基于动态物质流的建筑垃圾减量化与资源化分析——以湖南省为例

郑兆昱,邓 鹏,2*,黄 靓,陈宇亮,阳 栋

基于动态物质流的建筑垃圾减量化与资源化分析——以湖南省为例

郑兆昱1,邓 鹏1,2*,黄 靓1,陈宇亮3,阳 栋4

(1.湖南大学土木工程学院,湖南 长沙 410082；2.湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室,湖南 长沙 410082；3.湖南省交通科学研究院有限公司,湖南 长沙 410015；4.中国建筑第五工程局有限公司,湖南 长沙 410004)

为了促进建筑垃圾减量化与资源化,以湖南省为例,建立了结合经济与碳减排效益的动态物质流分析框架,定量分析了不同建筑寿命(短、中、长)及城市发展情景下湖南省(1990～2060年)建筑垃圾产生量及其组分的变化规律,并测算了不同资源化路线下碳排放量和生产成本,探索建筑垃圾高效资源化利用路线.研究结果表明:湖南省未来建筑垃圾产生量还将保持高速增长,2020～2060年建筑垃圾累计产量将达到11.6～50亿t,年建筑垃圾产量达到0.45～2亿t,其中,可利用的废砖瓦、废混凝土块等占比达到87%.同时利用再生骨料代替天然的砾石和砂,能减少19.8%的碳排放.

建筑垃圾；资源化利用；动态物质流分析；碳排放；生产成本

在过去的几十年时间里,我国出现了前所未有的快速城市化,常住人口城市化率从1978年的18.57%迅速上升到了2020年末的63.89%[1].虽然我国成为了亚洲乃至全球城市化进程最快的国家之一,但根据国际经验,在城市化水平达到70%之前,城市化水平还会快速增长,随之产生的巨量建筑垃圾将给城市环境带来了巨大压力[2].研究表明,我国建筑垃圾年均产生量为15.5亿～24亿t,约占城市垃圾的30%～40%[3-4],产生的建筑垃圾必须进行回收与处置,以提高资源化利用效率并减轻环境污染.分析建筑垃圾的产量变化规律和资源化利用潜力是相关领域非常关心的问题.

我国绝大多数地区没有建筑垃圾的统计数据[5].在缺乏直接数据的情况下,学术界多采用动态物质流分析(DMFA)方法分析建筑垃圾未来的物质流动与贮存[6].如Müller[7]建立了一个DMFA模型,并将该模型用于预测1900年至2100年荷兰建筑垃圾的产生.该模型也进一步在中国[8-9]、挪威[10-11]、德国[12]、智利[13]、美国[14]等国家广泛得到应用.从国内外相关研究来看,对于建筑垃圾的研究一般停留在建筑垃圾的源头减量化上[15],很少考虑到将建筑垃圾制备再生产品后的经济、环境效益[16-17].王地春等[18]通过生命周期评价理论(LCA)对废旧黏土砖资源化利用的环境收益进行了分析,但只是针对废旧黏土砖,研究范围较小.王波[19]和朱海滨[20]基于LCA对深圳市塘朗山建筑垃圾产业园的建筑废弃物资源化项目的环境效益进行了测算,但仅是个案研究,不具有普适性.刘勇超[21]基于LCA对建筑固体废弃物再生利用的环境影响与经济效益进行定量分析,但研究所用部分数据来源于假设或参考国外相关数据库,对评价结果有一定影响.Zhang等[22]以重庆市为例,通过物质流分析(MFA)和LCA,评价了不同建筑垃圾资源化利用路径的环境效益,但仅是静态分析,没有对整个建筑垃圾资源化利用进行动态的系统分析.国外学者对建筑垃圾的再利用和资源化的研究也从未停止,Dahlbo等[23]采用MFA和LCA方法评估了芬兰一个通用的建筑垃圾管理系统的环境、成本绩效,但缺乏关于建筑垃圾的处理、产出数量以及处理过程的成本的相关数据. Rodríguez等[24]和Cuenca-Moyano等[25]使用LCA分析了以建筑垃圾为原料制备建筑材料对环境的影响,但也只是从环境效益的角度,没有考虑到产品的成本效益.因此,十分有必要建立建筑垃圾的全面分析模型来填补研究上的空白,从而为政府提供建筑垃圾减量化与资源化的合理、可行性建议.

本研究基于Müller[7]开发的库存驱动DMFA模型,建立了考虑经济与碳减排效益的建筑垃圾动态物质流模型.以湖南省为例,对湖南省过去30年的建筑垃圾产量进行了评估,并预测在不同发展情景下2060年的建筑垃圾产量及其成分的变化规律.同时,结合经济成本与碳排放评价,分析了不同再生产品的碳减排与经济效益,形成再生产品的综合评价方法,为湖南省下一步相关政策制定、资源化利用路线选择等提供指导.

1 研究方法与数据来源

本研究建立的结合经济与碳减排效益的动态物质流分析模型,将建筑垃圾减量化与资源化作为一个动态的系统来考虑,包括了建筑垃圾的产生阶段、分选处置阶段、资源化利用阶段,同时在资源化利用阶段引入经济和碳排放评估模型,具体如图1所示.

图1 结合经济与碳减排效益的动态物质流分析模型

1.1 模型范围定义

本文为建立的分析模型定义了空间、时间、材料等基本变量.

①空间

本文选取湖南省作为研究的地理空间边界.截至2021年,湖南省总面积21.18万km2,常住人口为6622万人.仅2019年,湖南全省14个市州的建筑垃圾产生总量就约有3400万t(不含工程渣土),但资源化利用率只有15%左右[26].

②时间

本文的重点是对未来建筑垃圾减量化与资源化利用的解析,早期较低的数据对建筑垃圾产生量影响较小,同时考虑到我国碳达峰碳中和的时间节点,所以选取1990～2060年作为研究的时间边界.

③材料

本文所考虑建筑垃圾为建筑在施工和拆除活动中产生的工程垃圾和拆除垃圾.

1.2 计算模型

1.2.1 建筑垃圾产量分析模型 该模型以新建建筑面积和施工面积作为未来建筑垃圾产量预测的主要驱动因素.其中,施工面积用来直接计算工程垃圾,式(1);新建建筑面积用来估算拆除面积,进而计算拆除垃圾量,式(2)～(4);

式中:WS为第年产生的工程垃圾量,t;S为第年的建筑施工面积,m2;g为单位施工面积的工程垃圾产生量基数,t/104m2.

拆除面积的计算是通过生存函数建立的[27-28],通过对大量的文献调研,本文选取正态分布函数来拟合建筑寿命曲线[7,29-31],从而获得拆除面积并计算拆除垃圾量[32].见下式:

式中:()为建筑物的寿命分布函数,代表在第年建成的建筑物在第年被拆除概率;为建筑物的平均寿命,为正态分布标准差,取0.3[2,33];D为建筑物在第年的拆除面积,m2;N为第年的新建建筑面积,m2;0为1990年.WD为第年产生的拆除垃圾量,t;mc为单位面积拆除垃圾产生量基数,t/104m2.

1.2.2 建筑垃圾产量分析模型验证 通过政府及相关文献的统计数据,利用建筑垃圾产量分析模型,计算出湖南省建筑垃圾的动态结果并验证[22,34-36].采用相对误差作为模型精确度检验指标,根据目前建筑垃圾管控现状,检验指标小于0.3,即认为该模型的预测结果有效[15,37].

1.2.3 经济与碳排放评估模型 该模型是基于建筑垃圾资源化利用阶段构建的,通过计算原材料生产运输阶段、再生产品加工阶段的成本与碳排放,来评估资源化利用过程中的经济与碳减排效益.为了比较不同资源化利用路线的经济、碳减排效益,本模型的功能单位定义为生产一吨的再生产品.计算方法见下文:

①碳排放

式(5)中:为再生产品碳排放总量,kg CO2-eq/t;sc为原材料在生产阶段碳排放量,kg CO2-eq/t;ys为原材料运输阶段碳排放量,kg CO2-eq/t;jg为再生产品加工制造阶段碳排放量,kg CO2-eq/t.

式(6)～(7)中:为原材料种类;M为原材料的使用量,t;F为原材料的排放因子,kg CO2-eq/t.D为原材料平均运输距离,km;T为运输工具碳排放因子,kg CO2-eq/(t·km).

公式中的参数及其数据来源如表1所示.

表1 参数值及数据源

②生产成本

式(8)中:为再生产品生产成本,元/t;yl为所用原料价格,元/t;ys为原料运输阶段费用,元/t;jg为再生产品加工制造阶段的能源、人工、折旧等费用,元/t.

1.3 未来建筑垃圾演变趋势的情景设置

未来建筑垃圾产量主要受建筑寿命和城市发展速度的影响,本研究结合上述两大影响因素分别设置了短、中、长3种建筑寿命和4种发展情景,来分析至2060年湖南省建筑垃圾的产生量.

1.3.1 建筑寿命周期 我国一般建筑的设计使用年限为50年[42],但目前住宅建筑寿命普遍低于设计寿命[37].调查显示现有城市建筑平均实际寿命仅为30～40年[43-44].在此基础上,设定短、中、长寿命周期,具体如表2所示.

表2 建筑寿命设置(年)

注:2020年前的建筑寿命周期取湖南省城市建筑平均寿命(30年).

1.3.2 发展情景 本研究通过历年新建建筑面积和施工面积的变化规律来评估湖南省的城市发展情况,如图2.

图2 新建建筑面积与施工面积

为了说明湖南省未来的发展情景.本文定义一个变量,即新建建筑面积的环比发展速度,式(9).并计算了1990～2020年的Z值.

式中:为第年新建建筑面积,m2.

从图3中的新建建筑面积环比发展速度可以看出,在过去的十几年间,发展速度总体呈现下降趋势.同时,过去5年(2015～2020年)里,发展速度进入稳定状态,呈现平缓的下降趋势,这与湖南省城镇化率增长放缓以及全省实施的城镇棚户区和城乡危房改造及配套基础设施建设工作进入扫尾工作密切相关.

在未来城镇化率趋于稳定的情况下,建筑业的发展将不再会出现指数级增长.因此,本研究使用了不同斜率的对数函数来模拟值从2020～2060年的4种情景下可能的变化.

图3 新建建筑面积环比发展速度

情景1是环比发展速度逐渐下降到1%的情况,保证了开发多年后建筑面积不出现指数级增长[45],情景4是最低发展速度,假设新建建筑面积在2025年左右就出现下降.这些情景反映了未来湖南省内建设项目总建筑面积将继续上升一段时间,但发展速度将持续下降,如图4.

图4 新建建筑面积(1990～2060年)

图5 新建建筑面积与施工面积的拟合关系

同时,根据1990～2020年湖南省新建建筑面积与施工面积的拟合关系,详情见图5.得到4种情景下的施工面积变化趋势,见图6.

图6 施工面积(1990～2060)

1.4 数据来源

本研究中,历史数据主要来自《湖南省统计年鉴》、《长沙市统计年鉴》及相关文献与调研报告.式(1)和式(4)中的部分参数设置以《湖南省建筑垃圾资源化利用发展规划(2020～2030)》中的规定[46],采用的单位面积拆除垃圾产生量基数为8000(t/104m2),单位施工面积的工程垃圾产生量基数为400(t/ 104m2).再生产品的碳排放系数计算方法源于《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366-2019)[38];碳排放及生产成本数据源于中国生命周期基础数据库(CLCD)及湖南省再生产品制造生产企业调研结果.

2 结果与讨论

2.1 建筑垃圾产量分析模型的精确度检验

通过采用建筑垃圾产量分析模型,可得到湖南省建筑垃圾产量的动态变化结果,并将预测数据与统计数据进行比较.

由图7可知,2010年之前的预测值要低于统计值,这可能是因为本研究的拆除活动是从1990年开始考虑,导致1990年前的建筑拆除时产生的建筑垃圾未考虑进来.但总体来看,预测值与统计值之间的平均误差为0.16,小于检验指标,模型具有较高的可靠性,可以利用该模型进行后续的建筑垃圾产量的预测.

图7 模型验证分析

2.2 2020年湖南省建筑固废物质流分布

图8 湖南省建筑固废物质流分布(2020年)

选取2020年为研究年份,研究了建筑固废(包括工程垃圾、拆除垃圾、装修垃圾和工程弃土)在产生阶段、分选处置阶段、加工阶段、使用阶段的物质流动情况,见图8.目前,湖南省尚未引进房屋建筑改进技术,因此,在未来很长一段时间内,建筑垃圾的各组分比例不会有太大的变化.本研究采用2020年数据来初步估算建筑垃圾的.

2.3 湖南省建筑垃圾产量:1990～2060年

通过表2中设置的建筑寿命参数计算得到建筑垃圾产量数据.图9显示了建筑垃圾在3种寿命、4种发展情景下的产生量.尽管不同寿命、发展情景下的建筑垃圾产生量存在显著差别,但其变化规律大多呈现先增长后降低的单峰型变化.同时,未来建筑垃圾产生量还将保持高速增长,在不同的建筑寿命周期和发展情景下,2020～2060年湖南省建筑垃圾累计产量将达到11.6～50亿t,约为当前建筑垃圾累计产量的3.9～16.7倍,年建筑垃圾产量达到0.45～2亿t,建筑垃圾处理压力将进一步增大.

图9 不同情景下建筑垃圾产生量

2.3.1 建筑寿命周期 由图9可见,在未来的十几年里,湖南省将面临建筑垃圾数量的快速增长,尤其是在建筑寿命周期较短的情况下,随着低质量的住宅被拆除,这种趋势将会持续到2050年左右.相对建筑处于短寿命周期的情况,在中寿命周期和长寿命周期的情况下,建筑垃圾的产量会减少.以情景1为例,在研究时间范围内,中寿命周期和长寿命周期下的建筑垃圾产生量在2020年迅速增长并于2045年前后分别达峰至1.14亿t/年和1.09亿t/年,随后下降至2060年的0.95亿t/年和0.65亿t/年,而短寿命周期下的建筑垃圾产量在研究范围内未达峰,其最大值为2.04亿t,是中、长寿命周期下的1.8倍、1.9倍.可见延长建筑使用寿命可以有效减少建筑垃圾产生量,减少对资源环境的冲击.

2.3.2 发展情景 建设发展速度的变化同样会影响建筑垃圾的产量.在研究的时间范围内,情景4下建筑垃圾产量在2056年达到峰值(1.58亿t),情景1下建筑垃圾产量最大值为2.04亿t,较情景4增加了30%.同时,在情景1下每年仍有大量新建建筑,建筑垃圾产生量的达峰时间将推迟到2060年以后,达峰值也会进一步增加,将给湖南省带来“额外”的资源环境压力.

2.4 建筑垃圾组成

在分选处置阶段,建筑垃圾中的不同成分被分选出来,进行直接回收、资源化利用或填埋.

本文选定发展情景1的建筑背景,分析湖南省建筑垃圾组分,如图10所示.建筑垃圾中废砖瓦、废混凝土块都是占比最大的组分,总占比达87%,也是建筑垃圾资源化利用的主要部分.其次是木材和金属,分别占比4%～6%和5%～7%,其余的占比1%.从长远看,建筑垃圾是一种稳定的二次资源,其可资源化利用的数量相当可观,建筑垃圾中的废砖瓦、废混凝土块可生产再生骨料、再生混凝土、再生路基路面材料等新型绿色建材[26,47-48].大部分废金属经简单加工处理即可循环利用,如建筑钢筋、铝合金等[49-50].废木材可重复使用或堆肥.

2.5 建筑垃圾资源化利用率情景分析

目前,湖南省建筑垃圾资源化利用率约15%,其中长沙市最高约为40%[26].资源化虽然较前几年有了一定的提升,但仍远低于欧美国家的90%和日韩的95%[51-52],距离河南省60%的资源化综合利用率也有较大差距.可以说,相较于巨大的建筑垃圾产生量,建筑垃圾资源化利用的行业空间远远还未发挥,进一步提升资源化利用率是工作的重点.

本研究设置到2060年建筑垃圾资源化利用率达到欧美国家的标准,即90%为高资源化利用率情景,到2060年建筑垃圾资源化利用率为河南省当前资源化利用率作为中资源化利用情景,到2060年建筑垃圾资源化利用率为40%(当前长沙市资源化利用率)为低资源化利用情景.本节选定建筑寿命为30年、发展情景1的建筑背景,则未来建筑垃圾每年资源化利用量和填埋量如图11和图12.

图11 不同资源化利用情景下建筑垃圾的利用量预测

图12 不同资源化利用情景下建筑垃圾填埋量预测

在高、中、低资源化利用情景下,2060年建筑垃圾资源化利用量分别为1.84、1.23、0.82亿t,未来40年累计资源化利用量26.17、19.47、1.46亿t,高、中资源化利用率下的累计资源化利用量比低资源化利用情景高出了124%和50%.

未资源化利用的建筑垃圾大多采用了填埋的处理方式,在高、中、低资源化利用情景下,建筑垃圾的峰值填埋量分别为0.83、1.03、1.26亿t,达到峰值的时间分别为2045、2049、2055年.因此,提高建筑垃圾资源化利用率可以显著提升资源效率,降低建筑垃圾的峰值填埋量,同时缩短到达峰值填埋量的时间,减轻建筑垃圾占地和污染造成的环境压力.

2.6 再生产品成本与碳减排分析

建筑垃圾资源化利用过程中带来的经济、碳减排效益是驱动现阶段资源化利用行为的重要因素.通过经济成本与碳排放评估模型,得到再生骨料、全再生混凝土(C30)、全再生水稳层的成本及碳排放,如下表3所示.

表3 再生产品成本效益及碳排放

注:akg CO2-eq/t;b元/t; "--"表示成本包含在上一阶段,此处不作统计.

由表3可见,再生骨料在生产全过程中包括原材料、运输、生产三个阶段:①根据LCA评估准则,再生骨料生产所用的原材料(建筑垃圾)为低价值废弃物,评估时应忽略上游产生过程.因此,原材料阶段的碳排放和成本均记为0;②根据调研结果,建筑垃圾的转运是由产生单位承担的,因此,运输阶段的成本不计入生产企业的生产成本中;③建筑垃圾的组分复杂,筛分、水选、破碎等设备耗能大且价格昂贵,设备折旧费用不低,因此碳排放和成本主要集中在生产阶段.对于全再生混凝土和全再生水稳层,碳排放和成本则集中在原材料阶段,结合表1中的参数值可看出,其中很大一部分是由水泥贡献的.

为了更直观反映再生产品的碳减排能力,本研究将其与天然产品进行对比,如表4.可以看出,再生产品均具有显著的碳减排效益,仅用再生骨料代替天然的砾石、砂就能减少19.8%的碳排放.因此,大力推行建筑垃圾资源化利用有望成为促进建筑业实现碳减排的有力推手.

表4 再生产品碳减排能力

3 结论

3.1 在未来几十年时间里,湖南省将面临着巨大的建筑垃圾处置压力.在短寿命周期下建筑垃圾的峰值产量是中、长寿命周期下的1.8倍、1.9倍,且最高发展速度下的峰值产量较最低发展速度增加了30%,这就说明建筑延寿和寻求可持续城市建设发展将是大幅减少建筑垃圾产生的重要手段.

3.2 除了实行建筑垃圾减量化,资源化利用也是一种解决建筑垃圾问题的重要方式.建筑垃圾中的废弃混凝土块和废砖瓦(87%)、废木材(4%～6%)、废金属(5%～7%)均可用于资源化二次利用,是一种数量可观的稳定资源.如果建筑垃圾的资源化利用率能够达到90%,则到2060年建筑垃圾利用量达到1.84亿t,未来40年累计利用量为26.17亿t,比低利用情景高出了124%,这将大大减少潜在的负面环境影响.

3.3 不同资源化利用路线下的再生产品均具有较好的经济和碳减排效益.使用再生骨料代替天然砾石、砂可减少19.8%的碳排放;全再生水稳层在生产制造阶段的碳排放可减少22.5%,而全再生混凝土(C30)更是可以节约47.9%的碳排放.目前国内再生产品的质量标准与施工技术规范相对不太完善,因此,应当尽快形成完整的再生产品的材料、施工、验收、维护等标准和规范体系,同时,发挥政府的主导作用,打造“产、学、研”深度融合的创新平台,共同加大技术研发力度并积极推广再生产品的使用.

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Reduction and resource recycle analysis on construction and demolition waste based on dynamic material flow—Take Hunan Province as an example.

ZHENG Zhao-yu1, DENG Peng1,2*HUANG Liang1, CHEN Yu-liang3, YANG Dong4

(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China；2.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Ministry of Education, Changsha 410082, China；3.Hunan Communication Research Institute Co., Ltd, Changsha 410015, China；4.China Construction Fifth Engineering Division Co., Ltd, Changsha 410004, China)., 2023,43(2)：702～711

To promote the reduction and recycling of construction and demolition waste (C&D Waste), taking Hunan Province as an example, a dynamic material flow analysis framework combining economic benefits and carbon emission was established. The law of C&D Waste generation and its components, concerning different building life cycles (short, medium, long) and development scenarios from 1990 to 2060, was quantitatively analyzed. Moreover, carbon emissions and production costs under different recycling routes were measured to explore an efficient recycling route. The results indicate that the production of C&D Waste in Hunan Province will continue to grow rapidly in the future. From 2020 to 2060, the cumulative production of C&D Waste will reach 1.16～5billion tons, and the annual production of C&D Waste will reach 0.45～2 billion tons, among which the recycled components such as waste bricks and waste concrete blocks can account for 87%. Meanwhile, replacing natural gravel and sand with recycled aggregates can reduce carbon emissions by 19.8%.

construction and demolition waste；resource utilization；dynamic material flow analysis；carbon emission;production costs

X705

A

1000-6923(2023)02-0702-11

郑兆昱(1999-),男,福建莆田人,湖南大学硕士研究生,主要从事固废资源化利用相关研究.

2022-07-01

国家重点研发计划(2019YFC1904701);长沙市杰出创新青年培养计划(kq2107010)

* 责任作者, 副教授, dengpeng@hnu.edu.cn