張子華，董延碩，彭 瑤，禹 桐，楊 雪，杜新月

(北京工業(yè)大學 材料與制造學部現(xiàn)代機械設計研究所，北京 100124)

1 引言

2020年第七十五屆聯(lián)合國大會上，我國向國際社會莊嚴承諾2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和(即“3060雙碳目標”)，首次明確了實現(xiàn)碳達峰、碳中和的決心，是迄今為止在國際范圍內減排承諾力度最大、面臨挑戰(zhàn)最艱巨且時間最緊迫的國家之一，彰顯了對全球可持續(xù)發(fā)展的責任和擔當[1]。中國碳排放量占全球總量約30%，年平均增速大于世界平均水平。相比歐美國家40～70年的窗口，中國作為發(fā)展中國家需要在30年內由“碳達峰”走向“碳中和”。在未來“雙碳”規(guī)劃中必須走出具有“中國特色”的減排路徑，在保障經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎上逐步實現(xiàn)碳達峰、碳中和。就碳排放結構而言，中國的碳排放主要集中于工業(yè)(41%)及能源(46%)。工業(yè)是二氧化碳排放的主要領域，工業(yè)綠色低碳改造，是做好碳達峰、碳中和的關鍵。目前國內外關于家用電器碳足跡的研究主要聚焦于碳足跡評價技術和計算方法，缺少對家用電器全生命周期碳足跡量化的研究。

王吉凱等[2]對家電低碳評價技術內容進行了詳細的闡釋，并結合對家用豆?jié){機的碳足跡計算和評價，對家電低碳評價技術方案進行了應用分析。俞波等[3]對碳足跡評價的國內外標準、主要步驟以及技術難點進行了研究和分析，為電子電器企業(yè)以及相關技術監(jiān)測機構計算分析產(chǎn)品碳足跡提供了參考。趙新等[4]介紹了碳排放績效指標和一種碳足跡計算方法，并開發(fā)了一種軟件，可對家電產(chǎn)品進行碳排放績效評價和碳足跡計算，并以液晶電視機為例，對所提方法進行了應用分析。鮑宏等[5]首次提出了產(chǎn)品多層次碳足跡分析方法，構建了產(chǎn)品多層次碳足跡分析模型，并以洗碗機為例，驗證了所提方法的可行性。陳艷陽等[6]對葉輪機加工車間多目標生產(chǎn)調度開展了研究，基于車間碳排放源建立了碳排放量化數(shù)學模型，并基于碳足跡、完工時間、設備運行成本3個約束條件完成了生產(chǎn)調度方案設計，提高了設備利用率。Ghani等[7]采用全生命周期評價法(Life Cycle Assessment：LCA)對馬來西亞吉蘭丹州Senok的海水淡化廠的海水生產(chǎn)系統(tǒng)進行了碳足跡評估。張旭靖等[8]通過生命周期評價法建立服裝縫制生產(chǎn)過程碳排放評估模型，以碳排放最少和生產(chǎn)線面積最小為目標建立布局多目標優(yōu)化模型，采用NSGA-II算法求解最優(yōu)布局解。Piroozfard等[9]以碳排放和總延遲為目標進行柔性生產(chǎn)作業(yè)調度，并建立了生產(chǎn)車間的設備碳排放數(shù)學模型。周先鋒等[10]針對工廠化食用菌生產(chǎn)過程中的能量流進行建模，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中各工藝環(huán)節(jié)能耗的定量分析。Sweetapple等[11]采用NSGA-II多目標優(yōu)化算法求解廢水處理廠的帕累托最優(yōu)解，其最優(yōu)解涵蓋了最小化溫室氣體排放、操作成本、污染物的濃度以及符合法律約束。鄧朝暉等[12]將機床零部件生產(chǎn)過程分為生產(chǎn)加工、使用、回收處理、運輸?shù)?個階段，并分別對其建立碳排放模型，為生產(chǎn)環(huán)節(jié)各個階段實施節(jié)能減排提供指導。

而針對產(chǎn)品的研究，本課題的研究以一臺具體產(chǎn)品作為研究對象。目前，家務機器人發(fā)展速度較快，在個人及家庭服務機器人的銷售量中占據(jù)主要部分，而家務機器人的發(fā)展主要得益于掃地機器人市場的崛起。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2018-2023年全球機器人行業(yè)發(fā)展前景及投資機會研究報告》[13]數(shù)據(jù)顯示，2015年全球個人及家用服務機器人銷售量為540萬臺，其中家務服務機器人370萬臺，占比將近70%。掃地機器人是目前家務機器人中的主導品類，2021年一季度，掃地機器人銷售額達18.59億元、銷售量97.14萬臺，同比分別增長30.08%、4.01%，產(chǎn)品均價1914元，同比上漲384元[14]。掃地機器人產(chǎn)品在現(xiàn)代生活中扮演著越來越重要的角色，發(fā)展速度加速提升。

鑒于掃地機器人在家用機器人中的市場份額，本課題將基于生命周期評價(LCA)的方法，以具體的機電產(chǎn)品掃地機器人為例進行碳足跡量化評估。本課題基于LCA方法，參考已有《PAS 2050:2011》[15]等準則體系，結合具體產(chǎn)品的設計流程，依照3個步驟進行研究：①建立產(chǎn)品研究全生命周期框架;②確定系統(tǒng)邊界及核算內容;③碳足跡清單分析。清單分析中需要建立具體的碳足跡量化模型，包括整個生命周期內的各種GHG排放，即從原材料、生產(chǎn)制造、運輸、使用到最后的處置及再生利用5個階段的GHG排放量化研究。

2 掃地機器人全生命周期碳排放計算方法

2.1 系統(tǒng)邊界的確定

在本文研究過程中，選取的功能單元為一臺掃地機器人(以科沃斯品牌T9型號為例)，將掃地機器人的生命周期分為5個階段，分別為：原材料階段、制造階段、運輸階段、使用階段、回收階段，建立起基于時間軸和物質軸的時空網(wǎng)絡模型，如圖1所示。首先建立碳足跡量化模型，為其他同類型3C家電產(chǎn)品碳足跡分析做好規(guī)范，然后在具體階段對其進行碳排放量化分析。

圖1 掃地機器人碳足跡系統(tǒng)邊界分析

2.2 碳排放核算模型

目前已知的碳排放量化方法有碳排放因子法、質量平衡法和實際測量法[16]?？紤]到掃地機器人的生命周期過程復雜，且不易被測量，因此采用碳排放因子法。碳排放因子，即碳排放系數(shù)，是指每一種能源燃燒或使用過程中單位能源所產(chǎn)生的碳排放數(shù)量，根據(jù)IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)的假定,可以認為某種能源的碳排放系數(shù)是固定不變的，碳排放系數(shù)通常是指二氧化碳的排放系數(shù),甲烷、氧化亞氮、全氟化物、六氟化硫等其他溫室氣體，一般折算成二氧化碳后再參與計算，折合后被稱作為二氧化碳當量。碳排放因子法如式(1)所示：

E=AD×EF

(1)

式(1)中，E為碳排放量；AD為核算期內生產(chǎn)過程中化石燃料的消耗量、原材料的使用量及購入或輸出的電量；EF為碳排放因子，即碳排放系數(shù)，可由碳審計工具箱獲取數(shù)據(jù)。

2.2.1 原材料使用階段

生產(chǎn)一臺掃地機器人需要用到大量的零部件，在零部件的原材料使用階段會產(chǎn)生大量的碳排放，為計算原材料使用階段的碳排放，筆者引用了科沃斯品牌網(wǎng)站公布的掃地機器人零部件各類物質材料的質量以及材質。需要注意的是原材料在使用過程中會出現(xiàn)損耗，在計算碳排放時應將損耗率考慮進去。將零部件中所包含的各類物質材料的質量與相應的物質排放因子相乘，再乘以相應物質損耗率，所得總和即為該階段碳排放估算值，如式(2)所示：

(2)

式(2)中，Gmaterial為原料獲取階段GHG排放量，kgCO2e；Mi為零部件中所包含的第i類物質材料的質量，kg；EFi為第i類物質排放因子，kgCO2e/kg；k為材料的損耗率。

2.2.2 制造加工階段

在掃地機器人制造加工過程中，一些具體的工藝制造環(huán)節(jié)會產(chǎn)生碳排放，主要涉及外殼開模注塑和主機機體點焊工藝環(huán)節(jié)，以其為例來計算制造加工階段的碳排放。此兩個工藝環(huán)節(jié)的碳排放主要來源于注塑機和電焊機焊槍的電力消耗，其他來源影響較小。計算公式如下。

(1)外殼——開模注塑：

G注塑=P注塑×T×EFelc

(3)

式(3)中，G注塑為注塑階段 GHG 排放量，kgCO2e；P注塑為注塑機功率；T為注塑時間；EFelc為耗電過程中電力排放因子，kgCO2e/kg。

(2)主機——點焊：

Gwelding=I2RT焊×N×EFelc

(4)

(5)

式(4)、(5)中，Gwelding為點焊階段 GHG 排放量，kgCO2e；I2Rt焊為電能；EFelc為電力排放因子，kgCO2e/kg；N為點數(shù)=長度/間隔+1。

2.2.3 運輸階段

運輸階段的排放主要是對加工產(chǎn)品的運輸，其主要運輸方式分別為海路運輸和公路運輸，運輸階段碳足跡主要是運輸工具等設備化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放，涉及的能源主要有柴油、汽油、航空煤油等。因此，依據(jù)運輸掃地機器人貨船的發(fā)動機功率和發(fā)動機的燃油消耗率以及貨船的行駛時間等參數(shù)，即可算出相應的燃油消耗量。公路運輸則是根據(jù)貨車的發(fā)動機功率和發(fā)動機的燃油消耗率以及貨車行駛時間，計算對應的燃油消耗量。海運貨船與公路運輸?shù)呢涇嚩贾饕圆裼蜑橹鳌⑷加拖牧颗c其相對應的碳排放因子相乘，得到該階段的碳排放量計算值，如式(6)、(7)所示：

xfuel-j=Pe×η×T

(6)

EGHG-i,fuel-j=xfuel-j×EFGHG-i,fuel-j

(7)

式(6)、(7)中，xfuel-j為燃料消耗量；Pe為特定發(fā)動機的額定功率；η為特定發(fā)動機燃油消耗率；T為特定發(fā)動機運行時間；EGHG-i,fuel-j為j燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體碳排放量；EFGHG-i,fuel-j為燃燒特定燃料j的碳排放系數(shù)。

2.2.4 使用階段

在使用階段，掃地機器人的碳排放主要來自拖地水的消耗以及電能的使用。掃地機器人每一次充電都會產(chǎn)生碳排放，故可以根據(jù)其充電的頻率以及使用壽命來確定其充電次數(shù)，再根據(jù)電耗的碳排放是所消耗的電能與對應地區(qū)的電力碳排放因子[17]乘積而得，所消耗電能可以采用產(chǎn)品充電功率P與單次充電時間T的乘積。最終使用階段全生命周期對電能的利用為充電一次所消耗的電能與充電次數(shù)的乘積。掃地機器人每一次運行都會消耗水用來清潔地面，確定其充電一次運行后所需水量與水的碳排放因子[18]，最終使用階段水的碳排放為用水量與水的碳排放因子的乘積。使用階段的所有碳排放為兩方面之和，如式(8)、(9)所示：

Guse-elc=P×t×EFelc×N

(8)

Guse-water=M×EFwater×N

(9)

式(8)、(9)中，Guse-elc為使用階段電能的碳排放量；Guse-water為使用階段清潔用水的碳排放量；P為科沃斯掃地機器人充電額定功率；t為充電時間；M為單次清潔用水量；N為充電/充水次數(shù)。

2.2.5 回收階段

由于掃地機器人生產(chǎn)過程的原材料主要為不銹鋼材骨架和塑料包殼，因此回收階段主要回收原材料的材質為不銹鋼和塑料，其他材料忽略不計。

(1)回收不銹鋼材料。 通過查詢，回收鋼鐵主要有直接通空氣法和直接通氯氣氧化法[19]，但氯氣毒性大且污染環(huán)境，價格較高。而空氣取之不盡用之不竭，因此通空氣法較為優(yōu)越。

(2)回收塑料材料。 廢舊塑料分離方法主要為人工分離、密度分離、光學分離、靜電分離、熔點分離、溶解分離等。為了操作簡單采用密度分離法[20]。

回收得到的碳排放均可用以下公式求解，如式(10)所示：

(10)

式(10)中，mwaste-j為已棄置的第j類廢物的質量；EFCO2-eq,waste-j為已棄置的第j類廢物的質量相應的排放系數(shù)。

3 科沃斯掃地機器人全生命周期碳排放量化計算

3.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

(1)以科沃斯DEEBOT T9型號掃地機器人為例，如圖2所示，計算其各個零部件的原材料材質以及質量。由于原材料主要材質為ABS和Steel，其他材質原材料的碳排放可以忽略不計，整理后如表1所示[13]。

圖2 科沃斯DEEBOT T9型號掃地機器(圖片來自科沃斯官網(wǎng))

表1 科沃斯 DEEBOT T9系列機器人主要原材料材質及質量

(2)掃地機器人加工制造階段，以常州北奇注塑機158型臥式曲肘注塑機與無錫尼克4200W超聲波塑料焊接機為例，確定注塑機與焊接機功率以及工作時間，得出以下數(shù)值，參見表2。

表2 注塑機與焊接機功率及單次工作時長

(3)由掃地機器人全生命周期碳排放核算方法可知，對掃地機器人運輸過程中的碳排放核算需要先獲取柴油、發(fā)動機功率、燃油效率等數(shù)據(jù)。本文研究案例為國內掃地機器人的生產(chǎn)、運輸及使用過程，故只涉及陸路碳排放計算。

首先確定發(fā)動機功率以及柴油消耗率、貨物承載量。本文以一臺搭載玉柴YC6L系列發(fā)動機的中型貨車為例，掃地機器人從江蘇蘇州運往北京，計算其相關參數(shù)。按照實際貨運得到以下數(shù)據(jù)，參見表3。

表3 直接排放數(shù)值

確定直接排放中燃油密度、燃油碳排放系數(shù)、水、電的碳排放因子，參見表4。

表4 直接排放碳排放系數(shù)與柴油密度

(4)掃地機器人使用階段需要確定T9系列科沃斯掃地機器人的重量、額定功率、充電時間、使用壽命以及電力碳排放因子[16]，經(jīng)查詢科沃斯DEEBOT T9系列說明書[21]與科沃斯官網(wǎng)[22]，得到以下數(shù)據(jù)，參見表5。

表5 科沃斯DEEBOT T9系列掃地機器人的相關排放計算參數(shù)

3.2 直接碳排放計算

3.2.1 原材料階段碳排放

將掃地機器人零部件中所包含的各類物質材料的質量與相應的物質排放因子相乘，相加的總和即為該階段碳排放估算值(表6)。

表6 科沃斯 DEEBOT T9系列機器人主要原材料碳排放因子

將公式(1)代入數(shù)據(jù)得：Gmaterial=0.19×1077.8+2.5×96.5=0.446 kgCO2e。

科沃斯 DEEBOT T9掃地機器人零部件中原材料階段碳排放量化值為0.446 kg二氧化碳當量。

3.2.2 生產(chǎn)加工制造階段計算

已知注塑機功率為13 kW，注塑一臺掃地機器人大約需要5 s，則注塑一臺掃地機器人產(chǎn)生的碳排放為注塑機功率乘以注塑時間和對應地區(qū)的電力碳排放因子得到，代入公式(3)可得：G注塑=13000×5×0.96=62.4 kgCO2e。

已知焊接機功率為4200 W，焊接一臺掃地機器人大約需要1 s，總計點焊5次，則焊接一臺掃地機器人產(chǎn)生的碳排放為焊接機功率乘以焊接時間，和對應地區(qū)的電力碳排放因子得到，代入公式(4)得：Gwelding=4200×1×0.96×5=20.16 kgCO2e。

科沃斯 DEEBOT T9掃地機器人在其生產(chǎn)加工制造階段碳排放量化值為82.56 kg二氧化碳當量。

3.2.3 運輸階段碳排放量計算

玉柴YC6L系列發(fā)動機功率為206 kW，燃油消耗率為193 g/(kW·h)，行駛時間為15.5 h，根據(jù)式(1)、(2)計算可得柴油消耗量X與運輸階段碳排放量E。代入公式得：X=206×193×15.5=616.249 kg；E=616.249×2.635/0.84=1933.114 kgCO2e。

再根據(jù)貨車運貨量5 t與掃地機器人重4.7 kg可以計算單位掃地機器人的碳排放，可以由運輸工具載貨量和單位產(chǎn)品質量間接獲得。平均到一臺掃地機器人上的碳排放計算公式：E1=E(總)×4.7/M(貨物總質量)。

代入公式得：E1=1933.114×4.7/5000=1.817 kgCO2e。

運輸階段的排放主要是對加工產(chǎn)品的運輸，本文以一臺搭載玉柴YC6L系列發(fā)動機的中型貨車為例，將科沃斯 DEEBOT T9掃地機器人從江蘇蘇州運往北京，計算了燃油消耗量以及對應的碳排放量為1.817 kg二氧化碳當量。

3.2.4 使用階段碳排放量計算

調研家庭中對掃地機器人的使用頻率，以北京普通四口之家掃地機器人每周平均充電3次(每月充電12次)，每次充電補充一次水箱的使用場景為例。已知掃地機器人額定充電功率為20 W，充電時間為6.5 h，碳排放可由所消耗的電能與對應地區(qū)的電力碳排放因子乘積得到，即根據(jù)式(8)可計算電耗的碳排放：Guse-elc=107.827 kgCO2e。已知掃地機器人使用壽命為6年，水箱容量為0.24 L，根據(jù)式(9)可計算水的碳排放：Guse-water=40.228 kgCO2e。

掃地機器人使用階段的碳排放主要是電力消耗和清潔用水，由調研計算可知，掃地機器人使用階段全生命周期總計消耗電能112.32 kW·h，總計用水量為207.36 L，掃地機器人使用階段對應的碳排放量為148.055 kg二氧化碳當量。

3.2.5 回收利用階段

(1)鋼材的回收。 直接通空氣法最高轉化率約為93%[7]，由表1與表5可知，生產(chǎn)過程中使用的鋼鐵原材料質量為96.5 g，碳排放因子為2.5 gCO2/g，由公式(10)計算可得：Gsteel-recycle=2.5×96.5×0.93=0.224 kgCO2e。

(2)塑料的回收。 密度分離法轉化率約為98%[8]，由表1與表5可知，塑料的質量為1077.8 g，碳排放因子為0.19 gCO2/g,由公式(10)得：GABS-recycle=1077.8×0.19×0.98=0.201 kgCO2e。

則回收階段總共回收材料質量為：Grecycle=Gsteel+GABS=0.425 kgCO2e。

3.3 掃地機器人全生命周期碳足跡核算

通過對某型科沃斯掃地機器人全生命周期各階段的碳排放量化計算，得出了一臺掃地機器人全生命周期碳排放量為：

E=Gmaterial+G注塑+Gwelding+E1+Guse-elc+Guse-water-Grecycle=232.453 kgCO2e。

4 結論與展望

4.1 結論

本文基于生命周期評價原理，采用排放因子法研究了一臺掃地機器人的碳排放足跡。一臺掃地機器人生命周期碳排放源主要來自原材料階段、制造加工階段、運輸階段、使用和廢棄物回收階段。以科沃斯掃地機器人為例，介紹了3C白色家電產(chǎn)品全生命周期分析的系統(tǒng)邊界，并給出各階段碳足跡核算模型，對于家電類產(chǎn)品全生命周期碳足跡量化研究提供了重要參考依據(jù)。結果表明，在掃地機器人生命周期碳足跡中，使用階段產(chǎn)生的碳排放最多為148.055 kgCO2e，其次是制造加工階段為82.56 kg二氧化碳當量，由此可知3C白色家電產(chǎn)品全生命周期產(chǎn)生的碳排放由家電生產(chǎn)企業(yè)及相關參與主體共同產(chǎn)生。

4.2 展望

本文在碳足跡核算的方法和實踐上仍然存在一些問題，今后可就以下內容做進一步研究。

(1)方法方面，生命周期碳排放核算分析存在邊界問題，同時所需的人力、物力資源較多。未來可采用其他方法進行碳足跡核算分析，對比不同方法下的碳足跡研究，整合不同方法的優(yōu)點，對足跡核算進行進一步優(yōu)化。

(2)數(shù)據(jù)方面，本文只研究了掃地機器人生命周期中主要的碳排放來源，對于一些難于計算且影響微不足道的部分不作考慮。未來可對該部分進行進一步研究，考慮各種情況下的復雜因素，核算復雜情況下的碳排放，對數(shù)據(jù)進行進一步優(yōu)化。

(3)不確定性方面，由于方法和數(shù)據(jù)源方面的原因，沒有研究對核算結果進行不確定分析。未來可就估算和降低碳足跡核算結果的不確定性進行研究。