三種電光源生命周期環境影響分析

史典陽，黃 暉，任 艷，陳冰泉

(工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

引言

隨著全球氣候變暖日益嚴重，2007年3月歐盟同意在2020年減少20%的溫室氣體排放。而溫室氣體的產生很大一部分來自全球各種類型的發電設備的工作排放，同時在全球范圍內，每一年有2651TWh電力消耗在照明應用上，約為全球電力消耗總量的20%。照明消耗的電力中有近70%的電力消耗在低效的燈具上[1]。在此背景下，歐盟立法機構已經立法禁止了傳統白熾燈以及其他耗電量高的燈具在市場上銷售，且環保意識的普及使得市場上對高能效燈具需求與日俱增。

目前能夠滿足高能效的燈具主要有固態光源(如LED)和熒光燈。發光二極管是基于半導體工藝的電致發光器件，具有器件壽命較長、響應速度快、不含汞、高能效等特點[2]。現今的LED能效已經達到了白熾燈的5倍以上，隨著半導體技術的發展，LED的能效預計可以達到白熾燈的10倍。使用LED燈代替白熾燈可以有效的降低電力的消耗，同時減輕用戶電消費。

1 LCA概述

作為對產品環境負荷或環境影響評價的方法LCA在國際上備受關注。尤其是最近幾年，LCA這一評價產品環境負荷的通用方法具有重要的地位。所謂LCA，是指對產品的整個生命周期——從原材料獲取到設計、加工制造、包裝運輸使用、回收、最終處理等，定量計算、評價產品實際、潛在消耗的資源和能源以及排出的環境負荷[3]。

為對LED燈、白熾燈、熒光燈進行生命周期環境影響分析，僅僅是分析其能源消耗率是不夠的，需要考慮三種類型燈整個生命周期的環境影響，參考ISO14040和ISO14044標準對燈進行LCA分析不僅可以獲取燈具的資源消耗和初始能源消耗，同時可以獲取每個階段的環境影響參數如AP(酸化潛力)、EP(富營養化指數)、GWP(溫室效應)、POCP(光化學臭氧生成)、HTP(人體毒性)，然后可以根據上述的環境影響參數對三種燈進行排名(見圖1)。

圖1 三種電光源LCA階段分析Fig.1 Stages investigated in the LCA of lamps

2 燈具選擇及范圍確定

在分析工作中，選取了同一公司的三種代表產品：功率為40W的白熾燈、功率為8W的熒光燈以及內置6片LED芯片功率為8W的LED燈。三種燈的輸出流明基本一致、色溫相差不大，能夠產生較為相近的照明效果。考慮到選用的LED燈壽命為25000h、白熾燈壽命為1000h、熒光燈壽命為10000h，為了分析工作時間參數一致，本文選用25只白熾燈、2.5只熒光燈和一只LED燈作等壽命分析。其中白熾燈和熒光燈的產地均在歐洲，而LED燈的芯片前段工藝在德國，后端工藝在馬來西亞，整個產品的組裝在中國。使用階段、回收處理等階段均在歐洲。

3 原材料選用及數據來源

三種燈的結構如圖2所示。本文中LED燈的所有工藝、原材料、能耗數據均來自燈生產廠家的數據積累，而白熾燈和熒光燈的大部分數據來自生產廠家兩個在研項目，部分數據來源GaBi數據庫、參考文獻和Ecoinvent數據庫。

圖2 三種電光源的結構圖Fig.2 The structure of all three lamps

4 三種電光源的生產、包裝運輸

三種電光源的加工制造一般分為三個過程：基底制造、燈泡制造、燈內部。各過程涉及原材料使用如表1所示。燈的包裝一般是采用硬紙板。運輸過程包括加工制造過程內所有的物質轉移以及產品到消費者的轉移。

LED芯片制造工藝較為復雜，分為前端工藝和后端工藝。前端工藝主要包括掩膜、光刻、外延生長等，而后端工藝主要包括引線框架、引線鍵合、磷處理、封裝等。該產品的LED芯片前端工藝是在歐洲完成，然后運往馬來西亞完成后端工藝。其他部件如LED控制裝置、燈泡均在中國生產并組裝。

表1 三種電光源加工制造過程中的材料使用Table 1 The material used in the manufacture stage of all three Lamps

5 使用、回收階段

三種電光源的使用階段只涉及到電力的消耗，因此使用階段的排放只與發電廠電力生產過程的排放相關。使用階段消耗電能采用歐盟地區的混合電力數據，即1kWh電力的消耗意味著0.55kg CO2的排放。

處理家用廢物的典型方法是焚燒，通過焚燒處理可以獲取熱能發電，然后填埋焚燒后的廢渣。雖然在WEEE指令中明確要求熒光燈和LED燈需要專業的回收，但事實上大多消費者會隨意的棄置。本文假定三種電光源中的有價值的原材料如玻璃、金屬等可以得到回收，其他物質將通過焚燒處理。

6 LCA結果分析

完成生命周期階段分析后，根據收集的數據通過GaBi或者其他LCA軟件可以計算出以下數據。LED生產廠商的數據顯示生產單個LED芯片前端工藝消耗初始能源0.22kWh、后端工藝消耗初始能源0.19kWh。而生產一個完整的LED燈消耗初始能源為9.9kWh，包括6個LED芯片消耗、生產鋁熱沉消耗約為4.6kWh、生產燈泡消耗約為0.2kWh、生產LED控制裝置消耗約為2.8kWh、生產基地消耗約為0.2kWh。數據表明LED燈生產過程中消耗初始能源最大的為LED控制裝置和鋁熱沉。

LCA結果表明生產一只白熾燈消耗的初始能源為0.61kWh，為三種電光源中消耗最低，但考慮到一只LED燈使用壽命25000小時需要生產25只白熾燈、2.5只熒光燈才能達到，生產三種電光源的初始能源消耗應如圖3所示。

圖3 生產三種電光源的初始能源消耗Fig.3 Primary Energy Demand for manufacturing of all three Lamps

對于三種電光源整個生命周期而言，使用階段消耗的初始能源占總的消耗比例最高，白熾燈工作25000h的時間里電力消耗1000kWh，轉化成歐盟地區初始能源消耗為3290kWh。熒光燈和LED燈的電力消耗為200kWh，轉化成歐盟地區初始能源消耗為658kWh。由此可見使用LED燈或熒光燈替代白熾燈可以節省近80%的能源消耗。

三種電光源環境影響的計算采用了CML2001標準，即將生產使用過程中的排放物質轉化成如CO2、SO2、PO4等物質的當量，采用這些物質的等效質量作為影響指標。表2是三種燈具生產使用階段的各類影響指標。

表2 三種電光源生產使用階段的各類影響指標Table 2 The Environmental impact index for use of all three lamps

注：GWP(溫室效應)、AP(酸化潛力)、EP(富營養化指數)、POCP(光化學臭氧生成)、HTP(人體毒性)、ADP(非生物資源減少)。燈具數據均建立25只白熾燈、2.5只熒光燈、1只LED燈基礎上。

由表2數據可知：三種電光源對環境影響最大的階段是使用階段，主要是由電力的消耗歸結到發電廠生產或排放大量的CO2、SO2等物質。生產階段的環境影響的參數主要集中在鎮流器、熱沉、導線等的制備，制備過程中除了消耗了較多初始能源外，各種有毒工藝輔料、試劑的投入使用增大了對環境的影響[4]。

7 結論及展望

三種電光源的生產階段耗能占全生命周期總耗能的比例極低，其中白熾燈的比例約為0.4%，熒光燈與LED燈均低于為2%，所以在研究改進燈具減少環境影響時，應該首先考慮降低燈具的耗能、提高額定光效。

在環境影響方面，三種電光源中白熾燈對環境影響最大，LED燈與熒光燈兩者持平，但是考慮到熒光燈開關響應速度慢、燈管含汞、體積較大、易老化等因素，以及隨著半導體工藝的發展，LED燈的能效還在不斷的提高[5]，所以可認為LED燈是三種類型電光源中的最綠色的選擇。

[1] Light’s Labour’s Lost：Policies for Energy-efficient Lighting.International Energy Agency， 2006.

[2] 陳鐘文, 袁波, 陳小平, 等. LED集成封裝的研究現狀[J]. 照明工程學報，2013, 24(3)：77-80.

[3] 鄭秀君, 胡彬. 我國生命周期評價(LCA)文獻綜述及國外最新研究進展[J]. 科學進步與對策, 2013，3(30):6.

[4] 魏青, 俞明忠, 陳暉, 等. 金屬鹵化物燈電弧噴粉工藝研究[J]. 照明工程學報，2013,24(6)：132-135.

[5] 張鈺唯，葉煒. 照明控制技術的發展及應用現狀[J]．照明工程學報，2010, 21 (3)：68-71．