建筑排水系统管材的环境生命周期分析

宋 梨

（江苏合谷建筑设计有限公司，江苏 苏州 215000）

传统的排水系统设计一直侧重于最大化经济优势，而很大程度上忽视了环境影响和长期社会经济后果[1]。人们越来越关注环境影响、气候变化和自然资源枯竭，但是很少有调查从生命周期评估（LCA）的角度评估排水系统对环境的影响，排水系统在所有生命周期阶段（即生产、运输、安装和使用阶段）都会对环境产生影响。其安装阶段非常重要，因为它涉及材料移除、挖掘和能源使用。如果排水系统采用纯重力系统，则可以忽略LCA 研究中的废水输送和使用阶段不需要能量，而考虑制造、运输和安装等其他阶段。如果关注的是存在泵站的平坦地区，那么摩擦损失和使用阶段应该包括在LCA 研究中。该研究的主要目标是量化排水系统中不同管道材料的环境影响，并支持选择管道材料以获得更好的生命周期环境性能。

1 生命周期分析方法

生命周期分析（LCA）是一种评估产品或过程，在整个生命周期内相关的潜在环境影响的方法[2]。该方法根据产品的材料和能源输入、输出来评估产品对环境的影响，比较LCA 通常用于确定哪种产品或材料对环境的影响最小。使用该方法，包括以下4 个步骤：①定义目标和范围以确定分析的目标和系统边界。②分析生命周期清单以量化所收集的数据。③评估LCA 结果及其对不同环境因素的影响，并将影响分配给不同的环境影响类别以获得特定类别是指标。④解释以评估和总结从先前阶段获得的结果以得出实质性结论[3]。该研究的系统边界包括4 个生命周期阶段：原材料获取和制造、运输、安装和使用和维护，如图1所示。

图1 生命周期评价研究的系统边界

该研究旨在量化和比较排水系统中使用的不同管道材料对环境的影响，系统边界包括管道制造、运输、安装和使用。功能单元被定义为1 个拥有5 万人的小镇，在50年间所需的1km 排水系统基础设施[4]。使用Ecoinvent 3 和SimaPro 8 进行清单分析，使用 USEPA TRACI 方法进行影响评估。

2 生命周期分析原理

纯重力排水系统由于废水的流动是由重力驱动的，在洪水罕见且地下水位低的地区运行良好，因此在使用阶段产生的能量消耗最少[5]。但位于平坦区域带有泵送站的排水系统，需要泵送以克服摩擦损失，并且在50年的使用寿命期间，总能量消耗可能很大，预估一个拥有 5 万人口小城市废水的峰值流量为450L/s，摩擦损失取决于管道直径、流速、管道长度和管道类型[6]。Hazen-Williams 方程通常用于计算摩擦损失和相对能量需求，管道摩擦引起的水头损失的Hazen-Williams 如公式（1）所示。

式中：Pf为摩擦水头损失（kPa）；C为Hazen-Williams 粗糙度常数（PVC 和FRP 为150，HDPE 为140，钢筋混凝土为125～130，球墨铸铁为120，玻璃化黏土为110），Q为峰值流速（m3/h）；DI为内部水力直径（cm）。考虑不同管道材料的C值不同，摩擦水头损失计算如下：球墨铸铁：3.09kPa～3.32kPa；PVC 和FRP：2.40kPa；HDPE：2.72kPa；钢筋混凝土：3.13kPa；玻璃化黏土：4.27kPa。

计算泵的功率需求如公式（2）所示。

式中：HP为泵所需功率；Pf为摩擦水头损失；Pe为泵的效率。假设所有管道材料的泵效率均为50%，各系统所需的泵功率如下：HP球墨铸铁= 9529.07-10238.35W，HP玻璃化黏土= 13161.60W，HP钢筋混凝土= 9649.35 W，HPHDPE=8383.65W，HPPVC&FRP=7397.34W。假设泵每天运行时间为1h，表1 给出了每种管材在使用阶段所需的总能量。

表1 材料在50年内1km 的使用阶段所需的总能量

3 排水系统管材生命周期影响分析

3.1 制造阶段的环境影响

表2 显示了在各种环境类别中制造6 种不同管道的影响[7]。球墨铸铁的制造过程不可避免地需要大量的材料和能量，几乎对所有类别的影响都最大。玻璃化黏土的制造阶段对臭氧消耗、富营养化和化石燃料消耗等环境类别也产生了重大影响。潜在的原因可能是FRP 需要大量的原油和释放挥发性有机化合物，玻璃化黏土管的生产阶段对大多数品类都有重大影响，因为窑炉需要将大量玻璃化黏土加热到1094℃高温。

表2 使用 TRACI 的 1 km 不同管道系统的制造过程的生命周期影响

3.2 使用阶段的环境影响

表3 列出6 个不同管道系统在使用阶段对不同环境类别的影响[7]。在纯重力排水系统中，摩擦水头损失忽略不计，因此这里所示的结果是针对有泵送站的排水系统。对球墨铸铁管，假设基于海澄-威廉方程中不同C值的能耗范围。PVC 和FRP 管道在使用阶段的性能最好，泵送所需能量最低。由于其摩擦系数高，因此玻璃化黏土管在所有类别中影响最大。

表3 使用 TRACI 的 1 km不同管道系统使用阶段生命周期影响

3.3 生命周期环境影响

对每个影响类别，结果归一化为该类别中影响最大的材料的结果，六种不同管道材料的纯重力排水系统和泵送排水的全生命周期环境影响如图2 和图3所示。考虑纯重力排水系统和化石燃料消耗类别，HDPE 管道的影响最大，因此在图2 中，HDPE 管道的化石燃料消耗被指定为100%。对其他管道材料，化石燃料消耗以百分比表示。

图2 纯重力排水系统中所有管道材料的生命周期比较特征图

图3 带提升泵排水系统中所有管道材料的生命周期比较特征图

当考虑纯重力排水系统时，制造阶段主导了生命周期的影响。在6 种材料中，除化石燃料消耗外，球墨铸铁管对所有类别的影响最大。HDPE 和PVC 管材与其他管材相比，由于其原料来源于原油，因此化石燃料消耗相对较高。对有泵送站的泵送排水系统，所考虑的所有管道材料，使用阶段的影响与制造阶段相当，甚至明显更高。

在考虑的六种材料中，球墨铸铁和玻璃化黏土在许多类别中往往是最差和第二差的材料。虽然水泥制造也是能源密集型的，但应该注意的是，用于制造下水管道的混凝土石膏仅含有约15%的水泥质量。对这两种类型的排水系统，钢筋混凝土是最环保的选择。

4 环境影响分析

在该文中进行生命周期分析，以比较排水系统中6 种常用管道材料的环境性能。除了以往研究中通常研究的能源消耗和温室气体排放外，还确定了 EPA TRACI 追踪方法中的其他环境影响类别。排水网络材料选择的主要目标是通过将NOx和 CO2等有害化合物的排放量保持在尽可能低的水平，以保持最低的能源使用并满足环境目标。此外，根据现场和系统要求，不同管道材料的适用性不同，应确认与排水化学和土壤的相容性。

考虑管道制造、运输、安装和使用阶段，并考虑两种类型的排水系统：纯重力排水和泵送排水。对纯重力系统，无论管道材料如何，制造阶段都占主导地位。球墨铸铁的制造是所有环境类别中最差的；玻璃化黏土管的制造阶段对大多数类别都有重大影响，因为玻璃化管制造在1094℃左右的窑炉中完成，需要大量的能量输入；运输和安装只占总影响的一小部分，由于钢筋混凝土和玻璃化黏土管质量大，与其他材料相比影响更大对泵送的排水系统，使用阶段的影响与制造阶段相当甚至更高；所需泵送能量最低的 PVC 和 FRP 管道由于摩擦损失较低而在使用阶段具有最佳性能，而陶瓷黏土管道最差。

5 结论

通过该文对6 种常用管道材料在制造、运输、安装和使用阶段对环境影响的比较可知，钢筋混凝土是纯重力排水和泵送排水的最环保材料。生命周期环境性能只是设计排水系统时需要考虑的因素之一，还应考虑其他因素，如季节性温度变化、腐蚀、安全要求、成本、沟槽条件（地质条件）和地下水、土壤化学，朝着可持续基础设施和可持续城市的方向发展，排水系统设计需要同时考虑所有因素，以平衡技术、经济和环境效益。