生命周期內(nèi)冷水機(jī)組的環(huán)境影響及運(yùn)行策略

蔡 亮，邵曉煒，馬燕賓，張小松，杜 塏

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096;2.艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，廣東深圳518000)

螺桿式冷水機(jī)組是提供冷凍水的大中型制冷設(shè)備.常用于國防科研、能源開發(fā)和賓館等部門的空氣調(diào)節(jié).而人們更為熟知的家用空調(diào)具有安裝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制便捷和價(jià)格較為便宜等特點(diǎn).按不同的空調(diào)需求，這2種形式空調(diào)都適用于中大型建筑物.

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是研究產(chǎn)品從原料獲得、生產(chǎn)、使用和廢棄所產(chǎn)生的環(huán)境沖擊的分析工具.生命周期評(píng)價(jià)環(huán)境沖擊類別一般需要考慮人類健康、資源消耗和生態(tài)品質(zhì)3方面的影響，包括目標(biāo)和范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和解釋說明4個(gè)階段［1］.筆者為了客觀評(píng)價(jià)2種形式空調(diào)的能量消耗與環(huán)境效應(yīng)，按照原材料獲得直至廢棄處理的各階段的資源消耗以及污染排放進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，并基于實(shí)例，提出相應(yīng)的運(yùn)行策略.

1 工程概況

本工程為南京市某大學(xué)學(xué)生宿舍空調(diào)安裝項(xiàng)目，宿舍樓共10層，每層33個(gè)房間，為4人間，每個(gè)宿舍平均面積約為23 m2.宿舍內(nèi)部設(shè)有電腦、熱水器及其他小型用電設(shè)備.根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，加上一定的富余冷量，預(yù)估單間宿舍所需空調(diào)制冷量約為3.6 kW，整幢宿舍樓夏季空調(diào)冷負(fù)荷約為1 200 kW.因此，提出2種方案:方案1，選用3臺(tái)總制冷量約為1 200 kW的水冷螺桿冷水機(jī)組，末端選用風(fēng)機(jī)盤管將冷量送入宿舍;方案2，每個(gè)宿舍安裝1臺(tái)同時(shí)擁有制冷供暖功能的1.5匹家用空調(diào)，共需330臺(tái).

2 冷水機(jī)組的生命周期評(píng)價(jià)

方案1選取3臺(tái)某公司高效型水冷螺桿式冷水機(jī)組，其中單臺(tái)制冷量為480.6 kW的機(jī)組2臺(tái)，制冷量為240.3 kW的機(jī)組1臺(tái).

2.1 邊界條件及假設(shè)

為了避免某些未知因素對(duì)分析結(jié)果造成的不確定性影響，在對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)之前需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一些假設(shè)和再定義［2-5］:① 原材料僅考慮占主要比例的材料，忽略總量占據(jù)不到5%且對(duì)環(huán)境不存在顯著影響的材料因子，系統(tǒng)報(bào)廢后考慮進(jìn)行回收利用;②假設(shè)所有過程中消耗的電能都是以燃煤發(fā)電而來;③工藝上消耗的淡水均取自自然界，無需進(jìn)一步處理;④假設(shè)冷水機(jī)組的生命周期為15 a，其運(yùn)行環(huán)境在全生命周期內(nèi)保持穩(wěn)定.運(yùn)行時(shí)間定義為每天8 h［6］，年制冷時(shí)間定為200 d，則冷水機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間約為1 600 h.

2.2 量化方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

考察其生命周期須從4個(gè)階段著手:原材料獲取階段、生產(chǎn)加工階段、使用階段和回收處理階段.

2.2.1 系統(tǒng)部件的生產(chǎn)加工

生產(chǎn)過程中所消耗的金屬礦石主要為銅、鋼和鋁，具體的能耗及CO2排放由下式表示［7］:

式中:Qr為空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)的能耗量，MJ;Qi為第i種金屬礦石的單位能耗量，MJ·t-1;mi為第i種金屬礦石的消耗量，t;n為系統(tǒng)的臺(tái)數(shù)，臺(tái).

式中:mr為空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)的CO2排放量，kg;wi為第i種礦石的單位CO2排放量，kg·t-1.

2.2.2 機(jī)組運(yùn)行

運(yùn)行階段中的能源消耗量主要就是空調(diào)設(shè)備在運(yùn)行過程中所消耗的電能，且假設(shè)電能都是以燃煤發(fā)電而來.由于運(yùn)行期間不會(huì)產(chǎn)生任何排放，因此運(yùn)行階段的CO2排放量要追溯到電能的來源上，即發(fā)電所用的原料——煤的開采、運(yùn)輸及加工生產(chǎn)過程中的CO2排放量.因此，運(yùn)行階段可以由如下公式計(jì)算:

式中:Eo為空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行階段的耗電量，kW·h;Pi為第i季度的運(yùn)行功率，kW;ni為第i季度的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，臺(tái);ti為第i季度的運(yùn)行天數(shù)，d;th為設(shè)備每天的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h;ty為運(yùn)行年限，a.

式中:Qo為運(yùn)行階段的能耗量，MJ;q為電力生產(chǎn)的單位能耗量，MJ·(kW·h)-1.

式中:mo為空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行階段的CO2排放量，kg;w為電力生產(chǎn)的單位CO2排放量，kg·(KW·h)-1.

2.2.3 系統(tǒng)報(bào)廢處理

空調(diào)設(shè)備服役一定時(shí)間后，部分部件會(huì)逐漸老化，報(bào)廢的部分物質(zhì)可以回收利用［8］，如鋼的回收率75%，銅的回收率85%等，一些老化的密封材料可以焚燒處理.

2.2.4 影響評(píng)價(jià)

根據(jù)系統(tǒng)邊界及清單分析所提供的數(shù)據(jù)清單，本模型主要選擇人類健康、資源消耗、全球變暖作為生命周期階段的主要環(huán)境效益評(píng)價(jià)影響類型.因而需要計(jì)算各種環(huán)境排放物對(duì)各種環(huán)境影響類型的潛在貢獻(xiàn)，即環(huán)境排放影響潛值.

式中:EB(j)為第j種環(huán)境影響類型對(duì)環(huán)境影響的潛值;EB(j)i為第j種環(huán)境影響類型的第i種環(huán)境干擾因子的影響潛力;Q(j)i為第j種環(huán)境影響類型的第i種環(huán)境干擾因子的排放量;PF(j)i為第j種環(huán)境影響類型的第i種環(huán)境干擾因子的單位影響潛力.

計(jì)算出環(huán)境排放影響潛值之后，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，比較對(duì)各種影響類型的貢獻(xiàn)大小.

式中:NB(j)為第j種環(huán)境影響類型對(duì)環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)化潛值;R(j)為第j種環(huán)境影響類型對(duì)環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)值;t為生命周期.

2.3 生命周期評(píng)價(jià)

為了得到了生命周期階段各項(xiàng)指標(biāo)的具體特征化影響值，采用ECO-Indicator 99方法，將系統(tǒng)排放物對(duì)環(huán)境的影響分為3大類:資源消耗，人類健康和生態(tài)的影響，由式(6)，(7)得出的標(biāo)準(zhǔn)值加上權(quán)重，其中溫室效應(yīng)是以13 077 kg的CO2為標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重，臭氧層破壞以0.922 kg的CFC-11為標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重［9］，得到最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)，單位為Pt，正值說明對(duì)環(huán)境負(fù)面影響，負(fù)值表示對(duì)環(huán)境存在正面影響.

圖1為螺桿式冷水機(jī)組各項(xiàng)影響指標(biāo)的損害評(píng)價(jià).橫坐標(biāo)中:1為致癌物質(zhì)評(píng)價(jià);2為空氣中有機(jī)物對(duì)呼吸系統(tǒng)的影響評(píng)價(jià);3為空氣中無機(jī)物對(duì)呼吸系統(tǒng)的影響評(píng)價(jià);4為氣候變化評(píng)價(jià)指標(biāo);5為輻射評(píng)價(jià)指標(biāo);6為臭氧層破壞評(píng)價(jià);7為生態(tài)毒性當(dāng)量評(píng)價(jià);8為酸化/富營養(yǎng)化評(píng)價(jià);9為土地使用當(dāng)量評(píng)價(jià);10為礦物資源評(píng)價(jià);11為化石燃料資源評(píng)價(jià).紅色為機(jī)組運(yùn)行過程中的電力輸入造成的損害，藍(lán)色為原材料的消耗以及生產(chǎn)裝配過程的損害，紫色為對(duì)環(huán)境起積極作用的機(jī)組廢棄回收過程的貢獻(xiàn).

圖1 螺桿式冷水機(jī)組各項(xiàng)影響指標(biāo)的損害評(píng)價(jià)

電力輸入所帶來的損害是冷水機(jī)組各項(xiàng)影響指標(biāo)的主要來源，除了礦物資源評(píng)價(jià)指標(biāo)，其余10個(gè)指標(biāo)幾乎不受其他過程的影響，要降低其在生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的沖擊和危害，應(yīng)重點(diǎn)放在節(jié)約電力及開發(fā)新能源的使用上.圖2為各個(gè)過程影響的單一計(jì)分結(jié)果，進(jìn)一步體現(xiàn)出電力使用是電力驅(qū)動(dòng)的空調(diào)產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)中的主要影響因素.

圖2 冷水機(jī)組各個(gè)過程影響的單一計(jì)分結(jié)果

表1為使用螺桿機(jī)組在其生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響值.由此得出，螺桿式冷水機(jī)組在整個(gè)生命周期內(nèi)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)為1.3×105Pt，分別對(duì)人類健康、生態(tài)品質(zhì)、資源消耗造成的影響指標(biāo)為2.52 ×104Pt，7.16 ×104Pt，3.32 ×104Pt.其主要的影響來源于運(yùn)輸以及運(yùn)行階段，廢棄物回收處理過程對(duì)環(huán)境總體起到積極的影響，其影響值為負(fù)值.

表2為螺桿式冷水機(jī)組含碳、硫氣體的輸出量，分別為6.19×106kg二氧化碳，1.40×103kg的一氧化碳，6.08×103kg的氧化硫氣體，電力使用對(duì)空氣品質(zhì)的破壞具有極大的消極影響，幾乎90%的氣體來自有電力輸入的空調(diào)運(yùn)行過程，這些氣體將會(huì)對(duì)溫室效應(yīng)以及空氣品質(zhì)帶來極為不利的影響.

表1 方案1的環(huán)境影響值 Pt

表1 方案1的氣體輸出 Pt

3 環(huán)境效益的對(duì)比

冷水機(jī)組和家用空調(diào)并不能單純對(duì)比，兩者的差異主要來源于生命周期的不同，家用空調(diào)的使用年限為10 a，而螺桿式冷水機(jī)組的使用年限為15 a，根據(jù)生命周期理論而模擬出的環(huán)境影響值并不能直接反應(yīng)兩者的差異，于是采用曲線圖表，分別得到2個(gè)系統(tǒng)隨使用時(shí)間增長(zhǎng)的環(huán)境影響值變化曲線，并通過相互比較，得出最優(yōu)方案的運(yùn)行策略.

3.1 方案1的環(huán)境影響值曲線

表1，2分別得到了采用螺桿式冷水機(jī)組時(shí)，其生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響值以及氣體輸出，為了得到影響指標(biāo)隨時(shí)間的變化情況，必須對(duì)上述模型按年份的增長(zhǎng)分別模擬，模擬結(jié)果如圖3，4所示.

從影響值隨時(shí)間的變化曲線來看，影響總值的曲線斜率不斷變大，意味著隨著使用年限的增長(zhǎng)，機(jī)組對(duì)環(huán)境的影響越來越大，當(dāng)機(jī)組使用9 a左右，影響總值的增長(zhǎng)幅度驟增，這是由于設(shè)備的老化以及前期使用的不斷影響積累造成的.而人類健康、生態(tài)品質(zhì)和資源消耗的變化曲線與機(jī)組影響總值曲線也有著基本相同的變化趨勢(shì).

3.2 方案2的環(huán)境影響值曲線

家用空調(diào)方案的生命周期模型與冷水機(jī)組類似，只需重新編輯原材料輸入以及在生命周期過程中對(duì)參數(shù)稍加修改，即可得到方案2的生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果，如圖5，6所示.

方案2的影響總值曲線與方案1的曲線基本表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，但在生命周期后期的增長(zhǎng)幅度明顯更大，說明相對(duì)于大型中央空調(diào)，家用空調(diào)的老化更快.

3.3 方案對(duì)比

為了更加清晰地展示家用空調(diào)方案與冷水機(jī)組方案的環(huán)境效益，將圖3，5中2種方案的環(huán)境影響總值曲線匯總，如圖7所示.

圖7 2種方案的環(huán)境影響曲線

方案1為冷水機(jī)組方案，基本特征為生命周期長(zhǎng)，年環(huán)境影響值增長(zhǎng)較為平穩(wěn)，但峰值更大，即冷水機(jī)組在其生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境更加不利;方案2為家用空調(diào)方案，基本特征為曲線起點(diǎn)低，初期較平穩(wěn)，后期更為陡峭，峰值較方案1略小.2條曲線的交點(diǎn)出現(xiàn)在機(jī)組使用5～6 a之間，在此之前，方案2曲線位于方案1曲線之下，但縱向差值不大;交點(diǎn)向右，方案2曲線位置超過方案1曲線，且隨著時(shí)間的增加，差值逐漸變大;當(dāng)冷水機(jī)組使用約13 a時(shí)，其環(huán)境影響值正好與家用空調(diào)全生命周期的影響值相同.

圖8為2種方案的CO2氣體輸出曲線，曲線的特點(diǎn)及趨勢(shì)跟圖7環(huán)境影響值曲線大致相同，不同點(diǎn)在于交點(diǎn)的位置較之略有提前，出現(xiàn)在生命周期的4～5 a之間.

圖8 2種方案的CO2輸出曲線

圖7，8曲線的交點(diǎn)均出現(xiàn)在4～6 a之間，在此之前，家用空調(diào)的環(huán)境影響較小，但年增長(zhǎng)值較大;4～6 a之后，方案2曲線更為陡峭，方案1則較為平穩(wěn)，說明冷水機(jī)組方案的環(huán)境效益比較穩(wěn)定，更適合長(zhǎng)期投資.

對(duì)比了2種方案的運(yùn)行狀況后，發(fā)現(xiàn)在每天運(yùn)行8 h，年使用200 d，冷水機(jī)組方案表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的環(huán)境效益，更加適用于該項(xiàng)宿舍空調(diào)安裝工程.

3.4 運(yùn)行策略

上述的所有分析都是在系統(tǒng)年使用時(shí)間1 600 h的假設(shè)條件下完成的，由于在電力驅(qū)動(dòng)的空調(diào)設(shè)備的生命周期中，電力使用是對(duì)環(huán)境危害最大的指標(biāo)，并且家用空調(diào)在生命周期初期對(duì)環(huán)境的影響值不高，所以，調(diào)整設(shè)備的年使用時(shí)間有可能產(chǎn)生不同的結(jié)果，將從環(huán)境影響的角度對(duì)方案1和方案2的運(yùn)行策略進(jìn)行討論.對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，夏季、冬季使用空調(diào)均按100 d計(jì).

圖9-14 分別為年運(yùn)行1 000，1 200，1 800 h，2種方案的環(huán)境影響總值曲線和CO2輸出曲線.

圖9 年運(yùn)行1 000 h的環(huán)境影響曲線

通過比較上述幾種運(yùn)行時(shí)間下的曲線，可得以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)年運(yùn)行1 000 h時(shí)，家用空調(diào)的環(huán)境影響總值基本都低于冷水機(jī)組，雖然在生命周期末期，超過了同期冷水機(jī)組，但兩者的峰值差變大，達(dá)到了近30 000 Pt.而雖然家用空調(diào)CO2輸出量還是要高于冷水機(jī)組，但這僅僅表示家用空調(diào)在全球變暖方面的環(huán)境影響要高于冷水機(jī)組，最終決定性的指標(biāo)是綜合所有影響指標(biāo)的環(huán)境影響總值.所以，在年運(yùn)行1 000 h，即每天空調(diào)使用不超過5 h時(shí)，家用空調(diào)比冷水機(jī)組具有更大的環(huán)境效益，方案2應(yīng)是更為理想的選擇.

2)年運(yùn)行1 200 h時(shí)，冷水機(jī)組的環(huán)境影響總值曲線平緩、穩(wěn)定，而家用空調(diào)曲線斜率逐漸變大.2種方案的峰值差約為20 000 Pt.曲線的交點(diǎn)出現(xiàn)在系統(tǒng)使用7 a左右，接近家用空調(diào)生命周期的盡頭，在此之前，家用空調(diào)對(duì)環(huán)境的影響值比冷水機(jī)組略小，但幅度并不明顯;7 a之后，家用空調(diào)的環(huán)境影響值劇增.而在CO2輸出曲線則表明，家用空調(diào)方案的溫室氣體輸出遠(yuǎn)高于冷水機(jī)組方案，并且兩者在生命周期內(nèi)的輸出總值相當(dāng).所以，在年運(yùn)行時(shí)間達(dá)到1 200 h，使用冷水機(jī)組更為合理.

3)與年運(yùn)行1 600 h的曲線相比，在空調(diào)設(shè)備年運(yùn)行1 800 h的條件下，圖13，14中曲線的交點(diǎn)均向左移動(dòng)，曲線峰值差減小，說明年運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，冷水機(jī)組的節(jié)能減排作用越明顯，證明了冷水機(jī)組更適用于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，制冷及供暖面積大的中大型工程.

4 結(jié)論

1)運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)理論分析冷水機(jī)組對(duì)環(huán)境的影響是可行的，主要以環(huán)境影響和氣體輸出為評(píng)價(jià)指標(biāo).

2)基于工程實(shí)例，比較了螺桿式冷水機(jī)組和家用空調(diào)在環(huán)境效益方面的優(yōu)劣.在年運(yùn)行1 600 h的情況下，冷水機(jī)組方案在使用初期的環(huán)境影響高于家用空調(diào)方案，5～6 a后兩者更替，并且隨著運(yùn)行年限的增加，不論是環(huán)境影響總值還是溫室氣體及污染氣體排放量，冷水機(jī)組方案都表現(xiàn)出穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說明冷水機(jī)組方案的環(huán)境效益比較穩(wěn)定，更適合長(zhǎng)期投資.

3)從環(huán)境影響和CO2排放的角度出發(fā)，研究了家用空調(diào)和冷水機(jī)組的運(yùn)行策略，結(jié)果表明:根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)、功能及人員使用情況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用不同的空調(diào)形式.當(dāng)需要空調(diào)設(shè)備年運(yùn)行不超過1 000 h時(shí)，家用空調(diào)方案更能起到節(jié)能減排的作用;而當(dāng)需要空調(diào)設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間大于1 000 h時(shí)，冷水機(jī)組為更加合適的選擇.

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