生命周期評價在家電產品中的應用研究

車 帥 俞小成 朱培鑫 劉彥超 孫世海 陳顯賀

（1.沈陽化工大學機械與動力工程學院 沈陽 110020；2.中國科學院大連化學物理研究所 大連 116023）

引言

全球氣候變化和資源緊缺的挑戰，促使各國政府和企業采取更多的環境保護措施，提高家電產品的節能減排效果。消費者對家電產品的環境性能和社會責任的關注度不斷提高，形成了一種綠色消費的趨勢。通過對家電產品從原材料開采、制造、運輸、使用到廢棄處理等各個階段的環境影響進行分析和評估，可以找出改善產品環境性能的機會和方法，提高資源利用效率，減少污染排放，促進可持續發展。趙國慶[1]等采用LCA 方法對包鋼稀土產品從原材料采集、生產加工的生命周期過程進行了環境影響評價，解析了稀土產品生命周期碳排放的構成，在各個工序的分布情況，發現了產品全流程碳排放的最大影響因素，進而制定出科學的減碳策略，系統化、定量化地對稀土企業進行低碳規劃。本文簡單介紹了生命周期評價方法，系統總結了近年來生命周期評價在國內外家電產品應用的研究進展，旨在促進生命周期評價在家電產品中進一步推廣應用，方便家電產業進行低碳規劃。

1 生命周期評價

1.1 生命周期評價概述

LCA 是一種工具，用于綜合評估產品和服務在其整個生命周期中涉及的環境因素和環境影響[2]。生命周期評價的方法自1969 年問世以來，無論是在學術界還是工業界都得到廣泛的應用。LCA 是對產品系統從生產到廢棄的全過程中涉及的輸入、輸出以及潛在環境影響的綜合評估。LCA 主要包括四個步驟：明確評估目標和范圍、分析清單、評估影響和解釋評估結果。這些步驟共同構成了LCA 方法的全面評估過程[3]，如圖1 所示。

圖1 LCA 研究框架

1.2 生命周期評價的意義

LCA 方法特別注重產品在其生產過程中的各種能源的消耗以及生產過程中對環境所造成的影響。它的出現可以使人們在產品生產的過程中更加方便地去追求高效率、低污染、低能耗和低排放，更加有利于實現“碳中和”和“碳達峰”的目標，同時也大大的推進了清潔生產的步伐。從長遠的利益來說，將 LCA 運用于我國的工業化大生產中能夠大大提高生產的效率，減輕對環境危害的影響，有助于企業的發展以及我國社會主義經濟健康發展的進程[4]，如圖2 所示。

圖2 LCA 的意義

2 家電產品LCA 研究應用

2.1 電視

趙新等[5]根據PAS2050 評估標準和LCA 理論，開發了一款對家電產品進行碳排放評估的軟件，并以液晶電視為目標，對其從生產到回收全過程的資源利用、能源消耗和產品的回收利用研究。王玲等[6]基于德國的GaBi軟件對液晶電視生產制造過程中的環境影響進行了研究，并找出了對其生產過程中對環境影響最大的環節，針對性地提出了改進意見，對液晶電視的綠色制造提供了寶貴經驗。此后，王玲和劉陽[7]等人采用了LCA 方法，對電視機的水足跡和CML2001 進行了簡要分析。王玲和邢軍[8]等人還采用生命周期評價方法，通過GaBi 軟件對電視機進行了從“搖籃”到“墳墓”的全過程研究，針對電視機生產和使用階段的環境影響最大，采用蒙特卡洛仿真法，對其生產在制造過程進行了碳排放研究，并提出使用清潔能源發電和在不影響電視機使用性能的前提下使用對碳排放影響較小的材料代替等改進方案。

國外學者Roland H 等[9]對等離子（PDP）電視采用生命周期評價方法進行了詳細全過程LCA 研究，并首次將其與兩種競爭技術(陰極射線管CRT 和液晶顯示LCD)進行了比較。得出生產階段和使用階段是其最重要的生命周期階段，而運輸階段和回收階段對環境影響則相對較小。PDP 技術在每平方英寸屏幕上對環境的影響最小，但也有最高的電力消耗。為了減少環境影響，并提出了延長電子設備的使用壽命，提高回收效率，減少電力消耗，并使用更多可再生能源的建議。

Nicholas J.T 等[10]研究了液晶電視從“搖籃”到“大門”的生命周期評價影響，特別關注三氟化氮（NF3）的排放。NF3是溫室氣體，但當時未被《京都議定書》監測。得出液晶電視使用階段對全球變暖影響最大，NF3對全球變暖潛能值的貢獻很小。然而隨著能源效率的提高，NF3可能會變得很重要。該研究為制造商提供了確定溫室氣體最大來源及其在產品生命周期分析中的聯系的能力，如圖3 所示。

圖3 LCA 軟件工作流程圖[20]

Rikke D 等[11]對電視進行生命周期評估，分析除使用階段的能源消耗分析外，是否應將其他環境熱點和生命周期階段包括在生態設計指示的IM 的要求內。得出對于IM 中未來的需求設置，有必要建立覆蓋產品更多生命周期階段的需求，以解決最重要的影響。Roland H 等[12]之后又對FED電視設備進行了生命周期評估（LCA）研究，分析了其與當今顯示技術的環境影響比較，并考慮了納米顆粒的使用。得出FED 電視設備的生產階段對環境影響最大，而使用階段則具有明顯的優勢。研究還強調了在LCA 研究中充分整合納米顆粒釋放的重要性，以實現真正全面的評估，如圖4 所示。

圖4 典型電視機全生命周期系統邊界[7]

2.2 冰箱

張建普等[13]介紹了一種基于企業ERP 系統的產品環境影響評價體系，解決了生命周期評價在數據收集方面的困難，并以電冰箱為例進行了實證分析。侯堅[14]分析了家用電冰箱產品在原材料選擇、生產、包裝、使用和報廢階段的生態設計評價應用，介紹了一種生態設計改進分析方法，并計算分析了典型家用電冰箱產品的生命周期環境影響，分析出可取的改進措施，有助于企業改進產品的同時減小環境影響且不過多增加生產成本。張北鯤等[15]分析了家用冰箱的生命周期碳足跡，并用調整容積的方法統一了冰箱產品的功能描述。然后，根據產品功能和生命周期碳排放的關鍵影響因素，建立了家用冰箱的生命周期碳排放評價指標體系，為電冰箱的低碳設計提供支持。

楊歡等[16]采用全生命周期評價（LCA）法對10 000臺冰箱的能源消耗和環境影響進行了分析。得出結論，使用階段是最主要的影響因素，其次是原材料提取階段和制造階段，廢棄處理階段和銷售運輸階段相對較小。指出要減少冰箱行業對環境的負面影響，提高環境質量的關鍵是降低使用階段的電能消耗，并建議冰箱生產企業改進產品節能設計，提高冰箱能效水平和消費者節能意識，如圖5 所示。

圖5 典型冰箱產品LCA 系統邊界

國外學者Alexis G 等[17]通過電冰箱實例介紹了一種基于LCA 的方法和工具，可以讓設計師在概念設計階段，用“生命周期磚”來構建和分析產品的生命周期及其環境影響，并提出改進方案。該方法不需要準確的產品結構，只需要一些抽象化的數據，就可以讓設計師對環境影響有所了解。Anne-Sophie F 等[18]使用了基于ISO 14040 的生命周期評估方法，介紹了巴西的冰箱回收系統對環境的影響和優勢，以及它如何作為一種節能措施。

Federica C 等[19]探討了環境可持續性和循環經濟在冰箱/冷凍柜生命周期中的作用。作者指出，環境可持續性對企業有利，可以降低能源、資源和關鍵材料的消耗，減少產品生命周期足跡。循環經濟則提供了多種策略，如回收、再利用、再制造和延長壽命，以減少影響。作者使用生命周期評估（LCA）方法評估了冰箱/冷凍柜從制造到廢棄的整個過程中的環境表現，并重點分析了泡沫老化對產品熱性能和耐久性的影響。作者認為，需要從宏觀層面上合理地評估泡沫老化，并在更換零件或整體產品時做出明智而全面的選擇。為從環境可持續性角度考慮使用階段需要大量資源的產品提供了一種有效地整合實際參數和耐久性演變的方法。

2.3 空調

蔣詩新等[20]使用GaBi 軟件對家用空調進行全生命周期評價研究，得出其全生命周期的碳排放總量，其中使用階段占比最多，同時通過不確定分析和敏感性分析得知影響該產品碳排放的主要因素，針對性提出了相應的改進意見。劉陽等[21]采用eFootprint 軟件對空調進行生命周期碳足跡分析，發現使用階段占總排放量的95.06 %，建議改進關鍵部件的環保節能技術以減少碳排放。周麗[22]評價了家用空調全生命周期的環境影響，發現使用階段影響最大，并從設計、生產、使用和回收等方面提供改善意見。

張城等[23]介紹了一種基于全生命周期分析和商空間理論的家電產品低碳認證方法，該方法可以識別出產品生命周期中碳排放的主要階段和關鍵因素，并以空調產品為例進行了實證分析，驗證了該方法的可行性和有效性，為家電產品低碳設計、推動低碳消費和實現國家減排計劃任務提供理論支撐。胡嘉琦等[24]開發了基于生命周期理論的家電產品環境績效評估軟件，并以家用空調為例，對其生命周期各階段環境性能進行評價，為家電產品低碳設計提供了指導。李小燕等[25]使用生命周期評價方法比較了R290 和R32 兩種制冷劑在家用空調中的碳排放。結果顯示，R290 的碳排放比R32 低15 %，用R290 替代R32 對環境有利，也提醒了制冷劑回收策略的風險。

國外學者Stephen A 等[26]以新加坡空調系統為例，探討了使用階段用戶行為對全球變暖的影響，使用從傳感器獲得的高分辨率數據集，對單個辦公室使用者的能源使用和行為模式進行了概率分布的描述，并將個體間的變異性和使用階段變量傳播到模型中，通過蒙特卡羅分析進行了模擬。通過生成的不確定性分析，確定了通過改善用戶互動來減少全球變暖影響的可能性。

Maggie D 等[27]指出空調系統的能源消耗和溫室氣體排放對氣候變化有負面影響，因此需要對不同的空調技術和方法進行比較，以提高可持續性。但，目前已發表的空調系統LCA 之間缺乏一致性和可比性，主要是因為功能單元的定義不同。功能單元是LCA 中用來描述產品或服務的基本功能和數量的指標。他建議將空調系統的功能單元定義為向受控空間添加或移除1 MJ 熱量，以確保未來的研究可以進行比較，如圖6 所示。

圖6 空調產品LCA 典型研究范圍

Aiman Z 等[28]選擇了一種窗式空調作為案例，按照ISO 14044-2006 LCA 標準，對其進行了環境清單分析，并與新制造空調進行了比較。這個案例展示了如何識別和記錄空調再制造過程的環境清單，為進一步的研究提供參考，以比較不同空調再制造方式和新制造方式的環境負擔，也為空調廠商在考慮其產品是否進行再制造時，更好地評估其整體環境績效。

3 結語

通過對家電產品的生命周期評價綜述，可以發現雖然國外在這方面起步較早，但近年來我國在這一方面的研究也在不斷擴展和深入，我國已經將LCA 運用到了絕大多數的家電產品中，并且取得了不錯的成果，為綠色制造和節能減排做出了貢獻。家電產品LCA 可以幫助我們掌握某款家電產品帶來的特定環境影響情況，識別某款家電產品環境協調性方面的問題與改善潛力，不同款產品間環境影響的相互比較，進行家電產品指定單元過程的工藝方案優化或決策，產品設計過程中的方案比較，企業環境績效評價，環境標志和聲明等。目前，家電產品LCA 存在的問題主要有以下幾個方面：數據的獲取和管理困難，缺乏統一的數據庫和標準；方法的選擇和應用不一致，缺乏通用的評價框架和指標體系；結果的解釋和傳播不充分，缺乏有效的溝通和反饋機制；服務的創新和延伸不夠，缺乏與消費者和社會需求相適應的服務模式。這些問題限制了家電產品生命周期評價的發展。相信通過改進以上幾點，就能夠在最大程度上體現出LCA 在家電產品中的巨大優越性，并且最大的減小環境負荷，也可以更好的促進我國經濟和環境的發展，為LCA 在我國取得長遠的發展做好鋪墊。