關(guān)鍵詞：蒸汽壓縮制冷循環(huán)；生命周期評價(jià)；板式換熱器；環(huán)境影響

中圖分類號：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）11-0028-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.007

Life Cycle Environmental Impact Assessment of Plate Heat Exchanger

LIU ZhenboZHANG Qian1LI Fuxin2LIU HaihualZHOU Liang1SONG Wenhan' （1.Xi'an Aeronautical Institute，Xi'an 710o77，China; 2.China Tabacco Shanxi Industrial Xunyang Cigarette Factory，Xunyang 725700， China）

Abstract： [Purposes] This paper conducts the fullife cycle environmental effects of plate heat exchangers，which are extensively used in vapor-compresson refrigeration cycles.It aims to open up sustainable development paths for their design，manufacturing，and application to reduce energy consumption and environmental pollution.[Methods] Based on the whole life cycle assessment method，this paper constructs an evaluation model covering 16 indicators such as climate change potential value，and uses eFootprint software and the CLCD database to evaluate the whole life cycle environmental effect of XXO1 plate heat exchanger produced by a company.[Findings] The results show that the abiotic resource consumption and human toxicity value of the plate heat exchanger are 8.0Ox1o-2 kg Sb eq and 1.00 ×10^-2 CTUh， respectively，which are the indicators contributing the least to the environmental impacts in the whole life cycle of the plate heat exchanger; the climate change potential value is 2.65×1O3 kg CO eq， the disposable energy consumption potential value is 3.41 × 104 MJ，and the water resource consumption is 1.31× （204號 （2號 10⁴kg ，which are significantly higher than other indicators.This indicates that climate change，energy consumption， and water resource consumption constitute the primary environmental damage pathways. [Conclusions] Improving production methods to reduce energy and water resource consumption throughout theentire life cycle of plate heat exchangers is crucial for achieving green and sustainable development.

Keywords： vapour compression refrigeration cycle;life cycle assessment; plate heat exchanger; environmental impact

0 引言

隨著全球?qū)夂蜃兓唾Y源耗竭問題的關(guān)注持續(xù)加深，作為能源和資源主要消耗領(lǐng)域的制冷與空調(diào)行業(yè)，正面臨著向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型的巨大壓力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約 17% 的能源消耗與蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)緊密相關(guān)[1]。2019年，國家發(fā)展改革委等七部委聯(lián)合印發(fā)《綠色高效制冷行動(dòng)方案》，該方案明確指出，到2022年，家用空調(diào)、多聯(lián)機(jī)等制冷產(chǎn)品的市場能效水平提升 30% 以上，綠色高效制冷產(chǎn)品市場占有率提高 20%^[2] 。提高這些高能耗設(shè)備的效率是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在[3]，對于加速推進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型，助力經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)\"碳達(dá)峰”\"碳中和\"目標(biāo)具有重要意義[4]。

蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)是由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器等主要部件構(gòu)成的閉合回路，其中冷凝器和蒸發(fā)器是制冷循環(huán)中重要的熱量傳遞設(shè)備。根據(jù)《2014—2019年中國換熱器市場全景評估及行業(yè)前景預(yù)測報(bào)告》，板式換熱器作為一種高效能量傳遞設(shè)備，憑借其顯著的節(jié)能與環(huán)保優(yōu)勢，在熱交換設(shè)備中的市場份額達(dá) 28% ，其可持續(xù)發(fā)展對整個(gè)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)具有重要影響。然而，當(dāng)前關(guān)于空調(diào)、冰箱等蒸汽壓縮制冷循環(huán)裝置的生命周期評價(jià)研究大多聚焦于整機(jī)層面。例如， Gehin^[5] 提出在冰箱的設(shè)計(jì)階段使用生命周期評價(jià)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)。張城等構(gòu)建了冰箱全生命周期碳排放核算模型和方法體系，有助于推動(dòng)產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展。楊歡等將安全處理納入冰箱的全生命周期評價(jià)。Xiao等8對中國的電冰箱進(jìn)行全生命周期評價(jià)，發(fā)現(xiàn)使用階段的能源消耗和環(huán)境影響最大。而Gasia等[9]對Turboalgor生產(chǎn)的新型制冷裝置的研究表明，制造階段在全生命周期中對環(huán)境影響最大。此外，使用更環(huán)保和低碳制冷劑的冰箱，在全生命周期內(nèi)碳排放更低[10]。電子產(chǎn)品或空調(diào)的整機(jī)回收利用的全生命周期評價(jià)也顯示出良好的節(jié)能效果[1-12]。 ○然而，鮮有學(xué)者深人研究關(guān)鍵部件板式換熱器的生命周期環(huán)境效應(yīng)。因此有必要從生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用直至報(bào)廢處理的全生命周期角度，系統(tǒng)評估板式換熱器對環(huán)境的影響，為制冷行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

生命周期評價(jià)（LifeCycleAssessment，LCA）是一種評估和量化產(chǎn)品從原材料提取到最終廢棄處理的整個(gè)生命周期中對環(huán)境的潛在影響，能夠?yàn)楫a(chǎn)品或服務(wù)的生產(chǎn)者及消費(fèi)者決策提供有價(jià)值的參考。本研究使用eFootprint軟件和CLCD數(shù)據(jù)庫，對板式換熱器從生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用直至報(bào)廢處理的全生命周期的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評價(jià)，通過調(diào)查獲取了板式換熱器原材料獲取、生產(chǎn)、使用和板式換熱器報(bào)廢回收等階段的能耗和排放數(shù)據(jù)，識(shí)別生產(chǎn)過程的高污染和高耗能環(huán)節(jié)，進(jìn)而深入解析板式換熱器全生命周期對環(huán)境影響的類型及關(guān)鍵的影響因素，為相關(guān)企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1研究方法

1.1 研究目標(biāo)和范圍

XX集團(tuán)生產(chǎn)的XX01型板式換熱器的最高使用壓力為 2.0MPa ，使用的溫度范圍為 -19～200^°C ，裝機(jī)有效面積為 12m2 ，最大處理液體/氣體為45m³/h ，傳熱系數(shù)（水-水）為 2 000～6 000W/m³k 接管公稱直徑為 50mm ，總重為 42kg 。本文以該板式換熱器為研究對象，并基于以上數(shù)據(jù)，構(gòu)建了板式換熱器的環(huán)境效應(yīng)全生命周期評價(jià)模型。由于目前板式換熱器報(bào)廢后均進(jìn)行了回收，其生命周期評價(jià)范圍涵蓋了從生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用直至報(bào)廢處理的整個(gè)過程。板式換熱器全生命周期目標(biāo)范圍見圖1。

1.2 清單分析

本研究主要數(shù)據(jù)來源于eFootprint軟件，該軟件是億科環(huán)境科技有限公司研發(fā)的在線LCA分析工具。在板式換熱器的生產(chǎn)流程中，主要應(yīng)用了自動(dòng)沖壓成型和自動(dòng)化焊接等工藝，同時(shí)使用了壓機(jī)、剪板機(jī)、電焊機(jī)等多種機(jī)床和設(shè)備。在組裝、檢測和調(diào)試階段，還需對板式換熱器進(jìn)行水壓試驗(yàn)、氣密性檢測及X射線檢測等處理。此外，生產(chǎn)板式換熱器所用的原材料主要包括304不銹鋼、碳鋼、Q235鋼及三元乙丙橡膠等，而能源消耗主要為電能。在使用階段，板式換熱器主要的能源消耗為電能和高溫高壓蒸汽。在廢棄回收階段，能源消耗主要產(chǎn)生于拆解、廢棄物回收運(yùn)輸、填埋處理及可回收廢料的資源化處理等環(huán)節(jié)。

1.3環(huán)境影響評價(jià)指標(biāo)

LCA的核心在于綜合評價(jià)研究對象在各個(gè)階段對環(huán)境的影響。本研究主要考慮的指標(biāo)有氣候變化潛值、非生物資源消耗潛值、水資源消耗潛值、酸化潛值、富營養(yǎng)化潛值、可吸人無機(jī)物潛值、臭氧層消耗潛值、光化學(xué)臭氧合成潛值、電離輻射-人體潛值、生態(tài)毒性潛值、一次能源消耗潛值、人體毒性-致癌潛值、碳足跡（農(nóng)業(yè)）潛值、氣候變化潛值-2021、氣候變化-化石源潛值、氣候變化-生物源潛值等。

2評價(jià)結(jié)果及分析

2.1 結(jié)果分析

表1列出了LCA環(huán)境影響評價(jià)的結(jié)果，通過分析可以得到以下結(jié)論。

① 在制造板式換熱器的過程中，首先需要開采并冶煉金屬礦石，以獲得用于制作換熱器支柱、板片、前后端板等部件的金屬原材料。此過程伴隨著大量的資源消耗及廢氣和廢物排放，對氣候影響顯著。因此，在生產(chǎn)過程中，必須嚴(yán)格控制排放，并盡可能減少化石燃料的使用，選擇更為清潔的生產(chǎn)方式。

② 一次能源消耗和化石能源消耗相近，主要在原材料獲取階段產(chǎn)生。在金屬部件的原材料獲取階段，開采加工原材料需要大量煤、石油、天然氣作為生產(chǎn)能源。此外，裝配階段涉及零部件的制造、安裝及產(chǎn)品測試，也會(huì)消耗部分能量。在優(yōu)化方案中，必須對上述環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，以降低能源消耗，確保生產(chǎn)過程高效節(jié)能，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

③ 在生產(chǎn)過程中，原材料的加工制造過程會(huì)消耗一定的水資源。由于加工體量的不同，所需水資源體量也不盡相同，特別是金屬器件的生產(chǎn)加工，需要大量水資源參與。此外，板式換熱器的運(yùn)行同樣需要水資源參與。而在板式換熱器的報(bào)廢回收階段，處理金屬部件及其他材料也需要消耗水資源。因此，水資源在板式換熱器全生命周期中的需求較大。

④ 從金屬原材料的冶煉到最終的回收利用，板式換熱器的全生命周期均會(huì)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。根據(jù)模型可知，金屬原材料的冶煉階段會(huì)產(chǎn)生大量的熱輻射和化學(xué)毒素。例如，在冶煉時(shí)，燃料燃燒會(huì)產(chǎn)生一定的廢氣和有毒有害氣體；在淬火等工藝中使用的輔助材料會(huì)產(chǎn)生有毒和強(qiáng)腐蝕性的廢棄物；生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種粉塵也會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成損害。為了降低板式換熱器的生態(tài)毒性指標(biāo)，必須在產(chǎn)生這些有害物質(zhì)的環(huán)節(jié)實(shí)施控制措施。例如，收集各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的污染物，進(jìn)行無害化處理后方可排放。

⑤ 盡管AP、EP、RI、ODP、POFP和IRP等指標(biāo)數(shù)值較低，但它們依然揭示了板式換熱器對環(huán)境可能造成的負(fù)面影響，指出了產(chǎn)品后期優(yōu)化的潛在方向。

2.2 結(jié)果討論

圖2展示了板式換熱器在生命周期評估中氣候變化類指標(biāo)的對比情況。在板式換熱器的LCA分析結(jié)果中，就對氣候變化的影響而言，生產(chǎn)階段的生物源潛值GWP-Biogenic-2021指標(biāo)的比重最大，達(dá)到 88.37% 。而在使用階段和最終報(bào)廢回收階段，該指標(biāo)的比重相對較小。其他類型的氣候變化影響指標(biāo)也呈現(xiàn)出類似的分布規(guī)律。這表明，板式換熱器對氣候的影響主要集中在生產(chǎn)階段，因此必須加強(qiáng)生產(chǎn)過程管理，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，以減少其

對環(huán)境的影響。

圖3為板式換熱器在生產(chǎn)、使用和報(bào)廢回收階段的各類資源消耗指標(biāo)的比重?？梢钥闯?，生產(chǎn)階段ADP、WU、ODP和PED等指標(biāo)的比重均較高，因此需對生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化改造，減少不必要的損失，提升資源利用率。這一過程體現(xiàn)了對板式換熱器進(jìn)行生命周期評價(jià)，并根據(jù)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行針對性改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要性。

圖4是板式換熱器生命周期評價(jià)結(jié)果中其他指標(biāo)的環(huán)境貢獻(xiàn)情況。其中，HT-cancer和ET指標(biāo)占比最大，為 103.10% 和 103.30% 。相較于使用和回收報(bào)廢階段，生產(chǎn)階段各類指標(biāo)均較高。這主要源于生產(chǎn)過程中消耗的各種能源會(huì)產(chǎn)生大量對環(huán)境有害的副產(chǎn)物，應(yīng)對生產(chǎn)加工過程進(jìn)行創(chuàng)新升級，以提高生產(chǎn)效率并減輕對環(huán)境的影響。

3結(jié)語

本文以蒸汽壓縮制冷循環(huán)中常用的板式換熱器為研究對象，評價(jià)其全生命周期環(huán)境效應(yīng)，主要結(jié)論如下。

① GWP、PED和WU等指標(biāo)值分別為 2.65×10³ kgCO₂ eq 3.41×10⁴ MJ和 1.31×10⁴kg ，且比其他指標(biāo)值大得多，說明氣候變化潛值、初級能源消耗和水資源消耗是板式換熱器整個(gè)生命周期主要的環(huán)境損害方式。煙煤發(fā)電、天然氣的消耗、金屬礦物的開采與冶煉和煙煤產(chǎn)熱等是影響板式換熱器生命周期中資源消耗指標(biāo)和環(huán)境影響指標(biāo)的主要因素。因此要優(yōu)化板式換熱器的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用及報(bào)廢處理等環(huán)節(jié)的資源消耗，才能實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

② 指標(biāo)PED的值為 3.41×10⁴MJ ，高于同類型其他指標(biāo)，說明一次能源消耗較高。指標(biāo)ADP的值為 8.00×10^-2kgSbeq ，低于同類型其他指標(biāo)，說明非生物資源消耗較少。

③ 指標(biāo)ET的值為 6.72×10⁴ CTUe，在同類型的指標(biāo)中占比較高，說明在板式換熱器的全生命周期，由于資源的消耗較大，所產(chǎn)生的物質(zhì)使生態(tài)毒性潛值增加，對環(huán)境影響顯著。指標(biāo)HT-cancer的值為 7.10×10^-3CTUh ，低于同類型其他指標(biāo)，說明所產(chǎn)生的物質(zhì)對環(huán)境影響較小。

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