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1、生命周期评价模型综述宋丹娜 柴立元 何德文(中南大学冶金科学与工程学院环境工程研究所 长沙410083)摘 要 生命周期评价是近年来环境科学研究的热点,以全新的角度,从产品的全过程考察其对环境的影响,是一种更为科学的新理念和新方法,并正以极快的速度拓展到社会生活的多个方面。简要介绍了生命周期评价的定义与框架,并阐述了其核心部分生命周期评价模型,在此基础上重点对几种典型评价模型作了论述与比较。关键词 生命周期评价 评价模型 环境科学Summarization on the Life Cycle Assessment ModelSONGDan-naCHAI Li-yuanHE De-wen(The
2、 Research Institute of Environmental Engineering,School of Metallurgical Science and Engineering,Central South UniversityChangsha410083)AbstractLife cycle assessment is a hot point in recent research of environment science.As an advanced concept and method,it evaluatesthe influence to environment by
3、 a products whole process and has infiltrated various respect of social life with great speed.The definition andframe of life cycle assessment is briefly introduced,as well as the core part of itlife cycle assessment model and especially several typi2cal models of assessment are described and compar
4、ed based on that.K eywordslife cycle assessmentassessing modelenvironmental science1 生命周期评价概述1.1 生命周期评价起源与定义1生命周期评价最早出现在20世纪60年代末至70年代初的美国。美国中西部研究所于1969年对可口可乐公司的饮料包装瓶进行了评价研究,该研究从原材料采掘到废弃物最终处置,进行了全过程的跟踪与定量研究,揭开了生命周期评价的序幕。当时把这一分析方法称为资源与环境状况分析(Resource and Environmental Profile Analysis,简称REPA)。从1970年至
5、1974年,整个REPA研究的焦点是包装品废弃物问题,20世纪70年代中期由于能源危机,REPA有关能源分析的工作备受关注,进入20世纪80年代后,公众的环境意识进一步提高,产品的环境性能成为市场竞争的重要因素。生命周期评价作为扩展和强化环境管理、评价产品性能、开发绿色产品的有效工具,得到了学术界、企业界和政府的一致认同,其应用领域也从包装材料和日用品扩展到电冰箱、洗衣机等家用电器以及建材、铝材、塑料等原材料。目前,有许多对生命周期评价的定义,其中以国际环境毒理学和化学学会(SETAC)和国际标准化组织(ISO)的定义而能否发生第三阶段蠕变不仅取决于煤的性质,而且取决于煤体的应力状态、瓦斯压力
6、以及二者的影响。否则虽然煤体具有流变效应,随时间的推移煤体也只会出现破坏加剧,只要系统是稳定的,不至于发生突出。(3)现阶段大部分的假说研究都处于实验室阶段,且都没有考虑温度场的因素。虽然理论和假说较多,但很少的理论模型能够从综合各种因素:瓦斯、地应力、煤的物理力学性质、时间和温度等考虑而建立一个完整理论和模型,以指导煤矿安全生产。3 展望各假说都从理论上解释了部分煤与瓦斯突出现象,但都在各自的理论和假说上发展,没有进行相互融合。现阶段我们应该取众家之长从而解决煤与瓦斯机理研究的问题,以指导现场生产。(1)现阶段需要建立一个综合各家假说的相关理论而成的动态理论体系,使其能够简便、全面地解释煤与
7、瓦斯突出机理。(2)结合各地区条件,简化煤与瓦斯机理研究理论,使其更接近实际现场,使其更简单更形象地解释煤与瓦斯突出机理,进而研究出有效的突出预测预报技术和瓦斯抽放技术。参考文献1 李中锋.煤与瓦斯突出机理及其发生条件评述.煤炭科学技术,1997(11)2 何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学.徐州:中国矿业大学出版社,19953 王恩义.煤与瓦斯突出机理研究.焦作工学院学报(自然科学版),2004(11)4 梁冰,章梦涛.从煤和瓦斯的耦合作用及煤的失稳破坏看突出的机理.中国安全科学学报,1997(1)5 何学秋.含瓦斯煤岩破坏电磁动力学.徐州:中国矿业大学出版社,19956 梁冰,章梦涛.考虑时间效
8、应煤和瓦斯突出的失稳破坏机理研究.阜新矿业学院学报(自然科学版),1997(2)作者简介 高光发,男,1980年生,湖北黄冈人,讲师,现在安徽理工大学资源开发与管理工程系安全工程教研室从事煤矿安全科研教学工作。(收稿日期:2006-06-07)83 工业安全与环保Industrial Safety and Environmental Protection2006年第32卷第12期December 2006最具权威性。SETAC对LCA的定义是:通过对能源、原材料的消耗及“三废”的排放的鉴定及量化来评估一个产品、过程或活动对环境带来负担的客观方法2。ISO对LCA的定义是:汇总和评估一个产品(或
9、服务)体系在其整个生命周期间的所有投入及产出对环境造成潜在影响的方法3。不管是哪种定义,生命周期评价的基本内涵是一种用于评价产品或服务相关的环境因素及其整个生命周期环境影响的工具,它注重于研究产品系统在生态健康、人类健康和资源消耗领域内的环境影响,不涉及经济和社会方面的影响。1.2 生命周期评价的技术框架根据ISO和SETAC所制定的框架4,LCA包括目标范围、编目分析、影响分析和改善分析4个步骤,这4个阶段和它们之间的关系如图1所示。图1LCA研究框架2 典型LCA模型论述2.1 简化模型为了降低进行LCA研究所需要的时间和数据,节省研究所需要的费用,人们有时通过对传统的LCA进行简化,或选
10、出系统中认为比较重要的部分进行评价,或采用定性的方法对各个阶段对环境影响的相对重要性进行比较,LCA有多种简化形式,这里仅对有代表性的AT&T实验室Graede等人以矩阵形式提出的一种方法进行介绍5。这种评价方法如表1。表1 产品环境负责矩阵环境负荷寿命阶段资源消耗 能源消耗 固体废物 液体废物 气体废物原料制备产品生产包装和运输使用整修-循环-废弃 矩阵中的每1个单元根据所研究系统生命周期中每一阶段对资源、能源和废物的消耗和排放情况进行赋值,取离散的0-4之间的整数值,0表示对环境的影响最高,4表示对环境的影响程度最小,当假设各个环境负荷同样重要时,总的环境负荷值可以表示为:E=ijMij矩
11、阵也可以根据实际情况,对各环境负荷赋以不同的权重。通过总的环境负荷值的比较,可以得出2种产品或工艺的环境性能的优劣;同时,也可识别一种产品或过程在生命周期中环境负荷最大的阶段和最突出的环境负荷,从而提出改善的措施和建议。这种方法优点是所要求的数据少,花费时间少(对典型产品来说,2天就可完成),但缺点是矩阵中的每一元素都采用相对值的形式表达,主观性强。2.2 过程模型和经济输入输出模型2.2.1 过程模型和经济输入输出模型过程模型(process model)是SETAC推荐的一种模型,其出发点是为了对系统进行简化,根据所研究系统输入或输出的重量、体积或产品价格确定认为比较重要的过程,将其包括在
12、研究的边界之内。这种方法的缺点是主观性强,因为进行LCA评价的出发点之一就是确定系统中对环境影响最重要的部分,而首先就对各阶段的重要性进行主观的评定在一定程度上也就违背了LCA的初衷。另外,所研究系统范围可能仅仅包括了最直接的影响,被排除在外的间接环境影响比所被评价部分造成的影响可能还要大。为了克服边界的划分问题,Lave将经济系统中的输入输出模型引入到了LCA的研究中7,经济输入输出模型(EIO-LCA)的建立和求解要经过2个阶段,首先根据某产品的需求变化求出所引起的相关产品变化情况(以货币的形式表达),然后根据单位产品所产生的环境负荷进行影响分析。2.2.2 改进的投入产出模型如前所述,无
13、论是过程模型还是经济投入产出模型,都建立在输入和输出之间呈线性关系的假设基础之上,然而大多数的投入产出关系是非线性的,并且常用的这2种模型都有一定的局限性,因此,已经有多种改进的投入产出模型提出,其中包括和过程分析法相结合的投入产出模型、相对过程模型、非线性投入产出模型等。和过程分析与投入产出相结合的混合模型8是在有机结合上面2种方法优点的基础上提出的。如前所述,LCA能够实际反映特定过程的特点,提供特定和微观层次的数据,但有可能不能将系统的完整情况反映出来,而投入产出模型能将系统的全貌反映出来,但是其数据又过粗,2种方法都增加了结果的不确定性,如果将2者结合,则能克服彼此的不足。因为内部系统
14、(所研究对象)可由某个具体的工艺过程数据描述,而外部系统(背景系统)通常由不同的生产工艺过程的混合数据代表。因此,在具体应用中,可以用LCA进行内部系统的研究,而用I/O进行不需要太详尽数据的背景系统的研究。相对过程模型(process related model)9的提出也是建立在投入产出法的基础上,但它能够克服EIO-LCA在处理多流程和多产品系统中所出现的困难,并能够解决多产品的环境负荷分配问题。2.3 决策理论模型LCA应用的一个重要方面就是从众多方案中选择环境性能较佳的方案,这实质上也是一个决策问题。同时,LCA评价具有多属性多层次的特征,一方面就环境性能本身而言,它涉及到温室效应、
15、酸雨等多种影响的评价问题,另一方面,还涉及到有关技术、经济和环境等多方面的因素,而且评价中带有许多随机性、模糊性,因此可以将决策理论用于LCA评价过程,国外Geldermann10等将多目标决策理论和模糊理论结合对钢铁工业进行了LCA评价。层次分析法是多目标决策中结构化比较强的一种方法,陈仲林11、刘顺妮12等分别利用层次分析法对电光源和硅酸盐水泥的生命周期进行了评价。932.4 多目标优化模型上面提到的简单的I/O模型是建立在现有工艺的生产能力、原料和能源不受限制的假设基础之上,然而实际情况是,几乎所有的系统都受制于一定的限制条件,因此十分有必要寻求更为实用的系统分析和优化方法,多目标优化可
16、以满足这方面的要求。总的来说,基于多目标优化的LCA模型具有以下特点:(1)面向产品或具体的生产过程,能够描述系统不同部分之间的复杂关系,因此能够评价因系统操作状态的改变及原料和工艺特性变化而引起的系统性能的改变。环境性能和经济性能为目标函数,Kniel13等对氮肥生产的优化进行了研究,结果表明,增加反应压力和添加催化剂都能够改善所研究系统的环境性能,但前者综合效果优于后者,且当反应压力被增加到一定程度后,压力的少许增加就可以极小的经济代价换得较大的环境效益。(2)以输入输出以及与环境之间的物理和技术关系为基础,能够描述系统中的物理因果关系,可以解决复合系统的环境负荷分配问题。多目标优化的一般
17、表达形式为:max(min)F=li=1fixis.t.li=1cixiecc=1,2,Cxi0i=1,2,l传统优化模型建立的目的一般是在一定的限制条件下将资源进行优化配置,以获得最大利润为出发点。对LCA研究而言,其目标函数则为环境负荷(编目阶段)或环境影响(分析阶段),限制条件则延伸至从原料提取直至最终产品废弃的整个寿命阶段的所有影响因素,即目标函数可以分别定义为:minBj=i=1bcj,ixi式中,bcj,i为来自过程或活动xi的负荷j。或 minEk=Jj=1eck,jBj式中,eck,j为负荷Bj对影响Ek的相对贡献。取决于研究目标,也可以对环境或经济等一个或多个目标函数进行优化
18、,得到优化解,以取得系统性能改善的功效。Aza2pagic等提出了基于线性规划的多目标LCA模型14,用以研究线性或近似为线性的系统,并已将其用于硼酸的生产评价。多目标优化方法建立在多种环境影响(或经济性能)同时取得优化的理论基础上,所提供的最终结果是各种条件下系统的不同的优化值,这种方法能留给决策者更大的空间,使他们根据实际情况加以选择和取舍。但在实际过程中,由于所造成的环境影响是多方面的,在具体结果的表达上有一定的困难,因此目前进行的评价大部分局限于少数的主要环境影响或经济性能。3 结论如上所述,研究中针对LCA的不同侧重点提出了不同的方法和模型,但是这些方法各有优缺点,或没有考虑系统的经
19、济性,或考虑了经济性但是在评价过程中引入了评价结果的主观性,总的说来,目前LCA评价方法朝着综合性方向发展,虽然LCA最初提出突出的是对所研究的系统进行环境评价,但是其结果的解释最终要结合社会、经济、政治等因素去综合考虑。正如Huppes认为15,LCA以后研究的目标应该是扩大LCA的应用范围,也就是通过对环境决策支持信息和非环境决策信息的综合来实现社会决策的优化,研究中既考虑系统的环境性能,又考虑系统的经济性能;既根据科学基础进行定量研究,又要结合本地实际情况和专家经验进行定性研究。但是无论使用哪种模型,都必须有明细的清单分析表。清单分析都是在工业部门详细的污染排放数据库的基础上建立起来的,
20、与我国目前实际的污染排放水平差距较大,因此现在当务之急是组织各工业部门对具体产品或生产过程进行调查和分析,建立完整的LCA数据库,为下一步工作打下坚实的基础。参考文献1 邓南圣,王小兵.生命周期评价.北京:化学工业出版社,20032EPA.Life-cycle Impact Assessment.A Conceptual Framework,Key Is2sues,and Summart of Existing Methods EPA-452/R-95-0023EPA,Vigon B W,et al.Life-Cycle Assessment:Inventory Guidelinesand P
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