生態設計家具的碳足跡核算與減排效果分析
——以木質家具為例

張 南,李 楠,劉 一,王 震,*

1 北京林業大學環境科學與工程學院,北京 100083 2 清華大學美術學院,北京 100084

生態設計家具的碳足跡核算與減排效果分析
——以木質家具為例

張 南1,李 楠2,劉 一1,王 震1,*

1 北京林業大學環境科學與工程學院,北京 100083 2 清華大學美術學院,北京 100084

我國的木質家具不僅產量大,而且碳排放強度也相對較高,利用生態設計理念可以降低木質家具的碳足跡。為了定量化生態設計所帶來的減排效果,按照減少資源消耗和環境污染、節省住宅空間等木質家具生態設計原則,通過在一款多功能家具的框架內安裝不同面板,形成了4種不同材質和結構的設計方案,利用生命周期分析方法核算了4種方案的碳足跡,并進一步量化了改進方案的減排效果。結果表明：4種家具設計的碳足跡從小到大為三聚氰胺板家具、木皮板家具、拼板家具、嵌條板家具,其中,實木類家具原材料碳排放較低,人造板類家具加工過程電力碳排放較低(主要來源于噴涂工段,占電力排放的83%—92%)；通過各種減排方案的減排效果分析,發現采用“可拆卸無膠連接方式”改進方案減排效果顯為明顯；同時發現,合理的“低碳設計”(采用以實木板為基板,以三聚氰胺紙為貼面制作面板),可以避免中纖板噴涂過程的碳排放,從而減少產品整體碳足跡。

木質家具；生態設計；碳足跡；生命周期分析

溫室氣體的排放對全球氣候變化的影響受到了廣泛的關注。國際社會通過一系列措施對溫室氣體排放進行控制,其中對碳排放進行定量化表達是管理和削減溫室氣體的有效途徑之一[1]。我國是家具生產大國,出口額于2005年躍居世界首位[2],其中木質家具是主要出口品種,約占60%[3]。相較于其它林產品,木質家具碳排放量處于較高水平[4]。隨著碳足跡核算標準的日趨成熟,碳足跡可能成為十分重要的貿易壁壘[5]。生態設計作為一種考慮生命周期的設計方法,可降低木質家具的碳足跡,有力回應全球暖化和貿易壁壘的挑戰[6]。因此,對其碳足跡的量化和減排分析的研究具有重要意義,可使產品在生命周期中,減少對環境的負面影響,同時提高資源效率。

1 生態設計的概念

1997年聯合國環境署工業與環境中心(UNEPIE)與荷蘭rathenau研究所、代爾夫特理工大學(TUD)合作出版了生態設計指導手冊,是全球范圍內生態設計進入系統研究的開始。生態設計作為一種考慮全生命周期的設計方法,以實現環保和盈利雙重目的,在設計時考慮環境因素,運用各種方法,從源頭解決環境問題,有助于循環經濟并能很好地回應全球暖化的挑戰[7]。

國外的有些學者認為生態設計已成為環境管理系統的重要組成部分[8],提出了生態設計可供借鑒的設計思想和管理理念[9],而且對各種工業領域的產品進行了生態設計和改進分析[10]。但關于木質家具的生態設計,國外研究較少且集中在其供應鏈的效益分析[11]。我國的研究多停留在概念、策略的探討上[12-13],少數研究進行簡單的評價,缺乏完整的定量化[14-15],難以對我國家具生態設計提供有數據支撐的指導。

生態設計主要體現在：(1)通過木榫設計,省去粘膠、五金件的使用,以減少資源消耗和環境污染；(2)采用廢舊材質,使用循環材料,以降低資源消耗；(3)通過設計讓一件家具發揮多功能的作用,客觀上節省了住宅空間和材料使用。本研究的木質板家具的生態設計是以一款多功能家具為基礎,在相同框架內安裝不同面板,形成4種設計方案：嵌條板家具、拼板家具、木皮板家具和三聚氰胺板家具,達到減少溫室氣體排放,提高家具的回收價值的目的。通過核算4種家具設計方案的碳足跡的大小、結構和排放熱點,并提出“使用回收材料”和“使用可拆卸無膠連接方式”兩種改進方案,量化改進方案的減排效果,提供設計依據。

2 研究方法與數據獲取

本研究按照國際標準ISO 14067[16]計算碳排放量,溫室氣體涉及CO2、CH4和N2O以及HFC和PFC。由設計方案決定進行工藝和材料的使用,工藝活動的電力參數和材料加工參數均采用山東某家具企業實際生產數據,該企業為大型企業,生產設備先進,工藝具有代表性[17]。排放因子來自Simapro數據庫和相關文獻。

2.1 多功能家具與功能單位

多功能家具如圖1(a)所示,具有書桌、單人沙發和置物架3個功能,由框架和面板兩類部件組成,圖形由AotuCAD 2007繪制而成?？蚣馨盒≈慰?、坐框、大支撐框和圍欄架；面板包含：桌板、置物板和坐板。面板分別采用嵌條板、拼板、木皮板和3聚氰胺板,嵌條板如圖1(a),桌板采用拼板。其他三種設計方案如圖1(b)所示。4種家具的功能單位均為一件家具,即單位為：kgCO2eq/一件家具。

圖1 多功能家具的組成部件、功能與設計Fig.1 Components and functions and designing schemes of Multi-function furniture

2.2 系統邊界

4種家具的系統邊界如圖2所示,邊界僅面板不同。系統邊界為“搖籃到門”,包含原材料獲取階段和生產階段。原材料獲取階段包括了原材料從采掘到生產的過程。生產階段包含現場生產和電力供應兩部分。其中現場生產包含框架加工、面板加工和包裝3個步驟,電力供應包含電力的資源采掘、生產、傳輸等過程。圖2中原材料下方的字母或數字表示該材料提供給右側帶有相同字母或數字的過程使用。在生產現場,經框架加工和相應面板的加工后,生產出相應的家具。在框架加工中,都要使用鋸材和實木用油漆,在面板加工中,嵌條板加工(A)需要鋸材和實木用油漆,拼板加工(B)中需要鋸材、實木用油漆和拼接膠黏劑,木皮板加工(C)需要木皮、木皮用油漆、中纖板、貼面膠黏劑和封面膠黏劑,三聚氰胺板加工需要(D)中纖板、貼面膠黏劑、封面膠黏劑、三聚氰胺浸漬紙和PVC封條,這些面板通過使用連接件、連接用膠黏劑、海綿紙和瓦楞紙的包裝(3)分別形成嵌條板家具、拼板家具、木皮板家具和三聚氰胺板家具。

4種面板加工工藝不同,為便于統一比較,需要將工序合并為工段,本研究中將框架、嵌條板的精截、刨光工序,拼板的銑邊、涂膠、熱壓工序,以及木皮板和三聚氰胺板的裁板、貼面、封邊工序分別合并為各自部件的毛料加工工段,打孔、開榫合并為連接處加工工段。合并后家具的加工工段為：毛料加工、連接處加工、砂光、噴涂、包裝、引風。

圖2 家具的系統邊界Fig.2 System boundary of furniture

2.3 計算活動數據

活動數據為一件家具的原材料消耗量和加工耗電量。由設計圖可以計算木材的體積,油漆、貼面、封邊和膠黏劑的面積,以及連接件的個數。再根據現場調研獲得面積轉為質量或個數轉為美元等單位轉換參數,計算得到與數據庫排放因子單位相同的原材料消耗量。由設計圖尺寸與現場調研的設備功率、加工量、生產能力、排風量等數據,可以計算各個工段的耗電量?；诓煌考脑牧舷牧咳绫?至表3所示。

表1 框架活動數據

2.4 收集排放因子

根據多功能家具設計圖確定原材料種類。查閱原材料的英文術語,以此為關鍵詞,在Simapro 8.0.3軟件中搜索并篩選出代表性強的數據,選擇IPCC 2007,100年計算方法,計算得到原材料排放因子(表4)。

表2 實木類及中纖板類面板活動數據

面板中Shelf:擱板,SB:坐板Sitting board,TT:桌板Tabletop;活動數據類型中ST:鋸材Sawn timber,Paint:油漆,GB:拼板膠Glue board,MP:中纖板Medium plate,Veneer:木皮,MV:三聚氰胺貼面Melamine veneer,Adhesive:貼面膠,PVC E:PVC封邊條PVC edge,SR:封邊膠Sealing rubber,WM:毛料加工Wool machining,CM:連接處加工Connection machining,Sanding:砂光,Spray:噴涂,Fan:引風實際生產中實木用油漆為酸固化涂料,木皮用油漆為紫外光固化涂料,由于數據有限,將兩種油漆假設為同一種。拼板膠和貼面膠均為脲醛膠；封邊膠和連接件用膠都是白乳膠。連接件為圓木榫,使用美國連接件數據。三聚氰胺浸漬紙由Simapro 8.0.3數據庫的樹脂和紙計算得到[18]。

表3 包裝與配件活動數據

表4 原材料碳排放因子表

由于數據庫中中國電力排放因子是由歐洲替代數據計算而得的,經文獻查閱,已有國內學者計算了較為可靠的電力排放因子,且具體到本研究的調研企業所在電網。因此采用文獻數據,即中國華東電網電力排放因子,為1.04kgCO2eq/kWh[19]。

2.5 計算碳排放與家具基準碳足跡

依公式(1)、(2)和表1、表2的活動數據,得到一件家具的第r類原材料的消耗量與第p個工段的耗電量。按照公式(3)原材料與其排放因子相乘,工段與電力排放因子相乘,兩者加和為一件家具的基準碳足跡。加和時,4種家具與相應種類的面板對應關系見圖2,與相應量的連接配件的對應關系見表3。按照公式(4),僅在部件層面將原材料和工段碳排放進行加和,得到每個部件的碳足跡：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，CFP表示碳足跡,分為家具碳足跡和部件碳足跡；AD表示活動數據,包括原材料消耗量和工段耗電量；EF表示排放因子。

2.6 確定改進方案

2.6.1 使用可拆卸無膠連接方式

基準方案的連接方式為有膠連接,改進為無膠連接后,除桌板與大小支撐框的上框條6個連接件使用膠黏劑外,其余全為無膠連接。其中支撐框框條之間以燕尾榫加圓木榫的方式連接,這種結構連接強度較大[20]。

連接方式改進的減排效果發生在使用階段更換零件時,有膠連接方式不可拆卸,需更換整件家具,無膠連接方式可以拆卸,更換受損零部件即可延續家具功能,與更換整件家具相比,碳排放減少了,減排量為更換零部件與更換整件家具產生碳排放量的差,即生產零部件與生產整件家具的碳排放量之差。減排效果的文字表達式為：減排效果 =(家具基準碳足跡-部件碳足跡)/家具基準碳足跡。

2.6.2 使用回收木材

該改進方案為僅改變家具的主要原材料：鋸材、中纖板為回收材料,其余材料和現場加工耗電過程均不變。回收的實木部件和中纖板部件來自廢舊家具,經過簡單的整理加工即可使用[21],主要為人力加工,因此回收鋸材和回收中纖板的排放因子均假設為0kg CO2eq/一單位原材料。減排效果的文字表達式為：減排效果=(家具基準碳足跡-使用回收材料的家具碳足跡)/家具基準碳足跡。運輸過程因情況復雜、數據缺乏,未劃入邊界。

3 研究結果

3.1 4種家具基準碳足跡比較

由圖3可知,4種家具設計的碳足跡相差較大,從小到大為：三聚氰胺板家具<木皮板家具<拼板家具<嵌條板家具,最大者是最小者的1.8倍。實木類家具的碳足跡均高于人造板類家具的碳足跡。從原材料碳排放量分析,實木類家具比較低碳,其原材料碳排放量是人造板類家具的0.34—0.42倍。從電力排放角度分析,人造板類家具反而有優勢,其電力碳排放量是實木類家具0.35倍—0.57倍。綜合兩者,人造板類家具碳足跡更小,是實木類家具的0.55倍—0.82倍。識別具體的碳排放量熱點需進一步分析如圖4。

圖3 4種家具碳足跡對比 Fig.3 Comparison of carbon footprints from four kinds of furniture

由圖4(a)可以看出,在嵌條板家具和拼板家具的原材料碳排放中,鋸材和實木用油漆是主要的碳排放源,分別約占41%和38%,其次是瓦楞紙的碳排放量,平均約占11%。在木皮板家具和三聚氰胺家具中,主要碳排放源為中纖板,分別占64%和76%；油漆碳排放量占比也比較大,分別占23%和5%。中纖板是造成兩類家具原材料碳排放量差異的主要原因,分別是嵌條板家具和拼板家具的1.87倍和1.79倍。

由圖4(b)可以看出,4種家具的噴涂工段是電力排放的主要成分,占82.7% —91.7%。其次是砂光,占5.8% —12.9%。其他工段的電力排放非常小,毛料加工、連接處加工、引風、包裝和組裝的總占比小于5%。此外,噴涂是4種家具電力碳排放量產生差異的主要原因。木皮板和三聚氰胺板家具的面板部件沒有使用實木噴涂工序,排放比實木類家具平均減少約50.7kgCO2eq。木皮板家具又比三聚氰胺板家具多一道木皮板噴涂工序,碳排放量比三聚氰胺板家具增加了14.2 kgCO2eq。

圖4 4種家具不同原材料及電力排放對比圖Fig.4 Different raw material emission and electricity emission from four kinds of furniture

3.2 改進方案減排效果分析

3.2.1 使用可拆卸無膠連接方式的減排效果

當框架或面板損壞時,有膠連接方式無法更換框架、面板,需購買新的家具；無膠連接方式可更換受損框架或面板。由圖5(a)可知,僅更換一個框架類部件,相比于更換整件家具,對于嵌條板家具和拼板家具可減排90% —97%,對于木皮板家具可減排86% —96%,對于三聚氰胺板家具可減排81% —95%。由圖5(b)可知,相比于更換整件家具,僅更換一個面板部件,對于嵌條板家具可減排77% —83%,對于拼板家具可減排74% —87%,對于木皮板家具可減排78% —87%,對于三聚氰胺板家具可減排83% —92%?？傮w來看,通過使用可拆卸無膠連接方式的減排效果十分顯著。

圖5 使用可拆卸無膠連接方式的碳排放比較Fig.5 Comparison of carbon emissions using a detachable free adhesive connection

3.2.2 使用回收木材的減排效果

圖6 不同材料方案碳排放比較Fig.6 Carbon emissions of different materials usage scenarios

由圖6可知,使用回收木材之后,嵌條板家具和拼板家具的碳足跡下降空間有限,分別減排3.9%和4.8%。但是木皮板家具和三聚氰胺板家具的碳排放量下降比例很大,分別減少了26.3%和35.1%。

4 結論與建議

(1) 4種家具設計的碳足跡從小到大依次為：三聚氰胺板家具<木皮板家具<拼板家具<嵌條板家具。后兩種為實木類家具,碳足跡均高于前兩種人造板類家具。實木類家具原材料碳排放較低,人造板類家具電力碳排放較低。

(2) 實木類家具的原材料的碳排放熱點是鋸材和實木用油漆,共占其原材料碳排放總量的80%。人造板類家具的原材料碳排放熱點是中纖板,約占其原材料碳排放總量的70%,該熱點甚至超過實木類家具的原材料碳排放。4種家具設計的電力排放熱點都是噴涂工段,占電力排放的83% —92%,其中三聚氰胺板家具的排放量最少。

(3) 采用“可拆卸無膠連接方式”改進方案,減排效果顯著。相比于更換整件家具,更換一個框架部件可減排81%以上,更換一個面板部件可減排74%以上。采用“回收木材”改進方案,實木類家具減排較小,不足5%；人造板類家具減排較大,在26%以上。

綜上所述,從家具的生態設計角度考慮,由于中纖板和噴涂耗電的碳排放占有主導地位,建議采用以實木板為基板、以三聚氰胺紙為貼面制作面板,這樣的設計既可以排除中纖板造成原材料的碳排放,還可以避免由于噴涂帶來的電力排放,達到低碳生態的效果。此外,盡量采用可拆卸無膠結構,此結構不僅有利于使用中的維修更換,大大減少碳排放,還便于使用后的回收,為其他產品提供易于清潔的回收材料,進一步減少碳排放。故最終生態設計方案是以實木板為基板、以三聚氰胺紙為貼面制作面板,采用可拆卸無膠結構,可減排74% —97%。

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Calculation of the carbon footprint of eco-design furniture and measures for its mitigation: a case study of wooden furniture

ZHANG Nan1, LI Nan2, LIU Yi1, WANG Zhen1,*

1CollegeofEnvironmentalScienceandEngineer,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2AcademyofArts&Design,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China

China is a major producer of wooden furniture, but the carbon emissions associated with its production are higher than those of other forest products. However, eco-design, a design method based on life-cycles, could reduce the carbon footprint of wooden furniture. Multi-functional furniture has been developed as a benchmark of the improved designs based on ecological principles, including slit plate, jointed board, veneer board, and melamine board furniture. Emission reductions of different connectors and usage scenarios of recycled material were compared between four furniture designs using different materials. The emission reduction effects were then quantified. The results showed that the carbon footprint was highest for slit plate, followed by that of jointed board, veneer board, and melamine board furniture, in that order. The carbon footprint of two kinds of solid wood furniture was higher than that of artificial board furniture. The carbon emissions of the raw material of solid wood furniture and the power consumption for artificial board furniture production were low. Sawn timber and the painting of solid wood were the main sources of carbon emissions, and accounted for 80% of the raw materials. The carbon emissions of the Medium Density Fiberboard(MDF) were the hotspot in artificial board furniture, at about 70%, and were higher than that of solid wood furniture. The carbon emission hotspots of power usage were spraying, which accounted for 83%—92%, and the carbon emissions of melamine board furniture was the lowest. In contrast, the effect of the “removable glue connection” in reducing carbon emissions was considerable. Compared with replacing an entire piece of furniture, the reduction effect of replacing a frame component was more than 81%, and that of replacing a panel component was more than 74%. For the “recycling wood” improvement program, the reduction effect of solid wood furniture was small (< 5%). However, the reduction effect of artificial board furniture was larger (> 26%). Regarding the eco-design of furniture, because of the carbon emission of fiber board and spraying in a dominant position, it was recommended that solid wood should be used as a substrate with melamine paper veneer for the panels; this design could reduce the carbon emissions caused by MDF and spraying, and achieve the effect of a lower carbon requirement. In addition, the “removable glue connection” was effective for repairing the furniture, and reducing carbon emissions considerably. Therefore, the final ecological design was based on solid wood board for the substrate and melamine paper for the panel with a removable glue connection structure, which could reduce the carbon emission by about 74%—97%.

wooden furniture; eco-design; carbon footprint; life circle assessment

教育部人文社會科學研究規劃基金資助項目(10YJA630159)；國家林業局“948”引進項目(2011- 4- 79)；中國科學院戰略性先導科技專項資助項目(XDA05140200)；環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室專項經費資助項目(12K09ESPCT)

2015- 08- 25;

2016- 03- 17

10.5846/stxb201508251770

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangzhen@bjfu.edu.cn

張南,李楠,劉一,王震.生態設計家具的碳足跡核算與減排效果分析——以木質家具為例.生態學報,2016,36(22):7235- 7243.

Zhang N, Li N, Liu Y, Wang Z.Calculation of the carbon footprint of eco-design furniture and measures for its mitigation: a case study of wooden furniture.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7235- 7243.