基于生命周期的家电产品碳排放计算方法研究

王吉凯， 刘志峰， 鲍 宏， 卞本羊

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

随着人类工业化进程的不断加快，各种环境问题层出不穷，减少碳及相关污染物的排放，在科学界被公认为是解决各种环境问题的主要方法。对产品进行生命周期低碳设计，降低碳的排放，已经成为全球关注的热点之一。

碳排放量化评估是产品进行低碳设计方法的基础，国内外的相关机构和学者对此进行了研究。文献［1］结合过程分析和投入产出分析2种方法计算了英国学校的碳足迹；文献［2］运用区域间投入产出分析模型（MRIO）和生命周期评价方法，结合消费支出调查，分析了国际贸易对美国家庭碳足迹的影响；文献［3］利用MRIO模型证明全球72%的碳排放是由于家庭消费引起的，而投资和政府消费分别为18%和10%；文献［4］使用生命周期评价方法，结合情景分析手段，研究转炉钢渣内部综合利用在消解粗钢产品生命周期碳排放上的作用；文献［5］利用生命周期评价和全生命周期成本方法，对2×300 MW燃煤电厂和改造后的O2／CO2循环燃烧电厂进行技术和经济分析，分别计算了全生命周期内的CO2排放量、成本费用、发电成本以及减排成本；文献［6］以电力、煤炭、燃油、运输等基础性产品为核心，初步建立了可扩展的中国基础工业系统的生命周期模型，收集了单元过程的全国平均清单数据，通过模型计算获得了这些基础性产品的生命周期清单数据。

产品碳排放量化评估技术涉及的行业跨度大，需要调用的计算公式和排放因子相关辅助数据量繁多，数据更新速度快。如何提高产品碳排放量化评估与计算方法的通用性与准确性，是发展产品碳排放评估技术迫切需要解决的问题。本文在广泛调研的基础上，开展家电产品碳排放量化评估方法研究，建立通用性的产品碳排放量化评估信息平台，并以豆浆机产品为研究对象进行验证。

1 生命周期评价理论

生命周期评价（Life cycle Assessment，简称LCA）是一种客观评价产品、过程或者活动的环境负荷的方法，该方法通过识别与量化所有物质和能量的使用及环境排放，评价由此造成的环境影响，评估和实施相应的改善环境表现的机会。生命周期评价包括产品或活动从原材料加工、生产、运输、销售、使用、再循环到最终处置的整个生命周期［7］。

如图1所示，LCA包括目的与范围的确定、清单分析（Life Cycle Inventory，简称LCI）、影响评价、结果解释4个步骤。每个阶段的结果解释可以指导开发潜在的改进措施，这些改进措施反过来又影响LCA的各个阶段，因而LCA是一个反复交互的过程［7］。

图1 ISO 14040生命周期评价框架

产品的碳排放量化评估就是建立产品的生命周期清单LCI，然后对其中归类于全球变暖的数据进行特征化，最终得出碳排放结果。因此，进行产品碳排放量化评估可以按照ISO标准进行［7］。

2 碳排放量化评估方法

目前已有的CO2量化评估方法大都以全生命周期评价LCA方法为基础，LCA的核心是通过对全生命周期的研究，估算该产品对环境的影响。

2.1 国内外相关标准

目前涉及评估温室气体排放量的标准主要有PAS 2050、ISO 14040等，见表1所列。其中ISO 14040阐述了生命周期的原则与框架，涵盖了生命周期评价（LCA）研究和生命周期清单（LCI）研究，但未详述LCA技术，也未对LCA各阶段的方法学进行规定［7－8］。

考虑到生命周期评估方法的复杂性、与下游和消费者交流的必要性，以及同类产品的相互比较等方面的因素，ISO、BSI和 WRI已制定或正在制定组织和产品碳足迹核算的标准，专门用于碳足迹计算的标准。这些标准的建立都依据文献［7］制定的生命周期评价方法，并作了一定的简化。而国内有关碳排放评价的标准体系尚未建立，技术基础较为薄弱。

表1 国外相关标准

本文以PAS 2050为参考标准进行论述，该标准规范建立在现有的生命周期评价方法之上，评价产品的温室气体排放时使用LCA技术，对如何确定系统边界、该系统边界内的与产品有关的温室气体排放源、完成分析所需要的数据要求以及计算方法作了明确的规定［9］。

2.2 碳排放量化评估模型

依据上述生命周期评价理论和PAS 2050评估标准，碳排放量化评估模型建立分为启动阶段、计算阶段和后续阶段，具体步骤如图2所示。启动阶段通常确定产品碳排放评估的目标是减少GHG的排放，但是某些情况下可在减排目标下设定各项具体目标，产品的选择应直接源自开始时约定的目标。

进行碳排放计算时首先要确定功能单位，功能单位实际上反应了产品被最终用户实际消费的方式，如1 000 h的灯光照明；其次是系统边界的确定，即哪些生命周期阶段应该包含在评价范围内，哪些输入和输出应该包含在评价范围内。为了计算产品的碳排放，需要收集活动水平数据，即产品生命周期中所有量化数据，如物质输入输出、能量使用、交通、排放因子数据和全球变暖潜值（GWP）等［10］。

图2 碳排放量化评估模型

2.3 碳排放的计算方法

PAS 2050将产品的生命周期定义为“从摇篮到大门”或是“从摇篮到坟墓”2种。

如果是生产中间产品的商业到商业（B2B）模式，则产品的生命周期为“从摇篮到大门”；如果是生产最终成品的商业到消费者（B2C）模式，则产品的生命周期为“从摇篮到坟墓。在进行产品的碳排放计算时必须要确定产品的生命周期边界，一般零件的系统边界是B to B，而产品的系统边界是B to C。

其中对气候变化影响最大是CO2。由于不同的温室气体对温室效应的贡献不一样，如1 kg氧化亚氮对温室效应的贡献相当于298 kg二氧化碳。按照100 a的全球变暖趋势，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）以CO2为基准给出了温室气体的全球变暖趋势（GWP），部分数据见表2所列。

表2 部分温室气体的全球变暖潜值

温室气体的排放量可以用二氧化碳排放当量CO2eq表示，它们的关系可以表示为：

其中，GHGi为第i种温室气体质量；GWPi为第i种温室气体全球变暖潜值；i为温室气体种类。

碳排放总量应为产品生命周期各个阶段，即原料取得阶段、生产制造阶段、使用阶段、运输阶段及回收再利用阶段所有碳排放的总和。

产品碳排放量化计算模型如下：

其中，G为产品碳排放总量；Mi为生产活动中消耗的第i类物质实物量；EFi1为第i类材料排放因子；Ei为生产活动中消耗的第i类能源实物量；EFi2为第i类能源生产排放因子；Ti为第i类交通工具运输产品或者材料的质量；Di为第i类交通工具的运输距离；EFi3为第i类交通工具排放因子；E为产品升耗电量；Tw为产品平均运行时间（工作循环）；EFi4为产品使用地区电网平均电力排放因子；Eri为回收生产活动中消耗的第i类能源实物量；EFi5为第i类能源生产排放因子；Mri为产品可回收利用的第i类物质实物量。

3 实例分析

以某款豆浆机产品为例，对本文提出的方法进行验证。目前豆浆机产品在家庭中得到广泛使用，其使用寿命长，在生命周期阶段产生CO2e排放。通过对豆浆机产品进行碳排放量化评估，依据碳排放评估结果，对产品进行针对性的生命周期低碳设计，提高产品低碳排放性能具有较强的现实意义。

3.1 系统边界与数据收集

系统边界是指产品数据收集的范围包含哪些生命周期阶段的数据。根据企业实际调研中的数据获取情况，本文采用了PAS 2050生命周期B2C模式，确定豆浆机产品的碳排放系统边界为原材料和能源获取、零部件及产品生产、运输、使用、回收5个阶段。系统边界主要包括原料生产和制造加工过程的各个步骤，其生命周期边界如图3所示。

本文案例的时间范围被界定在2007—2010年。原材料获取阶段、制造阶段、运输阶段的数据为2007年的数据；使用阶段为2007—2010年度数据；回收和处置阶段的填埋和焚烧的数据都是2010年的数据。

豆浆机主要由塑胶件、五金件、电器件等几类材料构成，见表3所列。

图3 豆浆机产品主要系统边界

表3 某款豆浆机主要零部件材料清单 g

原材料获取阶段主要考虑钢、铁、铜、玻璃、塑料等材料生产时的能耗导致的间接排放和温室气体直接排放。生产制造阶段的工序如图4所示，主要考虑各系统主要零部件制造、发热管安装、电机安装、防溢出、防干燥电极安装、电器件安装、固定件安装和搅拌组件安装、老化测试和其他测试、传送带传送以及各工序间衔接等过程的电能消耗及温室气体直接排放。

在运输阶段，其运输方式界定为铁路与公路，平均运输距离为1 000 km；在使用阶段，该产品耗电量为150 W·h／L，使用寿命为1 300工作循环；回收处理阶段边界确定为破碎、焚烧填埋、材料回收等过程。有关豆浆机产品的活动数据包括初级数据和次级数据。初级数据通过向供应商和企业调研的形式搜集，次级数据主要源于GaBi数据库。

图4 豆浆机产品的生产工序

3.2 碳排放结果

根据豆浆机各部分功能的不同，可将其分为温控系统、破碎系统、杯体系统、包装系统等几个模块单元。通过企业调研得到碳排放相关基础数据，将豆浆机生产制造和回收阶段的电能来源均设定为华东电网，可以得出豆浆机产品的生命周期各阶段的CO2排放量，见表4所列。其中豆浆机产品在使用阶段CO2e的排放量则达到了177.35 kg，约占生命周期CO2e排放总量的84.42%；运输阶段CO2e排放量最少，仅占到2.28%。回收阶段的能源消耗导致了CO2e排放，但通过对豆浆机部分零部件或材料的回收利用，减少了产品生命周期内9.3 kg的CO2e排放。在各功能系统中，温控系统的CO2e的排放量最多，约占到整个豆浆机CO2e排放量的68.04%，远远高于其他系统，这也与使用中的加热过程能耗远大于破碎过程能耗的事实相符合。

表4 豆浆机生命周期各阶段碳排放结果 kgCO2 e

3.3 结果分析

基于模型和获得的数据，对3种情景进行敏感性分析，见表5所列，其中情景1代表了最理想的情况。在此情景下，假设豆浆机生命周期各阶段采用轮船进行运输，同时材料的循环利用率为85%，均高于其他情景，产品能耗为130 k W／L，为设定情境中最低，能源结构设为混合式发电。由此发现，影响或改变碳排放量最重要的因素是产品的能耗。比较4种运输方式，水路运输所产生的CO2e最少，其他依次为铁路、公路和航空。材料的回收利用率对产品CO2e的排放有着显著影响，通过提高产品回收利用率，可以减少产品的CO2e的排放。

表5 豆浆机不同情景碳排放敏感性分析

综上所述，在进行产品低碳设计时应考虑以下几方面的内容：

（1）设计时应充分考虑豆浆机使用阶段的能耗，使用阶段的能耗是造成产品CO2e排放的主要原因，是改进重点。

（2）在设计过程中应注意节材，在保证产品性能的前提下，优先使用CO2e排放影响低的材料。

（3）在设计中应该考虑提高产品的回收利用率，通过材料的再利用减少产品整个生命周期过程的CO2e排放。

（4）鉴于水路运输的局限性，在产品生命周期阶段的运输过程中应尽量使用铁路运输代替公路运输。

4 结 论

（1）使用阶段为豆浆机产品碳排放的主要来源，碳排放占到产品系统总排放的80%以上，其他依次为运输阶段、原材料生产加工阶段及生产制造阶段，而在回收阶段可以减少产品生命周期内温室气体的排放。

（2）对产品进行节材设计，优先使用CO2排放影响低的材料和提高产品的回收利用率，可以减少产品生命周期内温室气体排放。

（3）对产品进行碳排放量化评估，可为设计人员针对降低产品碳排放量进行设计改进提供有针对性的指导，并可以推广到其他行业。

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