浅析基于生命周期法对板式热交换器生产过程的碳足迹核算方法

张 婧*

（甘肃省特种设备检验检测研究院）

0 引言

热交换器是化工、热电等工业生产中广泛使用的节能设备，但热交换器本身也是高能耗设备，近年来，相关研究往往聚焦在开发节能降耗新型热交换器，和能效提高等方面，而忽视了热交换器生产和使用基础环节的碳排放基础数据的整理和核算。对热交换器等高耗能设备的碳足迹核算是实现“双碳”目标必须要进行的基础工程。热交换器企业在生产过程中，需要消耗大量的金属、水、煤炭、等原材料，因此热交换器产品的制造过程也是二氧化碳等温室气体的碳排放过程。对热交换器生产制造企业基于碳足迹核算的碳管理是落实低碳绿色生产的基础路径，碳核算管理体系可为热交换器生产企业节能监管提供有据可查、有法可依的流程化监管依据，助力企业向低碳制造转型。

1 生产过程中碳排放研究状况

“绿色制造”模式是由英国布鲁内尔伦敦大学的Tridech S.和Cheng K.提出的，是结合环境保护、资源优化利用及低碳制造为一体的绿色生产模式。其本质是更新生产流程，最大程度地提高自然资源的利用率，降低能源、温室气体以及污染物的排放量，提高材料的循环利用率，“绿色制造”模式的核心是对生产过程进行碳足迹核算[1-2]。麻省理工学院 Gutowski教授[3]利用能耗和物料模型关系对机械加工进行了能耗的分析，依靠热力学建立了机械加工能耗体系。英国曼彻斯特大学的Perry S.研究得出，仅仅依靠提高能效不能解决过度消耗的能源问题，将常规与可再生能源综合使用可有效降低碳排放量。在“碳达峰、碳中和”的背景下，国内众多研究单位积极参与绿色制造的研究工作，推进了国内低碳制造的进程。重庆大学的尹瑞雪等[4]建立了碳排放在机械制造中的特征函数，用特征函数表示机械制造整个过程中的碳排放和物料消耗，并建立机械制造碳排放特征函数评估体系，帮助企业科学规划机械制造工序，有效降低了碳排放。中国科学院生态环境研究中心的孙锌教授对家用空调生产和使用全生命周期进行了碳足迹研究，在全生命周期评价方法下得出空调在各个阶段的碳排放情况，为家电行业绿色生产提供借鉴依据。

但需注意的是，国内外研究机构对低碳制造的研究往往仅关注单个零部件的碳排放量核算[5]，很少针对整台设备制造环节和使用环节进行碳足迹核算，尤其对于热交换器等高耗能设备的研究更为稀少，该类设备生产过程工艺繁杂，使用过程中虽承担着节能降耗任务但其本身也是能耗大户，因故对热交换器等高耗能设备的碳核算是推行绿色生产过程中首要解决的关键问题。因此，对热交换器产品整个生产生命过程中进行全面碳足迹核查研究，对换热行业节能减排具有重要意义。

2 板式热交换器产品碳足迹核算方法

近年来，温室效应、气候变化已成为全球关注的焦点，“碳足迹”也越来越受到重视。碳足迹研究基于项目、组织和产品三个层面[6]，热交换器产品碳足迹核查是指以热交换器产品为管理对象，从原材料生产、运输→零部件的加工制造→焊接过程→整机组装→整机泄漏试验等，通过对整个热交换器生产过程中二氧化碳（CO2）等主要温室气体的排放进行核查，最终得到热交换器生产过程中的碳排放量。

板式热交换器生产过程中的碳足迹核查包含板式热交换器完整的生产周期，因此首选使用全生命周期评价法（LCA）对其进行碳排放核查，基于全生命周期评价法目前已广泛使用的产品碳足迹评价方法有：（1）英国标准协会编制的PAS2050：2011《商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》[7]，该标准是目前最广泛使用的产品碳足迹核算标准；（2）世界资源研究所编制的《温室气体核算体系：产品寿命周期核算与报告标准》，该标准可为生产企业温室气体核算报告提供方法和依据；（3）国际标准化组织编制并修订的ISO 14067《2018 温室气体合格产品碳足迹 量化和信息交流的要求与指南》，该标准提供了服务于产品生命周期内的碳足迹的量化制定原则，将产品的整个生命周期整合成一个整体系统，避免单个阶段造成的碳足迹的潜在影响。

2.1 板式热交换器产品生产生命周期流程分析

根据PAS2050：2011《商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》，1 台热交换器产品生产流程如图1 所示，其碳足迹评价模式为从商业到商业（B2B）评价包括从原料生产运输、产品制造、包装、水压试验等整个板式热交换器产品生产过程。在本研究中，产品的系统边界属于“从摇篮到客户”的类型，为了实现上述功能单位，产品的系统边界可见表1。

表1 板式热交换器生产生命周期流程分析

图1 板式热交换器生产工艺流程图

2.2 取舍准则

本研究以热交换器生产过程中原材料的质量投入占比为取舍准则，具体规则如下：普通物料质量＜1%产品质量时，以及含稀贵或高纯成分的物料质量＜0.1%产品质量时，可忽略该物料的上游生产数据；总共忽略的物料质量不超过5%；生产设备、厂房、生活设施等可以忽略；在选定环境影响类型范围内的已知排放数据不应忽略[8]。所有原辅料和能源等消耗都关联了上游数据，部分消耗的上游数据采用近似替代的方式处理。基于评价目标的定义，本次评价只选择了全球变暖这一种影响类型，并对产品生命周期的全球变暖潜值（GWP）进行了分析，因为 GWP 是量化产品碳足迹的环境影响指标。评价过程中统计了以二氧化碳为主的各种温室气体，并且采用了IPCC 第四次评估报告（2007 年）中提出的方法来计算产品生产周期的GWP 值。该方法基于100 年时间范围内其他温室气体与二氧化碳相比得到的相对辐射影响值（即特征化因子），该因子可用来将其他温室气体的排放量转化为 CO2当量。

2.3 数据质量要求

为了满足数据质量要求，主要考虑了以下几个方面：（1）数据的准确性，因环境、设备等条件影响的测量数据的重复性以及准确定程度；（2）数据的代表性，生产过程以及技术等因素的代表性；（3）模型的一致性，采用检测及核算方法对系统边界一致性的程度。在评价过程中优先选择生产过程中直接测得的初级数据，对经验所得数据取大量样本后进行平均。当初级数据不可取时，选择代表生产过程中平均技术条件以及特定下技术水平下的综合次级数据，次级数据大部分选择来自IPCC 数据库；当目前数据库中没有完全一致的次级数据时，采用近似替代的方式选择IPCC 数据库中数据。

2.4 数据的收集和主要排放因子

热交换器产品的碳足迹核算过程就是对整个生产周期内包括物料和能量输入、输出过程的量化数据的采集过程，即对产品生产活动水平数据的收集过程。通过碳排放因子整合单位生产活动水平温室气体排放数据。热交换器生产主要消耗能源为电能，其电力排放因子主要包括外购原材料电力排放因子、生产过程中电力排放因子及泄漏试验中的电力排放因子。活动水平数据来自各个生产流程中现场实测数据；排放因子采用IPCC 规定的缺失值。整个热交换器生产周期内的活动水平数据主要包括：原料煤消耗量、电力消耗量、蒸汽消耗量等。排放因子数据主要包括生产过程中电力排放因子、生产过程中其他排放因子和交通运输排放因子等。

3 结语

本文浅析了采用LCA 法进行热交换器生产过程碳足迹核算的方法，弥补当前热交换器生产企业产品生产过程中碳足迹核算方法的缺失，为热交换器生产制造企业提供了一种科学的碳足迹核算方法，可促进热交换器生产制造企业重视其热交换器生产过程中的碳排放带来的污染及能源消耗问题。通过碳排放监管优化生产模式、整合生产资源，减少热交换器生产过程中的碳排放，加速热交换器企业绿色制造的转型步伐。同时，该方法也能督促制造企业加大投入力度，努力研发绿色环保的生产加工工艺，为企业的产品生产绿色化提供参考。