離心式冷水機組生命周期影響評價及關鍵影響因素分析

吳俊峰　張秀平　賈 磊　何亞峰　黃 磊

(合肥通用機械研究院　合肥　230088)

?

離心式冷水機組生命周期影響評價及關鍵影響因素分析

吳俊峰張秀平賈 磊何亞峰黃 磊

(合肥通用機械研究院合肥230088)

離心式冷水機組市場發展迅速，其生命周期中對環境產生的負面影響也日益受到關注。為了辨識離心式冷水機組全生命周期內環境影響的主要階段和關鍵影響因素，為產品的優化設計提供依據，運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組的原材料獲取、生產、運輸、使用和回收再利用全生命周期過程的環境影響進行了定量評價，并對相關參數進行了敏感性分析。評價結果表明:機組整個生命周期環境影響主要體現在氣候變暖和酸化，在同溫層臭氧減少、富營養化、不可再生資源消耗等方面影響稍小；在造成的環境影響方面，使用和維護階段的電能消耗是主要環節。敏感性分析結果表明，機組的制冷劑類型、能效水平和運行時間是機組環境影響的關鍵影響因素。

離心式冷水機組；環境影響；生命周期評價；全球變暖潛值；電能消耗

離心式冷水機組由于其單機制冷量大、高效、結構緊湊、工作可靠和運行維護費用低等特點，廣泛應用于大型公共建筑的舒適性中央空調系統和工業制冷工藝過程。近年來，我國離心式冷水機組市場一直保持高速發展態勢，在產品高速發展的同時，會消耗大量的能源和原材料，排放相應的污染物，對環境產生多種負面影響。現有的產品標準體系側重于機組的能效水平評價，而已有的制冷系統環境影響相關的評價指標和方法，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，側重于評價產品生命周期的某個階段或者環境影響的某個方面，缺乏客觀性和全面性[1]。對離心式冷水機組進行生命周期評價(LCA，life cycle assessment)[2]，可以直觀地了解其全生命周期內各階段的能源消耗、資源消耗和環境污染物排放情況，為產品能耗控制、綠色設計等提供依據。

采用LCA方法對制冷空調產品進行評價，國內外已有一定的研究。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、熱泵熱水器等制冷空調產品的全生命周期碳足跡進行評估。上述研究側重于產品碳排放的影響評價，未能全面反映同溫層臭氧減少、酸化以及富營養化等其它環境影響水平，而全面了解制冷空調產品的各類環境影響水平是進行產品綠色設計的關鍵，國內外也進行了相關研究，如鄭元等[8]利用LCA方法建立了水源中央空調系統生命周期分析模型；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、水源熱泵和燃氣鍋爐的各類環境影響水平進行了分析和對比；Bukoski J等[10]采用LCA方法對太陽能輔助吸收式冷水機組和傳統蒸氣壓縮式冷水機組的各類環境影響進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的生命周期環境影響進行了對比分析。

目前，應用LCA方法進行制冷空調產品生命周期的環境影響評價研究，已取得了積極進展，在空調、熱泵產品使用階段碳排放的貢獻方面取得了共識，但對于離心式冷水機組生命周期的環境影響評價還顯不足。另外，當前評價結果解釋主要針對不同產品的評價結果對比和產品各生命周期階段的影響，缺乏導致各影響的具體過程的深入分析，無法有針對性的進行優化改進。

本研究將基于離心式冷水機組清單數據的可獲得性，構建簡化的、具有可操作性的離心式冷水機組全生命周期環境影響評價模型，通過實例分析，辨識離心式冷水機組全生命周期內環境影響的主要階段和關鍵影響因素，以期為產品的優化設計提供依據，同時為類似產品的生命周期評價提供借鑒。

1 研究目標與范圍

1.1 研究對象

本文選取某型離心式冷水機組為研究對象，機組的主要參數如表1所示。功能單位選取一臺離心式冷水機組產品。

表1 離心式冷水機組主要技術參數

1.2 系統邊界

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

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

2 清單分析

2.1 數據來源與收集

對于企業現場投入和排放數據，根據離心式冷水機組的生產特點，選擇裝配關系作為數據收集程序，將機組分解為零(部)件，列出零(部)件的單元過程，由設計、生產人員對零部件的單元過程輸入、排放數據進行收集和整理。由于單元過程數據種類很多，根據數據的可獲得性和重要性進行適當的取舍，忽略了部分外協件的加工、運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、耗材的背景數據，選取四川大學開發的中國生命周期基礎數據庫(CLCD)[12]和歐盟生命周期基礎數據庫(ELCD)中的基礎數據。其中電能、銅材、鋼材、鋁材等能源、耗材以及產品運輸等清單數據主要來自CLCD，而CLCD未包含的塑料、氮氣等耗材的清單數據參考ELCD。背景數據選取全國平均水平數據。

2.2 離心式冷水機組生命周期清單數據

1)原材料獲取階段

該階段的主要環境影響來自機組及其零部件主要用材的開采和生產過程。機組的主要零部件包括壓縮機、換熱器、系統框架以及控制元件等，根據企業調研的數據得到機組各零部件的材料清單，具體如表2所示。

表2 離心式冷水機組的主要部件及材料清單

2)機組及其零部件的加工與裝配階段

該階段的主要環境影響來自機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)的生產過程以及加工工藝過程帶來的廢氣和廢水的排放。限于數據的可獲得性，本文忽略了機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件生產過程中的投入。另外，在機組及零部件生產裝配過程中，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。根據企業調研的數據得到機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

該階段的主要環境影響來自機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組整個生命周期的耗能數據，本文根據機組的實測IPLV性能系數，以我國多數國家標準選取的夏熱冬冷地區作為標準運行地區，選取機組年制冷運行小時數1366 h[13]，機組運行壽命15年，估算獲得。GB/T 18430.1—2007[14]中冷水機組的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分別為機組100%、75%、50%和25%負荷時的性能系數COPc；系數0.023、0.415、0.461和0.101分別表示機組100%、75%、50%和25%負荷時的負荷×小時數的權重。假設機組年運行在100%、75%、50%和25%負荷條件下的小時數分別為t1、t2、t3和t4，那么應用方程組(2)可以獲得不同負荷條件下的年運行小時數。利用公式(3)可以估算出機組全年制冷時消耗的總電量Ey，式中Q為機組名義制冷量，kW。

(2)

(3)

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

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

m=m0×[(1-αrecovery)+L×n]

(4)

式中：m為制冷系統生命周期制冷劑充注量，kg；m0為制冷系統設計充注量，kg；L為制冷劑年泄漏率，%/年；n為系統設計運行年數，年；αrecovery為制冷劑回收/再循環系數。

4)產品運輸

該階段的主要環境影響來自于運輸過程工具的能源消耗和尾氣排放。本文中根據企業實際調研，機組采用中型柴油貨車運輸，從廠商到使用地的運輸距離為200km。

5)回收與再利用

對于離心式冷水機組而言，根據企業調研，機組廢棄后，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據的選取時，背景數據已經考慮了廢材循環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。限于數據的可獲得性，忽略機組報廢拆解以及制冷劑銷毀過程的投入和排放。

6)清單分析結果

通過對離心式冷水機組的全生命周期的計算，得出機組全生命周期內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據，一般生命周期的計算結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的生命周期清單。

表4 離心式冷水機組生命周期清單

3 生命周期影響評價

3.1 環境影響潛值計算

當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對環境造成影響的直接后果，而面向損害是指將直接影響進一步轉化為對人體健康、生態系統以及資源消耗造成的最終損害，國內目前進行面向損害評價時缺乏大量的本地化環境信息[15]。因此，本文選取國際ISO14040系列標準采用的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、富營養化以及光化學氧化劑形成共六種環境影響類型進行特征化處理，獲得機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果經歸一化無量綱處理和加權計算，以此分析該機組全生命周期中的環境影響。特征化模型和特征化、歸一化以及加權計算結果見表5，具體計算方法見文獻[1]。

表5 特征化模型與環境影響潛值

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

3.2 貢獻分析

1)生命周期各階段對環境影響指標的貢獻

表6所示為機組生命周期各階段對于環境影響指標的貢獻比例。從表中可以看出，該機組各影響類型的主要貢獻均來自機組使用與維護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，其它階段過程貢獻基本可以忽略。

表6 離心式冷水機組生命周期各階段對環境影響指標的貢獻

2)各環境影響類型對環境影響指標的貢獻

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

圖2 離心式冷水機組各環境影響類型的貢獻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因素的變化來定量分析環境影響的變化程度。從上面的分析可以看出，機組生命周期各影響類型的主要貢獻均來自機組使用與維護階段電能的消耗，而影響機組能耗的關鍵因素，包括機組的能效水平和運行時間等。另一方面，目前行業上比較關注制冷劑替代工作，所以很有必要分析下更換制冷劑后，機組產品的環境影響水平。因此，本文分別針對機組的綜合部分負荷性能系數、運行時間和制冷劑類型3個影響因素對機組的生命周期環境影響進行敏感性分析。計算結果如表7所示。

從表7中可以看出，制冷劑類型對于機組生命周期的環境影響最為敏感，當保持其它因素不變的情況下，將機組的制冷劑類型由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類物質淘汰計劃，其ODP的權重比較高，因此，其整個生命周期的環境影響加權綜合值提高145.45%。此外，機組整個生命周期的耗電量對于機組生命周期的環境影響也比較明顯，提高機組的綜合部分負荷性能系數和降低機組生命周期運行小時數，均降低了機組生命周期內的能耗，從表7可以看出，將機組的IPLV值由原來的7.06提高到8.1，各影響潛值均有所降低，綜合加權值降低11.07%；將機組的運行小時數降低20%，由1366 h降低到1093 h后，各影響潛值均有所降低，綜合加權值降低17.79%。

表7 不同要素對環境影響潛值變化的敏感性分析

5 結論

1)本文基于生命周期評價方法建立了離心式冷水機組的環境影響評價模型，針對某型離心式冷水機組產品從原材料獲取、產品及其零部件的加工與裝配、運輸、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、富營養化以及光化學氧化劑形成共六類環境影響的潛力。

2)從分析結果來看，離心式冷水機組生命周期各影響類型的主要貢獻均來自機組的使用階段電能的消耗和制冷劑排放，為機組生命周期的主要環境負荷影響源；而生命周期內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、生命周期運行能耗是機組產品環境影響的關鍵貢獻因素。因此，在機組產品設計時采用低GWP、零ODP的環境友好型制冷劑，并盡可能的提高機組綜合部分負荷性能系數；在機組運行階段，通過中央空調系統的優化控制和運行管理等手段，降低系統運行時間，均可以有效降低機組產品整個生命周期的環境負荷。

本文受合肥通用機械研究院青年科技基金項目(2014010440)和質檢公益性行業科研專項(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).)

[1]吳俊峰，張秀平，賈磊，等. 制冷和供熱用機械制冷系統環境影響評價方法初探[J].流體機械, 2013，41(5):79-84.(WU Junfeng，ZHANG Xiuping，JIA Lei，et al. Discussion on environmental impact assessment method of cooling and heating[J]. Fluid Machinery, 2013，41(5):79-84.)

[2]全國環境管理標準化技術委員會. GB/T 24044—2008 環境管理 生命周期評價 要求與指南[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3]Johnson E P. Air-source heat pump carbon footprints: HFC impacts and comparison to other heat sources[J]. Energy Policy，2011，39 (3):1369-1381.

[4]Guan Y，Shao C，Tian X，et al. Carbon footprint attributed to aluminum substitution for copper in the Chinese indoor air conditioner industry[J]. Journal of Cleaner Production，2013，51(14):126-132.

[5]姜文秀，蔡亮，蔡君魏，等. 集中式空調系統生命周期碳排放評估[J].建筑科學, 2014，30(4):31-35.(JIANG Wenxiu，CAI Liang，CAI Junwei，et al. Assessment on life-cycle carbon emission of centralized air conditioning system[J]. Building Science, 2014，30(4):31-35.)

[6]孫鋅，劉晶茹，楊東，等. 家用空調碳足跡及其關鍵影響因素分析[J].環境科學學報, 2014，34(4):1054-1060.(SUN Xin，LIU Jingru，YANG Dong，et al. The carbon footprint household air-conditioner and its key influence factors[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014，34(4):1054-1060.)

[7]呂鳳，賴麗娟，饒國燃. 空氣源熱泵熱水器全生命周期碳排放研究[J].節能, 2015(4):23-25.(LYU Feng，LAI Lijuan，RAO Guoran. Life cycle carbon emissions research of air source heat pump[J]. Energy Conservation, 2015(4):23-25.)

[8]鄭元，張天柱. 水源中央空調系統生命周期分析模型[J].上海環境科學, 2001，20(8):387-389.(ZHENG Yuan，ZHANG Tianzhu. Model of life cycle analysis on water source heat pump system[J]. Shanghai Environmental Sciences, 2001，20(8):387-389.)

[9]Greening A A B. Domestic heat pumps: life cycle environmental impacts and potential implications for the UK[J]．Energy，2012, 39(1):205-217.

[10] Bukoski J , Gheewala S H , Mui A , et al. The life cycle assessment of a solar-assisted absorption chilling system in Bangkok, Thailand[J]．Energy & Buildings，2014, 72(2):150-156.

[11] Yanagitani K , Kawahara K. LCA study of air conditioners with an alternative refrigerant[J]．International Journal of Life Cycle Assessment， 2000, 5(5):287-290.

[12] 劉夏璐，王洪濤，陳建，等. 中國生命周期參考數據庫的建立方法與基礎模型[J].環境科學學報, 2010,30(10):2136-2144.(LIU Xialu, WANG Hongtao, CHEN Jian, et al. Method and basic model for development of reference life cycle data base[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2010,30(10):2136-2144.)

[13] 張明圣，彭飛，石竹青. 中央空調用電力驅動冷水機組年耗電量分析計算[J].制冷與空調, 2010,10(6):11-13.(ZHANG Mingsheng, PENG Fei, SHI Zhuqing. Analysis and calculation of annual electricity consumption with electric chillers for central air-conditioning[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2010,10(6):11-13.)

[14] 全國冷凍空調設備標準化技術委員會. GB/T 18430.1—2007 蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組 第1部分：工業或商業用及類似用途的冷水(熱泵)機組[S].北京：中國標準出版社，2007.

[15] 候萍.中國電網電力的生命周期評價研究[D].成都：四川大學, 2012年5月.

[16] Guinée J B, Gorrée M, Heijungs R, et al. Handbook on life cycle assessment: operational guide to the ISO standards [M]. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2002：15-387.

[17] JRC of European Commission. ILCD Handbook: Analysis of existing environmental impact assessment methodologies for use in life cycle assessment[EB/OL]. (2010)[2015-11-20]. http://eplca.jrc.ec.europa.eu/?page_id=86.

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，合肥通用機械研究院制冷空調事業部，13856047814，E-mail：wjf0120@sina.com。研究方向：制冷空調產品研發及測試評價技術研究。