陳 莎,孫中梅,李素梅,劉影影,石曉丹

動(dòng)態(tài)生命周期評(píng)價(jià)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

陳 莎*,孫中梅,李素梅,劉影影,石曉丹

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)在理論和實(shí)際應(yīng)用中存在一些局限性,包括清單和評(píng)價(jià)方法缺乏時(shí)間維度和空間維度,主要表現(xiàn)為缺乏對(duì)產(chǎn)品能源系統(tǒng)隨時(shí)間變化的考慮,使用靜態(tài)的過時(shí)的清單數(shù)據(jù)而非基于時(shí)間的動(dòng)態(tài)生命周期清單數(shù)據(jù),以及影響評(píng)價(jià)方面缺乏動(dòng)態(tài)特征因子的選擇和計(jì)算方法.動(dòng)態(tài)生命周期評(píng)價(jià)(DLCA)是針對(duì)工業(yè)和環(huán)境系統(tǒng)的時(shí)間和空間變化的動(dòng)態(tài)建模過程的評(píng)價(jià)方法, 可大大提高傳統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性.本文從3個(gè)方面對(duì)動(dòng)態(tài)生命周期評(píng)價(jià)方法進(jìn)行總結(jié)和評(píng)述,即將時(shí)間信息作為不確定因素的動(dòng)態(tài)建模分析;生產(chǎn)過程或污染物排放的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取;基于時(shí)間分化的動(dòng)態(tài)特征因子的影響評(píng)價(jià)方法.通過目前的動(dòng)態(tài)生命周期評(píng)價(jià)的研究現(xiàn)狀來看,其方法框架并不統(tǒng)一,另外缺乏科學(xué)的時(shí)間分化的LCI計(jì)算的數(shù)學(xué)模型和軟件以及生命周期影響評(píng)價(jià)的建模解決方案.因此,本文對(duì)DLCA未來的發(fā)展進(jìn)行展望,以期為LCA方法的研究、應(yīng)用、發(fā)展和完善提供更多的支持.

動(dòng)態(tài)生命周期評(píng)價(jià)；時(shí)間信息；動(dòng)態(tài)建模；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)作為一種全新的預(yù)防性環(huán)境保護(hù)策略與手段,主要應(yīng)用在通過定量化研究能量和物質(zhì)利用及廢棄物的環(huán)境排放來評(píng)估一種產(chǎn)品、過程或生產(chǎn)活動(dòng)造成的環(huán)境環(huán)節(jié)[1-3],進(jìn)而辨識(shí)與量化減少環(huán)境負(fù)荷的關(guān)鍵機(jī)會(huì),探求改善環(huán)境的方法[4-6].LCA最早應(yīng)用于1969年的美國可口可樂公司飲料包裝的資源消耗和環(huán)境釋放的特征性分析[7-8].到目前為止,LCA已成為指導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行清潔生產(chǎn),政府管理部門用于制定環(huán)境政策[9-10],引導(dǎo)可持續(xù)消費(fèi)等的科學(xué)依據(jù)[11-15],其作用已無需再證明.然而LCA的理論和應(yīng)用中仍存在一些局限性,如對(duì)經(jīng)濟(jì)因素和社會(huì)因素等大多停留在定性描述,定量評(píng)價(jià)的方法和工具較少,而其中由于缺乏對(duì)時(shí)間和空間信息的考慮,其評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性大大降低[16]是LCA最重要的問題之一.

動(dòng)態(tài)生命周期評(píng)價(jià)(DLCA)方法基于傳統(tǒng)LCA,同時(shí)考慮時(shí)間和空間的背景,明確地將動(dòng)態(tài)過程建模,動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的提取等融入到過程和環(huán)境系統(tǒng)中[17],從而大大提高了傳統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性.近些年,DLCA的研究與應(yīng)用得以較快發(fā)展,以解決考慮系統(tǒng)和環(huán)境的時(shí)間相關(guān)性問題,并應(yīng)用于評(píng)價(jià)具有較長壽命周期的產(chǎn)品或系統(tǒng),比如對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià),淡水中金屬的生態(tài)毒性影響;也應(yīng)用于對(duì)能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)以及產(chǎn)品生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)提取與更新.本文在對(duì)靜態(tài)生命周期的局限性進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上,就動(dòng)態(tài)生命周期評(píng)價(jià)中DLCA模型與應(yīng)用,動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的提取與清單分析,影響類別的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)等進(jìn)行了綜述和分析.

1 靜態(tài)LCA的局限性

作為評(píng)價(jià)產(chǎn)品或系統(tǒng)從搖籃到墳?zāi)顾斐傻沫h(huán)境影響,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的理想評(píng)價(jià)工具,LCA在應(yīng)用過程中還存在不少問題,限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展,如Reap等[18]較為系統(tǒng)地論述目前LCA中需要解決功能單位定義,邊界選取,影響評(píng)價(jià)方法的選擇,數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等15個(gè)問題[18],而特別是在生命周期評(píng)價(jià)中缺少對(duì)時(shí)間因素和空間因素,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方面的考慮[19-20].有關(guān)LCA各階段存在的主要問題總結(jié)見表1.

表1 LCA目前存在的問題

除了以上待解決的問題外,從環(huán)境問題和可持續(xù)發(fā)展的角度上傳統(tǒng)的LCA還存在評(píng)價(jià)方法的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)的可靠性問題[21],如在對(duì)某個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行環(huán)境影響辨識(shí)時(shí),合并式的數(shù)據(jù)收集方式或者由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失而采用單一企業(yè)樣本的生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果的做法,不利于評(píng)價(jià)結(jié)果中對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的識(shí)別,從而降低了決策的科學(xué)性[22].因此,傳統(tǒng)LCA會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果誤差較大,不同的評(píng)價(jià)者評(píng)價(jià)結(jié)果差異性大,從而使決策者難以做出正確的決策[23].

生命周期評(píng)價(jià)是對(duì)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行空間和時(shí)間集成,但是無論LCA 中的原始數(shù)據(jù)還是評(píng)估結(jié)果,都存在時(shí)間和地域上的限制[24].靜態(tài)LCA方法時(shí)間方面的限制在于它的生命周期清單階段所假設(shè)使用的參數(shù)始終是固定的或是固定的時(shí)間函數(shù),從而忽略了對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間效應(yīng)和動(dòng)態(tài)反應(yīng)的考慮[25].但是實(shí)際情況卻是工業(yè)和環(huán)境往往是動(dòng)態(tài)變化的,忽略其對(duì)時(shí)間變化相關(guān)的特征就會(huì)降低LCA結(jié)果對(duì)環(huán)境問題的真實(shí)和準(zhǔn)確的反映[26].如隨著時(shí)間的發(fā)展,電力結(jié)構(gòu)的改善,制造效率的提高,能量輸入的降低,以及溫室氣體的能量強(qiáng)度變化等,往往直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果.除此之外,污染物在環(huán)境中隨時(shí)間變化過程也會(huì)影響環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果,例如,揮發(fā)性有機(jī)污染物白天光照條件下會(huì)產(chǎn)生更多的光化學(xué)氧化劑[27];O3在夏季的產(chǎn)生量要比在冬季產(chǎn)生量多[28],還有一些污染物的環(huán)境影響需要經(jīng)歷長期的累積過程[29],有些環(huán)境影響結(jié)果如水體富營養(yǎng)化等在某些區(qū)域會(huì)出現(xiàn)季節(jié)性變化[30].因此,在生命周期評(píng)價(jià)過程中缺乏對(duì)時(shí)間信息的考慮對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有著顯著影響,在后續(xù)的研究中需要在生命周期清單和影響評(píng)價(jià)過程加入對(duì)時(shí)間維度的考慮.

在清單分析階段和影響評(píng)價(jià)階段缺乏空間信息也會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響[31-33].例如有研究發(fā)現(xiàn)在歐洲不同區(qū)域的二氧化硫和氮氧化物的酸化因素存在顯著地區(qū)差異[34-35];田亞峻等[36]綜述了LCA區(qū)域化研究的進(jìn)展,說明將空間信息數(shù)據(jù)引入LCA的必要性與可行性[36].空間信息對(duì)LCA的影響因素較單一,目前這方面的論文研究較少,而我國也正在致力于建立我國本土化的數(shù)據(jù)庫,以期提高LCA在指導(dǎo)我國的相關(guān)環(huán)境政策、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證評(píng)價(jià)方面的科學(xué)性和有效性.

2 DLCA模型與應(yīng)用

對(duì)于前面所提到的傳統(tǒng)LCA的靜態(tài)性,許多學(xué)者已開展了對(duì)DLCA的研究,主要是在傳統(tǒng)LCA的基礎(chǔ)上,考慮產(chǎn)品系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為,對(duì)隨時(shí)間變化的資源流和其環(huán)境影響采取動(dòng)態(tài)建模[25],以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性;或者通過動(dòng)態(tài)建模和模擬來預(yù)測產(chǎn)品或系統(tǒng)發(fā)展結(jié)果,提出生態(tài)設(shè)計(jì)方案,從而獲得更為科學(xué)的預(yù)測數(shù)據(jù)[37].

目前,動(dòng)態(tài)建模主要應(yīng)用在能源系統(tǒng)和技術(shù)發(fā)展,建筑和建筑材料的變化,污水處理技術(shù)進(jìn)步以及新能源汽車方面進(jìn)行建模評(píng)價(jià).隨著未來技術(shù)的發(fā)展,能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變,能源技術(shù)參數(shù)不斷提高,從而降低產(chǎn)品系統(tǒng)的能量消耗;對(duì)于外部環(huán)境,隨著環(huán)境意識(shí)增強(qiáng),環(huán)保法規(guī)不斷出臺(tái),“能效門檻”不斷提高,產(chǎn)品的能源利用效率會(huì)持續(xù)提高[38].例如,在能源技術(shù)參數(shù)方面,生產(chǎn)效率的提高,產(chǎn)品壽命的增加,能源轉(zhuǎn)換和燃料生產(chǎn)過程的發(fā)展,電力或供熱系統(tǒng)的改進(jìn),運(yùn)輸系統(tǒng)的生態(tài)優(yōu)化等動(dòng)態(tài)過程都可能會(huì)對(duì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果造成影響.Pehnt等[39]運(yùn)用DLCA評(píng)價(jià)可再生能源技術(shù),首先識(shí)別出生產(chǎn)系統(tǒng)和技術(shù)性能以及背景系統(tǒng)的可能存在的發(fā)展,并選用包括鋼鐵生產(chǎn)、鋁生產(chǎn)、電力生產(chǎn)、PV系統(tǒng)的壽命,組件效率和晶片薄度和原材料的損失等動(dòng)態(tài)參數(shù),并對(duì)這些參數(shù)2030年的狀態(tài)考慮其最優(yōu)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行設(shè)定,最后對(duì)可再生能源進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)疊加評(píng)價(jià)[39].Jun-Ki等[40]結(jié)合能源經(jīng)濟(jì)模型和LCA來分析不同的能源政策對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的環(huán)境影響所造成的動(dòng)態(tài)影響,并建立了動(dòng)態(tài)生命周期清單數(shù)據(jù)集來評(píng)價(jià)產(chǎn)品系統(tǒng)的未來生命周期環(huán)境影響[40]. Peter等[41]根據(jù)市場發(fā)展情況對(duì)太陽能集中發(fā)電技術(shù)建立了3種未來技術(shù)發(fā)展情景,并比較了3種情景下太陽能系統(tǒng)的成本和排放物的環(huán)境影響,其中在清單分析階段,考慮到了產(chǎn)品壽命的增加,電負(fù)荷的升級(jí),儲(chǔ)存時(shí)間的增加,高效率應(yīng)用,使用材料的降低以及背景系統(tǒng)的改變等動(dòng)態(tài)過程對(duì)生命周期清單進(jìn)行更新,并分析了每一種發(fā)展對(duì)假設(shè)情景的影響[41].

建筑物的環(huán)境影響會(huì)因其在較長壽命里隨時(shí)間變化的影響因子而發(fā)生變化,比如隨社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步,建筑施工技術(shù)和機(jī)器效率明顯提高,建筑材料的消耗,輸入輸出流和能源結(jié)構(gòu)都隨時(shí)間發(fā)生變化;除此之外,居住者的行為變化也會(huì)使建筑物的環(huán)境影響發(fā)生變化.Su等[42]考慮了技術(shù)進(jìn)步,居住者行為變化,動(dòng)態(tài)特征因子和動(dòng)態(tài)權(quán)重因子4個(gè)因子的動(dòng)態(tài)變化,建立了建筑環(huán)境影響評(píng)估的DLCA框架,但目前還沒有應(yīng)用到實(shí)例研究中[42].Collinge等[43]確定了建筑物隨時(shí)間變化的主要時(shí)間變量,即單元過程的動(dòng)態(tài)建模,工業(yè)系統(tǒng)的時(shí)間變量,資源或排放物的時(shí)間變化和環(huán)境系統(tǒng)的時(shí)間變化,并分別從環(huán)境保護(hù)[43],人類健康評(píng)價(jià)[44]和生產(chǎn)力[45]等方面對(duì)建筑物進(jìn)行動(dòng)態(tài)生命周期評(píng)價(jià).Amit等[46]基于失效概率方法和建筑物統(tǒng)計(jì)壽命分布對(duì)美國水泥庫存量進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模評(píng)價(jià)[46].Faria等[47]將動(dòng)態(tài)建模和LCA相結(jié)合對(duì)污水處理廠的6種污水處理工藝進(jìn)行評(píng)價(jià),比較了參考系統(tǒng)和代替系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),從而對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[47].

把時(shí)間和空間變化作為不確定參數(shù),應(yīng)用情景分析法評(píng)價(jià)量化工業(yè)和環(huán)境的影響也是較常應(yīng)用的動(dòng)態(tài)建模方法[43].情景分析法又稱前景描述法,腳本法,是將規(guī)劃方案實(shí)施前后,不同時(shí)間和條件下的環(huán)境狀況,按時(shí)間序列進(jìn)行描繪的一種方式,對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能出現(xiàn)的情況或引起的后果做出預(yù)測的方法.它往往可以反映出不同方案情景下的環(huán)境影響結(jié)果,以及一系列主要變化的過程,便于研究、比較和決策[48].Wang等[49]針對(duì)消費(fèi)者對(duì)飲用水的選擇行為假設(shè)了6種情景,并對(duì)不同情景下飲料消費(fèi)習(xí)慣的環(huán)境影響進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)[49].Jack等[50]對(duì)手機(jī)回收處理考慮了3種回收方案包括回收率的變化,評(píng)價(jià)未來不同回收情景下手機(jī)回收處理的環(huán)境影響[50].Faria等[47]利用3種平臺(tái)(BioWin?[51], Python?,Umberto?)將動(dòng)態(tài)建模與傳統(tǒng)LCA相結(jié)合,比較了6種情景下的污水處理方案,最終得到污水處理廠的最優(yōu)處理方案.吳志新等[52]在對(duì)純電動(dòng)車進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)時(shí),分析了未來電力情景,基于往年的電力結(jié)構(gòu)和電力技術(shù)水平,根據(jù)我國電力發(fā)展趨勢,包括未來我國電力格局及發(fā)電技術(shù)的發(fā)展變化,通過預(yù)測研究及專家咨詢,設(shè)定了我國2020年的電力情景,結(jié)果表明隨著電力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,電力技術(shù)進(jìn)步,熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大,我國純電動(dòng)汽車的減排潛力逐步釋放[52].目前有關(guān)DLCA的建模研究與應(yīng)用總結(jié)見表2.

表2 動(dòng)態(tài)建模研究與應(yīng)用

動(dòng)態(tài)建模與傳統(tǒng)LCA的結(jié)合,不僅可以對(duì)大量的影響參數(shù),處理情景,以及評(píng)價(jià)目的進(jìn)行模擬,從而得到產(chǎn)品生產(chǎn)的最佳工藝,生態(tài)設(shè)計(jì)的最佳方案,廢物處理的最佳方式等,也可以用來對(duì)某個(gè)行業(yè)或系統(tǒng)的整體趨勢進(jìn)行評(píng)估.但目前動(dòng)態(tài)建模用于生命周期評(píng)價(jià)的領(lǐng)域還不夠廣泛,僅僅用于對(duì)能源、技術(shù)、建筑物、污水處理以及新能源汽車方面等的評(píng)價(jià),未來在新材料的開發(fā)與應(yīng)用,新技術(shù)與產(chǎn)品的評(píng)價(jià)方面等可以進(jìn)一步研究與建立科學(xué)的動(dòng)態(tài)生命周期模型進(jìn)行指導(dǎo).

3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的提取與清單分析

LCA最為關(guān)鍵的部分就是數(shù)據(jù)清單分析,其數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確度對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性具有至關(guān)重要的意義[53-55].然而傳統(tǒng)的LCA的數(shù)據(jù)清單大部分來自于已有的大型數(shù)據(jù)庫,而其數(shù)據(jù)往往比較分散;數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性較差,數(shù)據(jù)更新慢,缺乏代表性等導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果精確性降低[56-57];對(duì)于原料的提取,使用和排放的時(shí)間和空間特性也缺乏考慮,這大大降低了結(jié)果的環(huán)境相關(guān)性[26].因此要想保證清單數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,來自于生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)[58]顯得尤為重要.

目前,DLCA中動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取方法的研究與應(yīng)用主要集中在生產(chǎn)制造過程的能耗和排放數(shù)據(jù)以及建筑物內(nèi)部的污染物的實(shí)時(shí)監(jiān)測等.為解決實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲得問題,Kara提出把電力消耗分為3個(gè)等級(jí):工廠,部門和單元過程,對(duì)其制造過程的電力消耗進(jìn)行監(jiān)測[59];Behrendt等[60]提出了一種先進(jìn)的能源管理程序來監(jiān)測實(shí)時(shí)能源消耗數(shù)據(jù)并識(shí)別每個(gè)單元過程的能源消耗[60].只有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是不夠的,還需和傳統(tǒng)的生命周期影響評(píng)價(jià)方法相結(jié)合,Narita等[61]提出了一種結(jié)合數(shù)控控制系統(tǒng)從制造過程收集的動(dòng)態(tài)LCI數(shù)據(jù)與背景數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的環(huán)境負(fù)擔(dān)預(yù)測系統(tǒng)[61];Jiang等[62]基于LCA建立了一種制造過程的環(huán)境性能分析儀,利用制造過程中不同操作條件下的實(shí)際值形成影響矩陣來評(píng)價(jià)制造工藝方案環(huán)境性能[62].Remo等[63]提出了一種基于Web的制造過程動(dòng)態(tài)生命周期清單和影響評(píng)估方法,以提高環(huán)境方面和潛在影響的數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性.首先是應(yīng)用MTConnect? standard對(duì)從機(jī)器上安裝數(shù)控系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,并根據(jù)因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議匯編成機(jī)器和人都能識(shí)別的語言,再通過代理軟件對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行排列、儲(chǔ)存,最后通過客戶端應(yīng)用程序把收集的數(shù)據(jù)與背景LCA數(shù)據(jù)庫結(jié)合,提供能源消耗和排放的LCIA結(jié)果并傳到用戶界面[63],如圖1所示.

圖1 制造過程的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)提取方法[63]

對(duì)建筑物進(jìn)行LCA時(shí),其實(shí)際能耗與建筑內(nèi)部污染物的實(shí)時(shí)濃度也會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生影響. Collinge等[64]在對(duì)建筑物進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)是否對(duì)建筑物的實(shí)際能耗進(jìn)行監(jiān)控對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生重大影響.隨后該課題組把室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與LCA方法相結(jié)合,借鑒前人的單室模型方法加以改進(jìn),用測量得到的污染物濃度代替?zhèn)鹘y(tǒng)的排放因子,并通過在研究建筑上安裝先進(jìn)的能源消耗與室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器得到能源消耗(包括加熱制冷和電力使用的監(jiān)測 )各類污染物濃度(CO2,PM2.5, VOCs)實(shí)際檢測數(shù)據(jù),建立了簡化的計(jì)算模型,對(duì)室內(nèi)空氣的毒性影響進(jìn)行評(píng)價(jià)[65].

動(dòng)態(tài)的影響評(píng)價(jià)結(jié)果是基于動(dòng)態(tài)LCI數(shù)據(jù),但是對(duì)于LCA成百上千的過程考慮其動(dòng)態(tài)清單是不現(xiàn)實(shí)的,其耗時(shí)性及數(shù)值的龐大導(dǎo)致結(jié)果還不如靜態(tài)LCA準(zhǔn)確[16],Collet等[26]建立了基于對(duì)影響的貢獻(xiàn)程度,來逐步選擇需要考慮動(dòng)態(tài)過程的通用方法.這使一些不必要的過程采用傳統(tǒng)的靜態(tài)處理,大大減少了動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的工作量.對(duì)于時(shí)間分化的LCI用時(shí)間特征常數(shù)因子(CFs)來計(jì)算,傳統(tǒng)的LCI計(jì)算公式會(huì)對(duì)矩陣求逆,但這會(huì)使LCI的時(shí)間信息缺失,Beloin等[16]應(yīng)用冪級(jí)展開式來解決這一問題,創(chuàng)造了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)路徑分析法(ESPA),它可以用于在整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)中傳播過程相關(guān)的時(shí)間信息,即在單位過程水平定義的時(shí)間信息.ESPA方法是利用過程相關(guān)時(shí)間分布來描述基礎(chǔ)流和過程流獲得時(shí)間分化的動(dòng)態(tài)生命周期清單,并提出新的LCI計(jì)算方法,即卷積在冪級(jí)數(shù)展開算法中的應(yīng)用,使過程相關(guān)的時(shí)間信息的傳播成為可能.此方法得到的生命周期清單可以應(yīng)用于Levasseur等[66]建立的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法,但目前仍然不能和傳統(tǒng)的LCA數(shù)據(jù)庫相結(jié)合.Tiruta-Barna等[67]建立了一個(gè)動(dòng)態(tài)LCI方法,運(yùn)用傳統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)中的技術(shù)矩陣和環(huán)境干預(yù)矩陣,對(duì)所選數(shù)據(jù)庫中每個(gè)過程定義一組時(shí)態(tài)參數(shù),能夠處理生命周期系統(tǒng)中復(fù)雜的供應(yīng)鏈和過程,并和傳統(tǒng)的LCA工具和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合.該課題組應(yīng)用此方法建立了化學(xué),生物化學(xué)和廢棄物處理過程的時(shí)間參數(shù).目前包含供應(yīng)鏈和過程的時(shí)間參數(shù)和時(shí)間依賴的數(shù)據(jù)庫正在開發(fā)中[68].

制造過程的實(shí)時(shí)能耗以及污染物實(shí)時(shí)排放動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的獲取可以極大提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性.盡管前人對(duì)于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的提取方法有所研究,但仍沒有形成動(dòng)態(tài)LCI數(shù)據(jù)庫的通用方法,而且龐大的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)也不利于管理.目前,動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的獲取應(yīng)用到實(shí)例研究還很少,未來需要通過大數(shù)據(jù)的分析和管理技術(shù),建立科學(xué)有效的數(shù)據(jù)提取管理方法,提高生命周期評(píng)價(jià)清單分析階段的精確性,建立我國生命周期清單具有時(shí)空分辨性的數(shù)據(jù)庫.

4 影響類別的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

生命周期影響評(píng)價(jià)是對(duì)清單分析階段所識(shí)別的環(huán)境影響壓力進(jìn)行定量或定性的表征評(píng)價(jià),即確定產(chǎn)品系統(tǒng)的物質(zhì),能量交換對(duì)其外部環(huán)境的影響[69].其目的是通過使用與LCI結(jié)果相關(guān)的影響類型和類型參數(shù),從環(huán)境角度審查一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng),或者根據(jù)所選定的類型參數(shù),對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)間進(jìn)行比較.目前對(duì)于產(chǎn)品的生命周期影響評(píng)價(jià)國內(nèi)外多采用的是SETAC在1991年建立的方法[70-71].

傳統(tǒng)的影響評(píng)價(jià)是對(duì)某確切的時(shí)間段進(jìn)行量化,無法和時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)清單結(jié)合,或者說無法加入時(shí)間信息;Arbault等[72]在研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生命周期環(huán)境影響時(shí)指出,傳統(tǒng)的LCIA不考慮環(huán)境機(jī)制的動(dòng)態(tài)特性,導(dǎo)致得出的是常數(shù)特征因子,結(jié)果不具有代表性.此外,在對(duì)多個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行比較時(shí),也存在時(shí)間框架不一致的情況,比如Levasseur等[66]應(yīng)用LCA研究評(píng)價(jià)氣候變化時(shí)選用不同的時(shí)間線得到不同的評(píng)價(jià)結(jié)果.目前LCA中進(jìn)行對(duì)氣候變化的影響評(píng)價(jià)時(shí)多采用國際氣候變化專門委員會(huì) (IPCC )提出全球氣候變暖潛勢特征因子GWP.GWP為單位質(zhì)量的某溫室氣體在給定的時(shí)間范圍內(nèi),相對(duì)于當(dāng)量CO2的累積輻射強(qiáng)迫值,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[66]

當(dāng)應(yīng)用GWP評(píng)價(jià)全球變暖影響時(shí),存在一個(gè)時(shí)間范圍不一致的情況,這是由于不同溫室氣體的壽命不同,當(dāng)選擇較長時(shí)間范圍時(shí),其計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大不同;比較評(píng)價(jià)不同產(chǎn)品或系統(tǒng)的全球變暖影響時(shí),也存在不能在同一個(gè)時(shí)間框架里進(jìn)行比較的情況.針對(duì)這種時(shí)間范圍不一致性,通常在LCIA選用無限時(shí)間范圍來考慮總的潛在影響或者是采用折現(xiàn)率來比較短期與長期的排放.在美國EPA研究中,使用了3種折現(xiàn)率 (0,2%,3%)和3種時(shí)間范圍 (30,50,100a).在國內(nèi),也有在LCA中應(yīng)用時(shí)間折扣的研究,并應(yīng)用到洗碗機(jī)產(chǎn)品實(shí)例中[73].但是Hellweg等[74]認(rèn)為在LCA中使用折現(xiàn)率違背了倫理價(jià)值觀.因此,需要建立一個(gè)可調(diào)整時(shí)間范圍的特征因子來對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行量化.

Levasseur課題組在全球變暖影響動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方面做了一系列的研究和應(yīng)用工作.他們首先建立動(dòng)態(tài)特征因子的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了以一年為跨度的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)特征因子,通過每年的數(shù)據(jù)收集,對(duì)全球變暖影響進(jìn)行計(jì)算并用于評(píng)價(jià)生物燃料代替化石燃料的環(huán)境影響[66],此方法考慮溫室氣體排放的時(shí)間剖面而不是在清單分析過程對(duì)溫室氣體進(jìn)行簡單整合.隨后他們將此方法來評(píng)價(jià)通過土地利用改變和造林造成的臨時(shí)碳匯項(xiàng)目的溫室氣體減緩效益[75],評(píng)價(jià)4種最終處理情景的環(huán)境影響[76];Yang等[77]采用此方法評(píng)價(jià)沼氣項(xiàng)目的全球變暖影響.盡管如此,對(duì)于很少的物質(zhì)和有限的時(shí)間范圍,必須計(jì)算成千上萬的特征因子,這使得該方法應(yīng)用起來非常困難.在LCA中結(jié)合污染物在環(huán)境中的傳輸模型,環(huán)境質(zhì)量模型等對(duì)其環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)也見報(bào)道,如Shah等[30]結(jié)合3種光化學(xué)空氣質(zhì)量模型(CAM-MM5- SMOKE)對(duì)光化學(xué)污染物NO的形成,遷移,轉(zhuǎn)化和去除進(jìn)行模擬,并建立以月為時(shí)間單位的特征因子,通過對(duì)NO在環(huán)境中的歸趨,人類和生態(tài)系統(tǒng)暴露水平等的解析,評(píng)價(jià)了其對(duì)環(huán)境和人類健康的影響. Fanny等[78]建立評(píng)價(jià)淡水生態(tài)毒性影響的時(shí)間特征因子并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中鋅肥的生命周期評(píng)價(jià),但是并沒有解決非持久性有機(jī)物的環(huán)境行為,以及在實(shí)際LCA案例中復(fù)雜的具有時(shí)間變化的生命周期清單.

影響類別的動(dòng)態(tài)特征因子的建立實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間信息的加入,可以結(jié)合以不同時(shí)間尺度收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià),提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性.目前對(duì)于影響類別的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法建立還不夠完善,影響類別的計(jì)算方法比較復(fù)雜,目前主要還集中在全球氣候變暖的動(dòng)態(tài)特征因子建立和評(píng)價(jià)上,對(duì)于其他的影響評(píng)價(jià)類別還缺少一定的研究,未來還需要致力于LCA與其他環(huán)境釋放,影響等模型的結(jié)合,建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特征因子,尤其是在環(huán)境中長期存留以及可能發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化的污染物質(zhì)的環(huán)境影響評(píng)價(jià),以及對(duì)于不同物種的影響評(píng)價(jià)等,并通過特征化的指標(biāo)建立通用的動(dòng)態(tài)影響評(píng)價(jià)方法.

5 展望

DLCA是在傳統(tǒng)LCA的基礎(chǔ)上加入了對(duì)時(shí)間和空間的考慮,可以大大提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,科學(xué)性和針對(duì)性.目前研究主要集中在動(dòng)態(tài)建模,動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)提取以及影響類別的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)上.但是從目前的研究來看尚有許多需要改進(jìn)之處.

動(dòng)態(tài)建?？梢酝ㄟ^對(duì)大量的影響參數(shù)、處理情景以及評(píng)價(jià)目的進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,從而得到產(chǎn)品生產(chǎn)的最佳工藝、生態(tài)設(shè)計(jì)的最佳方案、廢物處理的最佳方式,也可以對(duì)整個(gè)行業(yè)或系統(tǒng)的整體趨勢進(jìn)行評(píng)估.但是目前的研究缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的選取原則,以及缺乏差異性環(huán)境下動(dòng)態(tài)指標(biāo)的量化方法,未來還需進(jìn)一步研究.

通過獲得實(shí)時(shí)能耗和排放數(shù)據(jù)提高清單分析階段的數(shù)據(jù)質(zhì)量,在生命周期清單數(shù)據(jù)庫中加入時(shí)間信息可以使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確.然而對(duì)以時(shí)間為尺度的數(shù)據(jù)清單進(jìn)行收集是一項(xiàng)很繁重的工作,需要企業(yè)或工廠對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行長期的收集和整理,因此需要大數(shù)據(jù)技術(shù)分析與管理,為后續(xù)LCA數(shù)據(jù)庫的建立以及LCA的評(píng)價(jià)提供有力支撐.

目前影響類別動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的方法并不統(tǒng)一,不同的影響類別有著不同的時(shí)間尺度,已建立的以年為時(shí)間尺度的全球變暖影響的動(dòng)態(tài)特征因子并不適用于其他影響類別,未來還需進(jìn)一步研究建立包括時(shí)間和空間因素影響評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)特征因子,使生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果更具有科學(xué)性.

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Research and application status of dynamic life cycle assessment.

CHEN Sha, SUN Zhong-mei, LI Su-mei, LIU Ying-ying, SHI Xiao-dan

(Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2018,38(12)：4764~4771

Life cycle assessment (LCA) is the most widely used tool for the environmental evaluation of system and its capabilities no need to be proved. However, there are still several limitations in its theory and application, including the lack of temporal dimension and spatial dimensionin its inventories and impact methods. These limitations mainly include ignoring the changes of products and energy systems over time; the use of static and outdated historical inventory data instead of time-based life cycle inventory (LCI) data; and lacking thechoose and calculation methods of the dynamic characteristics factors inimpact assessment. Dynamic life cycle assessment (DLCA) is an evaluation method of modeling ofdynamic processfor the industrial and environmental system with temporal and spatial dimensional change, which can accurately and scientifically improves the traditional life cycle assessment results. This paper summarized the present studies on the DLCA in three parts: dynamic modeling and analysis using time information as an uncertain factor; dynamic data extraction methods of production process or pollutant emissions based on real time; impact assessment methods of dynamic characteristic factors on the basis of time differentiation. At present, the DLCA method doesn’t have uniform framework. Besides, there is no scientific mathematical model and software for time-differentiated LCI calculation and modeling solution for life cycle impact assessment. So this paper will provide an outlook of the future development of DLCA in order to support for the research, application, development and improvement of LCA method.

dynamic life cycle assessment；temporal information；dynamic modeling；dynamic data；dynamic evaluation

X820.3

A

1000-6923(2018)12-4764-08

陳 莎(1968-),女,四川樂山人,教授;博士,研究方向?yàn)榄h(huán)境污染物分析與生命周期環(huán)境評(píng)價(jià).發(fā)表論文50余篇.

2018-04-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用(2017YFF0211801)

* 責(zé)任作者, 教授, chensha@bjut.edu.cn