吳俊峰　張秀平　賈 磊　何亞峰　黃 磊

(合肥通用機(jī)械研究院　合肥　230088)

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離心式冷水機(jī)組生命周期影響評價及關(guān)鍵影響因素分析

吳俊峰張秀平賈 磊何亞峰黃 磊

(合肥通用機(jī)械研究院合肥230088)

離心式冷水機(jī)組市場發(fā)展迅速，其生命周期中對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響也日益受到關(guān)注。為了辨識離心式冷水機(jī)組全生命周期內(nèi)環(huán)境影響的主要階段和關(guān)鍵影響因素，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，運(yùn)用生命周期評價方法(LCA)，選取CML 2002評價模型對離心式冷水機(jī)組的原材料獲取、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和回收再利用全生命周期過程的環(huán)境影響進(jìn)行了定量評價，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。評價結(jié)果表明:機(jī)組整個生命周期環(huán)境影響主要體現(xiàn)在氣候變暖和酸化，在同溫層臭氧減少、富營養(yǎng)化、不可再生資源消耗等方面影響稍小；在造成的環(huán)境影響方面，使用和維護(hù)階段的電能消耗是主要環(huán)節(jié)。敏感性分析結(jié)果表明，機(jī)組的制冷劑類型、能效水平和運(yùn)行時間是機(jī)組環(huán)境影響的關(guān)鍵影響因素。

離心式冷水機(jī)組；環(huán)境影響；生命周期評價；全球變暖潛值；電能消耗

離心式冷水機(jī)組由于其單機(jī)制冷量大、高效、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型公共建筑的舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)和工業(yè)制冷工藝過程。近年來，我國離心式冷水機(jī)組市場一直保持高速發(fā)展態(tài)勢，在產(chǎn)品高速發(fā)展的同時，會消耗大量的能源和原材料，排放相應(yīng)的污染物，對環(huán)境產(chǎn)生多種負(fù)面影響。現(xiàn)有的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系側(cè)重于機(jī)組的能效水平評價，而已有的制冷系統(tǒng)環(huán)境影響相關(guān)的評價指標(biāo)和方法，如消耗臭氧潛能值ODP、全球變暖潛能值GWP、壽命期氣候性能LCCP等，側(cè)重于評價產(chǎn)品生命周期的某個階段或者環(huán)境影響的某個方面，缺乏客觀性和全面性[1]。對離心式冷水機(jī)組進(jìn)行生命周期評價(LCA，life cycle assessment)[2]，可以直觀地了解其全生命周期內(nèi)各階段的能源消耗、資源消耗和環(huán)境污染物排放情況，為產(chǎn)品能耗控制、綠色設(shè)計等提供依據(jù)。

采用LCA方法對制冷空調(diào)產(chǎn)品進(jìn)行評價，國內(nèi)外已有一定的研究。Johnson E P[3]、Guan Y 等[4]、姜文秀等[5]、孫鋅等[6]、呂鳳等[7]采用LCA方法分別對熱泵、家用空調(diào)、熱泵熱水器等制冷空調(diào)產(chǎn)品的全生命周期碳足跡進(jìn)行評估。上述研究側(cè)重于產(chǎn)品碳排放的影響評價，未能全面反映同溫層臭氧減少、酸化以及富營養(yǎng)化等其它環(huán)境影響水平，而全面了解制冷空調(diào)產(chǎn)品的各類環(huán)境影響水平是進(jìn)行產(chǎn)品綠色設(shè)計的關(guān)鍵，國內(nèi)外也進(jìn)行了相關(guān)研究，如鄭元等[8]利用LCA方法建立了水源中央空調(diào)系統(tǒng)生命周期分析模型；Greening A A B等[9]利用LCA方法對英國的家用空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵和燃?xì)忮仩t的各類環(huán)境影響水平進(jìn)行了分析和對比；Bukoski J等[10]采用LCA方法對太陽能輔助吸收式冷水機(jī)組和傳統(tǒng)蒸氣壓縮式冷水機(jī)組的各類環(huán)境影響進(jìn)行了評價和對比分析； Yanagitani K等[11]對使用不同制冷劑的家用空調(diào)的生命周期環(huán)境影響進(jìn)行了對比分析。

目前，應(yīng)用LCA方法進(jìn)行制冷空調(diào)產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響評價研究，已取得了積極進(jìn)展，在空調(diào)、熱泵產(chǎn)品使用階段碳排放的貢獻(xiàn)方面取得了共識，但對于離心式冷水機(jī)組生命周期的環(huán)境影響評價還顯不足。另外，當(dāng)前評價結(jié)果解釋主要針對不同產(chǎn)品的評價結(jié)果對比和產(chǎn)品各生命周期階段的影響，缺乏導(dǎo)致各影響的具體過程的深入分析，無法有針對性的進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

本研究將基于離心式冷水機(jī)組清單數(shù)據(jù)的可獲得性，構(gòu)建簡化的、具有可操作性的離心式冷水機(jī)組全生命周期環(huán)境影響評價模型，通過實例分析，辨識離心式冷水機(jī)組全生命周期內(nèi)環(huán)境影響的主要階段和關(guān)鍵影響因素，以期為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，同時為類似產(chǎn)品的生命周期評價提供借鑒。

1 研究目標(biāo)與范圍

1.1 研究對象

本文選取某型離心式冷水機(jī)組為研究對象，機(jī)組的主要參數(shù)如表1所示。功能單位選取一臺離心式冷水機(jī)組產(chǎn)品。

表1 離心式冷水機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)邊界

本研究的系統(tǒng)邊界覆蓋離心式冷水機(jī)組的全生命周期，包括原材料獲取階段(從相關(guān)資源的開采到原材料的生產(chǎn))、離心式冷水機(jī)組及其零部件的加工與裝配階段、機(jī)組的運(yùn)輸階段(從機(jī)組廠商到使用場所)、機(jī)組的運(yùn)行階段(包括電能的消耗和制冷劑的泄漏)以及相關(guān)材料的回收與再利用階段，具體的生命周期評價的系統(tǒng)邊界如圖1所示。限于數(shù)據(jù)的可獲得性，制冷劑加工過程、生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)置及人員的消耗和排放過程、機(jī)組維護(hù)階段以及廢棄物的處理過程暫作忽略。

圖1 離心式冷水機(jī)組生命周期評價的系統(tǒng)邊界Fig.1 System boundary of LCA of centrifugal chiller

2 清單分析

2.1 數(shù)據(jù)來源與收集

對于企業(yè)現(xiàn)場投入和排放數(shù)據(jù)，根據(jù)離心式冷水機(jī)組的生產(chǎn)特點(diǎn)，選擇裝配關(guān)系作為數(shù)據(jù)收集程序，將機(jī)組分解為零(部)件，列出零(部)件的單元過程，由設(shè)計、生產(chǎn)人員對零部件的單元過程輸入、排放數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理。由于單元過程數(shù)據(jù)種類很多，根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性和重要性進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩幔雎粤瞬糠滞鈪f(xié)件的加工、運(yùn)輸過程的投入和排放，以及占比小于0.5%的輔助原材料投入。

對于主要耗能、耗材的背景數(shù)據(jù)，選取四川大學(xué)開發(fā)的中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)[12]和歐盟生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(ELCD)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中電能、銅材、鋼材、鋁材等能源、耗材以及產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)惹鍐螖?shù)據(jù)主要來自CLCD，而CLCD未包含的塑料、氮?dú)獾群牟牡那鍐螖?shù)據(jù)參考ELCD。背景數(shù)據(jù)選取全國平均水平數(shù)據(jù)。

2.2 離心式冷水機(jī)組生命周期清單數(shù)據(jù)

1)原材料獲取階段

該階段的主要環(huán)境影響來自機(jī)組及其零部件主要用材的開采和生產(chǎn)過程。機(jī)組的主要零部件包括壓縮機(jī)、換熱器、系統(tǒng)框架以及控制元件等，根據(jù)企業(yè)調(diào)研的數(shù)據(jù)得到機(jī)組各零部件的材料清單，具體如表2所示。

表2 離心式冷水機(jī)組的主要部件及材料清單

2)機(jī)組及其零部件的加工與裝配階段

該階段的主要環(huán)境影響來自機(jī)組及其零部件的加工與裝配過程所需能源、各類耗材(如CO2、乙炔等)的生產(chǎn)過程以及加工工藝過程帶來的廢氣和廢水的排放。限于數(shù)據(jù)的可獲得性，本文忽略了機(jī)組及其零部件加工工藝過程帶來的廢氣和廢水的排放和外協(xié)件生產(chǎn)過程中的投入。另外，在機(jī)組及零部件生產(chǎn)裝配過程中，還用到一些保溫膠水、清洗劑等輔材，由于其用量較少，將其忽略。根據(jù)企業(yè)調(diào)研的數(shù)據(jù)得到機(jī)組及其零部件加工與裝配階段的能源和材料投入，具體如表3所示。

表3 離心式冷水機(jī)組及其零部件加工裝配階段的主要能源、材料清單

3)使用階段

該階段的主要環(huán)境影響來自機(jī)組使用階段的能源消耗以及制冷劑排放。

由于無法精確獲得機(jī)組整個生命周期的耗能數(shù)據(jù)，本文根據(jù)機(jī)組的實測IPLV性能系數(shù)，以我國多數(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)選取的夏熱冬冷地區(qū)作為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行地區(qū)，選取機(jī)組年制冷運(yùn)行小時數(shù)1366 h[13]，機(jī)組運(yùn)行壽命15年，估算獲得。GB/T 18430.1—2007[14]中冷水機(jī)組的IPLV計算公式為式(1):

IPLV=0.023A+0.415B+0.461C+0.101D

(1)

式中：A、B、C和D分別為機(jī)組100%、75%、50%和25%負(fù)荷時的性能系數(shù)COPc；系數(shù)0.023、0.415、0.461和0.101分別表示機(jī)組100%、75%、50%和25%負(fù)荷時的負(fù)荷×小時數(shù)的權(quán)重。假設(shè)機(jī)組年運(yùn)行在100%、75%、50%和25%負(fù)荷條件下的小時數(shù)分別為t1、t2、t3和t4，那么應(yīng)用方程組(2)可以獲得不同負(fù)荷條件下的年運(yùn)行小時數(shù)。利用公式(3)可以估算出機(jī)組全年制冷時消耗的總電量Ey，式中Q為機(jī)組名義制冷量，kW。

(2)

(3)

本文中，機(jī)組100%、75%、50%和25%負(fù)荷條件下的性能系數(shù)通過實測分別為6.3、7.03、7.33和6.12，機(jī)組的名義制冷量為2810kW，以此估算出機(jī)組全年制冷時消耗的總電量為2.87×105kW·h，機(jī)組壽命期15年的總消耗電能為4.30×106kW·h。

制冷劑排放量根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)給出的機(jī)組充注量、年泄漏率以及最終回收率，根據(jù)公式(4)估算獲得，共消耗制冷劑443.7kg。

m=m0×[(1-αrecovery)+L×n]

(4)

式中：m為制冷系統(tǒng)生命周期制冷劑充注量，kg；m0為制冷系統(tǒng)設(shè)計充注量，kg；L為制冷劑年泄漏率，%/年；n為系統(tǒng)設(shè)計運(yùn)行年數(shù)，年；αrecovery為制冷劑回收/再循環(huán)系數(shù)。

4)產(chǎn)品運(yùn)輸

該階段的主要環(huán)境影響來自于運(yùn)輸過程工具的能源消耗和尾氣排放。本文中根據(jù)企業(yè)實際調(diào)研，機(jī)組采用中型柴油貨車運(yùn)輸，從廠商到使用地的運(yùn)輸距離為200km。

5)回收與再利用

對于離心式冷水機(jī)組而言，根據(jù)企業(yè)調(diào)研，機(jī)組廢棄后，其中的銅、鋁、鐵等基本100%獲得回收和再利用。對于制冷劑，我國回收的制冷劑一般做銷毀處理，很少有再利用的情況。本文中銅、鋁以及鐵等主材在清單數(shù)據(jù)的選取時，背景數(shù)據(jù)已經(jīng)考慮了廢材循環(huán)利用后的生命周期清單，因此，原材料的回收再利用在原材料獲取階段已有所體現(xiàn)。限于數(shù)據(jù)的可獲得性，忽略機(jī)組報廢拆解以及制冷劑銷毀過程的投入和排放。

6)清單分析結(jié)果

通過對離心式冷水機(jī)組的全生命周期的計算，得出機(jī)組全生命周期內(nèi)各階段的資料投入與排放清單，見表4。由于涉及大量的過程與數(shù)據(jù)，一般生命周期的計算結(jié)果包含上千條清單條目，在表4中僅列出了幾種主要典型物質(zhì)的生命周期清單。

表4 離心式冷水機(jī)組生命周期清單

3 生命周期影響評價

3.1 環(huán)境影響潛值計算

當(dāng)前生命周期評價有兩類基本的評價模型，面向損害及面向問題。面向問題是指清單物質(zhì)對環(huán)境造成影響的直接后果，而面向損害是指將直接影響進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為對人體健康、生態(tài)系統(tǒng)以及資源消耗造成的最終損害，國內(nèi)目前進(jìn)行面向損害評價時缺乏大量的本地化環(huán)境信息[15]。因此，本文選取國際ISO14040系列標(biāo)準(zhǔn)采用的CML 2002[16-17]面向問題的生命周期評價模型。選取不可再生資源消耗、全球氣候變暖、同溫層臭氧減少、酸化、富營養(yǎng)化以及光化學(xué)氧化劑形成共六種環(huán)境影響類型進(jìn)行特征化處理，獲得機(jī)組生命周期各階段的各影響類型的潛值。將各影響類型的特征化結(jié)果經(jīng)歸一化無量綱處理和加權(quán)計算，以此分析該機(jī)組全生命周期中的環(huán)境影響。特征化模型和特征化、歸一化以及加權(quán)計算結(jié)果見表5，具體計算方法見文獻(xiàn)[1]。

表5 特征化模型與環(huán)境影響潛值

表5中歸一化基準(zhǔn)值采用文獻(xiàn)[16]中1995年全世界各影響類型的人均影響潛值。另外，采用目標(biāo)距離法確定各影響類型的權(quán)重，某類環(huán)境影響的權(quán)重因子被定義為該類環(huán)境影響在標(biāo)準(zhǔn)化參考年的值除以目標(biāo)年的環(huán)境影響值，目標(biāo)年的環(huán)境影響潛值采用政府削減目標(biāo)來確定。

3.2 貢獻(xiàn)分析

1)生命周期各階段對環(huán)境影響指標(biāo)的貢獻(xiàn)

表6所示為機(jī)組生命周期各階段對于環(huán)境影響指標(biāo)的貢獻(xiàn)比例。從表中可以看出，該機(jī)組各影響類型的主要貢獻(xiàn)均來自機(jī)組使用與維護(hù)階段的電能消耗和制冷劑排放，原材料獲取也有一定的貢獻(xiàn)，其它階段過程貢獻(xiàn)基本可以忽略。

表6 離心式冷水機(jī)組生命周期各階段對環(huán)境影響指標(biāo)的貢獻(xiàn)

2)各環(huán)境影響類型對環(huán)境影響指標(biāo)的貢獻(xiàn)

圖2給出了機(jī)組各環(huán)境影響類型加權(quán)后的貢獻(xiàn)，從圖中可以看出該機(jī)組生命周期內(nèi)主要的影響類型為全球氣候變暖和酸化影響。

圖2 離心式冷水機(jī)組各環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)Fig.2 Contribution of environmental impact types of centrifugal chiller

4 敏感性分析

敏感性分析的主要目的是通過相關(guān)因素的變化來定量分析環(huán)境影響的變化程度。從上面的分析可以看出，機(jī)組生命周期各影響類型的主要貢獻(xiàn)均來自機(jī)組使用與維護(hù)階段電能的消耗，而影響機(jī)組能耗的關(guān)鍵因素，包括機(jī)組的能效水平和運(yùn)行時間等。另一方面，目前行業(yè)上比較關(guān)注制冷劑替代工作，所以很有必要分析下更換制冷劑后，機(jī)組產(chǎn)品的環(huán)境影響水平。因此，本文分別針對機(jī)組的綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)、運(yùn)行時間和制冷劑類型3個影響因素對機(jī)組的生命周期環(huán)境影響進(jìn)行敏感性分析。計算結(jié)果如表7所示。

從表7中可以看出，制冷劑類型對于機(jī)組生命周期的環(huán)境影響最為敏感，當(dāng)保持其它因素不變的情況下，將機(jī)組的制冷劑類型由R134a(GWP=1430，ODP=0)變換為R123(GWP=77，ODP=0.02)，雖然全球氣候變暖影響潛值降低11.93%，但由于R123的ODP不為零，其同溫層臭氧減少潛值提高101385%，由于國際上正在開展的ODS類物質(zhì)淘汰計劃，其ODP的權(quán)重比較高，因此，其整個生命周期的環(huán)境影響加權(quán)綜合值提高145.45%。此外，機(jī)組整個生命周期的耗電量對于機(jī)組生命周期的環(huán)境影響也比較明顯，提高機(jī)組的綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)和降低機(jī)組生命周期運(yùn)行小時數(shù)，均降低了機(jī)組生命周期內(nèi)的能耗，從表7可以看出，將機(jī)組的IPLV值由原來的7.06提高到8.1，各影響潛值均有所降低，綜合加權(quán)值降低11.07%；將機(jī)組的運(yùn)行小時數(shù)降低20%，由1366 h降低到1093 h后，各影響潛值均有所降低，綜合加權(quán)值降低17.79%。

表7 不同要素對環(huán)境影響潛值變化的敏感性分析

5 結(jié)論

1)本文基于生命周期評價方法建立了離心式冷水機(jī)組的環(huán)境影響評價模型，針對某型離心式冷水機(jī)組產(chǎn)品從原材料獲取、產(chǎn)品及其零部件的加工與裝配、運(yùn)輸、使用到回收與再利用的整個生命周期階段，分析了其不可再生資源消耗、全球氣候變暖、同溫層臭氧減少、酸化、富營養(yǎng)化以及光化學(xué)氧化劑形成共六類環(huán)境影響的潛力。

2)從分析結(jié)果來看，離心式冷水機(jī)組生命周期各影響類型的主要貢獻(xiàn)均來自機(jī)組的使用階段電能的消耗和制冷劑排放，為機(jī)組生命周期的主要環(huán)境負(fù)荷影響源；而生命周期內(nèi)主要的影響類型為全球氣候變暖，約占總影響的70%。

3)通過敏感性分析可知，制冷劑類型、生命周期運(yùn)行能耗是機(jī)組產(chǎn)品環(huán)境影響的關(guān)鍵貢獻(xiàn)因素。因此，在機(jī)組產(chǎn)品設(shè)計時采用低GWP、零ODP的環(huán)境友好型制冷劑，并盡可能的提高機(jī)組綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)；在機(jī)組運(yùn)行階段，通過中央空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制和運(yùn)行管理等手段，降低系統(tǒng)運(yùn)行時間，均可以有效降低機(jī)組產(chǎn)品整個生命周期的環(huán)境負(fù)荷。

本文受合肥通用機(jī)械研究院青年科技基金項目(2014010440)和質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(201410047)資助。(The project was supported by the Youth Science Foundation of HGMRI (No. 2014010440) and the Project of Public Welfare Quality Tseting Industry(No. 201410047).)

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About the corresponding author

Wu Junfeng, male, senior engineer, AC&R Branch, Hefei General Machinery Research Institute, +86 13856047814，E-mail：wjf0120@sina.com. Research fields: research on the development and test evaluation technology of AC&R products.

Life Cycle Assessment of Centrifugal Chiller on Environment Impacts and Its Key Influence Factors′

Wu JunfengZhang XiupingJia LeiHe YafengHuang Lei

(Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, 230088, China)

Centrifugal chiller market is developing rapidly, and its negative impacts on the environment in the life cycle are also increasingly concerned. In order to identify the main stages and the key influence factors of the environment impact of the whole life cycle of the centrifugal chiller, and provide the basis for the optimization design of the product, this study contributed a life cycle assessment (LCA) model and analyzed life cycle environmental assessment by life cycle impact analysis model of CML 2002, which included the environmental impacts of full life cycle, raw material acquisition phase, manufacture phase, use phase, transportation phase, recycling and reused phase. The sensitivity analysis was also provided. The results indicate that life-cycle environmental impacts are mainly in the climate change and the acidification, while exerting little change on the impacts of stratospheric ozone depletion, eutrophication and depletion of abiotic resources etc. Based on the sensitivity analysis, the refrigerant type, energy efficiency and using-time of water chiller are identified as the key driving forces for environment impacts of centrifugal chiller.

centrifugal chiller; environment impact; life cycle assessment; GWP; energy consumption

0253- 4339(2016) 04- 0058- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.058

2015年12月2日

TB65;TQ051.5

A

簡介

吳俊峰，男，高級工程師，合肥通用機(jī)械研究院制冷空調(diào)事業(yè)部，13856047814，E-mail：wjf0120@sina.com。研究方向：制冷空調(diào)產(chǎn)品研發(fā)及測試評價技術(shù)研究。