基于生命周期評價的智能電表碳足跡研究

方旭斌，陳昆昌，李仁旺，江緒宇

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于生命周期評價的智能電表碳足跡研究

方旭斌，陳昆昌，李仁旺，江緒宇

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

采用生命周期評價(LCA)方法研究智能電表整個生命周期的碳足跡.研究結(jié)果表明，智能電表在其生命周期內(nèi)產(chǎn)生的碳足跡總量為315.321 kg，產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段、運輸階段、使用階段和廢棄物處理階段產(chǎn)生的碳足跡分別為2.281 kg、0.167 kg、313.608 kg和-0.735 kg.根據(jù)生命周期各階段的碳足跡數(shù)據(jù)，提出了準確的碳減排措施，使得產(chǎn)品更加綠色環(huán)保.研究結(jié)果能夠為企業(yè)的產(chǎn)品碳足跡評估提供參考.

智能電表；生命周期評價；碳足跡

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和能源消費的增加，二氧化碳(CO2)等溫室氣體的排放量急劇上升，溫室效應(yīng)已經(jīng)是國際社會面臨的嚴峻問題之一[1].目前，我國政府已將碳減排納入新的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃.

衡量溫室氣體排放對氣候以及人類生活影響的標準主要是碳足跡(Carbon Footprint).碳足跡的概念來源于“生態(tài)足跡”，主要是指產(chǎn)品生產(chǎn)和消費過程中排放的與氣候變化相關(guān)的氣體總量[2-3].智能電表產(chǎn)品在日常生活中十分常見，用量非常龐大.對于智能電表來說，從原材料生產(chǎn)到產(chǎn)品的制造、運輸、使用以及廢棄物的回收處理，各個階段都有碳足跡的產(chǎn)生[4].生命周期評價(Life Cycle Assessment， LCA)方法作為一種重要的環(huán)境管理工具，用于評估產(chǎn)品或者服務(wù)生命周期中的相關(guān)環(huán)境因素及其潛在影響[5].生命周期評價方法是傳統(tǒng)的從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡挠嬎惴椒?，具體包括相互聯(lián)系且不斷重復(fù)進行的4個步驟：確定目標與范圍，分析清單，評價環(huán)境負荷影響，解釋結(jié)果.它適合對微觀層面的碳足跡計算，在碳排放評估方面的應(yīng)用主要集中于產(chǎn)品或服務(wù)的碳足跡計算，且已有可供參考的成熟的相關(guān)標準，如英國標準協(xié)會頒布的面向公眾的標準PAS 2050:2008 規(guī)范[6].但是，國內(nèi)鮮見應(yīng)用生命周期評價方法對智能電表產(chǎn)品進行碳足跡的研究文獻.鑒于此，本文將采用生命周期評價方法對智能電表的碳足跡進行定量核算，并對研究結(jié)果進行分析，提出相應(yīng)的碳減排措施，從根本上達到節(jié)能減排的目的.

1 智能電表全生命周期碳足跡研究

目前，國內(nèi)智能電表產(chǎn)品的品牌、種類繁多.本文以浙江某廠生產(chǎn)的家用單相智能電表作為研究對象，開展智能電表全生命周期碳足跡研究.

1.1智能電表碳足跡系統(tǒng)邊界

產(chǎn)品碳足跡系統(tǒng)邊界評價有B2B 和 B2C 兩種模式.B2B 模式表示從商業(yè)到商業(yè)的模式，即從某一方到另一方(終端用戶)提供各種輸入；B2C 模式則表示某一方向終端用戶提供各種輸入.可以根據(jù)要求或?qū)嶋H情況選擇相應(yīng)的模式進行邊界確定[7].本研究選擇 B2C 模式，即從原料生產(chǎn)商到終端智能電表產(chǎn)品用戶的模式.

智能電表產(chǎn)品的整個生命周期包括4個主要階段：生產(chǎn)制造階段(資源的開采、原材料的生產(chǎn)、零部件生產(chǎn)和組件安裝)、產(chǎn)品運輸階段(從智能電表生產(chǎn)地到最終使用地)、產(chǎn)品使用階段(電力的使用)和廢物處理階段(回收和丟棄).智能電表碳足跡系統(tǒng)邊界如圖1所示.

圖1 智能電表碳足跡系統(tǒng)邊界

1.2智能電表產(chǎn)品參數(shù)

這里所研究的功能單位是一只智能電表整體.它主要由電表功能模塊、外殼和銘牌等組成.該智能電表產(chǎn)品參數(shù)如表1所示.

表1 智能電表產(chǎn)品參數(shù)

2 生命周期清單數(shù)據(jù)及碳足跡計算

在全生命周期評價過程中，有很多細節(jié)無法準確了解，這就需要按照實際情況做出合理的假設(shè)或者忽略其中一些細節(jié).

2.1產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段

在產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段，智能電表消耗了大量的資源和能源，也導(dǎo)致了大量的碳排放.智能電表的電表功能模塊由PCB電路板和多個電氣元件組裝而成.通常，在計算碳足跡之前需要建立相應(yīng)的質(zhì)量平衡方程，然后根據(jù)質(zhì)量平衡方程計算產(chǎn)品生命周期各階段的碳足跡.產(chǎn)品的碳足跡為：

式中：Qi為第i種資源或能源的消耗量；Ci為Qi對應(yīng)的單位排放因子.

表2所示為智能電表各組件構(gòu)成的材料和質(zhì)量數(shù)據(jù)清單.其中只考慮了占智能電表比重較大的材料.根據(jù)瑞士Ecoinvent 3和中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心生命周期數(shù)據(jù)庫RCEES 2012中材料的單位排放因子數(shù)據(jù)和上述碳足跡公式，可核算產(chǎn)品各組件生產(chǎn)過程中的碳足跡.以消耗材料的質(zhì)量乘以其對應(yīng)的單位排放因子，計算出各材料的碳足跡，最后求和，從而得到智能電表生產(chǎn)過程的碳足跡為2.281 kg.

表2 智能電表組成材料和質(zhì)量數(shù)據(jù)清單

2.2產(chǎn)品運輸階段

由于該智能電表各零部件及材料在運輸階段所產(chǎn)生的碳足跡已算在零部件的碳排放量中，因此只需計算智能電表產(chǎn)品從生產(chǎn)地到用戶手中這段距離運輸所產(chǎn)生的碳足跡即可.交通運輸方式種類繁多，碳排放量各不相同.為了方便研究，本文主要研究產(chǎn)品以公路運輸所產(chǎn)生的碳足跡.根據(jù)RCEES2012數(shù)據(jù)庫可知，我國公路運輸路程為1 km，質(zhì)量為1 t貨物產(chǎn)生的碳足跡為0.23 kg.假設(shè)產(chǎn)品運輸路程均為1 000 km，可計算出一只智能電表產(chǎn)品在該運輸路程中產(chǎn)生的碳足跡約為0.167 kg.

2.3產(chǎn)品使用階段

智能電表在使用階段碳足跡的產(chǎn)生主要是消耗電能所致.智能電表的運行是通過內(nèi)置鋰電池供電的.該鋰電池為可充電式電池，需要外部電路為其充電.智能電表在使用階段的電力數(shù)據(jù)來自RCEES 2012數(shù)據(jù)庫.我國的電力構(gòu)成主要是火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電.其中，火力發(fā)電占了近80%[8]，碳足跡的量最大.在使用過程中，每1 kWh電就會產(chǎn)生1.79 kg的碳足跡.智能電表按照10年使用壽命，每年365 d，每天24 h，以最大功耗2 W/5 VA不間斷使用，可以得出其在使用階段消耗電能而生成的碳足跡，約為313.608 kg.

2.4產(chǎn)品廢棄處理階段

在智能電表廢棄處理階段，一部分廢棄材料可被回收利用，其余廢棄材料按照國家廢棄物處理相關(guān)規(guī)定進行相應(yīng)處理.該智能電表產(chǎn)品采用環(huán)保紙包裝方式.紙包裝在早期就可以進行回收，其余材料可在智能電表廢棄后進行回收.其中可回收的材料主要為銅、鐵、鋁和ABS(合成樹脂).PCB印制電路板上的材料需要進行一些處理才能得到回收.

3 研究結(jié)果分析

該智能電表在其生命周期各階段碳足跡總量為315.321 kg.其中使用階段產(chǎn)生的碳足跡最多，為313.608 kg，占了產(chǎn)品全生命周期產(chǎn)生碳足跡總量的99.46%.智能電表自身功耗較大，使用時間較長，其生命周期內(nèi)的碳足跡幾乎都在產(chǎn)品使用階段產(chǎn)生.產(chǎn)生碳足跡第二多的是產(chǎn)品生產(chǎn)階段，為2.281 kg，占了碳足跡總量的0.72%.產(chǎn)品運輸階段產(chǎn)生的碳足跡最少，只有0.167 kg.在產(chǎn)品廢棄處理階段，一些可被回收利用的材料正好減少了產(chǎn)生碳足跡的總量，因此該階段的碳足跡是負的，為-0.735 kg.

圖2 生產(chǎn)制造階段各組分碳足跡比重

在智能電表產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，由于智能電表功能模塊的材料碳排放量較大，而且其組成材料的數(shù)量比較多，因此，該電表功能模塊產(chǎn)生的碳足跡最多，占了產(chǎn)品生產(chǎn)階段碳足跡總量的43%，接近生產(chǎn)制造階段碳足跡總量的一半.其次，智能電表外殼的生產(chǎn)階段碳足跡占了產(chǎn)品生產(chǎn)階段碳足跡總量的28%.而導(dǎo)線和焊錫的使用量比較少，產(chǎn)生的碳足跡也相對少一些，其碳足跡之和只占產(chǎn)品生產(chǎn)階段碳足跡總量的4%(圖2).

4 結(jié)束語

(1)以智能電表為研究對象，采用生命周期評價方法確立了智能電表碳足跡核算范圍，對智能電表從產(chǎn)品生產(chǎn)制造、運輸、使用到廢棄物回收處理的生命周期不同階段進行碳足跡的定量研究計算.根據(jù)研究結(jié)果，智能電表全生命周期碳足跡的產(chǎn)生主要來自生產(chǎn)制造階段和使用階段.其中，使用階段占了碳足跡總量的99.46%，而生產(chǎn)制造階段占了0.72%.廢棄物回收處理階段能夠抵消一部分碳足跡.

(2)根據(jù)智能電表生命周期各階段碳足跡分析，提出以下碳減排措施：在智能電表使用階段，可以通過優(yōu)化智能電表電路設(shè)計以及使用更加節(jié)能的電氣元件，降低智能電表自身功耗，減少智能電表使用過程中碳足跡的產(chǎn)生；在生產(chǎn)制造階段，通過選擇更加環(huán)保的低碳材料以及減少材料的浪費，可以減少碳足跡的產(chǎn)生；在廢棄物回收階段，加強材料的回收利用也能夠降低智能電表生命周期內(nèi)碳足跡的總量.

[1] 張 薛. 低碳經(jīng)濟:機遇與挑戰(zhàn)[J]. 節(jié)能環(huán)保，2009(7) : 14-16.

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[3] Wackernagel M,William R.Our ecological footprint: Reducing human impact on the Earth[M]．Gabriola Island，BC，Canada: New Society Publisher,1996.

[4] 榮 杰，李仁旺，陳昆昌，等.基于ERP的制造過程碳足跡計算研究[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2016,33(4):18-23.

[5] BSI.Environmental management-life cycle assessment-principles and framework：ISO 14040[S].London:BSI,2006.

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CarbonFootprintofSmartMeterBasedonLifeCycleAssessment

FANG Xu-bin, CHEN Kun-chang, LI Ren-wang, JIANG Xu-yu

(School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018,China)

In this paper, the life cycle assessment (LCA) method is used to study the carbon footprint in the whole life of smart meter. The results show that the total carbon footprint of the smart meter in the life cycle is 315.321 kg, and the carbon footprint in the production, transportation, using and waste treatment phases respectively is 2.281 kg, 0.167 kg, 313.608 kg and -0.735 kg. According to the carbon footprint data of each life cycle stage, more accurate carbon reduction measures are proposed to make the product more environmentally and friendly. This study also provides a reference for enterprises to evaluate the carbon footprint of products.

smart meter; life cycle assessment; carbon footprint

2017-07-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51475434)

方旭斌(1992-)，男，浙江金華人，碩士研究生，研究方向為制造業(yè)信息化.

1006-3269(2017)03-0054-04

X828

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.012