家電產(chǎn)品生命周期評估分析:以家用空調(diào)為例

胡嘉琦 朱寬寬 杜 彬 鄧梅玲 韓文生

（1.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300； 2.合肥工業(yè)大學(xué) 合肥 230009）

引言

近年來，中國社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，包括家用空調(diào)在內(nèi)的家電產(chǎn)品的使用量也不斷增加。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：2018年家用空調(diào)產(chǎn)量為14 985.05臺，同比增長4.4 %；2018年12月，家用空調(diào)產(chǎn)量為1 157萬臺，同比增長3.17 %。[1]然而，家電產(chǎn)品使用量的快速增加給人們生活帶來便利的同時，也引發(fā)了能源消耗大與環(huán)境污染嚴(yán)重等一系列問題。產(chǎn)品對環(huán)境的影響存在于從原材料獲取到廢物回收的整個生命周期，而且對于不同種類的產(chǎn)品需要不同的評價方法。為了準(zhǔn)確高效的評價與分析家用空調(diào)對環(huán)境的影響，開發(fā)一種面向家用空調(diào)的基于生命周期理論的家電產(chǎn)品環(huán)境績效評估系統(tǒng)是十分有必要的。

從1969年美國中西部研究所對飲料容器從原材料獲取到廢棄物處理全過程的跟蹤有分析開始，到目前為止，國內(nèi)外已經(jīng)有大量學(xué)者對不同類型產(chǎn)品進行生命周期的分析研究。美國Argonne實驗室[2]針對汽車替代燃料全生命周期建立了GREET模型,并對其做了大量的實例研究,對汽車燃料生命周期的能源消耗和氣體排放分析,并對其中各個具體階段進行對比闡述。Haapala等[3]建立了產(chǎn)品制造過程的能耗預(yù)測模型，并對產(chǎn)品的環(huán)境績效分析,有效降低了其生命周期中能源及原材料的消耗與廢棄物的排放。龍?zhí)K華等[4]運用中國汽車生命周期評價系統(tǒng) (CALCA)，對汽車零部件生命周期評價進行研究，識別汽車零部件生命周期內(nèi)不同階段的對環(huán)境的影響。鐘言久等[5]根據(jù)聚酯樹脂產(chǎn)品的生產(chǎn)特點，開發(fā)一種基于生命周期理論的聚酯樹脂產(chǎn)品環(huán)境績效評價工具，為聚酯樹脂的生命周期分析提供指導(dǎo)。呂杰鋒等[6]對共享單車生命周期不同階段的環(huán)境影響進行對比分析,從設(shè)計的角度提出改進建議，彌補作為可持續(xù)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的共享單車在可持續(xù)方面的欠缺，讓共享單車更可持續(xù)。

總的來說，全球范圍內(nèi)對產(chǎn)品生命周期分析已進行了非常多的研究，但針對家電產(chǎn)品的生命周期分析卻寥寥無幾，而家電產(chǎn)品產(chǎn)量的逐年增加給環(huán)境帶來的影響卻日益嚴(yán)重。因此，為了減少家電產(chǎn)品在生命周期各階段對環(huán)境的影響，引導(dǎo)綠色消費，保護生態(tài)文明，對家電產(chǎn)品進行全生命周期分析顯得尤為重要。本文在對家用空調(diào)分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于生命周期理論的家電產(chǎn)品環(huán)境績效評估軟件1.0，通過該軟件對家用空調(diào)建立了生命周期模型，實現(xiàn)了家用空調(diào)的分階段分工藝環(huán)境性能評價，為設(shè)計人員進行家用空調(diào)的低碳設(shè)計提供支持。

1 生命周期評價系統(tǒng)設(shè)計

家電產(chǎn)品環(huán)境績效評估軟件1.0運行環(huán)境為Windows7及以上的操作系統(tǒng)以及Sqlite3數(shù)據(jù)庫，使用的匯編語言為JavaScript和HTML5。該軟件的主要功能是為家電產(chǎn)品提供環(huán)境影響評價方法和計算框架，評估家電產(chǎn)品的環(huán)境績效，能夠滿足不同產(chǎn)品的評價需求，保證評價實時性和可靠性。

1.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

圖1 評估軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)生命周期評價原則和功能要求，整個系統(tǒng)分為五個功能模塊：基本信息功能模塊、清單數(shù)據(jù)功能模塊、LCA評估功能模塊、信息查詢功能模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊，同時支持計算結(jié)果的分析和導(dǎo)出等功能，如圖1所示為評估軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖。

1）基本信息功能模塊

基本信息功能模塊主要用于存儲案例的基本信息，包括基本信息和確定需評估的家電產(chǎn)品生命周期階段兩部分。

基本信息用于存儲案例名稱、產(chǎn)品型號、功能單位、評價目的、數(shù)據(jù)取舍原則等信息。家電產(chǎn)品生命周期階段一般包括原材料獲取、生產(chǎn)階段、制造階段、使用階段和回收等階段，用戶可以根據(jù)需要自定義。

2）清單數(shù)據(jù)功能模塊

清單數(shù)據(jù)功能模塊主要用來添加產(chǎn)品生產(chǎn)所需要的原材料獲取、生產(chǎn)制造、運輸、使用階段和廢棄回收五個部分?jǐn)?shù)據(jù)。

在原材料獲取數(shù)據(jù)中，主要添加家電產(chǎn)品所需要的原材料名稱、用量等信息；生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)中，主要添加每個工藝階段需要的能耗信息和排放的廢棄物；運輸數(shù)據(jù)包括原材料運輸和產(chǎn)品運輸兩個階段的運輸重量、運輸距離和運輸方式；使用階段包括使用年限、耗能類型以及日耗電量；廢棄回收階段主要包括回收階段輸入的能量、排放的廢物。

3）LCA評估功能模塊

LCA評估為軟件的環(huán)境績效計算模塊。該部分主要分為碳排放分析、CML 2001分析和水足跡分析三個部分，分別計算家電產(chǎn)品原材料使用、能源使用、廢物排放以及廢棄能量輸出各過程的碳排放結(jié)果、CML 2001指標(biāo)評估結(jié)果和水足跡。

4）信息查詢功能模塊

信息查詢功能模塊主要為政策法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的查詢，雙擊每個條目名稱，就會自動打開其所在網(wǎng)頁，從而進行信息查詢與預(yù)覽。

5）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊主要用來管理基本數(shù)據(jù)，包括輸入輸出信息管理和相關(guān)信息管理。在輸入輸出信息管理中，添加或者刪除基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。相關(guān)信息管理中，添加或刪除法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)信息。

1.2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計

家電產(chǎn)品環(huán)境績效評估軟件1.0是基于生命周期理論的家電產(chǎn)品環(huán)境績效評估系統(tǒng)，其工作流程可以分為4個步驟：目標(biāo)與范圍確定、各階段數(shù)據(jù)導(dǎo)入、生命周期分析、結(jié)果展示，如圖2所示為軟件工作流程圖。

步驟1：評價目標(biāo)和范圍確定：該步驟主要工作是確定研究對象，確定系統(tǒng)邊界以及主要功能單元，將這些確定后的信息填入基本信息功能模塊中。

步驟2：各階段數(shù)據(jù)導(dǎo)入：該步驟主要導(dǎo)入家電產(chǎn)品生命周期各階段數(shù)據(jù)，包括原材料獲取、生產(chǎn)制造、運輸、使用和廢棄回收五個部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖2 軟件工作流程圖

步驟3：生命周期分析：導(dǎo)入家電產(chǎn)品清單分析階段的消耗與排放數(shù)據(jù)之后，軟件自動對家電產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)的碳排放、CML 2001和水足跡進行分析計算。

步驟4：結(jié)果展示：軟件進行生命周期分析以后，將分析結(jié)果以柱狀圖和餅狀圖的形式展示出來，用戶可以根據(jù)研究目標(biāo)進行選擇。

2 家用空調(diào)生命周期分析

2.1 評價目標(biāo)與范圍確定

1）目標(biāo)確定

本文選用華凌空調(diào)的某款產(chǎn)品室外機的高壓閥部件作為分析對象,對其從原材料獲取到廢物回收的全生命周期中的資源使用、能源消耗、廢物排放以及廢棄能量輸出進行分析,確定對環(huán)境影響最大的階段和主要影響因素，探索降低能耗和排放的具體方式。根據(jù)產(chǎn)品的生命周期定義以及高壓閥部件生產(chǎn)的特點，高壓閥部件生命周期不涉及使用階段，故本文確定研究其生命周期中的四個階段：原材料獲取階段、生產(chǎn)制造階段、運輸階段和回收階段。

2）系統(tǒng)邊界

高壓閥部件的系統(tǒng)邊界是對高壓閥部件進行生命周期分析，并且收集相應(yīng)階段數(shù)據(jù)的重要邊界。根據(jù)ISO 14041標(biāo)準(zhǔn)，高壓閥部件的邊界包括原材料獲取階段、生產(chǎn)制造階段、運輸階段和回收階段四部分。家用空調(diào)高壓閥部件生命周期系統(tǒng)邊界如圖3所示。

3）功能單位

本文選定的功能單位是廣州華凌空調(diào)的某款產(chǎn)品室外機的高壓閥部件。

2.2 清單分析

1）原材料獲取階段

本研究中原材料數(shù)據(jù)清單根據(jù)產(chǎn)品原始物料清單經(jīng)過修正綜合分析得到的。高壓閥部件由分液管、高壓閥接管、U型支撐等零件組成，主要考慮的原材料包括銅、聚酰胺纖維、環(huán)氧樹脂三類，其他材料由于使用量較少，不予考慮。如表1所示為原材料獲取階段數(shù)據(jù)。

2）生產(chǎn)制造階段

高壓閥部件由多個零件組成，其生產(chǎn)制造階段主要在配管車間內(nèi)完成，包括分液管、高壓閥接管、U型支撐、節(jié)流閥、高壓閥和毛細(xì)管的制造與各零件之間的焊接。該階段主要在電力帶動下工作，主要消耗電能，生產(chǎn)制造階段數(shù)據(jù)清單表2所示。

3）運輸階段

圖3 家用空調(diào)系統(tǒng)邊界

表1 原材料獲取階段數(shù)據(jù)

表2 生產(chǎn)制造階段數(shù)據(jù)清單

表3 運輸階段數(shù)據(jù)清單

表4 回收階段數(shù)據(jù)清單

本研究中運輸階段主要考慮家用空調(diào)的銷售運輸過程，本款家用空調(diào)主要銷售區(qū)域為北京，采用貨車運輸?shù)姆绞綇膹V州運往北京，燃料類型為柴油，運輸階段數(shù)據(jù)清單如表3所示。

圖4 總碳排放當(dāng)量餅圖

4）回收階段

回收階段主要是對家用空調(diào)高壓閥部件進行拆解及材料回收。該階段對環(huán)境的影響主要來源于回收設(shè)備的消耗的電能?；厥针A段數(shù)據(jù)清單如表4所示。

2.3 結(jié)果分析

完成家用空調(diào)高壓閥部件基本信息及各階段數(shù)據(jù)的導(dǎo)入以后，軟件自動對家電產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)的碳排放、CML 2001和水足跡進行分析計算。

如圖4所示為高壓閥部件總碳排放當(dāng)量餅圖。由餅圖可知，總碳排放當(dāng)量為1.840 80（kgCO2eq.）。其中原材料獲取階段碳排放當(dāng)量為1.700 96（kgCO2eq.），生產(chǎn)制造階段碳排放當(dāng)量為0.030 76（kgCO2eq.），運輸階段碳排放當(dāng)量為0.1005 9（kgCO2eq.），回收階段碳排放當(dāng)量為0.008 49（kgCO2eq.）。對比各階段碳排放當(dāng)量，原材料獲取階段碳排放量最大，占總數(shù)的92.4 %，回收階段碳排放量最少，僅占總數(shù)的0.46 %。

根據(jù)家電產(chǎn)品環(huán)境績效評估軟件1.0分析結(jié)果，列出家用空調(diào)高壓閥部件CML 2001影響潛能值如表5所示，各階段CML 2001評估結(jié)果柱狀圖如圖5所示。分析可知，家用空調(diào)高壓閥部件CML 2001各類影響潛能中海水水生生態(tài)毒性潛能值(MAETP inf)最大，非生物資源（ADP化石）消耗量也比較大。生命周期各階段的海水水生生態(tài)毒性潛能值(MAETP inf)原材料獲取階段最大，非生物資源（ADP化石）消耗量原材料獲取階段也為最大。

由以上分析結(jié)果可知，家用空調(diào)高壓閥部件從生產(chǎn)制造到廢棄回收的全生命周期內(nèi)，原材料獲取階段對環(huán)境的影響最大。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是高壓閥原材料主要是銅和塑料高分子，銅礦在開采、冶煉、金屬加工過程中需要排放大量煙塵及廢水，煙塵中含有大量CO2及有毒氣體，對大氣造成污染。廢水中含銅量比較多，含有酸性及有毒物質(zhì)，排放到外界污染水資源。而塑料在制作過程中需要加熱，加熱到一定溫度會分解出酸、酯、過氧化物、CO、CO2等有害物質(zhì)，同時，通常塑料制品在生產(chǎn)過程中需要添加抗氧劑、穩(wěn)定劑和著色劑，這些都對大氣和水資源有很大的影響。

家用空調(diào)高壓閥部件生命周期原材料獲取階段對環(huán)境的影響最大，因此在獲取原材料時需要改進原材料制取工藝，或者在不改變家用空調(diào)性能的情況下改用其他對環(huán)境影響較小的物質(zhì)代替，同時也要盡可能的降低其他階段對環(huán)境的影響。

3 結(jié)論

本文在對家用空調(diào)外機高壓閥部件生命周期分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于生命周期理論的家電產(chǎn)品環(huán)境績效評估系統(tǒng)。本文首先介紹了生命周期評價系統(tǒng)的設(shè)計，包括其架構(gòu)設(shè)計和工作流程設(shè)計，然后通過家電產(chǎn)品環(huán)境績效評估軟件1.0，對家用空調(diào)建立了生命周期模型，實現(xiàn)了家用空調(diào)的分階段分工藝環(huán)境性能評價，列出了家用空調(diào)外機高壓閥部件生命周期各環(huán)節(jié)的碳排放和CML 2001柱狀圖，得出家用空調(diào)高壓閥部件生命周期原材料獲取階段對環(huán)境的影響最大，并且提出準(zhǔn)確的改進方案。

表5 CML 2001影響潛能值

圖5 總CML 2001評估結(jié)果柱狀圖

通過對家用空調(diào)外機高壓閥部件生命周期分析，可以證明家電產(chǎn)品環(huán)境績效評估軟件能夠根據(jù)不同類型家電產(chǎn)品的特點，調(diào)整評價參數(shù)，制定個性化的環(huán)境績效評價方法和流程，計算出不同階段不同工序?qū)Νh(huán)境的影響，得到生命周期各環(huán)節(jié)的碳排放、CML 2001和水足跡結(jié)果，從而評估家電產(chǎn)品的環(huán)境績效，為設(shè)計人員進行家電的綠色設(shè)計提供指導(dǎo)。