建筑生命周期環(huán)境管理與信息化解決方案
作者: 四川農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院 申瓊,楊潔,侯萍隨著環(huán)保與低碳的理念越來越為公眾所關注,各行各業(yè)都在探索自身在環(huán)保方面發(fā)展的可能性。
建筑行業(yè)作為國民經(jīng)濟中的支柱產(chǎn)業(yè),其所造成的環(huán)境影響和面臨的環(huán)境負擔尤為嚴重。有研究表明,中國建筑物總能耗占全社會總能耗的25%~28%,CO2排放量占社會總排放量的40%左右[1]。建筑的高能耗和高碳排放使得它對節(jié)能減排工作造成巨大的壓力,因而近年來對綠色建筑及其評價的研究越來越受到政府及行業(yè)的關注。
建筑的能耗和碳排放不僅發(fā)生在建筑運行階段,還發(fā)生在建材生產(chǎn)、建筑建造等階段,因此需要采用生命周期的理念對建筑產(chǎn)品進行評價和管理。量化地分析評價建筑全生命周期環(huán)境影響是建筑行業(yè)改進的基礎,也是實現(xiàn)建筑行業(yè)節(jié)能減排的基礎。近年來,世界各國在綠色建筑評價方面做了許多工作,如建筑行業(yè)國際標準ISO21930:續(xù)建筑認證體系DGNB[4]、日本的建筑物綜合環(huán)境性能評價系統(tǒng)CASBEE[5]、韓國綠色環(huán)境評價標準GBC[6]的評價指標體系中,也都包含著從建筑材料開始的生命周期評價結(jié)果。同時,各個國家研究機構(gòu)也都開發(fā)了建筑全生命周期的評價工具,如加拿大的ATHENA[7],英國的ENVEST2[8],瑞典的ECOEFFECT[9]等,體現(xiàn)了國際社會對建筑行業(yè)全生命周期評價的重視程度。國內(nèi),技術(shù)方面,蔡筱霜[10]以辦公建筑為例,建立了建筑全生命周期碳排放計算方法及部分建筑環(huán)境影響清單數(shù)據(jù)庫;林波榮等[11]以典型住宅建筑和商業(yè)建筑為例,采用生命周期評價方法,對建筑全生命周期焓能及CO2排放進行了研究。標準方面,中國早在2006年發(fā)布的《綠色建筑評價標準》[12]就強調(diào)了建筑的全生命周期的概念,重慶市也在2009年發(fā)布了《重慶市綠色建筑評價標準》[13],評價綠色建筑提供了各項詳細的標準支持;而2011年的JGJ/T222-2011《建筑工程可持續(xù)性評價標準》[14]則是基于生命周期方法的建筑可持續(xù)性評價標準。
在現(xiàn)有的對綠色建筑的研究中,大多數(shù)研究集中在如何建造綠色建筑,如選用新型綠色建材、研發(fā)節(jié)能技術(shù)等,而基于綠色建筑評價、利用評價結(jié)果支持和改進建筑管理,仍在探索當中。在現(xiàn)行的綠色建筑管理領域,盡管已經(jīng)建立了多種評價標準,但多數(shù)標準主要依靠人工進行數(shù)據(jù)收集、評價和報告,增加了評價過程的主觀因素,降低了工作效率。尤其是對于建筑生命周期評價而言,涉及大量數(shù)據(jù)的收集、處理和分析,如果沒有信息化的軟件工具支持,整個評價過程將耗時耗力,且難以真正為建筑管理體系提供支持。
本研究基于建筑的生命周期思想,提出了建筑生命周期評價與管理的基本思路與方法,聯(lián)合開發(fā)了相應的數(shù)據(jù)庫與信息化解決方案,適用于建筑行業(yè)對建筑產(chǎn)品進行生命周期管理,實現(xiàn)綠色低碳建筑目標。
1 方案總體介紹
建筑的生命周期主要包括3個階段:建材生產(chǎn)階段,包括原材料的開采加工過程、建材生產(chǎn)過程以及建材的運輸過程;建筑建造階段,包括建筑的設計,實際的施工過程;建筑運行與維護階段,主要包括建筑運行過程中的采暖、制冷、機械通風及照明等以及建筑的維護更新過程中消耗的建材。此外,建筑的拆除處置階段,在本方案中尚未考慮。
針對以上建筑生命周期的3個階段,開發(fā)了相應的建材和建筑生命周期數(shù)據(jù)收集、計算、分析與報告功能,并開發(fā)了相應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。其工作原理是:不同階段的主體利用數(shù)據(jù)收集工具填報建材生產(chǎn)、建筑制造、建筑運行階段的各種生產(chǎn)及環(huán)境信息,信息將被存儲在數(shù)據(jù)庫中。然后結(jié)合國內(nèi)外的生命周期基礎數(shù)據(jù)庫,建模、計算、分析產(chǎn)品的生命周期環(huán)境影響,并可以根據(jù)分析結(jié)果進行不同方案的選擇,為建材生產(chǎn)、建筑建造或建筑管理的改進提供支持。集成管理方案的體系框架如圖1所示。

圖1 集成方案總體框架
2 建材生產(chǎn)
在建材生產(chǎn)階段,方案可根據(jù)建材生產(chǎn)及運輸過程中的材料消耗、能源消耗、環(huán)境排放等數(shù)據(jù),采用生命周期評價方法在eBalance[15]軟件中建立建材的LCA 模型,然后結(jié)合CLCD[16]等生命周期基礎數(shù)據(jù)庫進行建材生產(chǎn)全生命周期的碳足跡及相關節(jié)能減排指標計算,并根據(jù)生命周期評價結(jié)果為不同的建材產(chǎn)品出具LCA 報告,使建材生產(chǎn)商明確產(chǎn)品的環(huán)境影響,并對產(chǎn)品進行改進。
同時建材生產(chǎn)商可將建材的LCA報告提交給相關的認證或評估機構(gòu),由認證評估機構(gòu)對結(jié)果進行認證和評估,并根據(jù)認證和評估結(jié)果為廠商出具相關標識聲明等。由此,建材廠商可為自己的產(chǎn)品進行宣傳,提高產(chǎn)品的市場競爭力,也為建筑建設單位的綠色選材提供參考。
此外,在對常用建材做LCA 報告的同時可以累積建材行業(yè)的數(shù)據(jù),并逐步擴充建材行業(yè)的LCA本地數(shù)據(jù)庫。
3 建筑設計與建造
該解決方案在建筑設計階段,有助于進行設計方案與選材的優(yōu)化?梢酝ㄟ^對比采用不同的設計方案,選擇更適合、環(huán)境性能更好的設計方案。也可以通過選擇環(huán)境影響較小的建材降低建筑生命周期的環(huán)境影響。
在設計階段按施工圖計算得到的只是按設計方案預計的環(huán)境影響。在沒有確定建材供應商之前,是采用數(shù)據(jù)庫的行業(yè)平均數(shù)據(jù)進行估算。建筑實際的環(huán)境影響需要在施工完成、項目決算后對模型按實際的數(shù)據(jù)進行更正,按建材實際的供應商的數(shù)據(jù),并考慮施工過程的能源消耗等環(huán)境影響。在建造階段主要是對采購和施工過程的管理,選擇環(huán)境影響小的供應商。
建筑行業(yè)的建筑信息模型(Building INformation Modeling, BIM)系統(tǒng)是將建筑的設計數(shù)據(jù)、建造信息、維護信息等各種建筑信息保存在一起,為建筑生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)。通過與BIM 系統(tǒng)建立接口,就可以從BIM 中導出建筑設計方案的所有材料清單,然后導入到該系統(tǒng)中,結(jié)合CLCD基礎數(shù)據(jù)庫和建材數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)支持,就可計算該建筑的生命周期各種環(huán)境影響指標(包括碳足跡和各種節(jié)能減排指標),并輸出報告。
將建筑的LCA 報告提交給認證/評估機構(gòu),由認證/評估機構(gòu)做出認定后頒予相應證明,可參與綠色建筑評選。同時也可以根據(jù)對最終方案的分析,發(fā)現(xiàn)可以改進的環(huán)節(jié),在實際建造過程中進行改進,真正提高建筑的環(huán)境性能。
此方案的潛在用戶包括政府管理部門和建筑開發(fā)商兩類。對政府管理部門而言,通過方案的實施,可以了解現(xiàn)有建筑的生命周期各項環(huán)境影響指標,在對建筑行業(yè)現(xiàn)有環(huán)境影響在定量了解的基礎上,制定更為合理的政策目標,避免政策目標與實際情況的脫離。同時,通過實施該方案,政府可以規(guī)范開發(fā)商在建筑設計制造階段的開發(fā)行為,督促其采用更加環(huán)保的技術(shù)和材料,從而達到強化對建筑行業(yè)的節(jié)能與低碳管理的目的。此外,在當前各地將建筑行業(yè)作為節(jié)能減排重要領域的情況下,方案的實施能夠幫助政府推進節(jié)能減排目標的實現(xiàn)。而對開發(fā)商來說,一方面,依據(jù)方案計算得到的定量化的生命周期結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)建筑生命周期中環(huán)境影響大的環(huán)節(jié)和問題,從而不斷改進設計方案,開發(fā)出更加節(jié)能低碳的建筑設計方案;另一方面,通過該方案的實施,開發(fā)商可以優(yōu)化對建筑開發(fā)全過程的管理,包括建筑材料的選擇、建筑技術(shù)的改進等。此外,通過實施該方案,開發(fā)商可參與綠色建筑評選及相關環(huán)保標識的申請,提高企業(yè)自身及其產(chǎn)品的市場競爭力和社會影響力。
目前,該方案已經(jīng)在實際建筑項目中應用實施。具體的實施框架如圖2所示。

圖2 建筑設計與施工階段的管理方案框架
首先,開發(fā)商依據(jù)管理機構(gòu)出臺的綠色建筑等級標準選擇合適的建筑等級目標,并根據(jù)選定的等級目標進行設計與施工方案的制定。然后根據(jù)設計與施工方案的各種數(shù)據(jù),結(jié)合CLCD基礎數(shù)據(jù)庫進行設計方案的評估,根據(jù)評估結(jié)果可不斷修改方案,最終選定與等級目標相符合的設計與施工方案,并報管理機構(gòu)核查頒發(fā)綠色建筑等級標識。
設計方案選定之后通過招標確定相關供應商,經(jīng)過供應商調(diào)查得到供應商數(shù)據(jù)庫,結(jié)合施工數(shù)據(jù)對建造階段進行建模計算。根據(jù)計算結(jié)果不僅可以出具建筑碳足跡報告,還可以對整個供應鏈進行環(huán)境影響分析并通過進行綠色供應鏈管理進一步提高建筑的環(huán)境性能。
4 建筑運行/社區(qū)
針對建筑運行階段即社區(qū)層面上的碳排放問題,本研究同樣開發(fā)了相應的社區(qū)碳排放評測系統(tǒng)。該評測系統(tǒng)基于生命周期評價方法并結(jié)合CLCD基礎數(shù)據(jù)庫設計了數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型,對社區(qū)層面上的碳排放進行統(tǒng)計計算。社區(qū)碳排放系統(tǒng)的總體研發(fā)框架如圖3所示。

圖3 社區(qū)碳排放評測系統(tǒng)研發(fā)框架
在該評測系統(tǒng)中,社區(qū)管理者和住戶分別填報各自的信息數(shù)據(jù)和活動數(shù)據(jù),評測系統(tǒng)后臺配置了排放系數(shù)數(shù)據(jù)庫,可根據(jù)用戶填報的活動數(shù)據(jù)計算相應活動的碳排放結(jié)果,并根據(jù)計算結(jié)果統(tǒng)計形成建筑運行的碳排放結(jié)果數(shù)據(jù)庫,進而出具碳盤查報告。此外,還可根據(jù)用戶填報的信息數(shù)據(jù)、活動數(shù)據(jù)并結(jié)合碳排放結(jié)果數(shù)據(jù)庫,利用eBalance模型計算進行不同的方案與情景分析,為建筑與社區(qū)運行提供更合理的政策建議。
該評測系統(tǒng)是集社區(qū)信息和數(shù)據(jù)管理、信息和數(shù)據(jù)填寫、碳排放量計算、圖表結(jié)果分析以及統(tǒng)計報告為一體的解決方案。評測系統(tǒng)采用網(wǎng)站形式,可實現(xiàn)網(wǎng)上在線填報,操作性強,采集信息方便快捷;填報工作設計合理規(guī)范,極大地提高了用戶填報的數(shù)據(jù)質(zhì)量,避免因數(shù)據(jù)質(zhì)量太差導致可信度不高。此外,系統(tǒng)后臺配置的計算方法依據(jù)相關的國際標準ISO14064-1[17]設定,更加科學化,而計算結(jié)果不僅可以實現(xiàn)即時化,同時可以將定量結(jié)果以相應的圖表形式表現(xiàn)出來,量化和圖表化使相關方對建筑運行階段的碳排放情況有更加直觀的了解。
通過社區(qū)碳排放評測系統(tǒng)的運行,政府和社區(qū)管理部門可以定量掌握社區(qū)的能耗與碳排放情況,進而更有針對性地制定相關的政策目標,改進社區(qū)管理,促進低碳社區(qū)的建設。
5 CLCD數(shù)據(jù)庫
在整個系統(tǒng)的計算過程中都離不開數(shù)據(jù)庫的支持。數(shù)據(jù)庫的主要目的是提供各種原料的生命周期匯總數(shù)據(jù)(通常包含從資源開采到產(chǎn)品出廠的全過程),以簡化下游產(chǎn)品的生命周期建模、計算與分析。
本系統(tǒng)采用了中國生命周期核心數(shù)據(jù)庫(CLCD)作為基礎數(shù)據(jù)庫。CLCD數(shù)據(jù)庫是目前國內(nèi)唯一可公開獲得的綜合性中國本地化LCA基礎數(shù)據(jù)庫。CLCD基礎數(shù)據(jù)庫擁有一個統(tǒng)一的核心模型,是由300多種交叉聯(lián)系在一起的大宗能源、原材料、運輸單元過程組成的,這些單元過程構(gòu)成了一個網(wǎng)狀的核心模型,從而保證了CLCD所有產(chǎn)品生命周期模型的完整性和一致性。加上一些下游單元過程,CLCD 0.8總共有600多個單元過程和產(chǎn)品,并仍在不斷擴展中。主要的產(chǎn)品如表1所示,完整的產(chǎn)品列表見文獻[18]。
CLCD數(shù)據(jù)庫在開發(fā)過程中,遵循了數(shù)據(jù)庫收集指南中針對各工作步驟和文檔記錄提出的建議和要求,并開發(fā)了eBalance軟件的相應功能,確保了數(shù)據(jù)收集過程的流程化和一致性。
在CLCD數(shù)據(jù)庫中區(qū)分了國內(nèi)生產(chǎn)與進口部分,進口原材料采用國外Ecoinvent數(shù)據(jù)庫[19]的數(shù)據(jù),國內(nèi)生產(chǎn)部分進一步按工藝技術(shù)和企業(yè)規(guī)模進行了細分,分別收集數(shù)據(jù)并建立模型,最后按中國的市場份額加權(quán)平均,得到的數(shù)據(jù)代表中國市場平均水平。在各個單元過程中,原料消耗數(shù)據(jù)主要來自行業(yè)統(tǒng)計資料或技術(shù)文獻,主要排放物來自于國家污染源普查統(tǒng)計,部分排放物來自于化學平衡計算。
表1 CLCD 0.8數(shù)據(jù)庫涵蓋的主要產(chǎn)品種類

在eBalance軟件中完整記錄了數(shù)據(jù)收集過程的原始數(shù)據(jù)和算法,使得數(shù)據(jù)收集過程隨時可重復、可追溯。
數(shù)據(jù)收集完成后,按數(shù)據(jù)庫指南要求,進行了完整性檢查、物料平衡檢查。并提出了基于原始數(shù)據(jù)不確定度的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估和基于敏感度分析的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法(稱為CLCD-Q方法)[20],用于數(shù)據(jù)質(zhì)量評估與控制。CLCD數(shù)據(jù)庫涵蓋的清單物質(zhì)可用于支持不可再生資源消耗、水資源消耗、全球暖化、酸化、富營養(yǎng)化、固體廢物、可吸入無機物、毒性等多種環(huán)境影響的分析。
CLCD的建材產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫是基于CLCD的基礎產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫得到的,從而保障了建材產(chǎn)品模型的完整性和數(shù)據(jù)的一致性。其中水泥、鋼鐵等大宗建材產(chǎn)品,也是CLCD核心模型的組成部分。目前涵蓋的建材產(chǎn)品種類包括無機非金屬、鋼材、有色、塑料、涂料等,見表2。
表2 CLCD數(shù)據(jù)庫中的建材產(chǎn)品種類

CLCD基礎數(shù)據(jù)庫中基礎能源、原材料的數(shù)據(jù)和CLCD建材數(shù)據(jù)庫中各種建材的數(shù)據(jù)可用于建材生產(chǎn)階段,建筑設計和建造階段以及建筑運行階段能耗和碳排放等環(huán)境影響生命周期計算,是解決方案的重要組成部分。
6 結(jié) 論
本研究開發(fā)了一套針對建筑行業(yè)特點的生命周期管理方案,涵蓋了建材生產(chǎn)、建筑設計及制造、建筑運行等建筑行業(yè)的全生命周期。該方案不僅可以實現(xiàn)不同方案或情景的對比分析,幫助選擇對環(huán)境更為友好的方案,還可實現(xiàn)對建筑行業(yè)的不同階段進行建模計算,分析不同階段的環(huán)境影響,為建筑產(chǎn)品的持續(xù)改進提供支持;同時還可以將建筑企業(yè)與認證評估機構(gòu)和政府聯(lián)系起來,讓3者在系統(tǒng)的管理方案中發(fā)揮各自的最大優(yōu)勢,實現(xiàn)建筑行業(yè)綠色低碳的目標。
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