張莉紅，盧紀(jì)富

（鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001）

建筑材料再循環(huán)利用價(jià)值研究

張莉紅，盧紀(jì)富

（鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001）

綠色建筑材料及產(chǎn)品的再循環(huán)利用價(jià)值的確定似乎是一件比較簡(jiǎn)單的事情，但在綠色建筑評(píng)估體系中來(lái)具體確定其再循環(huán)價(jià)值卻是非常困難的。對(duì)建筑評(píng)價(jià)體系中的建筑材料再循環(huán)價(jià)值進(jìn)行初步研究和計(jì)算，該計(jì)算過(guò)程考慮了建筑材料選擇、建筑結(jié)構(gòu)、建筑施工、建筑拆除技術(shù)以及回收頻率等，因其計(jì)算結(jié)果含有能量因素，可作為建筑材料再循環(huán)價(jià)值的計(jì)算方法。

建筑材料；回收利用；潛在回收能量

世界能源協(xié)會(huì)的報(bào)告顯示，隨著世界人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的日益頻繁，能源的使用量在未來(lái)50年會(huì)增長(zhǎng)300%。因此，建筑業(yè)對(duì)節(jié)能應(yīng)負(fù)有重要的義務(wù)，需要積極、迅速地從對(duì)能源極度浪費(fèi)、有害的行為中轉(zhuǎn)移出來(lái)，做一個(gè)建筑與自然和諧發(fā)展的典范。這一新模式可持續(xù)建筑稱為高性能綠色建筑。

為一個(gè)高性能的綠色建筑項(xiàng)目選擇建筑材料和產(chǎn)品是迄今為止，大部分研究和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面臨的困難和具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。根據(jù)建筑材料和產(chǎn)品如何影響環(huán)境去決定其優(yōu)點(diǎn)是否適合使用在綠色建筑上，是需要解決的中心問(wèn)題。這種新型材料還沒有一個(gè)清晰的定義能準(zhǔn)確地描述對(duì)它的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

在發(fā)展中國(guó)家，目前建筑業(yè)很難找到一個(gè)有效的方法去解決環(huán)境問(wèn)題，尤其是建筑材料的回收利用。這其中的難題就是缺乏一個(gè)對(duì)建筑材料再循環(huán)利用的評(píng)估體系。評(píng)估體系被認(rèn)為是一種通過(guò)教育民眾有關(guān)建筑環(huán)境問(wèn)題的最好方法，推動(dòng)“綠色建筑”運(yùn)動(dòng)，并且同時(shí)還能為可持續(xù)發(fā)展提供市場(chǎng)需求

簡(jiǎn)要介紹了在建筑生命周期中的能量消耗，提出一種通過(guò)計(jì)算建筑產(chǎn)品再循環(huán)價(jià)值（潛在回收能量）的方法。此研究結(jié)果作為建筑產(chǎn)品和材料的一個(gè)回收價(jià)值指標(biāo)可用于評(píng)估系統(tǒng)中。提出計(jì)算潛在回收能量的方法，重點(diǎn)在于建筑材料的回收頻率、回收中材料的丟棄和拆建中的技術(shù)應(yīng)用。為了能更準(zhǔn)確地比較材料和產(chǎn)品，在計(jì)算過(guò)程中要使用能源和潛在回收能量。

1 潛在回收能量

潛在回收能量可以被簡(jiǎn)單地描述為通過(guò)回收材料或產(chǎn)品節(jié)省下能量，托馬克將“回收潛力定義為在拆除、分解后通過(guò)再循環(huán)利用可用的能量。

建筑“垃圾”可以作為新產(chǎn)品材料的潛在原料，回收建筑材料可以有效地減少資源和自然能源的使用，同時(shí)也可有效減少因垃圾填埋和資源開采的土地使用。然而，評(píng)價(jià)使用回收能源和原始能源哪個(gè)問(wèn)題更簡(jiǎn)單是非常有爭(zhēng)議的。生態(tài)學(xué)派的學(xué)者認(rèn)為，像在生態(tài)系統(tǒng)里一樣，將原料用于生產(chǎn)是頭等重要的，而將能源和其他資源用于回收系統(tǒng)是次等重要。LCA（Life Cycle Assessment）學(xué)派認(rèn)為只有當(dāng)使回收利用使用的原料和產(chǎn)生的排放物超過(guò)使用純凈原料時(shí)，才應(yīng)該使用純凈能源。這個(gè)學(xué)派堅(jiān)信，回收利用只是一種手段而非目的，而過(guò)多的關(guān)注回收利用將給固體廢料和資源消耗問(wèn)題施加比對(duì)全球變暖和其他措施更大的壓力。

文中提出的方法，將實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）衡量回收建筑材料的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價(jià)值；

（2）針對(duì)回收的可能性，比較建筑材料和拆建技術(shù)；

（3）鑒別在生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大危害，回收潛力卻很小的材料；

（4）在建筑標(biāo)簽、編碼和指南中標(biāo)出計(jì)算結(jié)果，并確定材料和相關(guān)稅費(fèi)；

（5）建筑產(chǎn)品生命周期中的能量分析。

2 再循環(huán)利用計(jì)算

一個(gè)建筑產(chǎn)品的生命周期分為3個(gè)階段：生產(chǎn)、建造、運(yùn)行和拆除。

2.1 生產(chǎn)階段

這個(gè)階段包括提取原料，生產(chǎn)建筑材料/產(chǎn)品、運(yùn)輸，使用的能量在“從搖籃到大門”方法中相當(dāng)于“蘊(yùn)含能量”。

式中：EE——蘊(yùn)含能量：材料或產(chǎn)品從制造到出廠門所消耗的全部初級(jí)能量；

Eext——提取能量：提取原材料所需的能量；

EP1——材料生產(chǎn)能量：將原材料加工成建筑材料所需的能量；

EP2——產(chǎn)品生產(chǎn)能量：將建筑材料加工成建筑產(chǎn)品所需的能量；

ETi——運(yùn)輸能量：運(yùn)輸材料或產(chǎn)品所需的全部能量。

2.2 建造和運(yùn)行階段

此階段包含運(yùn)送建筑材料/產(chǎn)品到建筑工地，以及建設(shè)、運(yùn)行、維修、修復(fù)所消耗的所有能量。

EC=EE+ET3（2）

式中：EC——建筑能量；

EE——建造能量；

ET3——運(yùn)輸能量：運(yùn)輸材料或產(chǎn)品所需的全部能量。

EL=EO+EM（3）

式中：EL——周期能量：在建筑物生命周期中所消耗的全部能量；

EO——運(yùn)行能量：保持建筑物舒適條件和日常維護(hù)需求所需的能量，即用于供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)、生活熱水、照明和設(shè)備運(yùn)行的全部能量；

EM——維護(hù)能量：在建筑產(chǎn)品的生命周期中維護(hù)和修復(fù)所消耗的能量。

2.3 拆除階段

假設(shè)建筑物有3種方式結(jié)束壽命：翻新、拆除和回收。

2.3.1 回收

（1）產(chǎn)品回收。在這種方法中，產(chǎn)品（例如梁、磚塊、玻璃等）能夠在不改變形狀和性質(zhì)的情況下重復(fù)利用。

（2）材料回收。在此方法中，材料被加工成新的構(gòu)件。包括用于制造新構(gòu)件的情況良好的材料和產(chǎn)品。

（3）原料回收。這是指拆除的材料被加工成原料代替自然能源加工成新的建筑材料。最常見的例子是打碎鋼筋混凝土再聚合起來(lái)。

上述每種回收類型中的能量消耗，用式（4）估算：

EReci=EDec+EProci+ETi'+ET5-i+EEi（4）

式中：EReci——回收能量：在每種結(jié)束產(chǎn)品使用周期類型中再回收利用所需的能量；

EDec——解構(gòu)能量：每種材料在建造中而不是拆除階段所消耗的能量；

EProci——加工能量：在每種回收類型中加工材料的能量；

ETi'——把拆除的材料運(yùn)送到加工地點(diǎn)所需的能量；

ET5-i——將再生材料用于建筑物的某個(gè)部分加入建筑物生命周期中所消耗的能量；

EEi——從產(chǎn)品被回收，到再制造，直到出工廠大門所需的全部能量。

2.4 潛在回收能量的評(píng)估

通過(guò)回收利用，在生產(chǎn)（EE）和維修舊產(chǎn)品（ED）中消耗的能量可以節(jié)省下來(lái)。節(jié)省的潛在能量（潛在回收能量）可以估算如下：

EPot=（EE+ED）-（EReci+ε） （5）

式中：EPot——潛在回收能量：回收建筑材料或產(chǎn)品所節(jié)約的能量；

ED——摧毀能量：在拆毀階段結(jié)束生命周期所需的能量；

ε——為了在將來(lái)材料或產(chǎn)品被回收更容易、可能性更大，在生產(chǎn)階段額外消耗的能量。

文中所有方程中建筑材料/產(chǎn)品的能量都必須用同一種計(jì)量單位進(jìn)行測(cè)評(píng)。使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位可以就同一種功能比較不同的材料。

再循環(huán)利用需要處理回收頻率的問(wèn)題，依據(jù)EE值，材料的耐久性是非常重要的。因此，材料的回收頻率越高，就會(huì)擁有更高的EPot值。建筑材料使用的理想方式是像生物圈的營(yíng)養(yǎng)環(huán)路循環(huán)，沒有一點(diǎn)浪費(fèi)。然而對(duì)于常見的材料和技術(shù)，許多材料的質(zhì)量在使用壽命和回收過(guò)程中逐漸減少。因此，回收的頻率是有限的。公式（6）給出了計(jì)算材料能被回收的次數(shù)。

式中：n——最高回收頻率；

TM——材料壽命：這段時(shí)間的長(zhǎng)短主要依據(jù)舒適性要求的高低、氣候條件和運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短；

TB——建筑壽命;每種建筑類型的平均壽命（例如商業(yè)或住宅建筑）。

材料的回收頻率有限并且最終會(huì)被釋放到環(huán)境中，所回收利用應(yīng)該遵循自然規(guī)律。也就是說(shuō)，環(huán)境允許它們被循環(huán)使用并且最終會(huì)將它們分解為生態(tài)系統(tǒng)中的元素。

在回收過(guò)程中，材料被丟棄就會(huì)影響EPot值，考慮EPot值的這種影響，α值的計(jì)算如下：

式中：α——回收概率；

m0——材料的原始物質(zhì)；

ERec——回收物質(zhì)。

可以考慮α因素，進(jìn)一步計(jì)算EPot值：

式中：EPot——潛在回收能量：回收建筑材料或產(chǎn)品所節(jié)約的能量；

EE——蘊(yùn)含能量：材料或產(chǎn)品從制造到出長(zhǎng)門所消耗的全部初級(jí)能量；

α——回收概率；

ED——摧毀能量：在拆毀階段結(jié)束生命周期所需的能量；

EReci——回收能量：在每種結(jié)束產(chǎn)品使用周期類型中再回收利用所需的能量；

Eend——處理建筑物中不能再利用的拆除下來(lái)材料的能量；

ε——為了在將來(lái)材料或產(chǎn)品被回收更加容易、可能性更大，在生產(chǎn)階段額外消耗的能量；

n——最高回收頻率。

式中：P——每單位蘊(yùn)含能量中所含的潛在回收能量。P值越高，每單位蘊(yùn)含能量中就會(huì)有更多的能量用于回收利用。

以鋼梁為例：

EE=30 MJ/kg；ERec3=10 MJ/kg；Eend=7 MJ/kg；

ED=5 MJ/kg；ε=5 MJ/kg

如果鋼梁被回收了3次，每次有90%的鋼材可以被回收，那么：EPot=［30（0.9+0.92+0.93）+5（1+0.9+0.92+0.93）］-［10（0.9+ 0.92+0.93）+5+7［（0.1+0.192+0.273）+066］=52.34 MJ/kg

3 結(jié)論

有效減少建筑業(yè)對(duì)環(huán)境的危害就需要應(yīng)用建筑物資再循環(huán)利用和建筑物資的閉環(huán)處理的策略。然而，目前還沒有一個(gè)國(guó)際公認(rèn)的、全面的、實(shí)際有效方法去評(píng)估和比較建筑材料的再循環(huán)潛力。文中，潛在回收能量被作為一個(gè)參數(shù)去評(píng)估材料的回收價(jià)值。這項(xiàng)與蘊(yùn)含能量不同的參數(shù)可以應(yīng)用于評(píng)估體系。同時(shí)，這種方法也能有效地阻止初期評(píng)估中沒有包含建筑材料可以再循環(huán)利用這類錯(cuò)誤的發(fā)生，并幫助設(shè)計(jì)師和承包商去比較和選擇綠色建筑材料。

[1]T Ramesh，R Parakash，K KShukla.Life cycle energy analysis of buildings:an overview[J].Energy and Buildings，2010，42 (10)，1 592-1600.

[2] C J Kibert，Sustainable Construction:Green Building Design and Delivery[M].John Wiley，Hoboken，New Jersey，2005.

[3]M Calkins，Materials for Sustainable Sites:A Complete Guide to the Evaluation，Selection,and Use of Sustainable Construction Materials[M].John Wiley，Hoboken，New Jersey，2009.

[4]Mohammad D，javad Saghafi，Zahra Sadat Hosseini Teshnizi. Recycling value of building materials in building assessment systems[J].Energy and Buildings，2011，43：3 181-3 188.

[5]M Asif，T Muneer，R Kelley.Life cycle assessment:a case study of a dwelling home in Scotland[J].Building and Environment，2007，42(3)：1 391-1 394.

[6]P Hernandez，P Kenny.From net energy to zero energy buildings:defininglife cycle zero energy buildings(LC-ZEB) [J].Energy and Buildings，2010，42(6)：815-821.

The study on recycling value of building materials

ZHANG Lihong,LU Jifu
（Civil Engineering Institute,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China）

Although it seems to be a simple matter to determine the recycling value of green building materials and products,it is very difficult to determine the recycling value in building assessment systems.This paper suggests a method to assess the recycling value,which takes account of building material selection,building structure,building operation,building deconstruction technologies,and the frequency of recycling,and so on.And theresult contains capacity factor,so,this method can be used to count the recycling value of building materials.

building materials;recycling;potential recycling energy

X799.1

A

1674-0912（2013）08-0033-03

2013-05-24）

張莉紅（1976-），女，河南漯河人，工學(xué)碩士，講師，主要研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能，參與2項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金，主持1項(xiàng)河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目，獲得河南省建設(shè)廳科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等。