Y90S-2電動機的生命周期評價研究*

周祖鵬，唐玉華，林永發(fā)

(桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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Y90S-2電動機的生命周期評價研究*

周祖鵬，唐玉華，林永發(fā)

(桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林541004)

摘要：針對Y90S-2電動機開展生命周期環(huán)境影響評價。評價結(jié)果表明：Y90S-2電動機功能單位的全球變暖潛力、光化學(xué)氧化物、酸化、富營養(yǎng)化、生態(tài)毒性、臭氧消耗和資源消耗值分別為0.096kg/kW·h、0.0006kg/kW·h、0.0008kg/kW·h、7.6e×10-5kg/kW·h、0.001kg/kW·h、2.3e×10-14kg/kW·h和8.68e×10-7kg/kW·h。與Y80M1-4電機相比，Y90S-2電動機的全球變暖和生態(tài)毒性影響較劣，而富營養(yǎng)化、酸化、和光化學(xué)氧化物指標(biāo)較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：生命周期評價；環(huán)境影響；電動機；敏感性

0引言

電動機是機電工業(yè)中的一個重要組成部分，電動機的發(fā)展同國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。為實現(xiàn)綠色產(chǎn)業(yè)和中國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，對電動機開展生命周期評價意義重大。在過去關(guān)于電機生命周期評價的研究中，陳孝旭[1]和王曉偉[2]Y80M1-4型電動機做了生命周期評價。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，尚未發(fā)現(xiàn)針對Y90S-2電動機開展生命周期評價的研究。

1電機的生命周期評價模型

1.1電動機主要結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)

產(chǎn)品的生命周期包括材料選擇、設(shè)計、制造、流通、銷售、使用、維修直到拆卸回收的全過程。生命周期評價是對產(chǎn)品在期生命周期中的表現(xiàn)做量化評價，通常包括目標(biāo)和范圍定義、清單分析、影響評價和改善分析四個環(huán)節(jié)。

中小型三相異步電動機是一種應(yīng)用比較廣泛的電機產(chǎn)品，本文以Y90S-2型電機為例進(jìn)行研究。

Y90S-2電動機基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)說明如下。中小型三相異步電機的結(jié)構(gòu)基本相同，由轉(zhuǎn)子、定子、機座、軸承、端蓋等構(gòu)成。主體部分為轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子為鑄鋁轉(zhuǎn)子。鐵心疊壓后用鋁鑄入鐵心槽中。鐵心和鋁鑄壓出端環(huán)，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條短路成鼠籠型。定子由機座和帶繞組的鐵心組成。鐵心由硅鋼片沖壓而成，定子鐵心槽中嵌裝三相繞組。Y90S-2電動機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

Y90S-2電動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1　三相異步電動機結(jié)構(gòu)示意圖

型號額定功率(kW)轉(zhuǎn)速(R/Min)電流(A)效率(%)Y90S-21.528403.4878功率因素額定轉(zhuǎn)矩(N·M)重量(kg)廠家價格(元)0.852.522廣東江門430

1.2Y90S-2電動機生命周期各個階段分析

Y90S-2電動機生命周期階段與其他機電產(chǎn)品基本類似，可以分為原材料、制造、運輸、使用維護(hù)、廢棄回收等階段。

圖2　電動機生命周期結(jié)構(gòu)示意圖

Y90S-2電動機在制造階段涉及到一系列工藝過程，主要包括：機械粗加工和精加工、沖壓、轉(zhuǎn)子鑄鋁、定子線圈制作、定子鐵芯壓裝、外表面噴漆等[3-5]。工藝流程圖如圖3所示。

圖3　Y90S電動機制造工藝流程圖

2Y90S-2電動機全生命周期評價

2.1電動機系統(tǒng)邊界的確定

Y90S-2電動機LCA系統(tǒng)邊界如圖4所示，其生命周期評價的功能單位為電機工作1小時的輸出功率，即1千瓦小時(1kW·h)。

圖4　Y90S電動機LCA系統(tǒng)邊界

2.2電動機生命周期清單分析

清單分析是電動機生命周期評價的核心部分，同時也是進(jìn)行電動機環(huán)境影響評價的基礎(chǔ)。清單分析過程中的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性將影響到整個電動機生命周期評價的全過程。數(shù)據(jù)的收集是生命周期評價中的基礎(chǔ)也是難點。數(shù)據(jù)收集主要難度在于電動機生命周期各階段的資源消耗和污染物的排放等所需的清單數(shù)據(jù)比較復(fù)雜[6-7]。根據(jù)產(chǎn)品零部件清單匯總得到Y(jié)90S-2電動機的原料生產(chǎn)階段的金屬材料消耗，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　Y90S-2電動機的金屬材料消耗[8-9]

在原材料生產(chǎn)階段，電動機主要使用的原料包括銅、鐵、鋼等材料，同時還包括少部分鋁、塑料和橡膠。原料生產(chǎn)階段的各種消耗如表3所示(由Gabi軟件綜合計算所得)。

表3　原料生產(chǎn)造成的各種消耗

Y90S-2電動機生產(chǎn)階段主要是各種零部件的加工及組裝過程。其中，生產(chǎn)過程的能耗以電力消耗為主，除了電能的消耗外，還有水資源的消耗。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)和一些合理假設(shè)可以得出該電機生產(chǎn)階段的耗電量，具體數(shù)值如表4所示。

另外，值得注意的是，在本次評價中，假設(shè)電動機在使用階段都按兩班(8h/班)工作制進(jìn)行計算，使用負(fù)荷按90%計算,假設(shè)電動機使用壽命10年。運輸階段主要考慮電機的整機銷售運輸，假設(shè)運輸距離為430公里。假設(shè)回收階段除塑料和橡膠之外的材料按全部回收處理，并且假設(shè)生產(chǎn)階段的所產(chǎn)生的金屬鐵屑按全部回收處理。最后，Y90S電動機生命周期的排放清單如表5所示。

表4　Y90S-2電動機生產(chǎn)階段能耗清單[3-4]

表5　Y90S-2電動機LCA排放清單

2.3電動機生命周期影響評價

環(huán)境影響評價是對清單分析階段所得出的數(shù)據(jù)對環(huán)境的影響進(jìn)行定量或定性的評價。這種評價應(yīng)考慮對生態(tài)系統(tǒng)、人體健康以及能源消耗的影響。影響評價指標(biāo)通?？杀硎緸椋?/p>

EP(j)=∑EP(j)i=∑[Q(j)i×EF(j)i]

式中：EP(j)為對第j種環(huán)境影響潛力值；Q(j)i表示為第j種環(huán)境影響類型中，第i種環(huán)境干擾因子的排放量；EF(j)i表示為第i種環(huán)境干擾因子對第j種環(huán)境影響類型的特征化因子[10-12]。通過Gabi軟件和文獻(xiàn)[10-12]中給出的特征化因子，可以得到Y(jié)90S-2電動機生命周期環(huán)境影響潛值，具體數(shù)據(jù)如表6所示。其中，溫室效應(yīng)和生態(tài)毒性分別達(dá)到8440kg和89.8kg。

表6　Y90S-2電動機LCA環(huán)境影響潛值

為了進(jìn)一步說明造成環(huán)境影響的主要原因，圖5給出了各個生命周期階段對環(huán)境影響指標(biāo)的貢獻(xiàn)狀態(tài)圖。由圖5可見，Y90S-2電動機生命周期的溫室效應(yīng)、酸化、光化學(xué)氧化物、富營養(yǎng)化和生態(tài)毒性均主要發(fā)生在使用階段，而臭氧消耗和資源消耗主要發(fā)生在生產(chǎn)階段。

圖5　生命周期各個階段的排放指標(biāo)值

2.4結(jié)果解釋和改善分析

通過對Y90S電動機的生命周期環(huán)境影響評價分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)從評價結(jié)果看出，在生產(chǎn)階段產(chǎn)生的C02、生態(tài)有毒物、廢水對環(huán)境的影響較大，其次是SO2排放造成的酸化影響。

(2)在運輸階段的環(huán)境影響主要是由于運輸過程中排放的CO2氣體造成。因此，減少該階段的環(huán)境影響主要靠選擇車況比較好的車輛運輸和合理的物流輸送方式實現(xiàn)。

(3)在使用階段對環(huán)境的影響主要是CO2、電離輻射、酸化、光化學(xué)氧化物以及生態(tài)毒性的排放，其次是富營養(yǎng)化、振動和粉塵。

(4)在回收利用階段對環(huán)境的影響主要是生態(tài)有毒物的排放，其次是CO2氣體的排放。

為了說明Y90S-2電動機對環(huán)境影響的程度，我們將Y90S-2電動機與過去文獻(xiàn)中評價過的Y80M1-4電動機生命周期評價結(jié)果做了比較。考慮功能單位后，Y90S-2電動機與Y80M1-4電動機對環(huán)境影響具體數(shù)據(jù)如表7所示。此外，本研究還增加了ODP(臭氧消耗)和ADP(資源消耗)對環(huán)境的影響，其值分別為2.3e×10-14kg/kW·h和8.68e×10-7kg/kW·h。從表7中可以看出，除溫室效應(yīng)和生態(tài)毒性外，Y90S-2電動機的其他環(huán)境影響指標(biāo)均優(yōu)于Y80M1-4電動機。

表7　兩種型號電動機對環(huán)境影響的對比[1-2]

3結(jié)論

采用生命周期評價方法，通過構(gòu)建生命周期評價模型，本文對常用的Y90S-2電動機在七個方面的環(huán)境影響做了評價。評價結(jié)果客觀地反映了該類電機的生命周期環(huán)境影響程度。通過與其他類型電機的比較，說明了Y90S-2電動機在環(huán)境影響方面的優(yōu)劣，為今后改進(jìn)電機的環(huán)境表現(xiàn)提供了重要依據(jù)。

生命周期評價實質(zhì)上是一種環(huán)境核算方法，通過生命周期評價能清楚地量化產(chǎn)品對環(huán)境的影響。分析清楚這些影響，對于我們今后改善產(chǎn)品的環(huán)境表現(xiàn)和提高該產(chǎn)業(yè)的綠色度具有重要的意義。因此，全面推廣和應(yīng)用生命周期評價方法將為我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供重要支持。

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(編輯趙蓉)

Life Cycle Assassment of Motor Y90S-2

ZHOU Zu-peng, TANG Yu-hua, LIN Yong-fa

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004, China)

Abstract：The life cycle environmental assessment has been carried out for motor Y90S-2. The assessment results show that global warming potential, photochemical oxidation, acidification, eutrophication, ecological toxicity, ozone consumption and resource consumption of motor Y90S-2 are 0.096kg/kW·h, 0.0006kg/kW·h, 0.0008kg/kW·h, 7.6e×10-5kg/kW·h, 0.001kg/kW·h, 2.3e×10-14kg/kW·h, and 8.68e×10-7kg/kW·h, respectively. By comparison, motor Y90S-2 has an inferior performance on global warming potential and ecological toxicity and has a superior environmental performance on eutrophication, acidification, and photochemical oxidation than motor Y80M1-4.

Key words：life cycle assessment (LCA); environmental impact; motor; sensitivity

中圖分類號：TH162;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：周祖鵬(1977—)男，廣西桂林人，桂林電子科技大學(xué)副教授，博士，研究方向為產(chǎn)品仿生與綠色設(shè)計，(E-mail)zhouzupeng@guet.edu.cn。

*基金項目：國家自然基金資助項目(61263016)；廣西重點實驗室主任基金(13-071-11-62_006，12-071-11-62_003)

收稿日期：2015-01-15；修回日期：2015-03-09

文章編號：1001-2265(2015)12-0148-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.040