淺析基于生命周期法對板式熱交換器生產過程的碳足跡核算方法

張 婧*

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院）

0 引言

熱交換器是化工、熱電等工業生產中廣泛使用的節能設備，但熱交換器本身也是高能耗設備，近年來，相關研究往往聚焦在開發節能降耗新型熱交換器，和能效提高等方面，而忽視了熱交換器生產和使用基礎環節的碳排放基礎數據的整理和核算。對熱交換器等高耗能設備的碳足跡核算是實現“雙碳”目標必須要進行的基礎工程。熱交換器企業在生產過程中，需要消耗大量的金屬、水、煤炭、等原材料，因此熱交換器產品的制造過程也是二氧化碳等溫室氣體的碳排放過程。對熱交換器生產制造企業基于碳足跡核算的碳管理是落實低碳綠色生產的基礎路徑，碳核算管理體系可為熱交換器生產企業節能監管提供有據可查、有法可依的流程化監管依據，助力企業向低碳制造轉型。

1 生產過程中碳排放研究狀況

“綠色制造”模式是由英國布魯內爾倫敦大學的Tridech S.和Cheng K.提出的，是結合環境保護、資源優化利用及低碳制造為一體的綠色生產模式。其本質是更新生產流程，最大程度地提高自然資源的利用率，降低能源、溫室氣體以及污染物的排放量，提高材料的循環利用率，“綠色制造”模式的核心是對生產過程進行碳足跡核算[1-2]。麻省理工學院 Gutowski教授[3]利用能耗和物料模型關系對機械加工進行了能耗的分析，依靠熱力學建立了機械加工能耗體系。英國曼徹斯特大學的Perry S.研究得出，僅僅依靠提高能效不能解決過度消耗的能源問題，將常規與可再生能源綜合使用可有效降低碳排放量。在“碳達峰、碳中和”的背景下，國內眾多研究單位積極參與綠色制造的研究工作，推進了國內低碳制造的進程。重慶大學的尹瑞雪等[4]建立了碳排放在機械制造中的特征函數，用特征函數表示機械制造整個過程中的碳排放和物料消耗，并建立機械制造碳排放特征函數評估體系，幫助企業科學規劃機械制造工序，有效降低了碳排放。中國科學院生態環境研究中心的孫鋅教授對家用空調生產和使用全生命周期進行了碳足跡研究，在全生命周期評價方法下得出空調在各個階段的碳排放情況，為家電行業綠色生產提供借鑒依據。

但需注意的是，國內外研究機構對低碳制造的研究往往僅關注單個零部件的碳排放量核算[5]，很少針對整臺設備制造環節和使用環節進行碳足跡核算，尤其對于熱交換器等高耗能設備的研究更為稀少，該類設備生產過程工藝繁雜，使用過程中雖承擔著節能降耗任務但其本身也是能耗大戶，因故對熱交換器等高耗能設備的碳核算是推行綠色生產過程中首要解決的關鍵問題。因此，對熱交換器產品整個生產生命過程中進行全面碳足跡核查研究，對換熱行業節能減排具有重要意義。

2 板式熱交換器產品碳足跡核算方法

近年來，溫室效應、氣候變化已成為全球關注的焦點，“碳足跡”也越來越受到重視。碳足跡研究基于項目、組織和產品三個層面[6]，熱交換器產品碳足跡核查是指以熱交換器產品為管理對象，從原材料生產、運輸→零部件的加工制造→焊接過程→整機組裝→整機泄漏試驗等，通過對整個熱交換器生產過程中二氧化碳（CO2）等主要溫室氣體的排放進行核查，最終得到熱交換器生產過程中的碳排放量。

板式熱交換器生產過程中的碳足跡核查包含板式熱交換器完整的生產周期，因此首選使用全生命周期評價法（LCA）對其進行碳排放核查，基于全生命周期評價法目前已廣泛使用的產品碳足跡評價方法有：（1）英國標準協會編制的PAS2050：2011《商品和服務在生命周期內的溫室氣體排放評價規范》[7]，該標準是目前最廣泛使用的產品碳足跡核算標準；（2）世界資源研究所編制的《溫室氣體核算體系：產品壽命周期核算與報告標準》，該標準可為生產企業溫室氣體核算報告提供方法和依據；（3）國際標準化組織編制并修訂的ISO 14067《2018 溫室氣體合格產品碳足跡 量化和信息交流的要求與指南》，該標準提供了服務于產品生命周期內的碳足跡的量化制定原則，將產品的整個生命周期整合成一個整體系統，避免單個階段造成的碳足跡的潛在影響。

2.1 板式熱交換器產品生產生命周期流程分析

根據PAS2050：2011《商品和服務在生命周期內的溫室氣體排放評價規范》，1 臺熱交換器產品生產流程如圖1 所示，其碳足跡評價模式為從商業到商業（B2B）評價包括從原料生產運輸、產品制造、包裝、水壓試驗等整個板式熱交換器產品生產過程。在本研究中，產品的系統邊界屬于“從搖籃到客戶”的類型，為了實現上述功能單位，產品的系統邊界可見表1。

表1 板式熱交換器生產生命周期流程分析

圖1 板式熱交換器生產工藝流程圖

2.2 取舍準則

本研究以熱交換器生產過程中原材料的質量投入占比為取舍準則，具體規則如下：普通物料質量＜1%產品質量時，以及含稀貴或高純成分的物料質量＜0.1%產品質量時，可忽略該物料的上游生產數據；總共忽略的物料質量不超過5%；生產設備、廠房、生活設施等可以忽略；在選定環境影響類型范圍內的已知排放數據不應忽略[8]。所有原輔料和能源等消耗都關聯了上游數據，部分消耗的上游數據采用近似替代的方式處理。基于評價目標的定義，本次評價只選擇了全球變暖這一種影響類型，并對產品生命周期的全球變暖潛值（GWP）進行了分析，因為 GWP 是量化產品碳足跡的環境影響指標。評價過程中統計了以二氧化碳為主的各種溫室氣體，并且采用了IPCC 第四次評估報告（2007 年）中提出的方法來計算產品生產周期的GWP 值。該方法基于100 年時間范圍內其他溫室氣體與二氧化碳相比得到的相對輻射影響值（即特征化因子），該因子可用來將其他溫室氣體的排放量轉化為 CO2當量。

2.3 數據質量要求

為了滿足數據質量要求，主要考慮了以下幾個方面：（1）數據的準確性，因環境、設備等條件影響的測量數據的重復性以及準確定程度；（2）數據的代表性，生產過程以及技術等因素的代表性；（3）模型的一致性，采用檢測及核算方法對系統邊界一致性的程度。在評價過程中優先選擇生產過程中直接測得的初級數據，對經驗所得數據取大量樣本后進行平均。當初級數據不可取時，選擇代表生產過程中平均技術條件以及特定下技術水平下的綜合次級數據，次級數據大部分選擇來自IPCC 數據庫；當目前數據庫中沒有完全一致的次級數據時，采用近似替代的方式選擇IPCC 數據庫中數據。

2.4 數據的收集和主要排放因子

熱交換器產品的碳足跡核算過程就是對整個生產周期內包括物料和能量輸入、輸出過程的量化數據的采集過程，即對產品生產活動水平數據的收集過程。通過碳排放因子整合單位生產活動水平溫室氣體排放數據。熱交換器生產主要消耗能源為電能，其電力排放因子主要包括外購原材料電力排放因子、生產過程中電力排放因子及泄漏試驗中的電力排放因子。活動水平數據來自各個生產流程中現場實測數據；排放因子采用IPCC 規定的缺失值。整個熱交換器生產周期內的活動水平數據主要包括：原料煤消耗量、電力消耗量、蒸汽消耗量等。排放因子數據主要包括生產過程中電力排放因子、生產過程中其他排放因子和交通運輸排放因子等。

3 結語

本文淺析了采用LCA 法進行熱交換器生產過程碳足跡核算的方法，彌補當前熱交換器生產企業產品生產過程中碳足跡核算方法的缺失，為熱交換器生產制造企業提供了一種科學的碳足跡核算方法，可促進熱交換器生產制造企業重視其熱交換器生產過程中的碳排放帶來的污染及能源消耗問題。通過碳排放監管優化生產模式、整合生產資源，減少熱交換器生產過程中的碳排放，加速熱交換器企業綠色制造的轉型步伐。同時，該方法也能督促制造企業加大投入力度，努力研發綠色環保的生產加工工藝，為企業的產品生產綠色化提供參考。