建筑排水系统管材的环境生命周期分析.pdf
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1、中国新技术新产品2023 NO.9(上)-105-工 程 技 术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
2、 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:定义目标和范围以确定分析的目标和系统边界。分析生命周期清单以量化所收集的数据。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。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
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。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
4、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。PLDQCfI?0 00090151004 86551 852.(1)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 125130,球墨铸铁为 120,玻璃化黏土为 110
5、),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:3.09kPa3.32kPa;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。1714feQPHPP=(2)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
6、 215000)摘 要:传统的排水系统管材设计研究一直侧重于最大化经济优势,对不同管道材料制成的排水管道系统的环境影响分析有限,基于此,该文对复合纤维增强聚合物(FRP)、PVC、高密度聚乙烯(HDPE)、球墨铸铁、玻璃化黏土和钢筋混凝土6种不同类型的排水管材进行了比较生命周期分析(LCA),功能单元定义为一个拥有5万人口的小城市50年所需的一公里排水系统管材基础设施。考虑到不同的生命周期阶段,对纯重力排水系统和带泵送站的排水系统两种类型的排水系统的所有管材的环境影响进行了量化和比较。在六种管材中,球墨铸铁是最差的选择,而钢筋混凝土是最好的选择。关键词:排水系统;生命周期分析;系统边界;环境影
7、响中图分类号:TU97文献标志码:A图 1 生命周期评价研究的系统边界原材料提取与合成运输原材料能源运输弃置安装/应用使用和维护残余物排放制造中国新技术新产品2023 NO.9(上)-106-工 程 技 术=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管材球墨铸铁 钢筋混凝土 玻璃化黏土PVCFRPHDPE总泵送能量(kWh)17390518685017610024019913500
8、11350011530023 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。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
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