基于生命周期評價的井干式木結構建筑環境影響研究

胡家航，姬曉迪，代倩，郭明輝

(生物質材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業大學)，哈爾濱 150040)

基于生命周期評價的井干式木結構建筑環境影響研究

胡家航，姬曉迪，代倩，郭明輝*

(生物質材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業大學)，哈爾濱 150040)

分析了井干式木結構的環境影響，為木結構建筑企業的節能減排提供參考?；谏芷谠u價方法，根據工廠搜集的基礎數據清單，采用GaBi 6.0軟件分析了1 m2井干式木結構產品物化過程(從原材料開采到產品出廠的生命周期)中的原材料消耗、能源消耗以及對環境的污染排放，并利用軟件提供的CML2001方法和數據庫評價了井干式木結構產品生命周期范圍內造成的環境影響。結果表明：制造1 m2井干式木結構產品，全球變暖潛值、人體毒性、非生物資源耗竭、環境酸化、光化學臭氧生成潛力和富營養化的加權后結果依次為-7.54×10-8，7.19×10-8，1.79×10-8，1.51×10-8，9.94×10-9和3.79×10-9。其中，全球變暖潛值和人體毒性是墻體產品環境影響的主要類型，分別占環境影響總值的-174.0%和166.0%。木結構產品從原材料獲取到產品出廠可分為原材料獲取、預制和運輸過程3個子系統，而預制過程為環境影響的主要階段。除去原材料獲取過程中木材固定大量CO2對環境的積極影響，在環境污染方面，人體毒性占總環境影響的166.0%，為污染的絕大部分，主要由原木加工、鋸材干燥、地板加工和墻體加工等工藝產生的粉塵而導致。

井干式木結構建筑；環境影響；物化過程；生命周期評價

從產品與材料的生命周期評價(life cycle assessment，LCA)角度看，建筑業屬于重污染行業[1]，是溫室氣體排放的前三大行業之一。隨著資源、能源與環境問題的日益凸顯，建筑材料在節能、減排、降耗和安全等方面的性能成為研究熱點。鋼筋、水泥和黏土磚等傳統消耗性建筑結構材料逐漸被人詬病，而以木材為原料的木結構建筑作為綠色環保建材越來越引起各領域研究者的關注[2-4]。木材擁有傳統建筑結構材料不具備的節能環保、施工周期短等優點，同時契合了我國“資源節約和環境友好”的國家政策。LCA是評估貫穿一個產品或整體活動整個生命周期環境后果的一種工具，為可持續生產提供了途徑和方法。LCA在綠色建筑方面的應用，可定量評價木結構建筑的環境影響。

國內外對于綠色建筑材料的生命周期評價方法已有相關研究，并取得了一定成果。燕鵬飛等[5]將生命周期評價法與工廠生產數據結合，得到膠合木、規格材和定向刨花板3種木結構構件生命周期范圍內的環境影響情況，結果表明：在一定功能單位情況下，3種木結構產品在生命周期范圍內的環境影響負荷分別為定向刨花板(1.096)最大、膠合木(0.886)居中、規格材(0.662)最小。Li等[6]通過對結構用膠合竹集成材生產過程的生命周期評價發現，結構用膠合竹的制備過程對全球變暖潛值(GWP)、酸化(AP)、富營養化(EP)以及非生物資源耗竭(ADP)有很大影響，其中，使用脲醛樹脂膠產生的環境影響占總環境影響的67%以上。黃東梅等[7]界定資源采掘到安裝建造過程為生命周期范圍，并對竹結構建筑進行相關生命周期評價研究表明：劃分的4個不同階段的環境影響占比分別為資源采掘過程的30.82%、運輸過程的3.43%、建材生產過程的52.17%和現場建造過程的13.57%。González-García等[8]對英國通風木質墻體做了全生命周期評價，發現原材料獲取階段環境影響最大，達到57%～87%，主要原因是墻體中定向刨花板(OSB)和中密度纖維板(MDF)的使用較多，兩者都屬于高污染產品，并且有部分原材料來自巴西，運輸帶來的環境影響占比較大。目前，關于我國木結構墻體產品的生命周期評價較少。

井干式木結構是中國傳統民居木結構建筑的主要類型之一。井干式木結構木材消耗量較大，因此，在森林資源覆蓋率較高地區或環境寒冷地區(如中國東北地區)有較廣的應用。筆者以井干式木結構為研究對象，利用GaBi 6.0 LCA軟件建立具體的評價模型，分析產品制造的整個過程中資源、能源消耗和環境影響，目的在于分析井干式木結構各制造過程的環境影響類別和環境負荷，確定主要影響環境的生產環節和環境影響類別，為木結構的工藝優化和清潔生產提供理論基礎。

1 井干式木結構建筑生命周期評價

1.1 目標與范圍的定義

選用東北地區常見的井干式木結構(圖1)為研究對象。井干式木結構采用方形、圓形或六角形基本構件，將構件水平向上層層疊加形成預制墻體[8](圖2)，產品原料為落葉松(Larixgmelinii)。研究范圍為我國木材工業普遍采用的墻體產品從原材料獲取到產品出廠的所有工藝流程[9-10]，其中包括若干工藝單元(如原木采伐，鋸材加工和干燥指接等)，并依其所屬劃分為原材料獲取過程(P1)、預制過程(P2)和各種材料運輸過程(P3)3個子系統[11-12]。每個子系統中包含若干工藝流程，這樣不僅能夠統計和分析出整個產品生產過程的生命周期清單，也能對具體生產過程中各個環節的環境影響進行分析和評價，對深入研究產品產生的環境影響具有非常重要作用。以界定的原材料開采到木結構產品出廠的生命周期系統邊界為基礎，對各個工藝單元進行清單分析(在生命周期軟件中建立工藝單元過程的輸入和輸出表)，井干式木結構生命周期系統邊界如圖3所示。

圖1 井干式木結構Fig. 1 Log house

圖2 墻體模型Fig. 2 Wall model

圖3 井干式木結構生命周期系統邊界Fig. 3 System boundaries for log house

1.2 清單分析

本研究調研了東北地區國內最大的木結構建筑企業之一S企業(該企業擁有國內領先的設備，其木結構生產數據基本能反映我國井干式木結構墻體的普遍生產情況)設計建造的新疆果子溝林業管理所項目，該項目主體結構為一棟井干式木結構，總建筑面積為501.83 m2(不考慮下層鋼筋混凝土地基)，獲得該項目井干式木結構產品所需資源和能源消耗的最新實際生產相關數據。研究中主要考慮系統邊界內消耗量較大的原材料和能源，對于用量較小和環境影響較低的則不予考慮[13]。

本研究的功能單位為1 m2井干式木結構產品，輸入的主要原材料為原木、水、白乳膠、水性漆(主要用于解決木材耐久性問題)和鋼材等，主要能源消耗為電能、汽油和柴油等。這些輸入均為工廠搜集的原始數據或由其統計數據計算而得，數據質量較高。其中，進口落葉松原木從俄羅斯到國內滿洲里的路程估算為942 km，滿洲里加工干燥完的鋸材運送到S企業的距離估算為700 km。防腐木生產數據來自文獻[14]。本研究中使用的能源數據均采用GaBi 6.0數據庫和Ecoinvent 數據庫(已更新至2017年最新數據)中的中國來源數據，并將不同類型能源換算成四種基礎能源類型(電能、原煤、原油和天然氣)[15]。按照制造流程，井干式木結構產品分為4個主要構件，所制井干式木結構的資源和能源消耗清單見表1和2。

表1 整棟井干式木結構資源消耗情況Table 1 Resource consumption of one log house /kg

表2 整棟井干式木結構能源消耗情況Table 2 Energy consumption of one log house /MJ

1.3 評價方法

基于ISO14040：14043中的生命周期評價理論，采用德國PE-INTERNATIONAL開發的針對產品可持續發展的生命周期評價軟件GaBi 6.0進行評價，GaBi 6.0軟件包括CML2001/96、EI95/99、EDIP1997/2003和UPB等評價方法?？紤]到研究對象的原材料獲取在中國不同地域，且60%的原料數據來源于歐洲，所以選取對于建筑產品較為常用的CML2001方法[16]，對井干式木結構產品生命周期的環境負荷清單數據進行特征化、歸一化和加權處理后得到所對應的環境影響值。其中考慮的主要環境影響類型為非生物資源耗竭、環境酸化、富營養化、全球變暖潛值、人體毒性(HTP)和光化學臭氧生成潛力(POCP)[17]。GaBi 6.0軟件中CML2001方法的分類、特征化、歸一化和權重因子見表3。

表3 CML2001方法的分類、特征化、歸一化和權重因子Table 3 Classification，characterization，normalization and weighting factors in the CML2001 method

2 井干式木結構環境影響評價

評價過程中，依次對數據進行特征化、歸一化和加權處理。特征化過程是依據污染物相對于等效物的當量數進行的標準化過程；歸一化和加權處理是通過比較分析數據，綜合國際上的通用環境影響權重值實現不同影響類型的特征化結果比較。

2.1 特征化

利用GaBi 6.0軟件，采用CML2001特征化模型，依據3個子系統對井干式木結構產品生命周期進行環境影響特征化處理，對清單分析結果進行計算分析，轉換成同一單位的環境影響類型參數。1 m2井干式木結構生命周期環境影響特征化計算結果見表4。

表4 1 m2井干式木結構生命周期環境影響特征化結果Table 4 Characterization results of life cycle assessment for 1 m2 log house

2.2 歸一化和加權處理

各環境影響類型參數結果的歸一化和加權處理就是按照表3中的歸一化基準和加權因子，對研究對象所產生的各階段不同環境影響類型值進行統一計算，增加對研究對象各參數結果相對重要性的認識，使不同影響類型造成的環境影響具有可比性[18-19]。1 m2井干式木結構生命周期環境影響歸一化和加權結果見表5。

表5 1 m2井干式木結構生命周期環境影響歸一化和加權結果Table 5 Normalization and weighted results of life cycle assessment for 1 m2 log house

2.3 生命周期結果解釋

根據加權計算得出井干式木結構產品生產過程的環境影響評價結果，從總體上看，井干式木結構產品從生命周期范圍內對環境的影響總值為4.33×10-8。其中，原材料獲取過程的環境影響結果為-3.59×10-8(負數表明從原材料獲取到墻體產品出廠過程對環境是有積極影響的)。這是因為原木的獲取階段固定了大量的CO2，原木在生長過程中吸收的CO2對環境的積極影響遠大于產品制備過程中其他污染帶來的消極影響。而木結構墻體產品可以實現CO2的長時間封存，因此，墻體產品的物化過程對環境有積極影響是合理的。

圖4 井干式木結構各生產階段對環境影響的貢獻值Fig. 4 Various environmental impact proportions indifferent manufacture phase of log house

木結構墻體產品的生命周期內，環境影響大小依次為全球變暖潛值、人體毒性、非生物資源耗竭、環境酸化、光化學臭氧生成潛力和富營養化。全球變暖潛值的絕對值最大，表明全球變暖潛值在墻體產品物化過程中對環境影響最大，占總環境影響的-174.0%(負值表示對環境有積極作用)；人體毒性占總環境影響的166.0%，影響次之；資源消耗、環境酸化、光化學臭氧生成潛力和富營養化則分別占總環境影響的41.3%，34.9%，23.0%和8.8%。

2.4 改善評價

從環境影響角度考慮，墻體產品生命周期范圍內對環境的影響總值為4.33×10-8。除了原材料獲取過程中木材固定CO2對環境有積極影響，在環境污染方面，人體毒性占總環境影響的166.0%，占污染的絕大部分，由圖4可知，人體毒性主要由原材料獲取和預制過程貢獻。根據生命周期評價軟件導出的3個子系統主要工藝的人體毒性特征化結果見表6。由表6可知，3個子系統主要加工工藝的人體毒性是由原木加工、鋸材干燥、地板加工和墻體加工這4個加工工藝造成的，占比超過80%，而這些工序主要的能耗為電能，主要的人體毒害來源于木材加工過程產生的粉塵和噪音。

因此，為減少木結構建筑生命周期內的環境負荷，需從減少人體毒害這一主要環境影響類型著手。建議企業生產車間引進先進的除塵設備，對工廠的粉塵和加工廢料進行清理和收集，減少粉塵對人體的直接傷害。由于工廠處于寒冷地區，約有8個月左右的時間需要集中供暖，而目前該企業的供暖主要靠煤炭，先進的除塵設備可以將粉塵回收利用，給工廠的鍋爐房供暖，間接實現節約能源的目標，同時在生產過程中讓工人做好噪音防護措施，減少噪音對人體的直接損害。

表6 子系統主要加工工藝的人體毒性特征化結果Table 6 Human toxic characterization resultsof the main processes of subsystem

3 結論與討論

井干式木結構墻體產品生產生命周期范圍內的環境影響結果表明，生產1 m2井干式木結構產品全球變暖潛值、人體毒性、非生物資源耗竭、環境酸化、光化學臭氧生成潛力和富營養化加權后的結果依次為-7.54×10-8，7.19×10-8，1.79×10-8，1.51×10-8，9.94×10-9和3.79×10-9。因此，全球變暖潛值和人體毒性是井干式木結構產品環境影響的主要類型。全球變暖潛值為負值表明井干式木結構產品在界定的生命周期內對環境是有積極影響的。

井干式木結構墻體產品物化過程的環境影響總值為4.33×10-8。井干式木結構產品從原材料獲取到產品出廠可分為原材料獲取、預制和運輸過程這3個子系統，其中，預制過程的環境影響結果絕對值最大，為整個木結構產品生命周期內環境影響的最主要環節。

井干式木結構產品作為木結構建筑的主要類型之一，其生命周期內的原材料獲取過程這一子系統環境影響為負值，表明木結構在界定的生命周期范圍內對環境是有積極作用的，從側面反映木結構的綠色環保性及其作為民宅在我國推行的可行性。同時，從節能減排的角度，根據生命周期評價的結果，給木結構建筑企業提出了相關減排意見，希望能給企業的節能減排工作帶來實質性的進展。

[1]LI X D, ZHU Y M, ZHANG Z H. An LCA-based environmental impact assessment model for construction processes[J]. Building and Environment, 2010, 45(3):766-775.

[2]陳詠軍, 祁憶青. 木結構建筑用多種木材燃燒性能研究[J]. 林業工程學報, 2016, 1(4):51-57.

CHEN Y J, QI Y Q. Comparative study on combustion properties of species wood in timber construction[J]. Journal of Forestry Engineering, 2016, 1(4):51-57.

[3]林琳, 高欣, 柯清, 等. 木結構建筑用材防霉方法的現狀[J]. 家具與室內裝飾, 2016(4):66-67.

LIN L, GAO X, KE Q, et al. Present situation ofthe methods for the wood structure building material mould prevention[J]. Furniture amp; Interior Design, 2016(4):66-67.

[4]劉中洋, 李甲第, 王雪婷, 等. 木結構建筑墻體隔聲性能研究發展[J]. 木工機床, 2015(2):17-19.

LIU Z Y, LI J D, WANG X T, et al. Progress in researches on sound insulation performance of timber structure wall[J]. Woodworking Machinery, 2015(2):17-19.

[5]燕鵬飛, 楊軍. 木結構產品物化環境影響的定量評價[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2008, 48(9):1395-1398.

YAN P F, YANG J. Quantitative assessment of the embodied environmental impact of wood products[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2008, 48(9):1395-1398.

[6]LI J Q, YUAN Y, GUAN X. Assessing the environmental impacts of glued-laminated bamboo based on a life cycle assessment[J]. BioResources, 2016, 11(1):1941-1950.

[7]黃東梅, 周培國, 張齊生. 竹結構民宅的生命周期評價[J]. 北京林業大學學報, 2012, 34(5):148-152.

HUANG D M, ZHOU P G, ZHANG Q S. Life cycle assessment of bamboo-constructed house[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2012, 34(5):148-152.

[9]ROBERTSON A B, LAM F C F, COLE R J. A comparative cradle-to-gate life cycle assessment of mid-rise office building construction alternatives:laminated timber or reinforced concrete[J]. Buildings, 2012, 2(3):245-270.

[10]MAHALLE L, ALEMDAR A, MIHAI M, et al. A cradle-to-gate life cycle assessment of wood fibre-reinforced polylactic acid (PLA) and polylactic acid/thermoplastic starch (PLA/TPS) biocomposites[J]. The International Journal of Life Cycle Assessment, 2014, 19(6):1305-1315.

[11]PUETTMANN M E, BERGMAN R, HUBBARD S, et al. Cradle-to-gate life-cycle inventory of US wood products production:CORRIM Phase I and Phase Ⅱ products[J]. Wood amp; Fiber Science, 2010, 42(3):15-28.

[12]LIU Y, GUO M H. Environmental load analysis of forestation and management process ofLarixolgensisplantation by life cycle analysis[J]. Journal of Cleaner Production, 2016, 14(2):S61-S62.

[13]LIU J, HU H R, XU J F, et al. Optimizing enzymatic pretreatment of recycled fiber to improve its draining ability using response surface methodology[J]. BioResources, 2012, 7(2):2121-2140.

[14]BOLIN C A, SMITH S T. Life cycle assessment of borate-treated lumber with comparison to galvanized steel framing[J]. Journal of Cleaner Production, 2011, 19(6/7):630-639.

[15]丁寧, 楊建新. 中國化石能源生命周期清單分析[J]. 中國環境科學, 2015, 35(5):1592-1600.

DING N, YANG J X. Life cycle inventory analysis of fossil energy in China [J]. China Environmental Science, 2015, 35(5):1592-1600.

[16]GUINEE J B. Handbook on life cycle assessment operational guide to the ISO standards[J]. The International Journal of Life Cycle Assessment, 2002, 7(5):311-313.

[17]袁媛, 郭明輝. 基于復配改性木質素磺酸銨的環保型木質材料的生命周期評價[J]. 環境科學學報, 2016, 36(11):4245-4252.

YUAN Y, GUO M H. Life cycle assessment of hybrid modified industrial lignin/wood fiber composites[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(11):4245-4252.

[18]袁寶榮, 聶祚仁, 狄向華, 等. 乙烯生產的生命周期評價(Ⅱ)影響評價與結果解釋[J]. 化工進展, 2006, 25(4):432-435.

YUAN B Y, NIE Z R, DI X H, et al. Life cycle assessment of ethylene production (Ⅱ):impact assessment and life cycle interpretation[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2006, 25(4):432-435.

[19]徐小寧,陳郁,張樹深,等.復合硅酸鹽水泥的生命周期評價[J].環境科學學報, 2013, 33(9):2632-2638.

XU X N, CHEN Y, ZHANG S S, et al. Life cycle assessment of composite portland cement[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2013, 33(9):2632-2638.

Environmentalimpactofloghousebasedonlifecycleassessment

HU Jiahang, JI Xiaodi, DAI Qian, GUO Minghui*

(Key Laboratory of Bio-based Material Science amp; Technology (Northeast Forestry University),Ministry of Education, Harbin 150040, China)

Analyzing the impacts of log house on environment could promote the energy conservation and emissions reduction of wood structure enterprise. Based on the cradle-to-gate inventories from factory, considering 1 m2log house as a functional unit, life cycle assessment (LCA) was used to examine the raw material, energy consumption and environment emissions of the materialization process. Furthermore, the CML2001 method and database provided by GaBi were used to evaluate environment impact of wooden house product in the life circle scope. The results showed that six impact categories were assessed in detail in the LCA study, i.e., global warming potential (GWP), human toxic potential (HTP), acidification (AP), eutrophication (EP), photochemical ozone creation potential (POCP) and abiotic depletion (ADP), and their results were -7.54×10-8, 7.19×10-8, 1.79×10-8, 1.51×10-8, 9.94×10-9and 3.79×10-9, respectively. The GWP and HTP were mainly responsible for the total amount of the environmental impacts in the preparation of wall product, accounted for -174.0% and 166.0%, respectively. A wood manufacturing factory was assessed in detail, and the process was divided into three subsystems:the raw material obtaining phase, the prefabrication phase and the transportation process. The prefabrication phase was mainly responsible for the log house fabrication. Excluding the positive impact of the photosynthesis, HTP was mainly responsible for the environmental deterioration. The detailed analysis of each stage indicated that the most important environmental hot spot of HTP was the dust appeared during wood manufacture such as timber drying, etc.

log structure; environmental impact; materialization; life cycle assessment

2017-05-06

2017-07-11

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD14B0501)。

胡家航，男，研究方向為木結構。

郭明輝，女，教授。E-mail:gmh1964@126.com

TU366.2；X383

A

2096-1359(2017)06-0133-06