离心式冷水机组生命周期影响评价及关键影响因素分析

吴俊峰　张秀平　贾 磊　何亚峰　黄 磊

(合肥通用机械研究院　合肥　230088)



离心式冷水机组生命周期影响评价及关键影响因素分析

吴俊峰张秀平贾 磊何亚峰黄 磊

(合肥通用机械研究院合肥230088)

离心式冷水机组市场发展迅速，其生命周期中对环境产生的负面影响也日益受到关注。为了辨识离心式冷水机组全生命周期内环境影响的主要阶段和关键影响因素，为产品的优化设计提供依据，运用生命周期评价方法(LCA)，选取CML 2002评价模型对离心式冷水机组的原材料获取、生产、运输、使用和回收再利用全生命周期过程的环境影响进行了定量评价，并对相关参数进行了敏感性分析。评价结果表明:机组整个生命周期环境影响主要体现在气候变暖和酸化，在同温层臭氧减少、富营养化、不可再生资源消耗等方面影响稍小；在造成的环境影响方面，使用和维护阶段的电能消耗是主要环节。敏感性分析结果表明，机组的制冷剂类型、能效水平和运行时间是机组环境影响的关键影响因素。

离心式冷水机组；环境影响；生命周期评价；全球变暖潜值；电能消耗

离心式冷水机组由于其单机制冷量大、高效、结构紧凑、工作可靠和运行维护费用低等特点，广泛应用于大型公共建筑的舒适性中央空调系统和工业制冷工艺过程。近年来，我国离心式冷水机组市场一直保持高速发展态势，在产品高速发展的同时，会消耗大量的能源和原材料，排放相应的污染物，对环境产生多种负面影响。现有的产品标准体系侧重于机组的能效水平评价，而已有的制冷系统环境影响相关的评价指标和方法，如消耗臭氧潜能值ODP、全球变暖潜能值GWP、寿命期气候性能LCCP等，侧重于评价产品生命周期的某个阶段或者环境影响的某个方面，缺乏客观性和全面性[1]。对离心式冷水机组进行生命周期评价(LCA，life cycle assessment)[2]，可以直观地了解其全生命周期内各阶段的能源消耗、资源消耗和环境污染物排放情况，为产品能耗控制、绿色设计等提供依据。

采用LCA方法对制冷空调产品进行评价，国内外已有一定的研究。Johnson E P[3]、Guan Y 等[4]、姜文秀等[5]、孙锌等[6]、吕凤等[7]采用LCA方法分别对热泵、家用空调、热泵热水器等制冷空调产品的全生命周期碳足迹进行评估。上述研究侧重于产品碳排放的影响评价，未能全面反映同温层臭氧减少、酸化以及富营养化等其它环境影响水平，而全面了解制冷空调产品的各类环境影响水平是进行产品绿色设计的关键，国内外也进行了相关研究，如郑元等[8]利用LCA方法建立了水源中央空调系统生命周期分析模型；Greening A A B等[9]利用LCA方法对英国的家用空气源热泵、地源热泵、水源热泵和燃气锅炉的各类环境影响水平进行了分析和对比；Bukoski J等[10]采用LCA方法对太阳能辅助吸收式冷水机组和传统蒸气压缩式冷水机组的各类环境影响进行了评价和对比分析； Yanagitani K等[11]对使用不同制冷剂的家用空调的生命周期环境影响进行了对比分析。

目前，应用LCA方法进行制冷空调产品生命周期的环境影响评价研究，已取得了积极进展，在空调、热泵产品使用阶段碳排放的贡献方面取得了共识，但对于离心式冷水机组生命周期的环境影响评价还显不足。另外，当前评价结果解释主要针对不同产品的评价结果对比和产品各生命周期阶段的影响，缺乏导致各影响的具体过程的深入分析，无法有针对性的进行优化改进。

本研究将基于离心式冷水机组清单数据的可获得性，构建简化的、具有可操作性的离心式冷水机组全生命周期环境影响评价模型，通过实例分析，辨识离心式冷水机组全生命周期内环境影响的主要阶段和关键影响因素，以期为产品的优化设计提供依据，同时为类似产品的生命周期评价提供借鉴。

1 研究目标与范围

1.1 研究对象

本文选取某型离心式冷水机组为研究对象，机组的主要参数如表1所示。功能单位选取一台离心式冷水机组产品。

表1 离心式冷水机组主要技术参数

1.2 系统边界

本研究的系统边界覆盖离心式冷水机组的全生命周期，包括原材料获取阶段(从相关资源的开采到原材料的生产)、离心式冷水机组及其零部件的加工与装配阶段、机组的运输阶段(从机组厂商到使用场所)、机组的运行阶段(包括电能的消耗和制冷剂的泄漏)以及相关材料的回收与再利用阶段，具体的生命周期评价的系统边界如图1所示。限于数据的可获得性，制冷剂加工过程、生产基础设置及人员的消耗和排放过程、机组维护阶段以及废弃物的处理过程暂作忽略。

图1 离心式冷水机组生命周期评价的系统边界Fig.1 System boundary of LCA of centrifugal chiller

2 清单分析

2.1 数据来源与收集

对于企业现场投入和排放数据，根据离心式冷水机组的生产特点，选择装配关系作为数据收集程序，将机组分解为零(部)件，列出零(部)件的单元过程，由设计、生产人员对零部件的单元过程输入、排放数据进行收集和整理。由于单元过程数据种类很多，根据数据的可获得性和重要性进行适当的取舍，忽略了部分外协件的加工、运输过程的投入和排放，以及占比小于0.5%的辅助原材料投入。

对于主要耗能、耗材的背景数据，选取四川大学开发的中国生命周期基础数据库(CLCD)[12]和欧盟生命周期基础数据库(ELCD)中的基础数据。其中电能、铜材、钢材、铝材等能源、耗材以及产品运输等清单数据主要来自CLCD，而CLCD未包含的塑料、氮气等耗材的清单数据参考ELCD。背景数据选取全国平均水平数据。

2.2 离心式冷水机组生命周期清单数据

1)原材料获取阶段

该阶段的主要环境影响来自机组及其零部件主要用材的开采和生产过程。机组的主要零部件包括压缩机、换热器、系统框架以及控制元件等，根据企业调研的数据得到机组各零部件的材料清单，具体如表2所示。

表2 离心式冷水机组的主要部件及材料清单

2)机组及其零部件的加工与装配阶段

该阶段的主要环境影响来自机组及其零部件的加工与装配过程所需能源、各类耗材(如CO2、乙炔等)的生产过程以及加工工艺过程带来的废气和废水的排放。限于数据的可获得性，本文忽略了机组及其零部件加工工艺过程带来的废气和废水的排放和外协件生产过程中的投入。另外，在机组及零部件生产装配过程中，还用到一些保温胶水、清洗剂等辅材，由于其用量较少，将其忽略。根据企业调研的数据得到机组及其零部件加工与装配阶段的能源和材料投入，具体如表3所示。

表3 离心式冷水机组及其零部件加工装配阶段的主要能源、材料清单

3)使用阶段

该阶段的主要环境影响来自机组使用阶段的能源消耗以及制冷剂排放。

由于无法精确获得机组整个生命周期的耗能数据，本文根据机组的实测IPLV性能系数，以我国多数国家标准选取的夏热冬冷地区作为标准运行地区，选取机组年制冷运行小时数1366 h[13]，机组运行寿命15年，估算获得。GB/T 18430.1—2007[14]中冷水机组的IPLV计算公式为式(1):

IPLV=0.023A+0.415B+0.461C+0.101D

(1)

式中：A、B、C和D分别为机组100%、75%、50%和25%负荷时的性能系数COPc；系数0.023、0.415、0.461和0.101分别表示机组100%、75%、50%和25%负荷时的负荷×小时数的权重。假设机组年运行在100%、75%、50%和25%负荷条件下的小时数分别为t1、t2、t3和t4，那么应用方程组(2)可以获得不同负荷条件下的年运行小时数。利用公式(3)可以估算出机组全年制冷时消耗的总电量Ey，式中Q为机组名义制冷量，kW。

(2)

(3)

本文中，机组100%、75%、50%和25%负荷条件下的性能系数通过实测分别为6.3、7.03、7.33和6.12，机组的名义制冷量为2810kW，以此估算出机组全年制冷时消耗的总电量为2.87×105kW·h，机组寿命期15年的总消耗电能为4.30×106kW·h。

制冷剂排放量根据生产企业给出的机组充注量、年泄漏率以及最终回收率，根据公式(4)估算获得，共消耗制冷剂443.7kg。

m=m0×[(1-αrecovery)+L×n]

(4)

式中：m为制冷系统生命周期制冷剂充注量，kg；m0为制冷系统设计充注量，kg；L为制冷剂年泄漏率，%/年；n为系统设计运行年数，年；αrecovery为制冷剂回收/再循环系数。

4)产品运输

该阶段的主要环境影响来自于运输过程工具的能源消耗和尾气排放。本文中根据企业实际调研，机组采用中型柴油货车运输，从厂商到使用地的运输距离为200km。

5)回收与再利用

对于离心式冷水机组而言，根据企业调研，机组废弃后，其中的铜、铝、铁等基本100%获得回收和再利用。对于制冷剂，我国回收的制冷剂一般做销毁处理，很少有再利用的情况。本文中铜、铝以及铁等主材在清单数据的选取时，背景数据已经考虑了废材循环利用后的生命周期清单，因此，原材料的回收再利用在原材料获取阶段已有所体现。限于数据的可获得性，忽略机组报废拆解以及制冷剂销毁过程的投入和排放。

6)清单分析结果

通过对离心式冷水机组的全生命周期的计算，得出机组全生命周期内各阶段的资料投入与排放清单，见表4。由于涉及大量的过程与数据，一般生命周期的计算结果包含上千条清单条目，在表4中仅列出了几种主要典型物质的生命周期清单。

表4 离心式冷水机组生命周期清单

3 生命周期影响评价

3.1 环境影响潜值计算

当前生命周期评价有两类基本的评价模型，面向损害及面向问题。面向问题是指清单物质对环境造成影响的直接后果，而面向损害是指将直接影响进一步转化为对人体健康、生态系统以及资源消耗造成的最终损害，国内目前进行面向损害评价时缺乏大量的本地化环境信息[15]。因此，本文选取国际ISO14040系列标准采用的CML 2002[16-17]面向问题的生命周期评价模型。选取不可再生资源消耗、全球气候变暖、同温层臭氧减少、酸化、富营养化以及光化学氧化剂形成共六种环境影响类型进行特征化处理，获得机组生命周期各阶段的各影响类型的潜值。将各影响类型的特征化结果经归一化无量纲处理和加权计算，以此分析该机组全生命周期中的环境影响。特征化模型和特征化、归一化以及加权计算结果见表5，具体计算方法见文献[1]。

表5 特征化模型与环境影响潜值

表5中归一化基准值采用文献[16]中1995年全世界各影响类型的人均影响潜值。另外，采用目标距离法确定各影响类型的权重，某类环境影响的权重因子被定义为该类环境影响在标准化参考年的值除以目标年的环境影响值，目标年的环境影响潜值采用政府削减目标来确定。

3.2 贡献分析

1)生命周期各阶段对环境影响指标的贡献

表6所示为机组生命周期各阶段对于环境影响指标的贡献比例。从表中可以看出，该机组各影响类型的主要贡献均来自机组使用与维护阶段的电能消耗和制冷剂排放，原材料获取也有一定的贡献，其它阶段过程贡献基本可以忽略。

表6 离心式冷水机组生命周期各阶段对环境影响指标的贡献

2)各环境影响类型对环境影响指标的贡献

图2给出了机组各环境影响类型加权后的贡献，从图中可以看出该机组生命周期内主要的影响类型为全球气候变暖和酸化影响。

图2 离心式冷水机组各环境影响类型的贡献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过相关因素的变化来定量分析环境影响的变化程度。从上面的分析可以看出，机组生命周期各影响类型的主要贡献均来自机组使用与维护阶段电能的消耗，而影响机组能耗的关键因素，包括机组的能效水平和运行时间等。另一方面，目前行业上比较关注制冷剂替代工作，所以很有必要分析下更换制冷剂后，机组产品的环境影响水平。因此，本文分别针对机组的综合部分负荷性能系数、运行时间和制冷剂类型3个影响因素对机组的生命周期环境影响进行敏感性分析。计算结果如表7所示。

从表7中可以看出，制冷剂类型对于机组生命周期的环境影响最为敏感，当保持其它因素不变的情况下，将机组的制冷剂类型由R134a(GWP=1430，ODP=0)变换为R123(GWP=77，ODP=0.02)，虽然全球气候变暖影响潜值降低11.93%，但由于R123的ODP不为零，其同温层臭氧减少潜值提高101385%，由于国际上正在开展的ODS类物质淘汰计划，其ODP的权重比较高，因此，其整个生命周期的环境影响加权综合值提高145.45%。此外，机组整个生命周期的耗电量对于机组生命周期的环境影响也比较明显，提高机组的综合部分负荷性能系数和降低机组生命周期运行小时数，均降低了机组生命周期内的能耗，从表7可以看出，将机组的IPLV值由原来的7.06提高到8.1，各影响潜值均有所降低，综合加权值降低11.07%；将机组的运行小时数降低20%，由1366 h降低到1093 h后，各影响潜值均有所降低，综合加权值降低17.79%。

表7 不同要素对环境影响潜值变化的敏感性分析

5 结论

1)本文基于生命周期评价方法建立了离心式冷水机组的环境影响评价模型，针对某型离心式冷水机组产品从原材料获取、产品及其零部件的加工与装配、运输、使用到回收与再利用的整个生命周期阶段，分析了其不可再生资源消耗、全球气候变暖、同温层臭氧减少、酸化、富营养化以及光化学氧化剂形成共六类环境影响的潜力。

2)从分析结果来看，离心式冷水机组生命周期各影响类型的主要贡献均来自机组的使用阶段电能的消耗和制冷剂排放，为机组生命周期的主要环境负荷影响源；而生命周期内主要的影响类型为全球气候变暖，约占总影响的70%。

3)通过敏感性分析可知，制冷剂类型、生命周期运行能耗是机组产品环境影响的关键贡献因素。因此，在机组产品设计时采用低GWP、零ODP的环境友好型制冷剂，并尽可能的提高机组综合部分负荷性能系数；在机组运行阶段，通过中央空调系统的优化控制和运行管理等手段，降低系统运行时间，均可以有效降低机组产品整个生命周期的环境负荷。

本文受合肥通用机械研究院青年科技基金项目(2014010440)和质检公益性行业科研专项(201410047)资助。(The project was supported by the Youth Science Foundation of HGMRI (No. 2014010440) and the Project of Public Welfare Quality Tseting Industry(No. 201410047).)

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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

简介

吴俊峰，男，高级工程师，合肥通用机械研究院制冷空调事业部，13856047814，E-mail：wjf0120@sina.com。研究方向：制冷空调产品研发及测试评价技术研究。