、0. 22和114. 86、0.10和14. 76。塑钢窗、木窗在E/E、E/F、E/c的差值分别占其EI差值的20. 8%、48.5 %和6.2%。

加气混凝土砌块填充墙、灰砂砖填充墙在全球变暖等11个类型的环境影响指标如图4所示，其中E/c、E/D、E/K分别是5.67和6.08、2.80和11.3、1. 94和4.03。加气混凝土砌块填充墙、灰砂砖填充墙在EID、EIK的差值分别占其EI差值的70. 3%和17. 3%。

2.3  结果分析

 从图1、图3的结果分析可知，长运输距离是造成木窗环境影响大的主要原因，而运输油耗也使木窗在光化学烟雾、酸化和全球变暖三个方面的环境影响显著，因此实现木料国产化、本地化是使木门窗真正成为绿色建材的关键因素；不考虑运输过程，窗户使用阶段的能耗是最其主要的环境负荷，因此进一步提高窗户保温性能是减少其环境影响的有效手段。

 从图2、图4的结果分析可知，灰砂砖外墙和加气混凝土砌块外墙全生命期的环境影响，主要发生在建材生产阶段和部品使用阶段，而且主要在矿石资源消耗、化石能源消耗、固体废弃物方面环境负荷大。因此改进生产工艺、减少生产过程资源能源消耗，研发导热系数小的新型墙体材料，是今后外墙材料重要的发展方向。

3  结论

 本文建立了建筑围护结构全生命期环境影响计算模型，并评价、分析了4种围护结构部品的环境指标El，得到如下主要结论：

 1)建筑围护结构环境影响计算模型是基于围护结构节能的全生命期环境影响数学模型，可以评价围护结构全生命期5个阶段、11种环境影响类型的环境影响，评价结果单一、直观，可从多方面比较、分析节能围护结构的环境影响。

 2)相同节能效果的围护结构的全生命期环境影响不同。4种居住建筑65%节能围护结构，木窗的环境影响最大，塑钢窗和灰砂砖填充墙的环境影响次之，加气混凝土砌块填充墙的环境影响最小。木窗的全生命期环境影响是加气混凝土砌块填充墙的22. 15倍。从环保角度考虑，要优先选用塑钢窗和加气混凝土砌块填充墙。

 3)相同节能效果的围护结构的环境影响方面不同。4种居住建筑65%节能围护结构，环境影响的重点方面存在较大差异，塑钢窗环境影响的重点是使用阶段的化石能源消耗，也就是要使用更节能、传热系数更小的框料和玻璃。木窗环境影响的重点是运输阶段的光化学烟雾、酸化和全球变暖，因此木框料的国产化、本地化是解决木窗环保问题的重点。加气混凝土砌块填充墙、灰砂砖填充墙环境影响重点是建材生产阶段、使用阶段的矿石资源和化石能源消耗，因此填充外墙的环保重点是改进砌块、保温材料的生产工艺，减少对环境的影响；提高砌块、保温材料的保温性能，减少使用过程的能耗。