大型空調系統生命周期評價與能源利用評價模型

摘要：基于西安咸陽國際機場貨運中心空調系統，利用生命周期理論和層次分析法針對能源高效利用途徑進行了研究。針對生命周期方法和層次分析法應用于建筑能源進行了深入分析，結合實際案例數據進行了生命周期清單分析，數據來源與所提模型緊密結合，基于層次分析法框架性模型，以空調工程各種資源的消耗值和各種環境影響潛值分析為例，量化剖析了如何利用全生命周期影響評價對耗能項目進行評價。結合案例數據的生命周期評價提出了能源利用評價層次模型，并針對模型給出了從全生命周期角度調整建立能源利用過程監控與評價等建議。

關鍵詞：大型空調系統；生命周期；評價方法；能源利用；層次分析法

中圖分類號：TU8313；TK018

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2015）01004708

能源的開發使用為社會進步、經濟發展提供了源源不斷的動力，是人類一切活動的物質基礎[1]。但隨著經濟快速增長和能源過度使用[23]，能源資源缺乏[4]、結構不合理、環境污染嚴重及能源分配不公等問題日益突出。以建筑暖通空調系統能耗為例，其消耗的能源約占建筑總能耗的50%左右。因此，制定合理的能源政策、調整能源結構及能源利用機制、開發利用可再生能源[5]、采用綜合性的能源評價觀代替傳統單一的能源評價觀、機制與政策受到高度重視[68]。

目前，能源、資源及環境管理評價常用的分析方法有技術經濟分析法[9]、層次分析法[10]、情景分析法、價值分析法、灰色分析法[11]等。作為常用的評價方法之一生命周期評價理論產生經過了萌芽、探索和迅速發展3個階段[1213]，已形成一套完整的理論體系，并逐漸被接受。生命周期評價在生物能源利用與評價[14]、太陽能建筑設備系統的評價[15]、現代化農業技術與實踐[16]等諸多方面都得到了廣泛的研究與應用。一些研發公司也在其產品研發方面也應用生命周期評價理論來進行技術系統評價。然而，具有針對性的生命周期方法和層次分析法應用于建筑能源分析，特別是結合實際案例數據進行生命周期分析尚有待于進一步研究。有鑒于此，作者基于層次分析法提出的框架性模型，以空調工程各種資源的消耗值和各種環境影響潛值分析為例，量化剖析了利用全生命周期影響評價對耗能項目的評價過程。通過西咸國際機場貨運中心空調工程的資源耗竭系數和環境影響負荷的計算，深入例剖析如何利用全生命周期影響評價對耗能項目進行評價，并運用層次分析法構建能源利用評價層次模型。

王豆豆，等：大型空調系統生命周期評價與能源利用評價模型

1生命周期評價模式

國際環境毒理與環境化學學會（SETAC）和國際標準化組織（ISO）的定義[17]，生命周期評價的對象可以是一個產品、處理過程或活動，并且范圍涵蓋了評估對象的整個生命周期；其核心要素是對產品（廣義“產品”）從原材料采集、生產、使用、產品制造直至報廢棄用的全生命周期過程中的資源（包括能源）的消耗情況及對各類環境因素可能造成影響進行清單式分析，評判預測結果，提出結論性意見，進而為工業產品的設計、耗能及能源系統的優化提供改進理論依據。以ISO14040、ISO14041以及ISO14042等標準為例，生命周期評價（LCA）方法將其分為4步：

1）目標與研究范圍定義（Goal and Scope Definition）；

2）能源及排放清單分析（Life Cycle Inventory Analysis， LCI）；

3）生命周期影響評價（Life Cycle Impact Assessment， LCIA）；

4）結果解釋與改善評價（Life Cycle Interpretation），其內涵關系如圖1[12，18]。

依據SETAC和各類ISO中的框架，生命周期評價模型包括循序漸進的4個技術步驟[12]：

1）科學目標和范圍定義，對計算資源能源消耗及環境排放潛值進行；

2）清單歸類分析，對計算數據進行標準化；

3）標準化數據的加權。根據重要性分級，對各項潛值賦權，評價其綜合大??；

4）以“人當量”為單位對賦權結果計算資源耗竭系數和環境影響負荷及其效果分析。

圖1LCA技術框架圖

Fig.1ICA technology frame

2研究對象與范圍界定

21研究對象

為深入探討生命周期評價（LCA）理論方法、生命周期評價模型研究更具有典型性，以西安市的典型能源利用重大項目——西咸國際機場貨運中心空調工程作為范例進行生命周期的清單分析。該貨運中心建筑總面積為18 700 m2，其中有15 000 m2為空調面積，該空調系統中，冷源由兩臺螺桿制冷機組成的蓄冰系統集中供給，熱源采用鍋爐房蒸汽，經過減壓換熱最終形成60/50 ℃的熱水[19]。

22數據來源

生命周期清單分析是基于西咸國際機場貨運中心空調工程的實際狀況、空調系統機組部分運行及能耗數據進行[19]。管道耗材與環境排放的數據來源于國家環保局編制的工業污染物產生和排放系數手冊和中國鋼鐵工業協會編制的《中國鋼鐵工業年鑒》[2023]。考慮西咸國際機場貨運中心空調工程能源實際使用情況，所有電能的產生方式均為火力發電。實際工程建設表明，生產工藝過程中產生的邊角料和各種廢棄物在生產以外的回收再利用的經濟價值以及對于資源能源消耗總量的影響所占比例不高，可忽略不計。按照集中空調系統生產、使用規范標準，結合西咸國際機場貨運中心空調實際案例數據進行生命周期分析。本文所用的基礎數據都來源于工業和能源方面常用的手冊和資料，工程數據來源于西咸國際機場貨運中心空調系統實際案例。

23研究范圍

鑒于研究大樣本數據數量獲得的困難性，為了方便模型建立及分析，往往將這一復雜系統做科學、合理的簡化或假設。在本研究中，計算及分析時將空調系統劃分成有單獨邊界的兩個獨立系統——機組系統（即產能系統）和管道系統（即輸配系統及用能系統），并分別對其資源能源消耗和環境影響量值進行研究。研究范圍確定以系統邊界的形式給以界定。對于機組部分，主要對系統在使用階段的能源、資源消耗程度及環境排放量進行分析計算和研究，系統邊界如圖2所示。而管道部分即輸配系統中的各種管件及其部件都屬于生產消耗大于使用及運行消耗的情況，對此主要研究鋼材及管道在生產階段的能源資源消耗和環境排放量，系統邊界如圖3所示[19]。

圖2大型空調系統機組部分系統邊界

Fig.2Systematic boundary of lenit system on large air conditioning system

圖3大型空調系統管道部分生命周期的系統邊界

Fig.3Systematic boundary of piping system life cycle on large air conditioning sytem

3能耗及環境排放清單分析

31機組部分

311能耗調研能耗分析清單應逐項進行。西咸國際機場貨運中心空調工程清單主要分兩部分：1）空調系統中所有耗能設備的型號、功率以及全年運行情況等基本資料。2）機組全年各項能耗。結果見表1。

表1能耗調查表

Table 1Survey of energy consumption

調查項目相關參數及調查數據統計結果

冰蓄冷系統設備功率共計23臺設備總功率為3465 kW

全年運行情況系統及機房夏季運行132 d，冬季運行121 d，每天8 h。

冰蓄冷用電統計[11]峰時92 550 kW·h；谷時140 400 kW·h；正常167 700 kW·h共計耗電400 650 kW·h

冬季采暖熱源能耗市政熱網，平均蒸汽消耗量為1 426 t，換算為標準煤熱量共計能耗4 537 17895 MJ

冬季采暖水泵耗電量水泵日均耗電量855 kW·h，年運行121 d共計耗電103 455 kW·h

空調末端耗電量末端設備日均耗電238664 kW·h，冬季運行86 d，夏季運行88 d共計耗電41 52754 kW·h

合計（全年）空調系統耗電量合計為545 633 kW·h，熱源能耗為4 537 17895 MJ

312清單分析根據西咸國際機場貨運中心空調系統全年耗電量進行清單分析。空調機組系統使用階段能源消耗及主要環境排放物清單以及所研究的機組部分的能耗和環境總排放列于表2中[12]。

32管道部分

為統計空調系統風管、水管用量，結合設計圖紙實地考察，結果如表3[18]。

321能源消耗清單能源消耗清單應考慮生產過程涉及的幾個部分。該空調系統管道部分全生命周期中的能源消耗分為鋼材生產和管道制作兩個過程。鋼材生產主要依靠的是電、燃油和煤等的消耗。風管、水管制作過程主要消耗的是電能。中國生產1 kg普通鋼材的能耗、風管生產過程能耗（以長2 m、橫截面積為800 mm×630 mm規格，厚度為075 mm的風管作為標準風管），分項統計匯總換算得到總能耗為160632 MJ/根[12]。水管生產過程能耗參照文獻[20]?？偰芎那鍐我姳?。

表2機組部分能源消耗及總排放量清單

Table 2Energy consumption and total emissions list of unit system

能源類型1MJ電力的能耗/MJ電的消耗量/MJ總能耗/MJ環境排放物分類1MJ電力的排放/g總排放/kg

原煤03271 964 2788642 31917 粉塵2 6525 20927

洗煤0811 964 27881 591 06583 CO2317 000622 67638

燃油0006 981 964 278813 71067 SO22 8655 62766

原油0002 11 964 27884 12499 NOx1 4492 84624

柴油0009 61 964 278818 85708 CO7701 51249

焦爐氣0012 81 964 278825 14277 COD86361696

天然氣0000 1641 964 278832214 灰000815 71423

標準煤4 537 17895渣0004 729 27140

合計6 832 72158 662 8746

表3管道用量統計表

Table 3Statistics pipeline amount

管道類型長度/m尺寸/mm體積/m3用量/kg表面積/m2

風管1 802901厚度12～05290222 8401113 727385

水管3 217214口徑15～20017 854663 24

合計5 02011540 695

注：表中薄鋼板的容重按7 870 kg/m3

表4管道部分能源消耗清單

Table 4Energy consumption list of pipeline

能源類型生產1 kg普通鋼材能耗/MJ風管制作總能耗（MJ·根-1）水管制作總能耗/MJ管材消耗量/kg能耗合計/MJ

電1528113 0616145 433風管22 840；水管17 855880 3142

燃油337137 14215

煤37991 546 0031

合計566440 6952 563 4594

從各項能源的消耗上看，消耗最多的是煤炭，這也符合中國的能源結構。

322材料消耗清單西咸國際機場貨運中心空調系統管道部分的資源消耗主要是生產過程中的各類鋼材的使用。鋼材生產過程中主要的原材料及輔助用料的消耗見表5（以1 kg普通鋼材為單位），各類管道安裝時需要使用的釘子、法蘭、管接頭等的用量已考慮在內[12]。據此，根據文獻[18]中的計算結果，管道部分資源消耗列于表5。

表5管道部分主要資源消耗清單[18]

Table 5Source consumption list of pipeline

原材料名稱單位消耗量/g總消耗量/kg原材料名稱單位消耗量/g總消耗量/kg

生鐵1 50061 0425鐵錳礦2497668

石灰石1 70069 1815白云石1456973

氧68027 6726氟石13529035

原油1506 10425水34 0001 383 630

323環境排放清單西咸國際機場貨運中心空調系統環境排放包括了兩部分，生產管材所用電能在生產過程中的排放和鋼材生產過程中的排放。電能在生產過程中的排放參考表2的數據，管道生產過程電能消耗總量查表4，將兩部分排放量相加列于表6。

表6管道系統總排放量

Table 6Total emissions of piping system

環境排放物分類污染物生產1 kg鋼材排放量/g生產管道鋼材產生的總排放量/kg生產電能產生的總排放量/kg排放量總計/kg

廢氣排放

CO1104 47645677845 15429

CO28 200333 699279 0596612 7586

SOx512 0754452 52214 597545

NOx16651121 275581 9267

碳氫化合物1977320 577320 5

甲烷18008732836732836

H2S00873540354

HCL08743556735567

排入水體的污染物

懸浮物120544905384 90538

NH40994028840288

COD0282114767619076

BOD0005020350203 5

酚0005020350203 5

Na+0381546415464

固體廢棄物

礦渣3 980161 96610004161 9661

工業混合固廢87035 4046535 40465

粉塵、灰塵29512 0050252 3345914 33962

通過分析各排放物來源，了解到CO2主要來源于管道系統耗材的生產，占545%，其次是工藝過程（電能消耗），占455%。其它排放物（如和SOX）也有類似情況。因此，降低鋼材生產燃料耗費和工藝中電能的消耗是減少CO2、CO等主要廢氣的重要途徑，即需要通過系統設計方面的改進和生產工藝技術的改進，使得管道耗材量和生產耗電量降低。水體污染物主要是懸浮物，占所有排入水體污染物的985%，從來源看，主要來源于鋼材生產。固體廢棄物量也相當大，從來源看，工藝過程的礦渣量占固體廢棄物總量的765%，且幾乎100%的礦渣都來源于鋼材生產過程。如何控制鋼材生產過程中礦渣排放以及回收處理和再利用是值得注意的問題。

4生命周期影響評價

為了直觀表示西咸國際機場貨運中心空調系統生命周期內對資源及環境的影響，要對清單分析結果進行影響評價，得到資源耗竭系數以及環境影響負荷，并分析評價結果。資源與能源的利用主要涉及油及電的消耗，把能源消耗量（電能）合并到資源消耗量中，綜合為資源耗竭系數，將所有環境排放物綜合統計為環境影響負荷，根據本系統特點[12]，該空調工程生命周期影響類型見表7。具體的標準化基準的選定和單位見表8，影響評價計算結果見表9。

計算參數基準化標準[12]權重確定[12]單位

資源耗竭系數1990年全球人均消耗量依據資源可供應時長和總量確定標準人當量

環境影響負荷1990年全球總排放量與總人口數之比采用目標控制法確定（1990年數據與2000年數據之比）標準人當量

從表9看出，在資源耗竭方面，西咸國際機場貨運中心空調系統運行過程占據了整個生命周期資源（能源）消耗的798%；在環境排放方面，空調運行階段占據了整個生命周期環境排放負荷的945%。因此，在這一類典型耗能項目的管理過程中，除了適當改進生產及工藝（即管道部分）過程的技術手段，降低生產過程中的能源消耗外，對于降低資源能源消耗和減少環境污染排放的需要，還是應該考慮使用過程中階段（機組部分）的管理方法與技術的改進。

5能源層次評價模型

按照層析分析法的思路，以西咸國際機場貨運中心空調系統生命周期評價為范例，建立全新的能源利用層次評價模型，并進行一致性檢驗及分析。該模型的來源主要借鑒了機電產品的評價方法和汽車產品的層次模型結構，所做的改進是將生命周期評價的結果——資源耗竭系數和環境影響負荷作為重要的評定指標，結合能源項目的特點對模型結構進行更新，對能源利用過程按照全生命周期進行劃分，建立層次結構模型。西咸國際機場貨運中心空調系統研發與評價采用層次分析法構建一種四層次的評價模型[22]。從環境影響指標、技術指標和經濟指標三個角度出發分析[23]。將西咸國際機場貨運中心空調系統能源利用過程的全生命周期分為產品加工生產、能源利用（實際工程項目）、工程項目的報廢階段。目標層為能源利用評價；準則層分為環境屬性、資源能源屬性、經濟屬性和技術屬性；在子準則層中將所有環境屬性合并為環境影響負荷（生命周期評價結果），將一部分資源能源屬性合并為資源耗竭系數（生命周期評價結果）；最底層是方案層，分列各種能源利用方案。具體層次結構劃分如圖4所示。其中需要說明的是，模型評價指標均來自于對空調系統整個生命周期的資源能源消耗和環境影響的調查計算所得，所選取的指標也在環境屬性、資源能源屬性以及經濟技術屬性等方面比較有針對性。例如，環境影響負荷這一生命周期參數主要體現了空調系統在整個生命周期內對于環境造成的影響，可以較為完整的代表環境屬性；生命周期內的設備利用率是反映空調系統整個生命周期內所有涉及到的設備整體的綜合利用情況的參數，可以體現模型中經濟屬性的部分。其他模型指標也類似。

建立構造各層次所有的判斷矩陣，準則層B判斷矩陣為A；子準則層C中，包涵8個元素，對應其上層元素分別構建判斷矩陣。環境屬性只有一個元素。資源能源屬性、經濟屬性和技術屬性都有兩個以上元素，對其構建比較矩陣為B2、B3、B4，原則還是通過專家的比較意見以及對各元素的打分情況。分別計算判斷矩陣的層次單排列，即計算判斷矩陣最大特征值對應的歸一化后的特征向量，并進行一致性檢驗，得矩陣A、B2、B3、B4的CR均≤01，判斷矩陣的一致性。

基于西咸國際機場貨運中心空調系統這一典型能源消耗工程全生命周期評價的剖析過程，從全生命周期的角度出發，按照層次分析法對能源利用過程的諸多因素進行了歸類分層，在使用過程中，針對一種或者一組能源的利用，按照其全生命周期過程，對從勘探生產到工程報廢所有生命周期重要階段均按照該模型層次進行評價，通過進行生命周期影響評價及經濟、技術評價，得到準則層C的所有指標，參考全生命周期的資源耗竭系數和環境影響負荷最終對類似于西咸國際機場貨運中心空調系統這樣的能源利用工程隨時進行管理方法與技術的改進，優化能源利用項目全生命周期的運行，為能源利用的合理性評價提供理論依據。

圖4基于西咸國際機場貨運中心空調系統的能源利用層次評價模型

Fig.4Hierarchical evaluation model of energy utilization based on central air conditioning system of Xi anXianyang international airport

6結論

通過生命周期方法進行能源消耗項目——西安咸陽國際機場貨運中心空調工程案例剖析，建立了新的能源利用層次評價模型。通過空調工程各種資源消耗值和環境影響潛值案例分析，明確了利用全生命周期影響評價量化剖析耗能項目的方法。并從全生命周期的角度為能源市場和可再生能源政策的制定提出建議。

1）在能源的勘探與開采階段，加大模型環境和技術屬性的評判權重，確保較小的環境影響負荷；在資源耗竭系數方面，針對每一種能源資源制定長期（幾十年甚至更遠）的開采計劃，確保合理的資源耗竭系數。在能源利用項目實施過程，加大模型中資源能源屬性及經濟屬性的權重。對典型的耗能項目按其資源能源屬性及經濟屬性評估，確立優先采用的能源類型。在工程報廢階段，加大模型中環境、資源能源屬性的權重。通過對環境影響負荷等準則層C中的參數進行計算評估，確定各種耗能項目合理的報廢年限。

2）某種能源和可再生能源的利用過程中，不僅看某一過程是否符合環境和資源等要求，應該按照能源利用層次評價模型，從全生命周期角度出發，建立長效的監控機制，對整個能源生命過程參照上述工程范例從勘探開采、實施利用以及報廢的整個過程進行生命周期影響評價，并隨時進行管理方法與技術的改進，優化能源利用項目全生命周期的運行。

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