王吉?jiǎng)P， 劉志峰， 鮑 宏， 卞本羊

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著人類工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，各種環(huán)境問題層出不窮，減少碳及相關(guān)污染物的排放，在科學(xué)界被公認(rèn)為是解決各種環(huán)境問題的主要方法。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行生命周期低碳設(shè)計(jì)，降低碳的排放，已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

碳排放量化評(píng)估是產(chǎn)品進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［1］結(jié)合過程分析和投入產(chǎn)出分析2種方法計(jì)算了英國(guó)學(xué)校的碳足跡；文獻(xiàn)［2］運(yùn)用區(qū)域間投入產(chǎn)出分析模型（MRIO）和生命周期評(píng)價(jià)方法，結(jié)合消費(fèi)支出調(diào)查，分析了國(guó)際貿(mào)易對(duì)美國(guó)家庭碳足跡的影響；文獻(xiàn)［3］利用MRIO模型證明全球72%的碳排放是由于家庭消費(fèi)引起的，而投資和政府消費(fèi)分別為18%和10%；文獻(xiàn)［4］使用生命周期評(píng)價(jià)方法，結(jié)合情景分析手段，研究轉(zhuǎn)爐鋼渣內(nèi)部綜合利用在消解粗鋼產(chǎn)品生命周期碳排放上的作用；文獻(xiàn)［5］利用生命周期評(píng)價(jià)和全生命周期成本方法，對(duì)2×300 MW燃煤電廠和改造后的O2／CO2循環(huán)燃燒電廠進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，分別計(jì)算了全生命周期內(nèi)的CO2排放量、成本費(fèi)用、發(fā)電成本以及減排成本；文獻(xiàn)［6］以電力、煤炭、燃油、運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)性產(chǎn)品為核心，初步建立了可擴(kuò)展的中國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)系統(tǒng)的生命周期模型，收集了單元過程的全國(guó)平均清單數(shù)據(jù)，通過模型計(jì)算獲得了這些基礎(chǔ)性產(chǎn)品的生命周期清單數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品碳排放量化評(píng)估技術(shù)涉及的行業(yè)跨度大，需要調(diào)用的計(jì)算公式和排放因子相關(guān)輔助數(shù)據(jù)量繁多，數(shù)據(jù)更新速度快。如何提高產(chǎn)品碳排放量化評(píng)估與計(jì)算方法的通用性與準(zhǔn)確性，是發(fā)展產(chǎn)品碳排放評(píng)估技術(shù)迫切需要解決的問題。本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，開展家電產(chǎn)品碳排放量化評(píng)估方法研究，建立通用性的產(chǎn)品碳排放量化評(píng)估信息平臺(tái)，并以豆?jié){機(jī)產(chǎn)品為研究對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證。

1 生命周期評(píng)價(jià)理論

生命周期評(píng)價(jià)（Life cycle Assessment，簡(jiǎn)稱LCA）是一種客觀評(píng)價(jià)產(chǎn)品、過程或者活動(dòng)的環(huán)境負(fù)荷的方法，該方法通過識(shí)別與量化所有物質(zhì)和能量的使用及環(huán)境排放，評(píng)價(jià)由此造成的環(huán)境影響，評(píng)估和實(shí)施相應(yīng)的改善環(huán)境表現(xiàn)的機(jī)會(huì)。生命周期評(píng)價(jià)包括產(chǎn)品或活動(dòng)從原材料加工、生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用、再循環(huán)到最終處置的整個(gè)生命周期［7］。

如圖1所示，LCA包括目的與范圍的確定、清單分析（Life Cycle Inventory，簡(jiǎn)稱LCI）、影響評(píng)價(jià)、結(jié)果解釋4個(gè)步驟。每個(gè)階段的結(jié)果解釋可以指導(dǎo)開發(fā)潛在的改進(jìn)措施，這些改進(jìn)措施反過來又影響LCA的各個(gè)階段，因而LCA是一個(gè)反復(fù)交互的過程［7］。

圖1 ISO 14040生命周期評(píng)價(jià)框架

產(chǎn)品的碳排放量化評(píng)估就是建立產(chǎn)品的生命周期清單LCI，然后對(duì)其中歸類于全球變暖的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征化，最終得出碳排放結(jié)果。因此，進(jìn)行產(chǎn)品碳排放量化評(píng)估可以按照ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行［7］。

2 碳排放量化評(píng)估方法

目前已有的CO2量化評(píng)估方法大都以全生命周期評(píng)價(jià)LCA方法為基礎(chǔ)，LCA的核心是通過對(duì)全生命周期的研究，估算該產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響。

2.1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前涉及評(píng)估溫室氣體排放量的標(biāo)準(zhǔn)主要有PAS 2050、ISO 14040等，見表1所列。其中ISO 14040闡述了生命周期的原則與框架，涵蓋了生命周期評(píng)價(jià)（LCA）研究和生命周期清單（LCI）研究，但未詳述LCA技術(shù)，也未對(duì)LCA各階段的方法學(xué)進(jìn)行規(guī)定［7－8］。

考慮到生命周期評(píng)估方法的復(fù)雜性、與下游和消費(fèi)者交流的必要性，以及同類產(chǎn)品的相互比較等方面的因素，ISO、BSI和 WRI已制定或正在制定組織和產(chǎn)品碳足跡核算的標(biāo)準(zhǔn)，專門用于碳足跡計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立都依據(jù)文獻(xiàn)［7］制定的生命周期評(píng)價(jià)方法，并作了一定的簡(jiǎn)化。而國(guó)內(nèi)有關(guān)碳排放評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立，技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱。

表1 國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

本文以PAS 2050為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行論述，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建立在現(xiàn)有的生命周期評(píng)價(jià)方法之上，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的溫室氣體排放時(shí)使用LCA技術(shù)，對(duì)如何確定系統(tǒng)邊界、該系統(tǒng)邊界內(nèi)的與產(chǎn)品有關(guān)的溫室氣體排放源、完成分析所需要的數(shù)據(jù)要求以及計(jì)算方法作了明確的規(guī)定［9］。

2.2 碳排放量化評(píng)估模型

依據(jù)上述生命周期評(píng)價(jià)理論和PAS 2050評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，碳排放量化評(píng)估模型建立分為啟動(dòng)階段、計(jì)算階段和后續(xù)階段，具體步驟如圖2所示。啟動(dòng)階段通常確定產(chǎn)品碳排放評(píng)估的目標(biāo)是減少GHG的排放，但是某些情況下可在減排目標(biāo)下設(shè)定各項(xiàng)具體目標(biāo)，產(chǎn)品的選擇應(yīng)直接源自開始時(shí)約定的目標(biāo)。

進(jìn)行碳排放計(jì)算時(shí)首先要確定功能單位，功能單位實(shí)際上反應(yīng)了產(chǎn)品被最終用戶實(shí)際消費(fèi)的方式，如1 000 h的燈光照明；其次是系統(tǒng)邊界的確定，即哪些生命周期階段應(yīng)該包含在評(píng)價(jià)范圍內(nèi)，哪些輸入和輸出應(yīng)該包含在評(píng)價(jià)范圍內(nèi)。為了計(jì)算產(chǎn)品的碳排放，需要收集活動(dòng)水平數(shù)據(jù)，即產(chǎn)品生命周期中所有量化數(shù)據(jù)，如物質(zhì)輸入輸出、能量使用、交通、排放因子數(shù)據(jù)和全球變暖潛值（GWP）等［10］。

圖2 碳排放量化評(píng)估模型

2.3 碳排放的計(jì)算方法

PAS 2050將產(chǎn)品的生命周期定義為“從搖籃到大門”或是“從搖籃到墳?zāi)埂?種。

如果是生產(chǎn)中間產(chǎn)品的商業(yè)到商業(yè)（B2B）模式，則產(chǎn)品的生命周期為“從搖籃到大門”；如果是生產(chǎn)最終成品的商業(yè)到消費(fèi)者（B2C）模式，則產(chǎn)品的生命周期為“從搖籃到墳?zāi)?。在進(jìn)行產(chǎn)品的碳排放計(jì)算時(shí)必須要確定產(chǎn)品的生命周期邊界，一般零件的系統(tǒng)邊界是B to B，而產(chǎn)品的系統(tǒng)邊界是B to C。

其中對(duì)氣候變化影響最大是CO2。由于不同的溫室氣體對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)不一樣，如1 kg氧化亞氮對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)相當(dāng)于298 kg二氧化碳。按照100 a的全球變暖趨勢(shì)，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）以CO2為基準(zhǔn)給出了溫室氣體的全球變暖趨勢(shì)（GWP），部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2所列。

表2 部分溫室氣體的全球變暖潛值

溫室氣體的排放量可以用二氧化碳排放當(dāng)量CO2eq表示，它們的關(guān)系可以表示為：

其中，GHGi為第i種溫室氣體質(zhì)量；GWPi為第i種溫室氣體全球變暖潛值；i為溫室氣體種類。

碳排放總量應(yīng)為產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段，即原料取得階段、生產(chǎn)制造階段、使用階段、運(yùn)輸階段及回收再利用階段所有碳排放的總和。

產(chǎn)品碳排放量化計(jì)算模型如下：

其中，G為產(chǎn)品碳排放總量；Mi為生產(chǎn)活動(dòng)中消耗的第i類物質(zhì)實(shí)物量；EFi1為第i類材料排放因子；Ei為生產(chǎn)活動(dòng)中消耗的第i類能源實(shí)物量；EFi2為第i類能源生產(chǎn)排放因子；Ti為第i類交通工具運(yùn)輸產(chǎn)品或者材料的質(zhì)量；Di為第i類交通工具的運(yùn)輸距離；EFi3為第i類交通工具排放因子；E為產(chǎn)品升耗電量；Tw為產(chǎn)品平均運(yùn)行時(shí)間（工作循環(huán)）；EFi4為產(chǎn)品使用地區(qū)電網(wǎng)平均電力排放因子；Eri為回收生產(chǎn)活動(dòng)中消耗的第i類能源實(shí)物量；EFi5為第i類能源生產(chǎn)排放因子；Mri為產(chǎn)品可回收利用的第i類物質(zhì)實(shí)物量。

3 實(shí)例分析

以某款豆?jié){機(jī)產(chǎn)品為例，對(duì)本文提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。目前豆?jié){機(jī)產(chǎn)品在家庭中得到廣泛使用，其使用壽命長(zhǎng)，在生命周期階段產(chǎn)生CO2e排放。通過對(duì)豆?jié){機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行碳排放量化評(píng)估，依據(jù)碳排放評(píng)估結(jié)果，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行針對(duì)性的生命周期低碳設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品低碳排放性能具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

3.1 系統(tǒng)邊界與數(shù)據(jù)收集

系統(tǒng)邊界是指產(chǎn)品數(shù)據(jù)收集的范圍包含哪些生命周期階段的數(shù)據(jù)。根據(jù)企業(yè)實(shí)際調(diào)研中的數(shù)據(jù)獲取情況，本文采用了PAS 2050生命周期B2C模式，確定豆?jié){機(jī)產(chǎn)品的碳排放系統(tǒng)邊界為原材料和能源獲取、零部件及產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、回收5個(gè)階段。系統(tǒng)邊界主要包括原料生產(chǎn)和制造加工過程的各個(gè)步驟，其生命周期邊界如圖3所示。

本文案例的時(shí)間范圍被界定在2007—2010年。原材料獲取階段、制造階段、運(yùn)輸階段的數(shù)據(jù)為2007年的數(shù)據(jù)；使用階段為2007—2010年度數(shù)據(jù)；回收和處置階段的填埋和焚燒的數(shù)據(jù)都是2010年的數(shù)據(jù)。

豆?jié){機(jī)主要由塑膠件、五金件、電器件等幾類材料構(gòu)成，見表3所列。

圖3 豆?jié){機(jī)產(chǎn)品主要系統(tǒng)邊界

表3 某款豆?jié){機(jī)主要零部件材料清單 g

原材料獲取階段主要考慮鋼、鐵、銅、玻璃、塑料等材料生產(chǎn)時(shí)的能耗導(dǎo)致的間接排放和溫室氣體直接排放。生產(chǎn)制造階段的工序如圖4所示，主要考慮各系統(tǒng)主要零部件制造、發(fā)熱管安裝、電機(jī)安裝、防溢出、防干燥電極安裝、電器件安裝、固定件安裝和攪拌組件安裝、老化測(cè)試和其他測(cè)試、傳送帶傳送以及各工序間銜接等過程的電能消耗及溫室氣體直接排放。

在運(yùn)輸階段，其運(yùn)輸方式界定為鐵路與公路，平均運(yùn)輸距離為1 000 km；在使用階段，該產(chǎn)品耗電量為150 W·h／L，使用壽命為1 300工作循環(huán)；回收處理階段邊界確定為破碎、焚燒填埋、材料回收等過程。有關(guān)豆?jié){機(jī)產(chǎn)品的活動(dòng)數(shù)據(jù)包括初級(jí)數(shù)據(jù)和次級(jí)數(shù)據(jù)。初級(jí)數(shù)據(jù)通過向供應(yīng)商和企業(yè)調(diào)研的形式搜集，次級(jí)數(shù)據(jù)主要源于GaBi數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖4 豆?jié){機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)工序

3.2 碳排放結(jié)果

根據(jù)豆?jié){機(jī)各部分功能的不同，可將其分為溫控系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、杯體系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)等幾個(gè)模塊單元。通過企業(yè)調(diào)研得到碳排放相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將豆?jié){機(jī)生產(chǎn)制造和回收階段的電能來源均設(shè)定為華東電網(wǎng)，可以得出豆?jié){機(jī)產(chǎn)品的生命周期各階段的CO2排放量，見表4所列。其中豆?jié){機(jī)產(chǎn)品在使用階段CO2e的排放量則達(dá)到了177.35 kg，約占生命周期CO2e排放總量的84.42%；運(yùn)輸階段CO2e排放量最少，僅占到2.28%?；厥针A段的能源消耗導(dǎo)致了CO2e排放，但通過對(duì)豆?jié){機(jī)部分零部件或材料的回收利用，減少了產(chǎn)品生命周期內(nèi)9.3 kg的CO2e排放。在各功能系統(tǒng)中，溫控系統(tǒng)的CO2e的排放量最多，約占到整個(gè)豆?jié){機(jī)CO2e排放量的68.04%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他系統(tǒng)，這也與使用中的加熱過程能耗遠(yuǎn)大于破碎過程能耗的事實(shí)相符合。

表4 豆?jié){機(jī)生命周期各階段碳排放結(jié)果 kgCO2 e

3.3 結(jié)果分析

基于模型和獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)3種情景進(jìn)行敏感性分析，見表5所列，其中情景1代表了最理想的情況。在此情景下，假設(shè)豆?jié){機(jī)生命周期各階段采用輪船進(jìn)行運(yùn)輸，同時(shí)材料的循環(huán)利用率為85%，均高于其他情景，產(chǎn)品能耗為130 k W／L，為設(shè)定情境中最低，能源結(jié)構(gòu)設(shè)為混合式發(fā)電。由此發(fā)現(xiàn)，影響或改變碳排放量最重要的因素是產(chǎn)品的能耗。比較4種運(yùn)輸方式，水路運(yùn)輸所產(chǎn)生的CO2e最少，其他依次為鐵路、公路和航空。材料的回收利用率對(duì)產(chǎn)品CO2e的排放有著顯著影響，通過提高產(chǎn)品回收利用率，可以減少產(chǎn)品的CO2e的排放。

表5 豆?jié){機(jī)不同情景碳排放敏感性分析

綜上所述，在進(jìn)行產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾方面的內(nèi)容：

（1）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮豆?jié){機(jī)使用階段的能耗，使用階段的能耗是造成產(chǎn)品CO2e排放的主要原因，是改進(jìn)重點(diǎn)。

（2）在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意節(jié)材，在保證產(chǎn)品性能的前提下，優(yōu)先使用CO2e排放影響低的材料。

（3）在設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮提高產(chǎn)品的回收利用率，通過材料的再利用減少產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程的CO2e排放。

（4）鑒于水路運(yùn)輸?shù)木窒扌?，在產(chǎn)品生命周期階段的運(yùn)輸過程中應(yīng)盡量使用鐵路運(yùn)輸代替公路運(yùn)輸。

4 結(jié) 論

（1）使用階段為豆?jié){機(jī)產(chǎn)品碳排放的主要來源，碳排放占到產(chǎn)品系統(tǒng)總排放的80%以上，其他依次為運(yùn)輸階段、原材料生產(chǎn)加工階段及生產(chǎn)制造階段，而在回收階段可以減少產(chǎn)品生命周期內(nèi)溫室氣體的排放。

（2）對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行節(jié)材設(shè)計(jì)，優(yōu)先使用CO2排放影響低的材料和提高產(chǎn)品的回收利用率，可以減少產(chǎn)品生命周期內(nèi)溫室氣體排放。

（3）對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行碳排放量化評(píng)估，可為設(shè)計(jì)人員針對(duì)降低產(chǎn)品碳排放量進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有針對(duì)性的指導(dǎo)，并可以推廣到其他行業(yè)。

［1］SEI.UK schools carbon footprint scoping study for sustainable development commission by global action plan［R］.Stockholm Environment Institute，2006.

［2］Christopher L，Weber H S.Quantifying the global and distributional aspects of American household carbon footprint［J］.Ecological Economics，2008（66）：379－391.

［3］Hertwich E G，Peters G P.Carbon footprint of nations：A global，trade－linked analysis［J］.Environmental Science ＆Technology，2009，43（16）：6414－6420.

［4］陳 波，楊建新，歐陽(yáng)志云.鋼渣內(nèi)部綜合利用碳減排效果的生命周期評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2010，20（10）：30－34.

［5］王 云，趙永椿，張軍營(yíng)，等.基于全生命周期的O2／CO2循環(huán)燃燒電廠的技術(shù)－經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)科學(xué)，2011，41（1）：119－128.

［6］劉夏璐，王洪濤，陳 建，等.中國(guó)生命周期參考數(shù)據(jù)庫(kù)的建立方法與基礎(chǔ)模型［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（10）：2136－2144.

［7］ISO 14040：2008，環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)原則與框架［S］.

［8］WRI.The greenhouse gas protocol：a corporate accounting and reporting standard （Revised Edition）［R］.Geneva，Switzerland：World Business Council for Sustainable Development and World Resource Institute，2006.

［9］PAS 2050：2008，商品和服務(wù)在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放規(guī)范［S］.

［10］付金沐，李 琦，儲(chǔ)國(guó)定，等.安徽省能源消費(fèi)碳排放足跡的動(dòng)態(tài)變化及因素分解［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，34（11）：1726－1730.