胡嘉琦 朱寬寬 杜 彬 鄧梅玲 韓文生

（1.中國(guó)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(lái)，中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(tái)，同比增長(zhǎng)4.4 %；2018年12月，家用空調(diào)產(chǎn)量為1 157萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)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(lái)便利的同時(shí)，也引發(fā)了能源消耗大與環(huán)境污染嚴(yán)重等一系列問(wèn)題。產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響存在于從原材料獲取到廢物回收的整個(gè)生命周期，而且對(duì)于不同種類(lèi)的產(chǎn)品需要不同的評(píng)價(jià)方法。為了準(zhǔn)確高效的評(píng)價(jià)與分析家用空調(diào)對(duì)環(huán)境的影響，開(kāi)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(jī)效評(píng)估系統(tǒng)是十分有必要的。

從1969年美國(guó)中西部研究所對(duì)飲料容器從原材料獲取到廢棄物處理全過(guò)程的跟蹤有分析開(kāi)始，到目前為止，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量學(xué)者對(duì)不同類(lèi)型產(chǎn)品進(jìn)行生命周期的分析研究。美國(guó)Argonne實(shí)驗(yàn)室[2]針對(duì)汽車(chē)替代燃料全生命周期建立了GREET模型,并對(duì)其做了大量的實(shí)例研究,對(duì)汽車(chē)燃料生命周期的能源消耗和氣體排放分析,并對(duì)其中各個(gè)具體階段進(jìn)行對(duì)比闡述。Haapala等[3]建立了產(chǎn)品制造過(guò)程的能耗預(yù)測(cè)模型，并對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境績(jī)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(yùn)用中國(guó)汽車(chē)生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng) (CALCA)，對(duì)汽車(chē)零部件生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，識(shí)別汽車(chē)零部件生命周期內(nèi)不同階段的對(duì)環(huán)境的影響。鐘言久等[5]根據(jù)聚酯樹(shù)脂產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種基于生命周期理論的聚酯樹(shù)脂產(chǎn)品環(huán)境績(jī)效評(píng)價(jià)工具，為聚酯樹(shù)脂的生命周期分析提供指導(dǎo)。呂杰鋒等[6]對(duì)共享單車(chē)生命周期不同階段的環(huán)境影響進(jìn)行對(duì)比分析,從設(shè)計(jì)的角度提出改進(jìn)建議，彌補(bǔ)作為可持續(xù)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的共享單車(chē)在可持續(xù)方面的欠缺，讓共享單車(chē)更可持續(xù)。

總的來(lái)說(shuō)，全球范圍內(nèi)對(duì)產(chǎn)品生命周期分析已進(jìn)行了非常多的研究，但針對(duì)家電產(chǎn)品的生命周期分析卻寥寥無(wú)幾，而家電產(chǎn)品產(chǎn)量的逐年增加給環(huán)境帶來(lái)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(duì)環(huán)境的影響，引導(dǎo)綠色消費(fèi)，保護(hù)生態(tài)文明，對(duì)家電產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期分析顯得尤為重要。本文在對(duì)家用空調(diào)分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了基于生命周期理論的家電產(chǎn)品環(huán)境績(jī)效評(píng)估軟件1.0，通過(guò)該軟件對(duì)家用空調(diào)建立了生命周期模型，實(shí)現(xiàn)了家用空調(diào)的分階段分工藝環(huán)境性能評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行家用空調(diào)的低碳設(shè)計(jì)提供支持。

1 生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家電產(chǎn)品環(huán)境績(jī)效評(píng)估軟件1.0運(yùn)行環(huán)境為Windows7及以上的操作系統(tǒng)以及Sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)，使用的匯編語(yǔ)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(píng)價(jià)方法和計(jì)算框架，評(píng)估家電產(chǎn)品的環(huán)境績(jī)效，能夠滿足不同產(chǎn)品的評(píng)價(jià)需求，保證評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)性和可靠性。

1.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

圖1 評(píng)估軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)生命周期評(píng)價(jià)原則和功能要求，整個(gè)系統(tǒng)分為五個(gè)功能模塊：基本信息功能模塊、清單數(shù)據(jù)功能模塊、LCA評(píng)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(shí)支持計(jì)算結(jié)果的分析和導(dǎo)出等功能，如圖1所示為評(píng)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(chǔ)案例的基本信息，包括基本信息和確定需評(píng)估的家電產(chǎn)品生命周期階段兩部分。

基本信息用于存儲(chǔ)案例名稱、產(chǎn)品型號(hào)、功能單位、評(píng)價(jià)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(lái)添加產(chǎn)品生產(chǎn)所需要的原材料獲取、生產(chǎn)制造、運(yùn)輸、使用階段和廢棄回收五個(gè)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(gè)工藝階段需要的能耗信息和排放的廢棄物；運(yùn)輸數(shù)據(jù)包括原材料運(yùn)輸和產(chǎn)品運(yùn)輸兩個(gè)階段的運(yùn)輸重量、運(yùn)輸距離和運(yùn)輸方式；使用階段包括使用年限、耗能類(lèi)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(píng)估功能模塊

LCA評(píng)估為軟件的環(huán)境績(jī)效計(jì)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(gè)部分，分別計(jì)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(guò)程的碳排放結(jié)果、CML 2001指標(biāo)評(píng)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(gè)條目名稱，就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)其所在網(wǎng)頁(yè)，從而進(jìn)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(lái)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(kù)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(jì)

家電產(chǎn)品環(huán)境績(jī)效評(píng)估軟件1.0是基于生命周期理論的家電產(chǎn)品環(huán)境績(jī)效評(píng)估系統(tǒng)，其工作流程可以分為4個(gè)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(píng)價(jià)目標(biāo)和范圍確定：該步驟主要工作是確定研究對(duì)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(yùn)輸、使用和廢棄回收五個(gè)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(dòng)對(duì)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(jìn)行分析計(jì)算。

步驟4：結(jié)果展示：軟件進(jìn)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(lái)，用戶可以根據(jù)研究目標(biāo)進(jìn)行選擇。

2 家用空調(diào)生命周期分析

2.1 評(píng)價(jià)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(jī)的高壓閥部件作為分析對(duì)象,對(duì)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(jìn)行分析,確定對(duì)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(diǎn)，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(gè)階段：原材料獲取階段、生產(chǎn)制造階段、運(yùn)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(duì)高壓閥部件進(jìn)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(yùn)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(jī)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(guò)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(shù)脂三類(lèi)，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(gè)零件組成，其生產(chǎn)制造階段主要在配管車(chē)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(dòng)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(yùn)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(yùn)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(yùn)輸階段主要考慮家用空調(diào)的銷(xiāo)售運(yùn)輸過(guò)程，本款家用空調(diào)主要銷(xiāo)售區(qū)域?yàn)楸本?，采用貨?chē)運(yùn)輸?shù)姆绞綇膹V州運(yùn)往北京，燃料類(lèi)型為柴油，運(yùn)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(duì)家用空調(diào)高壓閥部件進(jìn)行拆解及材料回收。該階段對(duì)環(huán)境的影響主要來(lái)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(dòng)對(duì)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(jìn)行分析計(jì)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(yùn)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(duì)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(jī)效評(píng)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(píng)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(lèi)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(duì)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(kāi)采、冶煉、金屬加工過(guò)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(duì)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(guò)程中需要加熱，加熱到一定溫度會(huì)分解出酸、酯、過(guò)氧化物、CO、CO2等有害物質(zhì)，同時(shí)，通常塑料制品在生產(chǎn)過(guò)程中需要添加抗氧劑、穩(wěn)定劑和著色劑，這些都對(duì)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(duì)環(huán)境的影響最大，因此在獲取原材料時(shí)需要改進(jìn)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(duì)環(huán)境影響較小的物質(zhì)代替，同時(shí)也要盡可能的降低其他階段對(duì)環(huán)境的影響。

3 結(jié)論

本文在對(duì)家用空調(diào)外機(jī)高壓閥部件生命周期分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種基于生命周期理論的家電產(chǎn)品環(huán)境績(jī)效評(píng)估系統(tǒng)。本文首先介紹了生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括其架構(gòu)設(shè)計(jì)和工作流程設(shè)計(jì)，然后通過(guò)家電產(chǎn)品環(huán)境績(jī)效評(píng)估軟件1.0，對(duì)家用空調(diào)建立了生命周期模型，實(shí)現(xiàn)了家用空調(diào)的分階段分工藝環(huán)境性能評(píng)價(jià)，列出了家用空調(diào)外機(jī)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(duì)環(huán)境的影響最大，并且提出準(zhǔn)確的改進(jìn)方案。

表5 CML 2001影響潛能值

圖5 總CML 2001評(píng)估結(jié)果柱狀圖

通過(guò)對(duì)家用空調(diào)外機(jī)高壓閥部件生命周期分析，可以證明家電產(chǎn)品環(huán)境績(jī)效評(píng)估軟件能夠根據(jù)不同類(lèi)型家電產(chǎn)品的特點(diǎn)，調(diào)整評(píng)價(jià)參數(shù)，制定個(gè)性化的環(huán)境績(jī)效評(píng)價(jià)方法和流程，計(jì)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(píng)估家電產(chǎn)品的環(huán)境績(jī)效，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行家電的綠色設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。