蔡 亮，邵曉煒，馬燕賓，張小松，杜 塏

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

螺桿式冷水機組是提供冷凍水的大中型制冷設備.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)具有安裝簡單、結(jié)構(gòu)簡單、控制便捷和價格較為便宜等特點.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.

生命周期評價(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.生命周期評價環(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，包括目標和范圍確定、清單分析、影響評價和解釋說明4個階段［1］.筆者為了客觀評價2種形式空調(diào)的能量消耗與環(huán)境效應，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行生命周期評價，并基于實例，提出相應的運行策略.

1 工程概況

本工程為南京市某大學學生宿舍空調(diào)安裝項目，宿舍樓共10層，每層33個房間，為4人間，每個宿舍平均面積約為23 m2.宿舍內(nèi)部設有電腦、熱水器及其他小型用電設備.根據(jù)相應規(guī)范，加上一定的富余冷量，預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)冷負荷約為1 200 kW.因此，提出2種方案:方案1，選用3臺總制冷量約為1 200 kW的水冷螺桿冷水機組，末端選用風機盤管將冷量送入宿舍;方案2，每個宿舍安裝1臺同時擁有制冷供暖功能的1.5匹家用空調(diào)，共需330臺.

2 冷水機組的生命周期評價

方案1選取3臺某公司高效型水冷螺桿式冷水機組，其中單臺制冷量為480.6 kW的機組2臺，制冷量為240.3 kW的機組1臺.

2.1 邊界條件及假設

為了避免某些未知因素對分析結(jié)果造成的不確定性影響，在對冷水機組進行生命周期評價之前需要對系統(tǒng)進行一些假設和再定義［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%且對環(huán)境不存在顯著影響的材料因子，系統(tǒng)報廢后考慮進行回收利用;②假設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，無需進一步處理;④假設冷水機組的生命周期為15 a，其運行環(huán)境在全生命周期內(nèi)保持穩(wěn)定.運行時間定義為每天8 h［6］，年制冷時間定為200 d，則冷水機組年運行時間約為1 600 h.

2.2 量化方法及評價指標

考察其生命周期須從4個階段著手: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)的臺數(shù)，臺.

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 機組運行

運行階段中的能源消耗量主要就是空調(diào)設備在運行過程中所消耗的電能，且假設電能都是以燃煤發(fā)電而來.由于運行期間不會產(chǎn)生任何排放，因此運行階段的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、運輸及加工生產(chǎn)過程中的CO2排放量.因此，運行階段可以由如下公式計算:

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

式中:Qo為運行階段的能耗量，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)報廢處理

空調(diào)設備服役一定時間后，部分部件會逐漸老化，報廢的部分物質(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 影響評價

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)境效益評價影響類型.因而需要計算各種環(huán)境排放物對各種環(huán)境影響類型的潛在貢獻，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.

計算出環(huán)境排放影響潛值之后，對其進行標準化，比較對各種影響類型的貢獻大小.

式中:NB(j)為第j種環(huán)境影響類型對環(huán)境影響的標準化潛值;R(j)為第j種環(huán)境影響類型對環(huán)境影響標準值;t為生命周期.

2.3 生命周期評價

為了得到了生命周期階段各項指標的具體特征化影響值，采用ECO-Indicator 99方法，將系統(tǒng)排放物對環(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)得出的標準值加上權重，其中溫室效應是以13 077 kg的CO2為標準化權重，臭氧層破壞以0.922 kg的CFC-11為標準化權重［9］，得到最終的評價指標，單位為Pt，正值說明對環(huán)境負面影響，負值表示對環(huán)境存在正面影響.

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

圖1 螺桿式冷水機組各項影響指標的損害評價

電力輸入所帶來的損害是冷水機組各項影響指標的主要來源，除了礦物資源評價指標，其余10個指標幾乎不受其他過程的影響，要降低其在生命周期內(nèi)對環(huán)境的沖擊和危害，應重點放在節(jié)約電力及開發(fā)新能源的使用上.圖2為各個過程影響的單一計分結(jié)果，進一步體現(xiàn)出電力使用是電力驅(qū)動的空調(diào)產(chǎn)品生命周期評價中的主要影響因素.

圖2 冷水機組各個過程影響的單一計分結(jié)果

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

表2為螺桿式冷水機組含碳、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)運行過程，這些氣體將會對溫室效應以及空氣品質(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)境效益的對比

冷水機組和家用空調(diào)并不能單純對比，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兩者的差異，于是采用曲線圖表，分別得到2個系統(tǒng)隨使用時間增長的環(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組時，其生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響值以及氣體輸出，為了得到影響指標隨時間的變化情況，必須對上述模型按年份的增長分別模擬，模擬結(jié)果如圖3，4所示.

從影響值隨時間的變化曲線來看，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，機組對環(huán)境的影響越來越大，當機組使用9 a左右，影響總值的增長幅度驟增，這是由于設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組影響總值曲線也有著基本相同的變化趨勢.

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參數(shù)稍加修改，即可得到方案2的生命周期評價結(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，但在生命周期后期的增長幅度明顯更大，說明相對于大型中央空調(diào)，家用空調(diào)的老化更快.

3.3 方案對比

為了更加清晰地展示家用空調(diào)方案與冷水機組方案的環(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為冷水機組方案，基本特征為生命周期長，年環(huán)境影響值增長較為平穩(wěn)，但峰值更大，即冷水機組在其生命周期內(nèi)對環(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條曲線的交點出現(xiàn)在機組使用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;交點向右，方案2曲線位置超過方案1曲線，且隨著時間的增加，差值逐漸變大;當冷水機組使用約13 a時，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，曲線的特點及趨勢跟圖7環(huán)境影響值曲線大致相同，不同點在于交點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)，說明冷水機組方案的環(huán)境效益比較穩(wěn)定，更適合長期投資.

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

3.4 運行策略

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

圖9-14 分別為年運行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 年運行1 000 h的環(huán)境影響曲線

通過比較上述幾種運行時間下的曲線，可得以下幾點結(jié)論:

1)年運行1 000 h時，家用空調(diào)的環(huán)境影響總值基本都低于冷水機組，雖然在生命周期末期，超過了同期冷水機組，但兩者的峰值差變大，達到了近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組，最終決定性的指標是綜合所有影響指標的環(huán)境影響總值.所以，在年運行1 000 h，即每天空調(diào)使用不超過5 h時，家用空調(diào)比冷水機組具有更大的環(huán)境效益，方案2應是更為理想的選擇.

2)年運行1 200 h時，冷水機組的環(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)對環(huán)境的影響值比冷水機組略小，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高于冷水機組方案，并且兩者在生命周期內(nèi)的輸出總值相當.所以，在年運行時間達到1 200 h，使用冷水機組更為合理.

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

4 結(jié)論

1)運用生命周期評價理論分析冷水機組對環(huán)境的影響是可行的，主要以環(huán)境影響和氣體輸出為評價指標.

2)基于工程實例，比較了螺桿式冷水機組和家用空調(diào)在環(huán)境效益方面的優(yōu)劣.在年運行1 600 h的情況下，冷水機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，冷水機組方案都表現(xiàn)出穩(wěn)定增長的趨勢，說明冷水機組方案的環(huán)境效益比較穩(wěn)定，更適合長期投資.

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)和冷水機組的運行策略，結(jié)果表明:根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)、功能及人員使用情況，設計時應使用不同的空調(diào)形式.當需要空調(diào)設備年運行不超過1 000 h時，家用空調(diào)方案更能起到節(jié)能減排的作用;而當需要空調(diào)設備年運行時間大于1 000 h時，冷水機組為更加合適的選擇.

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