第三节　绿色建材的评价体系

绿色建材领域的研究工作有两个重要分支，一个是研究具体的绿色建材生产、制造、加工、再生技术的工艺、装备和技术，其研究有助于减轻建材工业对环境的不良影响。另一个是研究建材在某一过程或其生命全周期过程对环境的具体影响的特征及其程度大小，其工作有助于人们正确客观地评价材料技术或工艺。前者属于“硬件研究”，而后者属于“软件研究”，这两方面相辅相成、缺一不可。与绿色相关的各种建材生产制造工艺的研究虽然已在国内外，特别是国际上迅速发展，但是欲使绿色建材研究工作能够取得实效，其关键在于对绿色概念的研究深化及“绿色度”的定量化。

一、常见的环境指标及其表达方法

在进行材料的环境影响评价过程之前，首先要确定用何种指标来衡量材料的环境负担性。关于衡量材料环境影响的定量指标，已提出的表达方法有能耗表示法、环境影响因子、环境负荷单位、单位服务的材料消耗、生态指数、生态因子等。下面简单介绍这些表达方法。

1.能耗表示法

早在20世纪90年代初，欧洲的一些旅行社为了推行绿色旅游和照顾环保人士的度假需求，曾用能耗来表达旅游过程的环境影响。例如，对某条旅游线路，坐飞机的能耗是多少，坐火车的能耗是多少，自驾车的能耗是多少。这是最早的曾采用能量的消耗多少来表示某种过程对环境的影响。

在材料的生产和使用过程中，也有用能耗这项单一指标来表达其对环境的影响。表2.9是一些典型材料生产过程的能耗比较，可见水泥的环境影响要比钢和铝材的环境影响大。由于仅采用一项指标难以综合表达对环境的复杂影响，故在全面的环境影响评价中，现已基本淘汰能耗表示法。

2.环境影响因子

某些学者曾用环境影响因子（environmental affect factor，EAF）来表达材料对环境的影响，即EAF=［资源、能源、污染物、生物影响、区域性］。相对于能耗表示法，环境影响因子考虑了资源、能源、污染物排放、生物影响以及区域性的环境影响等因素，把材料的生产和使用过程中原料和能源的投入以及废物的产出都考虑进去了，比能耗指标要全面综合一些。

3.环境负荷单位

除环境影响因子外，还有一些研究单位和学者提出了用环境负荷单位（environmental load unit，ELU）来表示材料对环境的影响。所谓环境负荷单位也是用一个综合的指标，包括能源、资源、环境污染等因素来评价某一产品、过程或事件对环境的影响。这个工作主要是由瑞典环境研究所完成的，现在在欧美较流行。

表2.10是某些元素和材料的环境负荷单位比较，可见一些贵金属元素的环境负荷单位特别大，与实际情况基本一致。由于环境负荷单位是一种无量纲单位，在实际应用中如何换算某种材料的环境负荷单位并与其他材料的环境影响进行比较，目前还没完全让公众了解和接受。

4.单位服务的材料消耗

德国渥泊塔研究所的斯密特教授（Schmidt）于1994年提出了一种表达材料环境影响的指标方法，叫单位服务的材料消耗量（materials intensity per unit of service，MIPS），简称MIPS方法。其意指在某一单位过程中的材料消耗量，这一单位过程可以是生产过程也可以是消费过程。详细介绍可参见斯密特教授的专著“人类需要多大的世界”一书。

5.生态指数表示法

除上述表示材料的环境影响指标外，国外还有一种生态指数表示法（eco-points），即对某一过程或产品，根据其污染物的产生量及其他环境作用大小，综合计算出该产品或过程的生态指数，判断其环境影响程度。例如，根据计算，玻璃的生态指数为148，而在同样条件下，聚乙烯的生态指数为220，由此即认为玻璃的环境影响比聚乙烯要小。由于同环境负荷单位、环境影响因子相同，都是一种无量纲单位表示法，计算新产品或新工艺的环境影响的生态指数是一个很复杂的过程，故目前这些表达法都还不是很通用。

6.生态因子表示法

以上环境影响的表达指标都只是计算了材料和产品对环境的影响，在这些影响中并未将其使用性能考虑进去。由此有些学者综合考虑材料的使用性能和环境性能，提出了材料的生态因子表示法（eco-indicators，ECOI）。其主要思路是考虑两部分内容，一部分是材料的环境影响（environmental Impacts，EI），包括资源、能源的消耗，以及排放的废水、废气、废渣等污染物，加上其他环境影响如温室效应、区域毒性水平、噪声等因素；另一部分是考虑材料的使用或服务性能（service performance，SP），如强度、韧性、热膨胀系数、电导率、电极电位等力学、物理和化学性能。

对某一材料或产品，可用ECOI=EI/SP来表示其生态因子，其中ECOI是该材料的生态因子，EI是其环境影响，SP是其使用性能。因此，在考虑材料的环境影响时，基本上扣除了其使用性能的影响，在较客观的基础上进行材料的环境性能比较。

二、国内外有关绿色建材的评价体系

1.世界各国的环保标志

20世纪80年代以来，欧美国家开始注意室内建筑材料的污染。1987年以来曾在瑞典召开了两次“健康材料学术研讨会”。到了90年代，一些工业发达国家对绿色建材的发展、研究和应用更加重视，思路逐渐明确，制定出一些有机挥发物散发量的试验方法，并推行低散发量标志认证。1994年联合国设立了“可持续产品开发”工作组。随后，国际标准化机构ISO开始讨论制定环境调和制品（ECP）的标准化。由于绿色建材需要用科学评价体系进行评价才能予以认定，其评价体系的公正和完善与否影响着绿色建材的发展。国外发达国家都是以制定建材产品环保“绿色”标志认证制度入手，并辅之以完善而有效的制度使绿色建材逐步推广。

环境标志是一种标在产品或其包装上的标签，是产品的“证明性商标”，它表明该产品不仅质量合格，而且在生产、使用和处理处置过程中符合特定的环境保护要求，与同类产品相比，具有低毒少害、节约资源等环境优势。目前国际上已有几十个国家采用不同的环境标志（见表2.11）。

（1）德国　德国于1978年率先发布了世界上第一种环境标志——蓝色天使标志。考虑的因素包括污染物散发、废料产生、再次循环使用、噪声和有害物质等。现已建立了75个产品组，准则每三年修改一次。对各种涂料规定最大VOC含量，一些有害材料禁用。对于木制品的基体材料，在标准室试验中的最大甲醛浓度为0.1mg/kg或4.5mg/100g干板，装饰后产品在标准室试验中的最大甲醛浓度为0.05mg/kg，最大散发率为2mg/m³。带蓝色天使标志的产品已超过3500个。

（2）日本　日本从1988年开始开展环境标志工作，1993年日本科技厅制定并实施了“环境调和材料研究计划”，通产省制定了环境产业设想并成立了环境调查和产品调整委员会。1989年日本环境厅开始实施“生态标志”计划，1999年年底，该计划已有68个产品类别、约4400种生态标志产品。近年来日本在绿色建材的产品研究开发和健康住宅样板工程的兴建方面取得了可喜的成果。

（3）美国　美国各州市对建材的污染物已有严格的限制，而且要求愈来愈高，不符合限定的产品被课以重税和罚款。美国有关单位制定出地毯标志计划，对室内饰面材料和家具中有害物质的散发量做了规定，其中包括TVOC含量、可吸入颗粒物含量、甲醛含量等指标。产品范围涉及办公家具、地毯、胶黏剂、墙体涂料、防火材料。

（4）加拿大　加拿大的Ecologo环境标志计划始于1988年，对一些建材产品制定了“住宅室内空气质量标准”，规定材料有机物散发总量（TVOC），见表2.12。相应地规定水基性建筑涂料、刨花板、中密度纤维板、地毯、PVC弹性地板、石膏板用胶黏剂中总有机挥发物含量、甲醛含量、苯含量。

（5）中国　1993年国家环保局正式颁布中国的环境标志图形，由青山、绿水、太阳及十个环组成。水性涂料作为建材第一批首先实行环境标志的产品，而后，建筑胶黏剂、磷石膏建筑产品、人造木质板材、建筑用塑料管材管件等产品陆续制定了相关的认证标准。2002年7月1日正式实施了《室内空气质量》国家标准。十项“装饰装修材料污染物限量标准”国家标准也已实施，强制性地限制室内空气有害物质含量，对室内装饰装修材料用建材提出了有害物质限量标准，促进了绿色建材定量化研究进程。香港、台湾也都有环境标志计划产品，涉及的产品范围包括瓷砖、地面材料、砌块、石材以及建筑用的各种化学材料等。

世界不同国家和地区的环境标志图样见图2.6。

各国的环境标志产品的应用领域、评价内容和评价指标各不相同。大多数计划是针对室内建筑材料（装饰装修材料）的污染物指标制定定量规定，从评价方法上基本采用单因素评价，对一些具体而单一的污染物指标如甲醛含量进行成分限制。迄今为止，国际上尚未有一种标志计划是采用建筑材料生命全周期分析方法，从建筑材料的原料采集、生产制造、使用和废弃回收各阶段对建筑材料的资源消耗、能源消耗、环境污染、经济性、资源再利用性等各项指标进行全方面综合评价，从而做出是否是绿色建材以及“绿色”程度的评判。我国在这方面做了大量的工作，处于国际领先水平。

2.我国绿色建材产品评估标准

目前，我国市场上有关绿色建材产品的评估标准大致是根据以下几方面确定的。

（1）ISO14000体系认证ISO14000被形象地喻为“通往国际市场的绿卡”。它是由国际标准化组织（ISO）制定的，是目前世界上最为完善和系统的环境管理的国际化标准。ISO14000是从环境因素入手，通过制定一系列标准而形成的一个系统的、严密的、文件化的体系。该体系以使企业达到遵章守法、预防污染和持续改进为目的。该系列环境管理标准侧重评价材料的环境负荷特性，是保证整个生命周期产生最低的环境负荷的有效评价方法。

ISO14000系列标准颁布以来，立即引起世界各国的重视，掀起了认证热潮。日本各企业积极认证，目前获得认证的企业数为1091家，居世界第一。欧洲各国也积极认证，是推行ISO14000最活跃的一个洲。面对这股认证热潮，我国政府采取了积极的反应，1997年5月成立了“中国环境管理体系认证指导委员会”，开展ISO14000环境管理系列标准的认证工作。

（2）环境标志产品认证　具有环境标志产品质量优、环境行为优的双优特性，是唯一同时以产品性能达标和环境安全性为依据的认证，获得此标志的产品在生产使用及处置过程都符合环保要求，对环境无害或危害极少，同时有利于资源的再生和回收利用，具有权威性。其中包括涂料、无石棉板材、胶黏剂、建筑用塑料管材管件、磷石膏建筑产品在内的建筑材料产品占有一定的比例。该体系也只是把产品性能标准与环境标准的简单结合，难以在通过认证的产品中定量评价那种性能指标和安全性更好。

（3）国家相关安全性标准体系　国家标准《室内空气质量标准》、10项《室内装饰装修材料有害物质限量》（GB 18580～GB 18588）、《民用建筑工程室内环境污染控制规范》共同构成我国一个较为完整的室内环境污染控制的评价体系。但该标准体系评价的产品范围为室内装饰装修材料，其他很多建筑材料包括水泥、平板玻璃、建筑卫生陶瓷、墙体材料等大宗的建材都不包括在内。而且符合该体系要求的装饰装修材料也仅达到了环境安全性，但却不能确定该产品在生产或其他环节也具有最小的环境污染。

上述三种评价体系在评价内容上各有侧重，很难以一种体系对绿色建材进行定量的、全面的综合评价。国际上公认，用ISO14000标准中全生命周期理论评价材料的环境负荷性能是最科学和最全面的。

三、材料的环境影响评价方法与标准

早期曾采用单因子方法来评价材料的环境影响。如测量材料在生产过程中的废气排放量，用以评价该材料对大气污染的影响。测量其废水排放量，评价其对水污染的影响，测量其废渣的排放量，评价其对固体废物污染的影响。后来，科学家发现，如此单因子评价不能反映其对环境的综合影响，如全球温室效应、能耗、资源效率等。而且，用如此多的单项指标，比较起来也太麻烦，甚至有些指标还无法进行平行比较。到20世纪90年代初，专家提出了一个综合的、被称之为生命周期评价的方法（life cycle assessment，LCA）。LCA方法现已基本为科学工作者所接受，成为全世界通行的材料环境影响评价方法。

1.LCA的定义和起源

生命周期评价（LCA）是一种评价某一过程、产品或事件从原料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负荷的定量方法。具体地说，LCA是指用数学和物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能源消耗，废物排放，环境吸收和消化能力等环境负担性进行评价，定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。

1990年，由国际环境毒理学与化学学会（SETAC）首次主持召开了有关生命周期评价的国际研讨会，在该次会议上首次提出了“生命周期评价（life cycle assessment，LCA）”的概念。在以后的几年里，SETAC又主持和召开了多次学术研讨会，对生命周期评价（LCA）从理论与方法上进行了广泛的研究，对生命周期评价的方法论发展做出了重要贡献。1993年，SETAC根据在葡萄牙的一次学术会议的主要结论，出版了一本纲领性报告“生命周期评价（LCA）纲要：实用指南”。该报告为LCA方法提供了一个基本技术框架，成为生命周期评价方法论研究起步的一个里程碑。

目前生命周期评价的方法论还处在研究和发展阶段，SETAC与国际标准化组织（ISO）正积极促进生命周期评价方法论的国际标准化研究。1993年6月，ISO正式成立了环境管理标准技术委员会（TC-207），负责环境管理体系的国际标准化工作。TC-207技术委员会在ISO14000系列环境管理标准中为生命周期评价预留了10个标准号（ISO14040～ISO14049），其中ISO14040（环境管理-生命周期评价-原则与框架）、ISO14041（清单分析）、ISO14042（影响评价）、ISO14043（结果解析）、ISO14044（要求事项与指南）和ISO14045（产品系统的生态效益评估原则、要求和指南）已分别于1997年、1998年、2000年、2000年、2006年和2012年颁布，相应的ISO14046～ISO14049标准号也将在今后几年内颁布。LCA将成为ISO14000系列标准中产品评价标准的核心和确定环境标志和产品环境标准的基础，它同时也是环境标志计划与清洁生产实施的重要基础。事实上，由于ISO的组织，有众多的学术组织、政府机构、企业和环境保护组织参与的LCA研究已成为国际上LCA研究和应用的主流。

2.LCA的技术框架及评价过程

由于ISO14000环境标准在世界上已全面贯彻实施，目前，利用生命周期分析来考虑生产过程、工业产品乃至一些生活事件对环境的综合影响已经成为全球范围内一项常规方法。按照ISO14040系列标准，如图2.7所示，LCA评价方法的技术框架一般包括四部分。主要有目标和范围定义、编目分析、环境影响评价以及评价结果解释等，下面做一详细分析。

（1）目标和范围定义　确定目标和范围是生命周期评价研究中的第一步，也是最关键的部分，包括确定研究目标和范围、建立功能单位、建立保证研究质量的程序等内容。目标定义即要清楚地说明开展此项生命周期评价的目的和原因，以及研究结果的预期应用领域。范围界定需要考虑产品系统的功能、功能单位、系统边界、数据分配程序、环境影响类型、数据要求、假定的条件、限制条件、原始数据质量要求、对结果的评议类型、研究所需的报告类型和形式等项目并作清楚地描述。LCA的评价范围一般包括评价功能单元定义、评价边界定义、系统输入输出分配方法、环境影响评价的数学物理模型及其解释方法、数据要求、审核方法以及评价报告的类型与格式等。范围定义必须保证足够的评价广度和深度，以符合对评价目标的定义。评价过程中，范围的定义是一个反复的过程，必要时可以进行修改。研究范围的界定要足以保证研究的广度、深度和详尽程度与要求的目标一致，使所研究的对象生命周期所有过程都落入系统的边界内，如图2.8所示。

由于LCA是一个反复的过程，在数据和信息的收集过程中，可能修正预先界定的范围来满足研究的目标。在某些情况下，也可能修正研究目标本身。为保证LCA评价方法符合国际标准、评价结果客观和可靠，在LCA评价过程结束后可以邀请第三方对结果进行审核。审核方式将决定是否进行审核，以及由谁、如何进行审核。尽管审核并非LCA评价的组成部分之一，但在对多个对象进行比较研究并将结果公之于众时，为谨慎起见应该进行审核。

（2）编目分析　编目分析又称生命周期清单分析、列表分析，是生命周期评价四部分中发展最完善、应用最多的一部分。事实上，20世纪80年代末和90年代初，在研究者们加入了其他三个部分并与编目分析组合在一起之后，才产生了LCA方法。编目分析是指根据评价的目标和范围定义，针对评价对象收集定量或定性的输入输出数据，并对这些数据进行分类整理和计算的过程。该分析评价贯穿于整个生命周期，即对产品整个寿命期间消耗的原材料、能源以及固态废物、大气污染物、水质污染物等，根据物质平衡和能量平衡进行正确的调查获取数据的过程。如图2.9所示，需要收集的输入数据包括资源和能源消耗状况，输出数据则主要考虑具体的系统或过程对环境造成的各种影响。编目分析在LCA评价中占有重要的位置，后面的环境影响评价过程就是建立在编目分析的数据结果基础上的。另外，LCA用户也可以直接从编目分析中得到评价结论，并做出解释。

在编目分析中通常包含以下几个过程或步骤。

①系统和系统边界定义　如前所述，系统是指为实现特定功能而执行的、与物质和能量相关的操作过程的集合，这是LCA的评价对象。一个系统通过其系统边界与外部环境分隔开。系统的所有输入都来自于外部环境，系统所有的输出都输出到外部环境。编目分析正是对所有穿过系统边界的物质、能量流进行量化的过程。系统的定义包括对其功能、输入源、内部过程等方面的描述，以及地域和时间尺度上的考虑。这些因素都会影响评价的结果。尤其在对多个产品或服务系统进行对比评价时，定义的各个系统应该具有可比性。

②系统内部流程　为更清晰地显示系统内部联系，以及寻找环境改善的时机和途径，通常需要将产品系统分解为一系列相互关联的过程或子系统，分解的程度取决于前面的目标和范围定义，以及数据的可获得性。系统内部的这些过程从“上游”过程中得到输入，并向“下游”过程产生输出。这些过程及其相互间的输入输出关系可以用一个流程图来表示。

在一个产品的流程中通常可以分为主要产品和辅助性产品。例如一个聚乙烯塑料饮料瓶的主要流程如图2.10所示，这个流程图中没有包括辅助性产品如标签、纸箱、黏胶等，但在完整的编目分析中应该包括它们。

在绝大多数的产品系统中都要涉及能源和运输，所以能源生产和不同运输方式的环境编目数据是一种基础数据，一次收集和分析之后会多次被用到。与此类似，一种材料也会在多种产品中被用到，所以对常用材料的基础评价也是非常重要并需要首先解决的问题。

③编目数据的收集与处理　一旦得出系统的内部流程图，就可以开始数据的收集工作。编目数据包括流入每个过程的物质和能量，以及从这个过程流出的，排放到空气、水体和土壤中的物质。编目数据的来源应该尽可能从实际生产过程中获得，另外也可以从技术设计者，或者通过工程计算、对类似系统的估计、公共或商业的数据库中得到相关信息。在编目分析中还应注意分配问题和能源问题这两类问题的处理方式。

分配问题：当产品系统中得到多个产品，或者一个回收过程中同时处理了来自多个系统的废弃物时，就产生了输入输出数据如何在多个产品或多个系统之间分配的问题。尽管没有统一的分配原则，通常可以从系统中的物理、化学过程出发，依据质量或热力学标准，甚至经济上的考虑，进行分配。

能源问题：能源数据中应考虑能源的类型、转化效率、能源生产中的编目数据，以及能源消耗的量。不同类型的化石能源和电能应该分别列出，能源消耗的量应以相应的热值如焦耳或兆焦单位计算。对于燃料的消耗也可使用质量和体积。

编目数据应该是足够长的一段时间，例如一年中的统计平均值，以消除非典型行为的干扰。数据的来源、地域和时间限制，以及对数据的平均或加权处理应该明确地说明。所有的数据应该根据系统的功能单元进行统一的规范化，这样才具有叠加性。得到所有的数据后就可以计算整个系统的物质流平衡，以及各子系统的贡献。

（3）环境影响评价　环境影响评价建立在编目分析的基础上，其目的是为了更好地理解编目分析数据与环境的相关性，评价各种环境损害造成的总的环境影响的严重程度。即采用定量调查所得的环境负荷数据定量分析对人体健康、生态环境、自然环境的影响及其相互关系，并根据这种分析结果再借助于其他评价方法对环境进行综合的评价。目前，环境影响评价的方法有许多，但基本上都包含分类、表征、归一化和评价四个环节，见图2.11。

①分类　是一个将编目条目与环境损害种类相联系并分组排列的过程，它是一个定性的、基于自然科学知识的过程。在LCA中将环境损害总共分为三类，即资源消耗、人体健康和生态环境影响。然后又细分为许多具体的环境损害种类，如全球变暖、酸雨、臭氧层减少、沙漠化、富营养化等等。一种编目条目可能与一种或多种具体的环境损害有关。

②表征　不同编目种类造成同一种环境损害效果的程度不同，例如二氧化硫和氧化氮都可能引起酸雨，但同样的量引起酸雨的浓度并不相同。表征就是对比分析和量化这种程度的过程。它是一个定量的，基本上基于自然科学的过程。通常在表征中都采用了计算“当量”的方法，比较和量化这种程度上的差别。将当量值与实际编目数据的量相乘，可以比较相关编目条目对环境影响的严重程度。常用的环境影响表征指标见表2.13。

③归一化　由于环境影响因素有许多种，除资源消耗、能源消耗、废气、废水、废渣外，还有温室气体效应、酸雨、有机挥发物、区域毒性、噪声、电磁波污染、光污染等，每一种影响因素的计量单位都不相同。为实现量化，通常对编目分析和表征结果数据采用加权或分级的方法进行处理，简化评价过程，使评价结果一目了然。这个量化的处理在LCA应用中被称为归一化处理。该方法主要是将环境因素简化，用单因子表示最后的评价结果。后面的环境影响评价模型里将详细介绍一些归一化的数学方法。

④评价　为了从总体上概括某一系统对环境的影响，将各种因素及数据进行分类、表征、归一化处理后，最后进行环境影响评价。这个过程主要是比较和量化不同种类的环境损害，并给出最后的定量结果。环境评价是一个典型的数学物理过程，经常要用到各种数学物理模型和方法。不同的方法往往带有个人和社会的主观因素和价值判断。这是评价结果容易引起争议的主要原因。因此，在环境评价过程中，一般要清楚、详细地给出所采用的数学物理方法、假设条件和价值判断依据等。

（4）评价结果解释　在20世纪90年代初LCA方法刚提出时，LCA的第四部分称为环境改善评价，目的是寻找减少环境影响、改善环境状况的时机和途径，并对这个改善环境途径的技术合理性进行判断和评价。即对改换原材料以及变更工艺等之后所引起的环境影响以及改善效果进行解析的过程。其目的一方面在于表明所有的产品系统都或多或少地影响着环境，并存在着改进的余地；另一方面也强调了LCA方法应该被用于改善环境，而不仅仅是对现状的评价。由于许多改善环境的措施涉及具体的技术关键、专利等各种知识产权问题，许多企业对环境改善评价过程持抵触态度，担心其技术优势外泄。而且环境改善过程也没有普遍适用的原则，难以将其标准化。例如，同样是污水排放和处理，有的有机物含量高、有的有害金属离子含量高，有的需采用氧化法处理，有的需采用还原法处理，不可能采用同一种工艺或同一种方法来处理所有的废水。鉴于此原因，1997年，国际ISO组织在LCA标准中去掉了环境改善评价这一步骤。但这并不是否定LCA在环境改善中的作用。

在新的LCA标准中，第四部分由环境改善评价被修改为解释过程。主要是将编目分析和环境影响评价的结果进行综合，对该过程、事件或产品的环境影响进行阐述和分析，最终给出评价的结论及建议。例如，对于决策过程，依据第一部分中定义的评价目标和范围，向决策者提供直接需要的相关信息，而不仅仅是单纯的评价数据。

以上几个阶段是相互独立的，也是相互联系的。可以完成所有阶段的工作，也可以完成部分阶段的工作，几个阶段在事实中通过反馈对前一阶段进行修正。经过20多年的发展，作为一种有效的环境管理工具，LCA方法已广泛地被应用于生产、生活、社会、经济等各个领域和活动中，评价这些活动对环境造成的影响，寻求改善环境的途径，在设计过程中为减小环境污染提供最佳判断。

3.常用的LCA评价模型

在LCA评价过程中，常需要用到一定的数学模型和数学方法，简称为LCA评价模型。到目前为止，关于LCA评价模型可分为精确方法和近似方法。前者有输入输出法，后者有线性规划法、层次分析法等。

（1）输入输出法　输入输出法是一种最简单也是最常用的LCA评价模型，见图2.12。在评价过程中仅考虑系统的输入和输出量，从而定量计算出该系统对环境所产生的影响。系统的输入量主要包括整个过程完成所需要的能源和资源的消耗量，如煤、石油、天然气、电力，以及原料投入等，需要输入定量的数据。系统的输出首先是该系统的有效产品，然后是该系统在生产和使用过程中产生的废弃物排放量，也包括该系统完成过程中对生态环境产生的人体健康影响、温室气体效应、区域毒性影响，以及光、声、电磁污染等影响。一般情况下，输出量也是定量的数据。由于输入输出法数据处理简单，计算也不复杂，各种环境影响的指标定量且具体，在LCA模型应用中发展比较成熟。但其缺点是输入输出的指标数据分类较细，不能对环境影响进行综合评价。

（2）线性规划法　线性规划法是一种常用的系统分析方法。其原理是在一定约束条件下寻求目标函数的极值问题。当约束条件和目标函数都属线性问题时，该系统分析方法即被称为线性规划法。在环境影响评价过程中，无论是资源和能源消耗，还是污染物排放，以及其他环境影响如温室效应等，一般情况下都在线性范围内，可以用线性规划法对系统的环境影响进行定量分析。例如，一个系统的环境影响因素用线形规划方法可以被定义为如下数学模型：

［A_i，j］［B_i，j］=［F_i，j］i，j=1，2，…，n

式中，A为环境影响的分类因子；B为各环境影响因子在系统各个阶段的环境影响数据；F为该环境影响因子的环境影响评价结果；i、j为系统各阶段序号。可见，环境影响因子和这些因子在阶段的环境影响数据组成了一个矩阵序列，通过矩阵求解，最后可得到各因子的环境影响评价结果。

线性规划法是一种评价和管理产品系统环境性能的常用方法。它不仅可以解决环境负荷的分配问题，而且对环境性能优化也能进行定量的分析。由于LCA方法是探讨人类行为和环境负荷之间的一些线性关系，故线形规划法可以定量地应用于各种领域的环境影响评价。

（3）层次分析法　层次分析法的英文全称为anylytic hierachy process，简称AHP方法，是一种实用的多准则决策方法。近年来，层次分析法在LCA中获得了广泛的应用。AHP方法的具体过程是根据问题的性质以及要达到的目标，把复杂的环境问题分解为不同的组合因素，并按各因素之间的隶属关系和相互关系程度分组，形成一个不相交的层次，上一层次对相邻的下一层次的全部或部分元素起着支配作用，从而形成一个自上而下的逐层支配关系。

图2.13是一个典型的层次分析法示意。由图2.13可见，层次分析法的结构可分为目标层、决策层和方案层，其中目标层可作为LCA的评价目标并为范围定义服务，相当于环境影响因子。决策层在LCA应用中可作为数据层，不同的环境影响因子在系统各个阶段有不同的数据。最后的方案层则对应着环境影响的评价结果。

随着ISO14000环境管理标准在全球的实施，有关LCA评价的数学物理模型和方法一直在不断地发展和完善。除以上介绍的几种常用模型外，还有模糊数学分析法、逆矩阵法等用于LCA分析也有应用，详细可参阅其他文献资料。

4.LCA应用举例

在过去的10多年中，通过ISO14000国际环境管理标准的实施，LCA的应用已遍及社会、经济的生产、生活的各个方面。在材料领域，LCA用于环境影响评价更是日臻完善。到目前为止，LCA在钢铁、有色金属材料、玻璃、水泥、塑料、橡胶、铝合金、镁合金等材料方面，在容器、包装、复印机、计算机、汽车、轮船、飞机、洗衣机、其他家用电器等产品方面的环境影响评价应用都有报道。下面分类列举一些LCA应用例子。

（1）建筑陶瓷砖的环境影响评价　我国是世界上最大的建材生产国。从资源的消耗到环境的损害，建材行业一直是污染较严重的产业。为考察建材生产过程对环境的影响，用LCA方法评价了某建筑陶瓷砖生产过程对环境的影响。该陶瓷砖生产线的年产量为30万平方米，采用连续性流水线生产。所需原料有钢渣、黏土、硅藻土、石英粉、釉料以及其他添加剂等，消耗一定的燃料和电力、水，排放出一定的废气、废水、废渣。某建筑瓷砖生产工艺示意见图2.14。

在LCA实施过程中，首先是目标定义。对该瓷砖生产过程的环境影响评价的目标定义为只考察其生产过程对环境的影响，范围界定在直接原料消耗和直接废物排放，不考虑原料的生产加工过程，以及废水、废渣的再处理过程。

对该陶瓷砖环境影响LCA评价的编目分析，主要按资源和能源消耗，各种废弃物排放及其引起的直接环境影响进行数据分类、编目。如能耗可按加热、照明、取暖等过程进行编目；资源消耗则按原料配比进行数据分类；污染物排放按废气、废水、废渣等进行编目分析。由于该生产过程排放的有害废气量很小，主要是CO₂，故废气排放量可以忽略，而以温室效应指标进行数据编目。另外，在该瓷砖生产过程中其他环境影响指标如人体健康、区域毒性、噪声等也很小，因此在编目分析中也忽略不计。

在环境影响评价过程中采用了输入输出法模型，其输入和输出参数如图2.15所示。其中输入参数有能源和原料，输出参数包括产品、废水、废渣以及由CO₂排放引起的全球温室效应。

通过输入输出法计算，得到该陶瓷砖生产过程对环境的影响结果，见图2.16，其中图2.16（a）为能源和资源的消耗情况，图2.16（b）为对环境的影响。由图2.16可见，该陶瓷砖生产过程的能耗，以及水的消耗较大。由于采用钢渣为主要原料，这是炼钢过程排放的固态废物，因此在资源消耗方面属于再循环利用，是对保护环境有利的生产工艺。

另外，该工艺过程的废渣排放量较小，仅为0.5kg/m²。废水的排放量为30kg/m²，且可以循环再利用。相对而言，该工艺过程中温室气体效应较大，生产1m²瓷砖要向大气层排放19.8kg CO₂，则年产量为30×10⁴m²的瓷砖向空中排放的CO₂总量是相当可观的。对LCA评价结果的解释，除上述的环境影响数据外，通过对该瓷砖生产过程的LCA评价，可提出的改进工艺主要有降低能耗、降低废水排放量、减少温室气体效应影响等。

（2）聚氨酯防水涂料生产过程的环境影响评价　全世界约有4万家涂料生产厂。包括乡镇企业在内，我国目前约有上万家，有一定规模的涂料厂也有几百家。由于高能耗、低质量、污染环境、损害人体健康等原因，亟须先进技术改进生产工艺和相应的施工技术。而且在近几十年内，建材行业（包括建筑涂料）将是我国材料应用的主要行业。因此，发展高档的环境兼容性建筑涂料是国际上一个重要趋势。

为研究有机涂料的生产和使用对环境的影响，这里选取一个防水涂料生产的实例，用LCA方法进行环境影响评价。其目标定义在该防水涂料的生产过程对环境的影响，不考虑涂料的施工及使用对环境及人体健康的影响。范围定义在直接原料消耗和直接废物排放，以及其他因素对环境的直接影响，不考虑原料的生产加工过程，以及废水、废渣的再处理过程。

根据防水涂料生产工艺示意图（图2.17），对该涂料的环境影响因素进行编目分析（图2.18）。主要按资源和能源消耗，各种废弃物排放及其引起的直接环境影响进行数据分类、编目。如能耗可分为加热、照明、取暖等过程进行编目；资源消耗按原料配比进行数据分类；污染物排放按废气、废渣等进行编目分析。由于是生产涂料的工艺过程，生产中排放大量的有机废气。除二氧化碳以温室效应指标进行数据编目外，还用区域毒性和挥发性有机物来评价有害气体排放对环境和人体健康的影响。相对而言，涂料生产过程中的废水排放量很小，可以忽略。另外，在该生产过程中噪声等的影响因素也很小，因此在编目分析中也可忽略不计。

用输入输出法评价了该防水涂料对环境的影响，其输入和输出参数如图2.18所示。其中输入参数有能源和原料，输出参数包括涂料产品、废渣、有机挥发物、区域毒性水平以及由二氧化碳排放引起的全球温室效应。

根据输入和输出数据计算得到该防水涂料对环境和人体健康的影响结果见图2.19。其中资源的消耗包括原料和燃煤获取能源的消耗，能源的需求相对较高，每千克产品需耗能8.8MJ。从环境的影响看，该工艺过程的固态废物排放量较小，仅为0.054kg/kg。由于能耗较高，相应的温室气体效应较明显，当量二氧化碳气体排放达0.572kg/kg。对人体健康有影响的有机挥发物排放较少，为0.15kg/kg。包括有机固体废物在内，该防水涂料生产过程排放的有害物的区域毒性影响为2.5kg/kg，表明该工艺尚有改进的余地。

对LCA评价结果的解释，除上述的环境影响数据外，通过对该涂料生产过程的LCA评价，可提出的改进工艺主要有提高资源效率，降低能耗、降低总有害物的排放量以及减少温室气体效应影响等。

（3）用层次分析法评价一般材料的环境影响　这里介绍一个用层次分析法评价铁、铝和高密度聚乙烯等三种常用材料在使用过程中的环境影响。前已介绍过层次分析法（AHP）的基本原理。定义一个环境指数为LCA的评价目标，如下式所示。评价范围界定为材料的使用过程对环境的影响。

式中，Eco-indicator为环境指数；environmental impact为环境影响；service performance为材料性能。如图2.13所示，将目标层、准则层以及方案层构造完毕后，按照LCA原理，可以进行环境影响评价的编目分析。由于是评价材料在使用过程中的环境影响，除考虑被评价材料的环境因素如能耗、资源消耗、温室效应、人体健康影响、排放的废气、排放的废水及固态废物外，还应考虑材料的使用性能如拉伸强度、线膨胀系数、比热容、电导以及电极电位等，详细见图2.20的编目分析示意。图2.20中目标层为环境指数，准则层为环境影响及材料性能，方案层为具体的各种指标。

收集编目分析的各种具体数据，可构造如下两个矩阵：

式中，S*为材料性能指标；E*为环境影响指标。解以上两式，得到三种材料环境影响及性能指标的AHP分析结果见表2.14。显然，从环境指数来看，这三种材料在使用过程中，高密度聚乙烯的环境影响最小，铁的环境影响也比较小，铝的环境影响最大。这个结果与用输入输出法评价的同样三种材料的环境影响趋势是一致的。

由以上介绍可见，LCA对评价材料的环境影响是一种有效的定量的方法、工具及手段。尽管LCA方法不具有行政和法律管理手段的强制性，有关其研究和应用仍风靡全球，一方面是由于其在环境影响评价中的重要作用，另一方面也是环境保护思想深入发展的结果。另外，LCA评价是建立在整个寿命循环的概念和环境编目数据的基础上，亦即从摇篮到坟墓的全程分析，可以系统地、充分地阐述与系统相关的环境影响，进而寻找环境改善的时机和途径。体现了环境保护由简单粗放向复杂精细发展的趋势。

在开发和生产环境友好型产品的过程中，LCA方法是一种有效的环境评价方法和管理工具。许多跨国公司都认为，出于市场和成本的考虑，使用LCA方法来评价和管理企业及其产品的环境影响，有助于公司适应日益激烈的竞争和今后的发展。

5.LCA的局限性

尽管LCA已在全球各个领域获得了广泛的应用，随着对LCA应用经验的丰富，人们逐渐发现LCA还存在一些不足，在应用范围、评价范围甚至评价方法本身等方面还有一些局限性。表2.15给出了目前关于LCA方法局限性的初步考虑。

（1）应用范围的局限性　作为一种环境管理工具，LCA并不总是适用所有的环境影响评价。例如，LCA只评价产品、事件以及活动对环境的影响，亦即只考虑生态环境、人体健康、资源和能源消耗等方面的影响因素，不涉及技术、经济或社会效果方面的评价，也不考虑诸如质量、性能、成本、利润、公众形象等影响因素。所以在决策过程中，不可能依赖LCA方法解决所有的问题，必须结合其他方面的影响因素进行综合评价。

（2）评价范围的局限性　LCA的评价过程中有一个范围定义，在实践中这个范围定义往往使LCA的评价结果发生一些误差。LCA评价范围一般包括时间范围、地域范围以及风险范围等。

无论LCA中的原始数据还是评价结果都存在时间和地域上的限制。在不同的时间和地域范围内，会有不同的环境编目数据，相应的评价结果也只适用于某个时间段和某个区域。这是由系统的时间性质和空间性质决定了的。从时间范围看，一般LCA评价对象的周期越长，相应其环境影响越小。因为污染物的排放量一定时，时间越长，单位时间内的排放量越小。相反，评价对象的周期越短，在相同环境负荷条件下，其环境影响越大，因为单位时间内的排放量增加了。

除时间范围外，LCA应用过程中的地域范围定义也有一些局限性。同时间范围定义一样，一般情况下，地域范围定义越大，从评价结果看，环境影响越小。当污染物总量一定时，地域范围越大，单位空间内的污染物排放量越小。反之亦然。

除时间和地域范围的影响外，LCA评价还有风险范围界定的局限性。LCA的应用不可能包括所有与环境相关的问题，对未来的、不可知的环境风险在LCA应用中无法定量描述，从而产生了LCA的风险范围局限性。例如，LCA只考虑发生了的或一定会发生的环境影响，不考虑可能发生的环境风险，及其必要的预防和应急措施。LCA方法也没有要求必须考虑环境法律的规定和限制。但这些在企业的环境政策制定和经济活动的决策过程中都是十分重要的方面。

（3）评价方法的局限性　LCA的评价方法既包括了客观因素，也包括了一些主观成分。例如系统边界的确定、数据来源的选择、环境损害种类的选择、计算方法的选择，以及评价过程的选择等。无论其评价的目标和范围定义如何，所有的LCA过程都包含了假设、价值判断和折中这样的主观因素。所以，对运用LCA评价得出的结论，需要给出完整的解释说明，以区别由试验测量得到的结果和基于假设和判断得出的结论。

评价方法的局限性首先体现在LCA的标准化方面。LCA作为一种环境影响的评价方法，最重要的是保证其评价结论的客观性。由于评价目标以及所采用的量化方法的可选择性，使其对LCA结果的客观性有很大的影响。减少这种影响的唯一途径是实施LCA的标准化。其目的在于确立普遍适用的原则与方法，为LCA的应用提供统一的方案和指南。只有通过标准化的评价过程，才能减少人为的影响因素，提高评价结果的客观性和一致性，从而有利于评价结论的互换和交流。

由于缺乏普遍适用的原则与方法，在LCA实施的许多环节中很难实现标准化，而只能提供一些指导性的建议。事实上，由于环境问题的复杂性，在LCA的每个环节上实现完全的标准化是不可能的。换句话说，LCA实施的每一步既依赖于LCA的标准，也依赖于实施者对LCA方法的理解和对被评价系统的认识，以及自身积累的评价经验和习惯。显然，这些难以完全避免的非标准化的因素会影响LCA评价结果的客观性。

另外，评价方法的局限性表现在数据的量化过程中。首先是在编目分析过程中产生的量化问题。编目分析是量化评价的开始，在收集和计算输入输出的量化数据时，采用的数据来源、计算方法并不是唯一确定的，而取决于实施者的主观选择。原则上讲，在评价一个事件、产品或过程的环境影响时，该系统应包括所有的输入输出数据并进行具体的量化处理。但当一个系统有多个过程时，或一个过程有多个子系统时，各子系统或过程相互间的输入输出对应关系并不是绝对的，如何进行量化数据的分配是一个十分困难的问题。尽管ISO14041和ISO14049给出了一些指导性的意见，但没有一个通用的方法，只能取决于实施者的选择。

在数据量化处理过程中，权重因子的选择和定义也是一个不确定的问题。量化有利于概括和理解某产品、事件或过程的环境影响，给出一个确定的结果。但在量化过程中对不同类型的环境影响进行比较和叠加时，由于量纲定义上的差异，必然引入一些无量纲的权重因子。而这些权重因子往往由LCA实施者来自由选择和定义，由此必然引入一些主观因素，从而产生了数据量化与客观性之间的矛盾。通常希望将LCA尽量建立在自然科学的基础上，避免价值判断等主观因素的影响，获得一个客观的评价结果。但事实上在很多环节仅仅依靠自然科学是不足以实现量化的。反过来讲，通过引入大量的主观参数去量化环境影响，其评价的结果必然是因人而异的，没有重复性并且难以验证，使得其客观性受到损害，也就很难得到认同。

数据量化与客观性的矛盾根源在于LCA技术框架中试图将环境影响定量化处理。但环境影响是否可以进行客观地量化，并是否能够量化为一个绝对的环境指标，是一个值得商榷的问题。所以不能过分强调和依赖LCA得出的量化的环境指标。而应该把LCA当做是一种提供环境决策信息的工具，其方法本身自然地带有一定的主观性。

LCA理论上的问题也导致了在LCA评价实践中的困难。尽管ISO14000对LCA方法进行了标准化，但不可能覆盖LCA评价中每一个环节的具体问题。所以在很大程度上，当前的LCA实践是建立在实施者对LCA的认识和经验上的，缺乏一个普适的和操作性强的LCA实施方案。

例如，关于塑料杯和纸杯环境负担性的评价，结果是塑料杯比纸杯的环境影响小。但有些专家指出，现在纸张生产技术和废弃物处理技术都有很大的改进，而且纸杯的重复利用和废弃处理过程对环境的影响比塑料小。例如，每个纸杯所消耗的石油应在2g左右，BOD和有机氯的排放量经过处理后也大大减少。建议重新对纸杯和塑料杯的环境负担性进行LCA评价。从这个例子中可以看到LCA研究的系统并不是固定不变的，而是具有很强的时间和地域性，这进一步增加了LCA评价的复杂程度。

另外，在选择产品和服务时，人们通常都是根据需求和本能进行选择，而没有经过仔细的环境影响分析，因为这超出了消费者的能力范围。所以对特定产品系统的整个寿命周期进行完整的评价和比较，并将评价结果公之于众，可以引导消费转向有利于环境保护的方向。

6.材料的环境性能数据库

从LCA的评价过程可知，用LCA评价环境影响主要是一个数据处理过程。显然，用计算机进行评价可以进行批量处理和重复进行，具有明显的优势。更进一步是建立LCA评价数据库则可将评价结果进行平行比较。

大量的事例表明，在评价环境影响时，数据的收集和编目分析对评价结果有重要影响。另外，为了使评价结果具有可比性和互换性，需要有一定量的数据积累和比较方法。由此产生了对材料的环境性能数据库和LCA评价软件的需求。

（1）建立材料环境性能数据库的基本原则　为了使建立的材料环境性能数据库能够在广泛意义上被应用和运行，需要确立一些材料环境性能数据库的基本原则。

①建立的数据库要有一定的通用性，能够在一般情况下被不同领域、不同类型、不同行业以及不同层次的用户兼容和使用。

②所建立的材料环境性能数据库要具有可比性。即不同国家、不同地区的数据库对同一类材料在相同条件下可以进行比较，以判断不同地区的材料在生产和使用过程中环境影响的大小。

③所建立的材料环境性能数据库应具有服务性的功能。能够为用户所面临的环境问题提供决策信息咨询服务，使所建立的数据库具有可持续发展的可能性。

④所建立的材料环境性能数据库要具有预测性的功能，以使新研制的材料在环境性能方面有所改善和提高，为材料的生态设计提供可靠的依据和手段。

（2）常用环境数据库介绍　大多数从事LCA研究的单位，基本上都经历了从具体的LCA案例分析，到建立环境影响数据库这样一个过程。从20世纪90年代初到现在，全世界围绕LCA研究建立的环境影响数据库已超过1000个，著名的也有十几个。到目前为止，与材料类别及用途等方方面面的LCA数据库几乎都在建立。由于LCA数据具有很强的地域性，几乎各个国家和地区都需要建立自己的环境影响数据库。表2.16介绍了一些典型的环境影响数据库。由表2.16可见，LCA具有地区和国别的差异。这些数据库的更新程度也差异较大。

图2.21是一个材料的环境影响数据库框架结构示意。可见该数据库包括两大部分，一部分是LCA评价软件，由数据输入、评价、输出、打印等组成。各种LCA的数学物理评价模型也在其中，如输入输出法、线性规划法以及层次分析法等。另一部分是材料的环境性能数据，包括表面处理工艺流程、涂料、建材、稀土以及其他各种材料的环境影响数据。

不同材料具有不同的流程，同一材料也有不同的生产工艺，其环境影响性也有不同，通用数据库必须包含不同材料、不同性能、不同环境影响等。如何合理制定数据库框架，编制数据库软件是一个基本问题。为了便于LCA数据的交流和使用，国际LCA发展组织（SPOLD）提出了一种统一的编目数据格式——SPOLD格式，得到了比较广泛的认同。同时，SPOLD还策划建立了一个SPOLD数据库网络。这个数据库网络由世界各地提供的SPOLD格式的编目数据组成。这些数据按照各自的功能定义组织为数据集，在数据集中包含许多的数据字段，记录了对评估系统的描述、系统的输入输出以及数据的来源和有效性等方面的内容。用户可以通过查询SPOLD数据目录，找到需要的数据集，并自动向数据提供者发出数据下载请求。而数据提供者可以用口令的方式限制用户对一个或多个数据集的访问。其网址为：http://www.spold.org。

我国的材料环境影响数据库研究起始于20世纪90年代中期。清华大学建立了涂料及表面材料环境影响数据库，重庆大学建立了金属材料环境影响数据库等。在国家“863”项目的支持下，由国内几家单位联合开展了材料的环境影响评价技术研究的课题，其中一项任务是建立一个材料的环境性能数据库框架，该数据库框架包括了钢铁、有色金属、陶瓷、建材、高分子塑料、橡胶、涂料、耐火材料等材料的环境性能数据。现该数据库已基本建成，正逐步完善充实，对推动我国环境材料的研究具有重要意义。