大型空調(diào)系統(tǒng)生命周期評價與能源利用評價模型

王豆豆，茍 立，張 彬

(1.西安建筑科技大學 建筑環(huán)境工程與空調(diào)技術(shù)研究所,西安 710055；2.中國兵器工業(yè)第二○五研究所,西安 710065)

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大型空調(diào)系統(tǒng)生命周期評價與能源利用評價模型

王豆豆1，茍 立1，張 彬2

(1.西安建筑科技大學 建筑環(huán)境工程與空調(diào)技術(shù)研究所,西安 710055；2.中國兵器工業(yè)第二○五研究所,西安 710065)

基于西安咸陽國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)，利用生命周期理論和層次分析法針對能源高效利用途徑進行了研究。針對生命周期方法和層次分析法應(yīng)用于建筑能源進行了深入分析，結(jié)合實際案例數(shù)據(jù)進行了生命周期清單分析，數(shù)據(jù)來源與所提模型緊密結(jié)合，基于層次分析法框架性模型，以空調(diào)工程各種資源的消耗值和各種環(huán)境影響潛值分析為例，量化剖析了如何利用全生命周期影響評價對耗能項目進行評價。結(jié)合案例數(shù)據(jù)的生命周期評價提出了能源利用評價層次模型，并針對模型給出了從全生命周期角度調(diào)整建立能源利用過程監(jiān)控與評價等建議。

大型空調(diào)系統(tǒng)；生命周期；評價方法；能源利用；層次分析法

能源的開發(fā)使用為社會進步、經(jīng)濟發(fā)展提供了源源不斷的動力，是人類一切活動的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。但隨著經(jīng)濟快速增長和能源過度使用[2-3]，能源資源缺乏[4]、結(jié)構(gòu)不合理、環(huán)境污染嚴重及能源分配不公等問題日益突出。以建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗為例，其消耗的能源約占建筑總能耗的50%左右。因此，制定合理的能源政策、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)及能源利用機制、開發(fā)利用可再生能源[5]、采用綜合性的能源評價觀代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一的能源評價觀、機制與政策受到高度重視[6-8]。

目前，能源、資源及環(huán)境管理評價常用的分析方法有技術(shù)經(jīng)濟分析法[9]、層次分析法[10]、情景分析法、價值分析法、灰色分析法[11]等。作為常用的評價方法之一生命周期評價理論產(chǎn)生經(jīng)過了萌芽、探索和迅速發(fā)展3個階段[12-13]，已形成一套完整的理論體系，并逐漸被接受。生命周期評價在生物能源利用與評價[14]、太陽能建筑設(shè)備系統(tǒng)的評價[15]、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)與實踐[16]等諸多方面都得到了廣泛的研究與應(yīng)用。一些研發(fā)公司也在其產(chǎn)品研發(fā)方面也應(yīng)用生命周期評價理論來進行技術(shù)系統(tǒng)評價。然而，具有針對性的生命周期方法和層次分析法應(yīng)用于建筑能源分析，特別是結(jié)合實際案例數(shù)據(jù)進行生命周期分析尚有待于進一步研究。有鑒于此，作者基于層次分析法提出的框架性模型，以空調(diào)工程各種資源的消耗值和各種環(huán)境影響潛值分析為例，量化剖析了利用全生命周期影響評價對耗能項目的評價過程。通過西咸國際機場貨運中心空調(diào)工程的資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響負荷的計算，深入例剖析如何利用全生命周期影響評價對耗能項目進行評價，并運用層次分析法構(gòu)建能源利用評價層次模型。

1 生命周期評價模式

國際環(huán)境毒理與環(huán)境化學學會(SETAC)和國際標準化組織(ISO)的定義[17]，生命周期評價的對象可以是一個產(chǎn)品、處理過程或活動，并且范圍涵蓋了評估對象的整個生命周期；其核心要素是對產(chǎn)品(廣義“產(chǎn)品”)從原材料采集、生產(chǎn)、使用、產(chǎn)品制造直至報廢棄用的全生命周期過程中的資源(包括能源)的消耗情況及對各類環(huán)境因素可能造成影響進行清單式分析，評判預測結(jié)果，提出結(jié)論性意見，進而為工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計、耗能及能源系統(tǒng)的優(yōu)化提供改進理論依據(jù)。以ISO14040、ISO14041以及ISO14042等標準為例，生命周期評價(LCA)方法將其分為4步：

1)目標與研究范圍定義(Goal and Scope Definition)；

2)能源及排放清單分析(Life Cycle Inventory Analysis, LCI)；

3)生命周期影響評價(Life Cycle Impact Assessment, LCIA)；

4)結(jié)果解釋與改善評價(Life Cycle Interpretation)，其內(nèi)涵關(guān)系如圖1[12,18]。

依據(jù)SETAC和各類ISO中的框架，生命周期評價模型包括循序漸進的4個技術(shù)步驟[12]：

1)科學目標和范圍定義，對計算資源能源消耗及環(huán)境排放潛值進行；

2)清單歸類分析，對計算數(shù)據(jù)進行標準化；

3)標準化數(shù)據(jù)的加權(quán)。根據(jù)重要性分級，對各項潛值賦權(quán)，評價其綜合大小；

4)以“人當量”為單位對賦權(quán)結(jié)果計算資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響負荷及其效果分析。

圖1 LCA技術(shù)框架圖Fig.1 ICA technology frame

2 研究對象與范圍界定

2.1 研究對象

為深入探討生命周期評價(LCA)理論方法、生命周期評價模型研究更具有典型性，以西安市的典型能源利用重大項目——西咸國際機場貨運中心空調(diào)工程作為范例進行生命周期的清單分析。該貨運中心建筑總面積為18 700 m2，其中有15 000 m2為空調(diào)面積，該空調(diào)系統(tǒng)中，冷源由兩臺螺桿制冷機組成的蓄冰系統(tǒng)集中供給，熱源采用鍋爐房蒸汽，經(jīng)過減壓換熱最終形成60/50 ℃的熱水[19]。

2.2 數(shù)據(jù)來源

生命周期清單分析是基于西咸國際機場貨運中心空調(diào)工程的實際狀況、空調(diào)系統(tǒng)機組部分運行及能耗數(shù)據(jù)進行[19]。管道耗材與環(huán)境排放的數(shù)據(jù)來源于國家環(huán)保局編制的工業(yè)污染物產(chǎn)生和排放系數(shù)手冊和中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會編制的《中國鋼鐵工業(yè)年鑒》[20-23]?？紤]西咸國際機場貨運中心空調(diào)工程能源實際使用情況，所有電能的產(chǎn)生方式均為火力發(fā)電。實際工程建設(shè)表明，生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生的邊角料和各種廢棄物在生產(chǎn)以外的回收再利用的經(jīng)濟價值以及對于資源能源消耗總量的影響所占比例不高，可忽略不計。按照集中空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)、使用規(guī)范標準，結(jié)合西咸國際機場貨運中心空調(diào)實際案例數(shù)據(jù)進行生命周期分析。本文所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都來源于工業(yè)和能源方面常用的手冊和資料，工程數(shù)據(jù)來源于西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)實際案例。

2.3 研究范圍

鑒于研究大樣本數(shù)據(jù)數(shù)量獲得的困難性，為了方便模型建立及分析，往往將這一復雜系統(tǒng)做科學、合理的簡化或假設(shè)。在本研究中，計算及分析時將空調(diào)系統(tǒng)劃分成有單獨邊界的兩個獨立系統(tǒng)——機組系統(tǒng)(即產(chǎn)能系統(tǒng))和管道系統(tǒng)(即輸配系統(tǒng)及用能系統(tǒng))，并分別對其資源能源消耗和環(huán)境影響量值進行研究。研究范圍確定以系統(tǒng)邊界的形式給以界定。對于機組部分，主要對系統(tǒng)在使用階段的能源、資源消耗程度及環(huán)境排放量進行分析計算和研究，系統(tǒng)邊界如圖2所示。而管道部分即輸配系統(tǒng)中的各種管件及其部件都屬于生產(chǎn)消耗大于使用及運行消耗的情況，對此主要研究鋼材及管道在生產(chǎn)階段的能源資源消耗和環(huán)境排放量，系統(tǒng)邊界如圖3所示[19]。

圖2 大型空調(diào)系統(tǒng)機組部分系統(tǒng)邊界Fig.2 Systematic boundary of lenit system on large air conditioning system

圖3 大型空調(diào)系統(tǒng)管道部分生命周期的系統(tǒng)邊界Fig.3 Systematic boundary of piping system life cycle on large air conditioning sytem

3 能耗及環(huán)境排放清單分析

3.1 機組部分

3.1.1 能耗調(diào)研 能耗分析清單應(yīng)逐項進行。西咸國際機場貨運中心空調(diào)工程清單主要分兩部分：1)空調(diào)系統(tǒng)中所有耗能設(shè)備的型號、功率以及全年運行情況等基本資料。2)機組全年各項能耗。結(jié)果見表1。

表1 能耗調(diào)查表

3.1.2 清單分析 根據(jù)西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)全年耗電量進行清單分析?？照{(diào)機組系統(tǒng)使用階段能源消耗及主要環(huán)境排放物清單以及所研究的機組部分的能耗和環(huán)境總排放列于表2中[12]。

3.2 管道部分

為統(tǒng)計空調(diào)系統(tǒng)風管、水管用量，結(jié)合設(shè)計圖紙實地考察，結(jié)果如表3[18]。

3.2.1 能源消耗清單 能源消耗清單應(yīng)考慮生產(chǎn)過程涉及的幾個部分。該空調(diào)系統(tǒng)管道部分全生命周期中的能源消耗分為鋼材生產(chǎn)和管道制作兩個過程。鋼材生產(chǎn)主要依靠的是電、燃油和煤等的消耗。風管、水管制作過程主要消耗的是電能。中國生產(chǎn)1 kg普通鋼材的能耗、風管生產(chǎn)過程能耗(以長2 m、橫截面積為800 mm×630 mm規(guī)格，厚度為0.75 mm的風管作為標準風管)，分項統(tǒng)計匯總換算得到總能耗為160.632 MJ/根[12]。水管生產(chǎn)過程能耗參照文獻[20]?？偰芎那鍐我姳?。

表2 機組部分能源消耗及總排放量清單

表3 管道用量統(tǒng)計表

注：表中薄鋼板的容重按7 870 kg/m3

表4 管道部分能源消耗清單

從各項能源的消耗上看，消耗最多的是煤炭，這也符合中國的能源結(jié)構(gòu)。

3.2.2 材料消耗清單 西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)管道部分的資源消耗主要是生產(chǎn)過程中的各類鋼材的使用。鋼材生產(chǎn)過程中主要的原材料及輔助用料的消耗見表5(以1 kg普通鋼材為單位)，各類管道安裝時需要使用的釘子、法蘭、管接頭等的用量已考慮在內(nèi)[12]。據(jù)此，根據(jù)文獻[18]中的計算結(jié)果，管道部分資源消耗列于表5。

表5 管道部分主要資源消耗清單[18]

3.2.3 環(huán)境排放清單 西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境排放包括了兩部分，生產(chǎn)管材所用電能在生產(chǎn)過程中的排放和鋼材生產(chǎn)過程中的排放。電能在生產(chǎn)過程中的排放參考表2的數(shù)據(jù)，管道生產(chǎn)過程電能消耗總量查表4，將兩部分排放量相加列于表6。

表6 管道系統(tǒng)總排放量

通過分析各排放物來源，了解到CO2主要來源于管道系統(tǒng)耗材的生產(chǎn)，占54.5%，其次是工藝過程(電能消耗)，占45.5%。其它排放物(如和SOX)也有類似情況。因此，降低鋼材生產(chǎn)燃料耗費和工藝中電能的消耗是減少CO2、CO等主要廢氣的重要途徑，即需要通過系統(tǒng)設(shè)計方面的改進和生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進，使得管道耗材量和生產(chǎn)耗電量降低。水體污染物主要是懸浮物，占所有排入水體污染物的98.5%，從來源看，主要來源于鋼材生產(chǎn)。固體廢棄物量也相當大，從來源看，工藝過程的礦渣量占固體廢棄物總量的76.5%，且?guī)缀?00%的礦渣都來源于鋼材生產(chǎn)過程。如何控制鋼材生產(chǎn)過程中礦渣排放以及回收處理和再利用是值得注意的問題。

4 生命周期影響評價

為了直觀表示西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)生命周期內(nèi)對資源及環(huán)境的影響，要對清單分析結(jié)果進行影響評價，得到資源耗竭系數(shù)以及環(huán)境影響負荷，并分析評價結(jié)果。資源與能源的利用主要涉及油及電的消耗，把能源消耗量(電能)合并到資源消耗量中，綜合為資源耗竭系數(shù)，將所有環(huán)境排放物綜合統(tǒng)計為環(huán)境影響負荷，根據(jù)本系統(tǒng)特點[12]，該空調(diào)工程生命周期影響類型見表7。具體的標準化基準的選定和單位見表8，影響評價計算結(jié)果見表9。

表7 西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)生命周期影響類型[12]Tab.7 Type of life cycle impact

表8 西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)生命周期評價計算基準

表9 西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)生命周期評價計算結(jié)果

從表9看出，在資源耗竭方面，西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)運行過程占據(jù)了整個生命周期資源(能源)消耗的79.8%；在環(huán)境排放方面，空調(diào)運行階段占據(jù)了整個生命周期環(huán)境排放負荷的94.5%。因此，在這一類典型耗能項目的管理過程中，除了適當改進生產(chǎn)及工藝(即管道部分)過程的技術(shù)手段，降低生產(chǎn)過程中的能源消耗外，對于降低資源能源消耗和減少環(huán)境污染排放的需要，還是應(yīng)該考慮使用過程中階段(機組部分)的管理方法與技術(shù)的改進。

5 能源層次評價模型

按照層析分析法的思路，以西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)生命周期評價為范例，建立全新的能源利用層次評價模型，并進行一致性檢驗及分析。該模型的來源主要借鑒了機電產(chǎn)品的評價方法和汽車產(chǎn)品的層次模型結(jié)構(gòu)，所做的改進是將生命周期評價的結(jié)果——資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響負荷作為重要的評定指標，結(jié)合能源項目的特點對模型結(jié)構(gòu)進行更新，對能源利用過程按照全生命周期進行劃分，建立層次結(jié)構(gòu)模型。西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)研發(fā)與評價采用層次分析法構(gòu)建一種四層次的評價模型[22]。從環(huán)境影響指標、技術(shù)指標和經(jīng)濟指標三個角度出發(fā)分析[23]。將西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)能源利用過程的全生命周期分為產(chǎn)品加工生產(chǎn)、能源利用(實際工程項目)、工程項目的報廢階段。目標層為能源利用評價；準則層分為環(huán)境屬性、資源能源屬性、經(jīng)濟屬性和技術(shù)屬性；在子準則層中將所有環(huán)境屬性合并為環(huán)境影響負荷(生命周期評價結(jié)果)，將一部分資源能源屬性合并為資源耗竭系數(shù)(生命周期評價結(jié)果)；最底層是方案層，分列各種能源利用方案。具體層次結(jié)構(gòu)劃分如圖4所示。其中需要說明的是，模型評價指標均來自于對空調(diào)系統(tǒng)整個生命周期的資源能源消耗和環(huán)境影響的調(diào)查計算所得，所選取的指標也在環(huán)境屬性、資源能源屬性以及經(jīng)濟技術(shù)屬性等方面比較有針對性。例如，環(huán)境影響負荷這一生命周期參數(shù)主要體現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)對于環(huán)境造成的影響，可以較為完整的代表環(huán)境屬性；生命周期內(nèi)的設(shè)備利用率是反映空調(diào)系統(tǒng)整個生命周期內(nèi)所有涉及到的設(shè)備整體的綜合利用情況的參數(shù)，可以體現(xiàn)模型中經(jīng)濟屬性的部分。其他模型指標也類似。

建立構(gòu)造各層次所有的判斷矩陣，準則層B判斷矩陣為A；子準則層C中，包涵8個元素，對應(yīng)其上層元素分別構(gòu)建判斷矩陣。環(huán)境屬性只有一個元素。資源能源屬性、經(jīng)濟屬性和技術(shù)屬性都有兩個以上元素，對其構(gòu)建比較矩陣為B2、B3、B4，原則還是通過專家的比較意見以及對各元素的打分情況。分別計算判斷矩陣的層次單排列，即計算判斷矩陣最大特征值對應(yīng)的歸一化后的特征向量，并進行一致性檢驗，得矩陣A、B2、B3、B4的CR均≤0.1，判斷矩陣的一致性。

基于西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)這一典型能源消耗工程全生命周期評價的剖析過程，從全生命周期的角度出發(fā)，按照層次分析法對能源利用過程的諸多因素進行了歸類分層，在使用過程中，針對一種或者一組能源的利用，按照其全生命周期過程，對從勘探生產(chǎn)到工程報廢所有生命周期重要階段均按照該模型層次進行評價，通過進行生命周期影響評價及經(jīng)濟、技術(shù)評價，得到準則層C的所有指標，參考全生命周期的資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響負荷最終對類似于西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)這樣的能源利用工程隨時進行管理方法與技術(shù)的改進，優(yōu)化能源利用項目全生命周期的運行，為能源利用的合理性評價提供理論依據(jù)。

圖4 基于西咸國際機場貨運中心空調(diào)系統(tǒng)的能源利用層次評價模型Fig.4 Hierarchical evaluation model of energy utilization based on central air conditioning system of Xi ’an-Xianyang international airport

6 結(jié)論

通過生命周期方法進行能源消耗項目——西安咸陽國際機場貨運中心空調(diào)工程案例剖析，建立了新的能源利用層次評價模型。通過空調(diào)工程各種資源消耗值和環(huán)境影響潛值案例分析，明確了利用全生命周期影響評價量化剖析耗能項目的方法。并從全生命周期的角度為能源市場和可再生能源政策的制定提出建議。

1)在能源的勘探與開采階段，加大模型環(huán)境和技術(shù)屬性的評判權(quán)重，確保較小的環(huán)境影響負荷；在資源耗竭系數(shù)方面，針對每一種能源資源制定長期(幾十年甚至更遠)的開采計劃，確保合理的資源耗竭系數(shù)。在能源利用項目實施過程，加大模型中資源能源屬性及經(jīng)濟屬性的權(quán)重。對典型的耗能項目按其資源能源屬性及經(jīng)濟屬性評估，確立優(yōu)先采用的能源類型。在工程報廢階段，加大模型中環(huán)境、資源能源屬性的權(quán)重。通過對環(huán)境影響負荷等準則層C中的參數(shù)進行計算評估，確定各種耗能項目合理的報廢年限。

2)某種能源和可再生能源的利用過程中，不僅看某一過程是否符合環(huán)境和資源等要求，應(yīng)該按照能源利用層次評價模型，從全生命周期角度出發(fā)，建立長效的監(jiān)控機制，對整個能源生命過程參照上述工程范例從勘探開采、實施利用以及報廢的整個過程進行生命周期影響評價，并隨時進行管理方法與技術(shù)的改進，優(yōu)化能源利用項目全生命周期的運行。

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(編輯 王秀玲)

Life cycle assessment in large air-conditioning system and evaluation framework model of energy utilization

WangDoudou1，GouLi1，ZhangBin2

(1. Institute of Built Environment Engineering and Air Conditioning Technology,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055 P.R.China；2. No.205 Research Institute of China Ordnance Industries,Xi’an 710065,P.R.China)

Based on central air conditioning system of Xi’an-Xianyang international airport, energy efficient utilization with life cycle theory and analytic hierarchy process was conducted. Firstly, the application of life cycle and analytic hierarchy process to building energy was deeply studied. Secondly, life cycle inventory analysis was conducted combined with the practical cases data. And the data resource is related to the proposed model. Thirdly, On basis of analytic hierarchy framework model and analysis of energy consumption as well as potential environmental impact on air-conditioning project, the study on how to evaluate energy-consumption project with the use of life cycle impact assessment is done. Based on the life cycle assessment of practical cases data, a new hierarchical evaluation model of energy utilization is put forward. And in view of the model， several suggestions are given such as establishing energy utilization process monitoring and evaluation from the point of whole life cycle assessment. This provides a theoretical basis for policies about enormous quantity of building energy and energy saving of air conditioning system.

large air conditioning system; life cycle; evaluation methodology; energy utilization; analytic hierarchy process

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.009

2014-05-08

“十二五”國家科技支撐計劃(2011BAJ03B03)

王豆豆(1989-)，女，主要從事環(huán)境與資源保護研究，(E-mail)doudouwangsmile@sina.com。

Foundation item：National Science and Technology Supporting Program(No.2011BAJ03B03)

TU831.3；TK018

A

1674-4764(2015)01-0047-08

Received：2014-05-08

Author brief：Wang Doudou(1989-),main research intrest:environment and resources protection，(E-mail)doudouwangsmile@sina.com.