下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
本章基于LCA评价的标准框架步骤，分析传统评价中的时间信息缺失问题，借以认识其中的时间动态性。本章系统总结与综述当前动态清单分析及动态影响评价的研究方法、进展及不足，并定义DLCA内涵。
在LCA评价的四个步骤（目的和范围确定→清单分析→影响评价→解释）中，仅有清单分析和影响评价两个步骤涉及实质的评价计算，影响评价结果。故对这两个步骤中潜在的时间动态性进行分析。
生命周期清单分析是对所评价产品整个生命周期中输入和输出进行汇编和量化的过程，包括实景清单数据和背景清单数据。实景清单数据与受评对象密切相关，常通过现场调研、实地监测、模型仿真等方法获得。传统评价默认发生在不同时点的基本流（elementary flows）具有同等的环境效应，将全周期各过程的输入流和输出流汇总为单一数值再开展后续评价。
背景基础清单数据是实现一个功能单位的功能所需要的原材料、能源的输入量以及向空气、土壤和水体中排放的污染物量 [43] ，是LCA中将受评产品的资源和能源消耗量转化为原材料、能源投入量和环境污染物排放量这一计算步骤中的重要乘子。表2-1展示了中国生命周期基础数据库（CLCD）中C30混凝土的基础清单数据（部分），基于该数据表和C30混凝土的消耗量，容易得出受评对象消耗C30混凝土引起的原材料、能源投入量和环境排放物质数量。目前国内外已经构建了支持LCA评价的较为成熟、数据翔实的基础清单数据库，如瑞士的Ecoinvent数据库 [57] 、中国生命周期基础数据库 [58] 、德国的GaBi数据库 [59] 、美国清单数据库 [60] 等，数据库值通常采用行业平均值或者区域平均值。随着工艺方法、技术水平、能源结构等的变化，单位产品的能源、资源消耗和污染物排放也会变化 [61] ，上述数据库也会更新和调整。但应注意到更新的基础清单只是更接近评价时点的情况，并没有考虑未来变化带来的影响，而是假定被消耗资源或能源的投入量和环境排放物的产出量在评价时段内保持不变。
表2-1 1 m 3 C30混凝土基础清单数据（部分）
生命周期影响评价步骤是理解和评价产品系统在整个生命周期中的潜在环境影响和重要性，通常包括特征化、标准化和加权评价三个步骤。
产品在生命周期中的环境排放物质种类多样，通常几种环境排放物质都能引起同一类环境影响，如SO 2 、NO x 和NH 3 都能引起酸化，因此必须通过各类物质的特征化因子将各类清单结果汇总到一类指标中。表2-2是酸化相关环境排放的特征化因子，基于此数据可计算SO 2 、NH 3 、NO x 等排放物产生的酸化效应潜值，并汇总为总值。
表2-2 酸化相关排放物的特征化因子 [22]
传统LCA评价中，基于评价时点的各类环境排放的特征化因子与其排放量加乘表征某一类环境影响的环境效应，隐含着不同时点的环境排放具有相同的环境负荷这一假定。但是近年来的环境科学研究表明，很多排放物的环境负荷效应具有显著的时间动态性 [62] ，与排放时间、排放速率以及环境背景浓度相关 [18，63] 。相同数量的污染物在瞬间释放和在较长时期内慢速释放所产生的环境负荷是不相同的。以气候变暖这一影响类型为例，温室气体CO 2 和CH 4 排放后的即时辐射强迫与累积辐射强迫随时间变化状况如图2-1所示 [51] 。可以看出，CH 4 引起的变暖效应主要发生在距离排放较近的年份，而CO 2 产生的影响维持时间会更长。
图2-1 CO 2 和CH 4 排放的即时辐射强迫与累积辐射强迫随时间的变化状况 [51]
对特征化结果进行标准化的目的是更好地认识所研究的产品系统中每个参数结果的相对大小，这是评价中的可选步骤。传统的标准化因子通常采用人口、面积、排放基准量等指标进行计算，是常数值。有学者指出，标准化参数的取值会随着背景浓度和环境概况而发生变化，采用动态标准化因子可以更好地反映实际环境负荷水平 [64] 。但是当前大部分学者在动态评价研究中并未考虑标准化因子的动态性。
基于LCA评价的客观性要求，ISO并不鼓励对分类环境影响进行加权集成，将加权列为评价中的一个可选步骤。但由于各类环境影响的量纲缺乏可比性，国内外成熟的建筑LCA评价体系都尽量按照客观性的要求构建权重系统，对各影响类型基于重要性权衡赋予合理的权重，以实现环境影响类型间、受评项目间的可比性，以支持建设方案的优化和决策。表2-3列举了BEPAS中基于WTP构建的货币化权重系统。权重因子本质上是基于价值判断的赋值，而价值判断是会随环境、社会经济的发展而不断变化 [65] ，对于具有较长生命周期的建筑，权重因子的数值和相对关系随时间变化对评价结果的影响不可忽视。
表2-3 基于货币化法构建的权重系统（部分） [22]
本书系统总结了2020年3月前发表的144篇DLCA期刊论文与会议论文，分析当前动态清单分析步骤和动态影响评价步骤的研究进展。144篇论文的详细信息（包括受评对象、评价区域、受评时段、动态参数等）详见附录A。
当前动态实景清单分析研究主要将评价时间范围划分为多个细小的时间段作为时间步长，分时段收集消耗流和排放流数据。年、月、日和小时等均是当前动态评价研究中常见的时间步长，其选择主要受到研究目的、受评对象、影响类别和数据可用性等影响。对于评价范围跨度较大（如几十年）的产品，研究中常采用年作为时间步长，如桥梁 [66] 、造林项目 [67] 、生态系统 [68] 、建筑 [69] 等。当评价时间范围只有几年时，月和周常被用作时间步长，如发电 [70] 、水生产 [71-72] 、小麦生产 [73] 、污水处理 [74] 等。需要注意的是，部分环境影响类别对时间步长的选择具有一定的敏感性 [75] 。
目前动态实景清单研究常通过现场监测、模拟仿真、情景分析等方法来获取动态数据。
①部分学者通过在现场布设传感器实时监测和收集污染物浓度数据，如Collinge等 [76] 每月监测建筑的能耗水平，Li等 [74] 每月监测污水处理厂的COD、SS、NH 3 -N等排放量。这种方法获取的数据准确度较高，数据质量好，但是仅能用于事后评价。
②部分学者建立仿真模型模拟实景清单数据的动态演化情况，如Onat等 [77] 采用系统动力学模型模拟车辆逐年的CO 2 排放量，Lee等 [78] 使用环境政策综合气候模型模拟碳、氮和磷的循环并预测玉米生产过程中污染物的排放水平。
③不少研究通过设置多个情景分析清单流可能的变化情况，如Mo等 [79] 基于情景假设估算了一个供水系统逐月碳排量，Williams等 [80] 分析了暖通空调系统温室气体排放水平的三种情形，Su等 [81] 使用情景分析法评估建筑拆除废弃物回收率可能的变化及其对评价结果的影响。
在动态背景清单的研究中，大部分聚焦于能源的投入产出清单随时间的变化情况。能源是大部分产品生产和运营过程中必需的投入项，也是许多环境污染物的主要排放源。基于历史数据预测、能源结构动态计算和情景分析是学者们主要采用的动态背景清单获取方法。
①根据能源投入产出清单的历史数据推演未来可能的清单水平是一种常用的预测方法。如Yang&Chen [82] 使用电力的历史排放系数估计未来单位电力的温室气体排放强度。这种方法简单易操作，但隐含历史趋势可以很好代表未来发展情况这一重要假设，与实际情况并不能很好相符。
②一些学者重点关注能源清洁技术进步和可再生能源发展对能源结构可能带来的动态影响。伴随着传统化石能源占比下降，能源结构的优化将降低单位质量能源的污染物排放量，改变了能源的投入产出清单水平，最终影响到能源消费端产品的环境表现。一些研究依据不同时点的能源结构比例估算单位能源的动态投入产出清单 [83] 。
③情景分析也是一种常用的研究方法，Ikaga等 [84] 设置了三种电力的二氧化碳强度情景（0%、10%和 20%），并用于建筑环境影响评价；Viebahn等 [85] 对2050年装机容量和份额进行预测，设定了三种太阳能使用情景描述未来的能源技术改进。
需要说明的是，背景清单数据既包括原材料投入量，也包括污染物排放量。但是当前的动态研究主要关注动态排放量变化，尤其是温室气体的排放量关注最多，只有零星的研究 [86] 同时考虑动态投入量和排放量的清单变化。
各环境影响类型有其特定的环境机制和特征化模型，动态特征化分析的方法、模型和范式也不尽相同，研究方法和进展存在较大的差异，当前气候变暖和毒性这两类影响的动态特征化研究相对较多。
来自蒙特利尔综合理工学校的Levasseur研究团队较早开展了气候暖化的动态特征化研究，构建了动态评价模型，已经形成系列研究成果。Levasseur等使用辐射强迫作为特征化指标，根据单位时间步长大气温室气体负荷量辐射强迫的即时值，通过连续积分计算累积动态特征化值 [51] ，计算公式详见式2-1和2-2。这一研究被公认为相对成熟的模型，可以有效解决传统评价中时间信息缺失问题，已经在较多动态研究中得到了应用，如建筑物及构件 [87] 、能源 [88] 、植树造林 [67] 、农作物残渣气化 [82] 、路面铺装 [89] 等。应用研究显示使用动态和静态特征化因子的评价结果存在一定差异，可能影响决策判断。基于此动态特征化模型的计算逻辑，CIRAIG（International Reference Centre for the Life Cycle of Products，Processes and Services）开发了名为DynCO 2 （http：//ciraig.org/index.php/project/dynco2-dynamic-carbon-footprinter/）的动态碳足迹计算工具以简化计算 [90] 。
式中，F DC， i （t） instantaneous ：t年时的温室气体类型i的即时动态特征化因子；
F DC， i （t） cumulative ：t年时的温室气体类型i的总累积动态特征化因子；
C i （t）：t年时的温室气体类型i的大气排放负荷量；
a i ：温室气体类型i在大气中增加单位质量引起的即时辐射强迫；
t：时间，以年为单位。
此外，Ericsson研究团队 [91] 采用全球平均地表温度变化这一指标开展全球暖化效应的动态特征化研究。他们根据大气浓度变化计算出动态辐射强迫值，然后量化相关的温度变化，使用温度变化的数值作为衡量气候变暖效应的特征化因子，计算公式详见式2-3和2-4。评价结果以摄氏度为单位，容易理解，也方便直接与政策目标进行比较，但是由于动静态评价结果的物理意义和测量单位存在差异，难以和静态评价结果进行对比。截至目前，这一动态特征化模型主要应用于瑞典的热力生产系统评价 [92-93] 。
式中，F R， i （t）：温室气体类型i的辐射效应的改变量；
f i （t）：温室气体类型i的大气浓度改变量；
E R， i ：温室气体类型i的辐射效率；
ΔT s （t）：在t年时的全球平均地表温度改变值；
R T ：单位辐射效应变化的温度脉冲响应函数；
t：时间，以年为单位。
Lebailly等 [94] 和Shimako等 [95] 致力于研究毒性这一影响（包括生态毒性和人类毒性）的动态特征化表征，主要采用归宿因子（Fate Factor）作为动态指标，将各时间步长内的污染物浓度积分计算相应时段内的动态归宿因子。采用USEtox特征化模型，毒性的动态特征化因子等于动态归宿因子、暴露因子和效应因子的乘积，相关计算公式详见2-5至2-7。目前，这一动态特征化模型用于量化污水处理厂 [75] 、建筑物 [96] 、淡水资源 [97] 等系统的动态生态毒性影响，有一定的实践应用。但是这动态特征化模型存在一个重要的局限——假设暴露因子和效应因子都是不随时间变化的常数，这与事实不相符 [98 - 99] 。此外，部分环境机制（如物种形成）对归宿因子的动态影响并没有被考虑 [95] 。
式中，F F （t）：t时的归宿因子；
M（t）：t时段内的污染物质量；
F C （t）：t时的动态特征化因子，下标cumulate表示积累值，下标instantaneous表示即时值；
F X ：暴露因子；
F E ：效应因子；
t：时间，以天为单位。
其他影响类别的动态特征化研究相对分散，应用也较为有限。表2-4总结水资源、光化学污染、臭氧耗损和酸化这四类影响类型的动态特征化研究。可以看出，各影响类型采用的特征化方法和动态参数不同，且数值受到诸如地区、气候和时间范围等因素的影响。
表2-4 其他影响类别DCFs的研究总结
（续表）
总之，当前气候暖化效应的动态研究相对成熟，具备了纳入动态评价计算的条件。但是其他影响类型的相关研究较少，亦缺乏较为权威和共识性高的研究成果。面对这一局限，部分DLCA研究同时使用动态和静态特征化因子 [104-105] ，也有一些学者认为这样处理可能给评价结果带来偏差，故只将动态特征化的研究停留在理论探讨层面，在实践应用中仍选择使用静态值 [86] 。
目前在加权评价步骤中考虑时间动态性的研究可以划分为两类：基于货币化法的动态污染成本研究和折现。
货币化法认为各种环境影响类别的轻重程度可以用货币化的环境税、排污费率、矿产资源税等进行度量，是一种常见的权重构建方法。基于货币化法和支付意愿理论，Zhang [106] 在暖化效应评价中，考虑到社会对于温室气体容忍度以及愿意支付的污染治理费用将随时间发生变化，构建了污染成本的时间函数，如式2-8所示。其中温室气体的治理成本数据来自欧洲投资银行的一份预测分析报告。
式中，C E （t）：t时的环境成本；
M i ：影响类型i的相关污染物质量；
C i （t）：影响类型i在t时的单位污染治理成本。
考虑不同时点产生的环境影响的重要性存在差别，应在评价中对其采用不同的权重值 [107] 。一些学者借用经济学中折现率的概念，对发生在未来的环境影响进行折现 [108 - 109] ，计算公式如2 9所示。在建筑 [108] 、生态系统服务 [68] 、土地利用变化 [110] 、生物燃料 [109] 、重金属 [111] 和天然气 [112] 的一些DLCA研究中已经使用折现率开展动态加权。Hu [108] 建议在模型中增加动态加权矩阵，并设置三个折现率情景（0%、3%和5%）来表征不同的折现偏好。一些支持在LCA评价中引入折现率的学者认为折现对于任何评价研究都是必要的，不折现仅仅是折现率取“0”的一种特殊情况 [49] 。
式中，I NP，E ：环境影响的净现值；
I E （t）：t时的环境影响值；
r：折现率；
T H ：评价的时间范围。
但是，在LCA评价中引入折现率尚存诸多争议。折现率的取值往往偏主观，与LCA评价的客观性不符，可能增加评价结果的不确定性；还有不少学者认为“折现”的理论缺乏科学性，对LCA评价中的生态环境、资源、人的健康寿命等评价指标进行折现是有违伦理道德的 [113 - 114] ；还有一些学者指出DLCA研究中的折现率不应为常数，取值应随着时间的推移而下降 [115] 。一些DLCA评价明确表示拒绝使用折现率 [107，116] 。
当前DLCA的研究还处于初期阶段，其概念和内涵尚无明确、统一、权威的界定，但从广泛的文献检索和系统的总结归纳中可以对动态性的指向和内涵有总体的判断。大多数研究直接使用“dynamic LCA”一词，虽然并没有对其内涵给出明确的定义，但大都使用“time issues”“time-varying factors”“temporal variations”等词汇来指代或表征动态性 [77，117-118] ，这说明时间相依的动态变化是DLCA中动态性主要类型和开展研究的重点对象。文献 [119] 认为“动态”指的是在内外部力量的驱使下，系统状态随时间的变化，但是没有对DLCA给予描述；文献 [82] 认为在静态LCA的基础上考虑评价要素随时间变化产生的影响就可以称为DLCA评价。Levasseur [51] 、Collinge等 [120] 和Lebailly等 [94] 则将随时间变化的评价要素进行明确，如随时间变化的清单数据、随时间变化的特征化因子等；Pehnt [121] 给出相对概括的描述，认为环境影响评价中的一些参数与未来环境具有相关性且显示出重要的时间依赖性，在DLCA评价中应纳入这些参数。表2-5汇总了当前学者对于DLCA内涵的表述。
表2-5 DLCA内涵总结
基于已有学者的研究，本书对DLCA的内涵总结如下：
（1）DLCA是对一个产品系统从原材料采掘到废弃物最终处理的生命周期中随时间变化的输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。
（2）DLCA应该纳入具有时间相依性的动态评价要素，其具有变化可预测性和显著性的影响因素的动态变化作用于动态评价要素，进而对输入、输出及其潜在环境影响形成动态影响。
（3）DLCA评价属于LCA评价方法的范畴，依然要遵循LCA评价的基本范式和框架，按照“目标与范围确定→生命周期清单分析→生命周期影响评价→生命周期解释”的流程开展评价；应具有LCA评价方法的基本特征，即客观性、系统性、因果性和开放性。
本章的工作及成果总结如下：
（1）基于LCA评价的标准步骤，分析清单分析和影响评价步骤中潜在的时间动态变化，认识LCA评价的时间动态性。
（2）综述当前DLCA研究的主要进展：总结动态实景清单数据收集的主要方法，包括现场监测、模拟和情景分析；分析背景清单数据采集常见方法，包括基于历史数据预测、能源结构动态和情景分析；总结不同影响类型的动态特征化研究进展和应用情况；分析动态加权常用指标（动态污染治理成本和折现率）及优缺点。
（3）基于当前学者对DLCA的认识，结合LCA的时间动态性分析及当前动态研究进展，提炼总结DLCA内涵。
本章内容已发表成论文，读者可详见文献 [456] 和文献 [457] 。