采用R290 和R32 的家用空调器全生命周期碳排放研究

李小燕 宁 前 何国庚*

(1 生态环境部对外合作与交流中心 北京 100035)

(2 华中科技大学能源与动力工程学院 武汉 430074)

1 引言

中国及世界空调使用率和保有量随经济发展而稳步上升。据国家统计局数据,中国居民空调保有量从2013 年的70.4 台/百户增长到了2018 年的109.3台/百户,5 年时间增长了55%。碳排放量也随着空调使用量的增加而水涨船高,引起了人们广泛的关注。我国已主动承诺:2030 年我国单位GDP 二氧化碳排放量将比2005 年降低60%—65%,排放总量达到顶峰,因此,采取适当措施降低单位空调碳排放势在必行。计算和分析空调整个生命周期的碳排放对制冷技术的选择、制定相关产业和环境保护政策有重要意义。

沈万霞等介绍了全生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)方法[1]并对轻型纯电动汽车生产和运行能耗及温室气体排放进行研究。有关空调的相关研究方面,Almutairi 等[2]、蒋诗新等[3]的研究表明家用空调生命周期碳排放大部分集中在使用阶段。孙锌等[4]发现使用阶段67% 的碳排放来源于电力使用,23% 来源于制冷剂的泄漏。Zhao 等[5]的研究表明将制冷剂回收率从5% 提高到50%,可以降低20%的制冷剂碳排放;使用低GWP值的制冷剂替代高GWP值制冷剂至少可以降低45.57%的制冷剂碳排放。京都议定书和蒙特利尔议定书等都对空调使用的制冷剂做出了限制,即逐步淘汰GWP值高的制冷剂[6-7]。Yuan 等[8]建立了汽车空调生命周期碳排放计算模型,发现使用GWP值低的 R152a 和R1234yf 替代R134a 可以分别降低22%—32% 和17%—29%的生命周期碳排放。但鲜有学者研究家用空调中GWP值较低的R290 替代GWP值较高的R32 对生命周期碳排放的影响,其中前者是用于家用空调的最佳替代制冷剂,后者是目前家用空调中使用量较大的制冷剂。本文将运用全生命周期评价方法对这两种家用空调生命周期碳排放进行对比分析。

2 研究方法

为了对R290 和R32 两种分体式家用空调器从原材料获取阶段到报废回收阶段整个生命周期内的碳排放进行量化评价,采用全生命周期评价方法进行研究,以便全面对比评估家用空调器分别使用R290和R32 两种制冷剂对环境造成的影响。

根据ISO14040 标准,LCA 可划分为4 个步骤:(1)确定研究目标与范围;(2)清单分析;(3)影响评价;(4)结果分析。

2.1 确定研究目标与范围

为了对比分析以R290 和R32 为工质的空调在碳足迹方面的区别,采用的R290 和R32 两款分体式家用空调器具有相同的能效比,其主要性能参数汇总如表1 所示。确定研究范围包括5 个阶段:原材料获取阶段,制造阶段,运输阶段,使用阶段和回收处置阶段,其详细的系统边界如图1 所示。并假设:(1)两款空调器使用寿命相同,均为10 年;(2)两空调器能效一致,使用城市为湖北省武汉市;(3)所有原材料均为中国生产;(4)所有塑料的碳排放系数相同。

表1 空调性能参数Table 1 Performance parameters of R290 and R32 air conditioners

2.2 清单分析

对空调生命周期中5 个阶段,即原材料获取阶段,制造阶段,运输阶段,使用阶段和回收处置阶段的物料和能量消耗列清单进行分析研究,具体系统边界如图1 所示。

2.2.1 原材料获取阶段

作为研究对象的两款典型的1HP R290 和R32空调器的原材料清单(表2)是根据家用空调器制造企业的物料清单、压缩机生产企业的物料清单以及部分外携零部件的设计图纸综合分析所得。因本文是针对两种不同制冷剂的研究,材料清单中将制冷剂单独归类。本清单只考虑空调器本身的材料,外携部件和整机的包装材料均未纳入计算。原料获取阶段的碳排放按照制冷剂和其它材料分别计算。

表2 空调主要部件原材料清单Table 2 Raw material list of main components of R290 and R32 air conditioners

如图1 所示,本研究对于制冷剂只分析其原材料获取阶段的能源消耗产生的碳排放量。R290 是由石油或天然气分离所得;R32 是一种合成工质,其主要由AHF、二氯甲烷和液氯反应所得,目前国内企业主要采用液相法生产R32。根据企业提供的数据,R290分离与提纯的能耗和R32 合成过程的耗能情况如表3 所示,其它材料获取阶段碳排放汇总如表4 所示。

图1 空调系统边界Fig.1 System boundary of household air conditioners

表3 制冷剂获取阶段的碳排放Table 3 Carbon emissions during refrigerant acquisition stage

2.2.2 制造阶段

分体式空调主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流元件以及内、外机箱体组成。我国空调器生产企业均外购压缩机,主机的其他零部件绝大部分自产。因此,空调器制造阶段的碳排放主要由压缩机的制造和主机部件制造及组装两部分组成。据2020 年中国家用电器行业生产能耗与产品能效调查报告显示,家用空调压缩机制造以及主机部件制造和组装过程中的主要能源消耗包括电能,汽/柴油、天然气和液化石油气等,其消耗量和碳排放如表5 所示。

表5 空调制造组装过程能源消耗和碳排放Table 5 Energy consumption and carbon emissions during manufacturing and assembly process of air conditioner

2.2.3 运输阶段

目前国内空调器大部分采用公路运输,从生产地佛山运输到使用地武汉,其运输距离约为1 000 km。根据GB/T51366-2019 建筑碳排放计算标准,载重30t 的重型柴油货车碳排放系数为0.078 kg(CO2)/(t(货物)·km),则运输阶段单台R290 空调和R32空调的碳排放分别为2.78 kg 和2.86 kg。

2.2.4 使用阶段

空调使用阶段的碳排放由空调能耗引起的间接排放和制冷剂缓慢泄漏导致的直接排放组成。根据武汉典型气象年干球温度数据,全年有90 天最高气温超过30 ℃,因此每年空调需要制冷3 个月。假设家用空调工作日运行6 h,周末运行8 h,一个月按4周计算[3-4]。假设空调使用阶段每年的制冷剂泄漏量为6%,10 年的总泄漏量是60%[4]。根据IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)AR 4,R290和R32 的全球变暖潜能值GWPref分别为3 和675。空调使用阶段的碳排放量计算如下:

式中:CU为空调生命周期使用阶段的碳排放量,kg;CU,ele为空调使用阶段由于耗电而产生的碳排放,kg;CU,leak为空调使用阶段由于制冷剂泄漏而导致的碳排放,kg;P为空调器的功率,kW,如表1 所示;t为生命周期内运行时间,h;mref为空调器内制冷剂充灌量,kg。

计算得到R290 空调和R32 空调使用阶段因电力消耗产生的碳排放为2 333.24 kg,因泄漏导致的碳排放分别为0.43 kg 和157.95 kg。

2.2.5 回收处置阶段

回收碳排放由回收处理过程的碳排放和废弃物及废弃物处理碳排放组成,由于回收处理过程碳排放已经算在原材料获取阶段中,因此,回收处置阶段碳排放等于废弃物及废弃物处理碳排放。空调材料回收率存在较大不确定性,根据中国物资再生协会的数据,我国塑料回收率为30%;据中研网公布的行业调研数据,我国金属回收率约为85%,这与文献[12]提供的数据吻合;冷冻机油回收率约50%[13]。对于未回收的金属、塑料,其废弃物处理方式视为完全填埋处理;橡胶不回收,视为完全填埋处理;未回收的冷冻机油属于有毒有害物质,一部分会在回收冷冻机油的过程中无害化地损耗掉,另一部分未经回收处理的冷冻机油经无害化处理后排放。对于可燃性制冷剂R290 和R32 来说,为了安全一般不允许回收,视为完全排放到大气中,故只计算其自身的碳排放。回收阶段碳排放计算如表6 所示。

表6 空调回收处置阶段碳排放Table 6 Carbon emissions during recycling and disposal stage of air conditioners

2.3 影响评价与结果分析

两种空调全生命周期碳排放按阶段汇总如表7所示。为了直观地分析,将两种空调全生命周期碳排放数据绘制饼状图,如图2 所示。不管是R290 空调还是R32 空调,使用阶段的碳排放系数占比最大,分别是96.25%和87.68%,其中,对于R290 空调,使用阶段99.98%的碳排放是由于耗电产生的,对于R32空调,则只有93.66% 的碳排放是由于耗电产生的,其余6.34%是由于R32 的泄漏而产生的。两种空调原材料获取阶段的碳排放分别占比3.21% 和2.63%,制造阶段和运输阶段的碳排放占比非常接近,并且几乎可以忽略不计。对于R290 空调,回收处置阶段的碳排放占比仅0.04%,而R32 空调的回收处置阶段碳排放占比高达9.27%,这是由于高GWP值的R32 未经回收直接排放到大气中。

表7 R290 和R32 空调全生命周期各阶段碳排放Table 7 Carbon emissions of R290 and R32 air conditioners during each stage of whole life cycle

图2 两空调生命周期碳排放分析Fig.2 Analysis of carbon emission during life cycle of two air conditioners

由图3 可以看到,在原材料获取和回收处置阶段,所有原材料碳排放中,对于R290 空调,各类钢板(钢板、镀锌钢板、锌铝镁板)占比之和为32.79%,铝所占比例为22.91%,铜占比也超过了15%,这3 大类金属占比之和超过了70%,塑料占比达23.90%。R290 的占比则微不足道。而对于R32 空调,制冷剂R32 的碳排放占比最高,高达78.04%,这是因为空调内R32 的全部直接排入大气,产生巨量的碳排放,因此,对于GWP值较大的制冷剂,最好全部回收利用。其次,各类钢板占比之和为8.62%,铜和塑料分别占比4.68%和4.95%。

图3 两空调原材料碳排放分析Fig.3 Carbon emission analysis of raw material of two air conditioners

从表7 可以看到,R290 空调生命周期碳排放量仅为R32 空调的85.33%,两者相差416.81 kg;其中,R290 空调在回收阶段的碳排放量仅为R32 的0.41%,使用阶段的碳排放量为R32 的93.68%。R290 空调相比于R32 空调生命周期各阶段碳排放减少量如图4 所示。其中,R290 回收处置阶段相比于R32 空调减排262 kg,占总减排量的62.95%;使用阶段减排158 kg,占比37.79%;而原材料获取阶段R290 空调碳排放比R32 空调多3 kg;运输阶段两空调碳排放几乎相同,因为两空调的重量相差不大。导致这3 阶段差异的原因分别是:对于使用阶段来说,在相同的泄漏率下,R32 的GWP值比R290 大得多,而且R32 充灌量是R290 的1.6 倍,从而产生较多的碳排放;对于回收阶段,如上文所述,R32 未回收部分产生大量的碳排放;对于原材料获取阶段,差异来源于R290 空调采用了全铝微通道冷凝器,而铝的生产碳排放系数比铜高很多。

图4 两空调生命周期碳排放对比Fig.4 Comparison of carbon emissions during life cycle of two air conditioners

3 敏感性分析

影响空调生命周期碳排放的因素较多且存在一定的不确定性,为此,有必要对关键因素进行敏感性分析,即定量分析某一因素的变化对生命周期碳排放的影响程度。文献[3-4]的研究表明,空调使用时间增加10%,则空调生命周期碳足迹将增加6%—9%;制冷剂泄漏率从6%上升到10%,则空调碳足迹会增加15%,而制冷剂泄漏率从6%增加10%,碳足迹增加0.12%。

从以下两个方面进行敏感性分析:

(1)制冷剂回收率。对于R290、R32 等可燃制冷剂来说,为了安全一般不允许回收,但由此会造成采用高GWP值制冷剂的空调系统碳排放系数显著提高,所以本文将考虑制冷剂回收80% 情况下的碳足迹。

(2)对比两种空调对制冷剂泄漏率的敏感性。制冷剂泄漏率与众多因素有关,每台空调各不一样,且在空调运行过程中动态变化。目前我国还没有制冷剂泄漏率的权威数据,国内一般认为制冷剂年泄漏率为6%,这个数值不仅包括运行过程中的泄漏,还包括在添加和回收制冷剂过程中的泄漏[4]。国外取值也存在出入,其中IIR[9]给出的参考值是4%,因此将对比6%和4%泄漏率下的碳排放。

敏感性分析结果如表8 所示。由结果可知,R290 空调碳排放对制冷剂回收率和泄漏率均不敏感,R32 空调对这两个因素的敏感度相比R290 空调强得多,制冷剂回收率从0 提高到80%;R32 空调碳排放降低7.41%,制冷剂泄漏率从6% 降低到4%,碳排放降低1.85%。

表8 制冷剂回收率和泄漏率敏感性分析表Table 8 Sensitivity analysis table of refrigerant recycling rate and leakage rate

4 结论

运用全生命周期评价方法对两种分别使用R290和R32 的单冷家用分体式空调的碳排放进行了研究和对比分析,总结结论如下:

(1)R290 空调生命周期碳排放量约为R32 空调的85%。减少的15%碳排放中,使用阶段和回收阶段分别贡献了约38% 和63%。减少的原因是R290的GWP值比R32 小得多,且单位制冷量较大,使用阶段和回收阶段因制冷剂泄漏向大气中排放的温室气体少得多。因此,采用低GWP值的制冷剂十分有利于减少碳排放。

(2)R290 空调对制冷剂回收率和泄漏率不敏感,而R32 空调制冷剂回收率从0 提高到80%,可以降低7.41%碳排放,R32 空调年泄漏率从6%降低到4%,碳排放降低1.85%。因此对于利用R32 这类高GWP值的空调而言,非常有必要提高制冷剂回收率、减少泄漏率。但考虑到R32 和R290 都具有可燃性,需要谨慎采用制冷剂的回收策略。

(3)空调全生命周期碳排放绝大部分来源于使用阶段。对于R290 空调和R32 空调来说,使用阶段碳排放分别占生命周期碳排放总量的96.25% 和87.68%。因此,影响碳排放的关键因素和使用阶段有关,即空调使用时间。在尽量缩减不必要的使用时间条件下,提高空调COP对于降低碳排放有异曲同工之妙。

钢、铝、铜、塑料在原材料碳排放中(原材料获取阶段和回收处置阶段)占比较高,对于R290 空调,各类钢板的碳排放占比约为33%,3 种金属的碳排放之和占比超过70%;对于R32 空调,制冷剂碳排放在所有原材料中占比高达78%,而其重量比例不到1.1%,如果去除制冷剂碳排放,则R32 空调的其余材料碳排放占比和R290 空调类似。

(5)采用全铝微通道换热器有利于提高换热器效率,但会稍微增加碳排放。

为简化生命周期碳排放计算过程,两种空调的某些参数取值相同,比如制冷剂泄漏率和空调能效。实际上,两空调系统运行压力不同,理论上来说其泄漏率应当有所差别,R32 空调系统运行压力明显大于R290 空调系统,因此前者的泄漏率可能略大于后者。另外,在能效上,R290 空调比R32 空调更具优势,因此,在同样的制冷量下,R290 空调系统使用阶段的功耗和碳排放均小于R32 空调。最后值得一提的是,R32 合成产业链较长,若从原料开采考察,则碳排放值更高。综上,R290 空调相对于R32 空调的碳排放应该比本文计算值更低,在空调中推广R290 等低GWP值制冷剂的减排效果显著。