基于生命周期评价的绿色建筑选材研究

刘 宇，张宇峰，孙燕琼，龚先政

(北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124)



基于生命周期评价的绿色建筑选材研究

刘 宇，张宇峰，孙燕琼，龚先政

(北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124)

我国建筑业能耗占全国总能耗的40%以上，建筑中由于围护结构热传导而产生的空调与供暖能耗占建筑全生命周期能耗的70%以上，节能建筑材料的开发与应用是建筑节能的关键。以对建筑保温性能具有关键作用的外墙外保温材料、建筑玻璃窗与墙体材料为研究对象，利用生命周期评价方法定量分析典型节能建材从矿石开采、材料生产、运输、使用直至最终废弃全生命周期过程的资源消耗与环境影响，据此进行低环境负荷材料的择优，为绿色建筑的科学选材提供理论与数据支撑。

建筑材料；生命周期评价；绿色建筑

1 研究背景

建筑业是我国经济发展的支柱产业之一。据统计，每年我国建筑业能耗占全国总能耗的40%以上，由耗能带来的污染物排放量亦十分巨大。随着全社会对环境问题的日益关注，在全生命周期内最大限度节约资源能源、减少污染、保护环境已经成为建筑业发展的趋势。

建筑材料是构成建筑的物质基础，绿色建筑的发展离不开相应建筑材料的支持，无论建筑物化阶段还是其运行阶段的环境影响，均与建筑材料的性能以及环境影响有着密切的关系[1]。建筑中由于围护结构热传导而产生空调与供暖能耗占建筑全生命周期能耗的70%以上[2]。因此，节能建筑材料的开发与应用是建筑节能的关键[3]，通过科学的方法选取材料达到最优的建筑节能效果，对绿色建筑的推广具有重要意义。

生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)是一种通过量化与评估对象相关的能源消耗、物质消耗和污染物排放，来评估某一产品、过程或事件环境负荷的方法。近些年，随着建筑节能的发展，国内研究人员使用该方法开展了大量针对新型节能建材的研究：周骏贵等人对新型墙体材料的全生命周期评价研究进行了综述[4]；李斌运用生命周期评价方法，分析了外墙外保温体系从设计、施工、使用到废弃全过程的成本，计算了该体系的生命周期成本与补偿年限[5]；肖君利用生命周期评价方法分析了岩棉板和聚苯乙烯挤塑板在生产、使用和拆除阶段的资源、能源消耗及污染物排放情况，从社会支付意愿角度衡量环境影响程度[6]；陈文娟基于生命周期评价方法分析了浮法玻璃生产的资源与能耗情况，定量化了富氧燃烧技术的节能减排潜力[7]；马丽丽[8]、赵春芝[9]、马丽萍[10]、郭鹿[11]、王波[12]等人分别对纸面石膏板、铝塑板及单铝板、聚苯板、铜塑铝板和纯铜板等建筑材料开展了环境负荷研究。

国外学者也基于生命周期评价方法对节能建筑材料开展了相关研究。Afif Hasan[13]计算了外墙保温材料的全生命周期节能成本，结果显示，根据墙体结构的不同，岩棉保温材料的投资回收期在1年到1.7年之间，而聚苯板的投资回收期在1.3年到2.3年之间；Amaryllis Audenaert[14]用Eco-indicator 99方法对一栋19层低能耗建筑进行生命周期评价，结果显示，保温隔热材料的选择影响建筑的生态指数，使用聚苯板比使用岩棉板的建筑生态指数高15%；Ashwin Sabapathy[15]、Christopher Koroneos[16]分别对印度与希腊的烧结砖产品进行了环境影响对比； Mueller A[17]、 Kurama H[18]、 Huberman N[19]等人则对加气混凝土砌块从矿物开采到循环回收过程的环境负荷开展了相关研究。

本文从建筑选材的角度出发，以对建筑保温性能具有关键作用的外墙外保温材料、建筑玻璃窗与墙体三类节能建筑材料产品为研究对象，利用生命周期评价方法定量分析典型节能建材产品从矿石开采、材料生产、运输、使用直至最终废弃全生命周期过程的资源消耗与环境影响，据此进行低环境负荷材料的择优，为绿色建筑的选材提供理论与数据支撑。

2 研究方法

本文基于ISO14040系列标准规范的生命周期评价方法与技术框架开展研究。按照国际标准化组织的定义，生命周期评价是对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价[20]。这里的产品系统是通过物质和能量联系起来的，具有一种或多种特定功能的单元过程集合。生命周期是指产品系统中前后衔接的一系列阶段，从原材料的获取或自然资源的生成，直至最终处置。

节能建筑材料产品的生命周期涉及多个环节，需要大量数据来支撑整个评价过程。通过与相关行业专家进行研讨，制定环境负荷数据的收集计划、系统边界与质量控制规范，见表1所示。数据收集阶段将行业协会、企业、设计部门的调研数据与统计资料(年鉴、行业报告)的统计数据相结合，涵盖矿石开采、能源生产、运输、材料生产与废物处置等重要环节。通过数据质量控制与评价方法对所收集的数据进行审核、表征并分析数据的代表性、完整性、准确性和时效性。

表1 数据收集范围与方式Table 1 The scope and methods of data collection

根据节能建筑材料的环境负荷特点，构建环境影响评价指标体系，见表2所示。通过数据收集定量化典型外保温材料、建筑玻璃窗、墙体材料全生命周期的资源、能源消耗与污染物排放量，利用评价模型与指标体系将由此造成的重要环境问题基于自然科学进行综合表征，据此比较同一种建筑结构采用不同材料对建筑整体环境负荷的影响，实现对节能建筑材料的科学择优。

表2 环境影响评价指标体系Table 2 Environmental impact assessment indicators system

3 基于生命周期评价的典型外墙外保温材料选材研究

墙体外保温技术是建筑节能的重要手段，可有效消除墙体中的热桥，达到优异的绝热效果，同时消除冷凝，保持室温稳定性，提高居住舒适性。从材料可燃性的角度，墙体外保温材料主要分为三类，即可燃的有机保温材料、难燃的有机-无机复合型保温材料和不可燃的无机保温材料。有机保温材料以聚苯乙烯泡沫(EPS)板为代表，具有优越的保温隔热性能，但防火性能相对较差；无机保温材料以岩棉板为代表，其保温性能弱于有机保温材料，但具有良好的防火性能。本文通过分析EPS板和岩棉板的全生命周期环境负荷，对比两类典型外墙外保温材料在达到相同保温性能与防火等级情况下的环境影响，据此指导外墙外保温材料的科学择优。

3.1 相同保温效果下两种保温系统的环境影响比较

根据北京地区居住建筑节能标准与对墙体围护结构热工设计的要求，将目标建筑的外墙传热系数设定为0.40W/(m2·K)，基层墙体设定为200mm的钢筋混凝土墙，保温板与基层墙体通过聚合物水泥砂浆粘结，且粘结面积不小于40%。功能单位选取为安全粘贴在200mm钢筋混凝土墙基层墙体上，且保证墙体传热系数为0.40W/(m2·K)的1m2EPS薄抹灰外墙外保温系统以及岩棉薄抹灰外墙外保温系统。为达到设定的外墙传热系数，两种保温系统的EPS板和岩棉板用量分别为9kg/m2和17.33kg/m2；粘结砂浆用量分别为7.5kg/m2和9kg/m2；抹面砂浆、锚栓、玻璃纤维网格布和涂料的用量均为9,0.18,0.2和0.2kg/m2。据此计算相同保温性能时两种外保温系统的环境影响，见图1所示。

图1 具有相同保温性能时两种外保温系统的环境影响归一化结果Fig.1 The environmental impact of two external thermal insulation composite systems in the same insulation performance

结果显示，酸化和光化学烟雾为外保温系统最主要的环境影响，主要是由材料生产过程排放的SO2与NOx所致；两种系统中不可再生资源消耗和水体富营养化影响相差不大，原因为对这两种环境影响起决定作用的干混砂浆用量基本相同；岩棉外保温系统的温室效应和人体健康损害两种环境影响明显高于EPS系统，由于岩棉板在生产过程的能耗远高于相同功能单位的EPS板，直接导致大量温室气体的排放和人体健康损害的产生。综合环境影响指标的对比结果显示，岩棉外保温系统的环境影响比相同保温性能的EPS外保温系统高23.3%。

3.2 综合考虑保温性能和阻燃性能的两种保温系统的环境影响比较

外墙外保温系统在满足围护结构保温性能的同时，还应兼顾系统本身的阻燃性能。因此，对比两种保温系统环境影响时，需要综合考虑材料的隔热性和阻燃性。本文设定表征材料隔热性能和阻燃性能的综合指标：1/(导热系数×材料燃烧增长速率指数)，单位为[(m2·K·s)/W2]。岩棉为A级不燃材料，导热系数0.040W/(m2·K)，燃烧增长速率指数≤120W/s， EPS板导热系数0.039W/(m2·K)，燃烧性能等级B1，燃烧增长速率指数≤250W/s。以此为基准，对比相同保温和阻燃性综合指标下EPS外保温系统和岩棉外保温系统的环境影响，见图2所示。结果显示，EPS外保温系统的环境负荷比岩棉外保温系统高15.8%。

图2 综合指标下两种外保温系统的环境影响归一化结果Fig.2 The environmental impact of two external thermal insulation composite systems in the composite indicator

综上，若仅考虑墙体的保温性能，EPS薄抹灰外墙外保温系统的环境协调性优于岩棉薄抹灰外墙外保温系统；但是在综合考虑保温性能和阻燃性能的情况下，岩棉外保温系统则优于EPS外保温系统。

4 基于生命周期评价的典型建筑玻璃窗选材研究

玻璃窗是建筑的重要组成部分，不仅起到美观装饰作用，还具有采光、保温、隔声等功能。本文以铝合金窗、断桥铝合金窗、塑钢窗、木塑复合窗和再生木塑复合窗5类典型玻璃窗为研究对象，其规格为1500mm×1500mm外墙用平开窗，玻璃类型为5+12A+5Low-E中空玻璃，使用增塑PVC密封胶条和硅酮密封胶，五金件均选用Q235钢材。生产每平米各类型玻璃窗所需材料见表3所示。

根据确定的数据调研方案，对表3中各类材料生产的基础清单、玻璃窗组装电耗、以及部件运输过程的能耗与污染物排放进行计算，据此分析5种玻璃窗生产造成的主要环境影响，见表4所示。

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

表4 各玻璃窗生产过程的环境影响评价结果Table 4 The environmental impact assessment results of the windows

在建筑玻璃窗的使用阶段，因两侧存在温差引发热交换，需要由空调或暖气提供额外热量来进行补偿以维持适宜的室内环境，用其表征玻璃窗在使用阶段的能源消耗。对于夏季制冷建筑物中玻璃窗产生的能耗，同时考虑内外温差引起的玻璃窗热传导以及太阳辐射引起的传热；对于冬季采暖建筑中玻璃窗产生的能耗，仅考虑内外温差引起的玻璃窗热传导。铝合金窗、断桥铝合金窗、塑钢窗、木塑复合窗和再生木塑复合窗的传热系数分别为2.6,2.1,2.0,1.9和1.9W/(m2·K)。假定建筑内制热和制冷均通过空调完成，空调的制冷系数为2.6，制热系数为1.8，据此计算出玻璃窗造成的夏季制冷和冬季制暖能耗，见表5所示。

由于各类型玻璃窗寿命不同，因此需要将它们放置在整个建筑的生命周期中考虑。假定建筑寿命为70年，铝合金窗、断桥铝合金窗的使用寿命分别为40年和50年，塑钢窗、木塑复合窗以及再生木塑复合窗的使用寿命为30年，玻璃窗在使用寿命到期后需要更换。以此计算出每类玻璃窗在建筑服役周期中的年平均环境影响，见图3所示。

表5 各类型玻璃窗使用阶段每年的能耗 (MJ)Table 5 Energy consumption of the windows in use phase per year (MJ)

结果显示，各类玻璃窗的使用阶段均占全生命周期环境影响的90%以上，因此玻璃窗的隔热性能对其环境影响具有主导作用。由于使用阶段对环境影响的支配性贡献，各类玻璃窗的环境影响分布基本相同，其中AP、GWP和POCP贡献较大，分别为48%，28%和15%左右，而ADP、HTP和EP所占比例均低于5%，各类环境影响均主要源于使用阶段的电耗以及发电过程的污染物排放。各类玻璃窗的对比结果显示，再生木塑复合窗的环境影响最小，其次是木塑复合窗和塑钢窗，铝合金窗的环境影响最大。断桥铝合金窗、塑钢窗、木塑复合窗以及再生木塑复合窗的环境影响分别比铝合金窗减少13%、18%、23%和23%。

图3 玻璃窗的年平均环境影响评价结果Fig.3 The annual average environmental impact assessment results of the windows

5 基于生命周期评价的典型墙体材料选材研究

近些年来，我国以保护土地、节约能源为目的，大力开展墙体材料改革，新型墙体材料不断涌现。本文选取粘土实心砖、利废空心砖、加气混凝土砌块和轻集料混凝土砌块4类典型墙体材料为研究对象，对比不同墙体材料的选取对建筑环境负荷的影响，其基本信息见表6所示。系统边界定义为从原料开采至材料出厂，即“从摇篮到大门”。

研究的功能单位定义为1m2具有相同保温性能的围护结构。由于4种典型墙体材料的导热系数不同，由它们砌筑的具有相同保温性能的围护结构也有所差异。调研的4种墙体材料的导热系数分别为0.8,0.5,0.2和0.28W/(m·K)，以粘土实心砖砌筑成三七墙为基准，将利废空心砖砌筑的二四墙围护结构、加气混凝土砌块砌筑的150mm厚围护结构以及轻集料混凝土砌块砌筑的190mm厚围护结构设计成与基准具有同样的保温效果。不同材料围护结构的环境影响评价结果如图4所示。

表6 典型墙体材料产品的基本信息Table 6 Basic information of typical wall materials

图4 不同材料围护结构的环境影响评价结果Fig.4 The environmental impact of the building envelopes with different materials

各类环境影响的分析结果显示，粘土实心砖生产造成的不可再生资源耗竭影响最大，主要源于大量粘土的消耗，空心砖与轻集料混凝土砌块次之；两类烧结砖的温室效应影响较大，主要源于能源燃烧产生的CO2和CH4排放，而加气混凝土砌块在石灰生产和水泥生产中碳酸盐矿物的分解会排放大量温室气体，导致其温室效应大于轻集料混凝土砌块；酸化效应主要由化石能源燃烧所排放的SO2和NOx引起，粘土实心砖与利废空心砖的酸性气体排放主要来自烧砖过程煤的燃烧，而轻集料混凝土中陶粒的烧结及水泥生产过程产生大量SO2和NOx，导致其酸化效应也较显著，加气混凝土砌块的酸化效应最小；在光化学烟雾影响中，利废空心砖和轻集料混凝土砌块围护结构由于生产过程中NMVOC和CO的排放量较大，其影响大于粘土实心砖围护结构；粘土实心砖的水体富营养化影响最大，其主导物质是化石能源燃烧造成的NOx排放；人体健康影响的主导物质是粉尘、SO2和NOx，两类烧结砖的人体健康影响大于两类砌块。

不同墙体材料的环境影响的对比结果显示，粘土实心砖作为传统建筑材料，其生产能耗高、资源消耗多、环境污染大，使用粘土实心砖的围护结构具有最大的环境影响。相比粘土实心砖，采用利废空心砖、加气混凝土砌块和轻集料混凝土砌块的建筑围护结构，环境影响分别降低34%、70%和56%。在具有相同保温性能的情况下，采用加气混凝土砌块围护结构具有最优的环境表现。

6 结 论

本文以对建筑保温性能具有关键作用的外墙外保温材料、建筑玻璃窗与墙体材料为研究对象，通过收集典型节能建材从矿石开采、材料生产、运输、使用、直至最终废弃全生命周期过程的资源、能源消耗与污染物排放数据，利用生命周期评价方法定量分析其环境影响，据此进行低环境负荷材料的择优。

对于建筑外墙外保温材料，若仅考虑墙体的保温性能，EPS薄抹灰外墙外保温系统的环境协调性优于岩棉薄抹灰外墙外保温系统；但是在综合考虑保温性能和阻燃性能的情况下，岩棉外保温系统则优于EPS外保温系统。

对于建筑玻璃窗，再生木塑复合窗和木塑复合窗的年平均环境影响较低，比铝合金窗减少23%左右；5类玻璃窗使用阶段的环境影响均占据主导地位，采用新型材料降低传热系数是改善玻璃窗全生命周期环境表现的有效途径。

对于建筑墙体材料，在具有相同保温性能的情况下，加气混凝土砌块的总环境影响最小，实心粘土砖最大，为加气混凝土砌块的3倍以上。

绿色建筑的选材不仅需要考虑材料生产相关过程的资源消耗与环境排放，还需要考虑材料在具体建筑结构中的性能，两者缺一不可。生命周期评价方法能科学、全面地定量评价建筑材料全生命周期的环境影响，确定在实现相同功能的前提下采用何种建筑材料能够获得最优的环境效益。基于生命周期评价方法对节能建材的环境影响分析，不仅有助于新型建筑材料的开发，而且可对绿色建筑的选材提供有力方法与数据支持。

References

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(编辑 惠 琼)

《中国材料进展》2016年度编委会暨理事会在南京召开

在“2016新材料国际发展趋势高层论坛”举办期间，《中国材料进展》第三届编委会暨理事会第二次会议于2016年9月24日晚在南京国际青年交流中心成功召开。会议由杂志社副社长贾豫冬主持，主编周廉院士，编委会副主任、西北有色金属研究院院长张平祥教授，编委会副主任、化学工业出版社周伟斌社长，副主编、中国材料研究学会秘书长韩雅芳教授，常务副主编刘建章教授，丁文江院士、骞锡高院士、谢建新院士、王玉忠院士、王迎军院士等近50位编委/理事及代表参加会议。

主编周廉院士首先介绍了本届编委会暨理事会的4个议题：① 针对杂志存在问题及改进措施展开讨论；② 增加主编工作室力量，增强办刊力度，聘任年轻副主编；③ 加强电子版的出版，促进网站建设，发挥网络传播优势；④ 整合新材料战略咨询资源，恢复新材料战略咨询委员会的工作，通过“3个出口”+“3本杂志”+“1个大会与若干小会”的形式开展活动。“3个出口”就是指咨询委员会工作要面向国家各部委、省市地方和民间企业高校共3个部分；“3本杂志”是指《中国材料进展》、《新材料产业》和《材料导报》，加强活动的媒体宣传；“1个大会与若干小会”就是指“新材料国际发展趋势高层论坛”及若干个专题会议。

随后，主编周廉院士为杂志新聘副主编颁发了聘书。聘任西安交通大学材料学院院长单智伟教授为杂志副主编。杂志原副主编，中国工程院化工、冶金及材料学部左家和处长因岗位调整，由新任王爱红主任接替副主编一职。两位新任副主编分别表态，将用行动来回报主编及各位编委的信任。

常务副主编刘建章教授就杂志2015～2016年度的各项工作进行了详细的工作报告，重点介绍了杂志一年来，落实编委会精神，采取的改进措施以及取得的成效。会上，针对杂志的继续发展展开热烈讨论，各编委/理事纷纷献计献策，总结归纳主要有以下几点：①要从活力、实力、影响力3个方面提升杂志的综合竞争力；②坚持杂志的办刊宗旨，坚持与高层论坛的紧密结合。③目前国际同行非常认可中国科学家所做的研究工作，我们应更加自信；④坚持组约稿，加强每期的规划，进一步体现编委会的思想；⑤杂志应保持特色鲜明，不能同质化等等。

主编周廉院士作了总结发言，对编辑部高度重视历届编委及理事提出的90余条意见和建议、认真整理和归纳并逐步落实给予了充分的肯定。同时对杂志今后的发展进行了部署，针对2017年编委会改选提出了意见和建议，希望建立一支更加高效的编委队伍，共同办好《中国材料进展》！

(本刊通讯员 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

北京市自然科学基金(2164056)，

刘 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