生命周期内冷水机组的环境影响及运行策略

蔡 亮，邵晓炜，马燕宾，张小松，杜 垲

(1.东南大学能源与环境学院，江苏南京210096;2.艾默生网络能源有限公司，广东深圳518000)

螺杆式冷水机组是提供冷冻水的大中型制冷设备.常用于国防科研、能源开发和宾馆等部门的空气调节.而人们更为熟知的家用空调具有安装简单、结构简单、控制便捷和价格较为便宜等特点.按不同的空调需求，这2种形式空调都适用于中大型建筑物.

生命周期评价(LCA)是研究产品从原料获得、生产、使用和废弃所产生的环境冲击的分析工具.生命周期评价环境冲击类别一般需要考虑人类健康、资源消耗和生态品质3方面的影响，包括目标和范围确定、清单分析、影响评价和解释说明4个阶段［1］.笔者为了客观评价2种形式空调的能量消耗与环境效应，按照原材料获得直至废弃处理的各阶段的资源消耗以及污染排放进行生命周期评价，并基于实例，提出相应的运行策略.

1 工程概况

本工程为南京市某大学学生宿舍空调安装项目，宿舍楼共10层，每层33个房间，为4人间，每个宿舍平均面积约为23 m2.宿舍内部设有电脑、热水器及其他小型用电设备.根据相应规范，加上一定的富余冷量，预估单间宿舍所需空调制冷量约为3.6 kW，整幢宿舍楼夏季空调冷负荷约为1 200 kW.因此，提出2种方案:方案1，选用3台总制冷量约为1 200 kW的水冷螺杆冷水机组，末端选用风机盘管将冷量送入宿舍;方案2，每个宿舍安装1台同时拥有制冷供暖功能的1.5匹家用空调，共需330台.

2 冷水机组的生命周期评价

方案1选取3台某公司高效型水冷螺杆式冷水机组，其中单台制冷量为480.6 kW的机组2台，制冷量为240.3 kW的机组1台.

2.1 边界条件及假设

为了避免某些未知因素对分析结果造成的不确定性影响，在对冷水机组进行生命周期评价之前需要对系统进行一些假设和再定义［2-5］:① 原材料仅考虑占主要比例的材料，忽略总量占据不到5%且对环境不存在显著影响的材料因子，系统报废后考虑进行回收利用;②假设所有过程中消耗的电能都是以燃煤发电而来;③工艺上消耗的淡水均取自自然界，无需进一步处理;④假设冷水机组的生命周期为15 a，其运行环境在全生命周期内保持稳定.运行时间定义为每天8 h［6］，年制冷时间定为200 d，则冷水机组年运行时间约为1 600 h.

2.2 量化方法及评价指标

考察其生命周期须从4个阶段着手:原材料获取阶段、生产加工阶段、使用阶段和回收处理阶段.

2.2.1 系统部件的生产加工

生产过程中所消耗的金属矿石主要为铜、钢和铝，具体的能耗及CO2排放由下式表示［7］:

式中:Qr为空调系统生产的能耗量，MJ;Qi为第i种金属矿石的单位能耗量，MJ·t-1;mi为第i种金属矿石的消耗量，t;n为系统的台数，台.

式中:mr为空调系统生产的CO2排放量，kg;wi为第i种矿石的单位CO2排放量，kg·t-1.

2.2.2 机组运行

运行阶段中的能源消耗量主要就是空调设备在运行过程中所消耗的电能，且假设电能都是以燃煤发电而来.由于运行期间不会产生任何排放，因此运行阶段的CO2排放量要追溯到电能的来源上，即发电所用的原料——煤的开采、运输及加工生产过程中的CO2排放量.因此，运行阶段可以由如下公式计算:

式中:Eo为空调系统运行阶段的耗电量，kW·h;Pi为第i季度的运行功率，kW;ni为第i季度的运行台数，台;ti为第i季度的运行天数，d;th为设备每天的运行小时数，h;ty为运行年限，a.

式中:Qo为运行阶段的能耗量，MJ;q为电力生产的单位能耗量，MJ·(kW·h)-1.

式中:mo为空调系统运行阶段的CO2排放量，kg;w为电力生产的单位CO2排放量，kg·(KW·h)-1.

2.2.3 系统报废处理

空调设备服役一定时间后，部分部件会逐渐老化，报废的部分物质可以回收利用［8］，如钢的回收率75%，铜的回收率85%等，一些老化的密封材料可以焚烧处理.

2.2.4 影响评价

根据系统边界及清单分析所提供的数据清单，本模型主要选择人类健康、资源消耗、全球变暖作为生命周期阶段的主要环境效益评价影响类型.因而需要计算各种环境排放物对各种环境影响类型的潜在贡献，即环境排放影响潜值.

式中:EB(j)为第j种环境影响类型对环境影响的潜值;EB(j)i为第j种环境影响类型的第i种环境干扰因子的影响潜力;Q(j)i为第j种环境影响类型的第i种环境干扰因子的排放量;PF(j)i为第j种环境影响类型的第i种环境干扰因子的单位影响潜力.

计算出环境排放影响潜值之后，对其进行标准化，比较对各种影响类型的贡献大小.

式中:NB(j)为第j种环境影响类型对环境影响的标准化潜值;R(j)为第j种环境影响类型对环境影响标准值;t为生命周期.

2.3 生命周期评价

为了得到了生命周期阶段各项指标的具体特征化影响值，采用ECO-Indicator 99方法，将系统排放物对环境的影响分为3大类:资源消耗，人类健康和生态的影响，由式(6)，(7)得出的标准值加上权重，其中温室效应是以13 077 kg的CO2为标准化权重，臭氧层破坏以0.922 kg的CFC-11为标准化权重［9］，得到最终的评价指标，单位为Pt，正值说明对环境负面影响，负值表示对环境存在正面影响.

图1为螺杆式冷水机组各项影响指标的损害评价.横坐标中:1为致癌物质评价;2为空气中有机物对呼吸系统的影响评价;3为空气中无机物对呼吸系统的影响评价;4为气候变化评价指标;5为辐射评价指标;6为臭氧层破坏评价;7为生态毒性当量评价;8为酸化/富营养化评价;9为土地使用当量评价;10为矿物资源评价;11为化石燃料资源评价.红色为机组运行过程中的电力输入造成的损害，蓝色为原材料的消耗以及生产装配过程的损害，紫色为对环境起积极作用的机组废弃回收过程的贡献.

图1 螺杆式冷水机组各项影响指标的损害评价

电力输入所带来的损害是冷水机组各项影响指标的主要来源，除了矿物资源评价指标，其余10个指标几乎不受其他过程的影响，要降低其在生命周期内对环境的冲击和危害，应重点放在节约电力及开发新能源的使用上.图2为各个过程影响的单一计分结果，进一步体现出电力使用是电力驱动的空调产品生命周期评价中的主要影响因素.

图2 冷水机组各个过程影响的单一计分结果

表1为使用螺杆机组在其生命周期内对环境的影响值.由此得出，螺杆式冷水机组在整个生命周期内的环境影响评价指标为1.3×105Pt，分别对人类健康、生态品质、资源消耗造成的影响指标为2.52 ×104Pt，7.16 ×104Pt，3.32 ×104Pt.其主要的影响来源于运输以及运行阶段，废弃物回收处理过程对环境总体起到积极的影响，其影响值为负值.

表2为螺杆式冷水机组含碳、硫气体的输出量，分别为6.19×106kg二氧化碳，1.40×103kg的一氧化碳，6.08×103kg的氧化硫气体，电力使用对空气品质的破坏具有极大的消极影响，几乎90%的气体来自有电力输入的空调运行过程，这些气体将会对温室效应以及空气品质带来极为不利的影响.

表1 方案1的环境影响值 Pt

表1 方案1的气体输出 Pt

3 环境效益的对比

冷水机组和家用空调并不能单纯对比，两者的差异主要来源于生命周期的不同，家用空调的使用年限为10 a，而螺杆式冷水机组的使用年限为15 a，根据生命周期理论而模拟出的环境影响值并不能直接反应两者的差异，于是采用曲线图表，分别得到2个系统随使用时间增长的环境影响值变化曲线，并通过相互比较，得出最优方案的运行策略.

3.1 方案1的环境影响值曲线

表1，2分别得到了采用螺杆式冷水机组时，其生命周期内对环境的影响值以及气体输出，为了得到影响指标随时间的变化情况，必须对上述模型按年份的增长分别模拟，模拟结果如图3，4所示.

从影响值随时间的变化曲线来看，影响总值的曲线斜率不断变大，意味着随着使用年限的增长，机组对环境的影响越来越大，当机组使用9 a左右，影响总值的增长幅度骤增，这是由于设备的老化以及前期使用的不断影响积累造成的.而人类健康、生态品质和资源消耗的变化曲线与机组影响总值曲线也有着基本相同的变化趋势.

3.2 方案2的环境影响值曲线

家用空调方案的生命周期模型与冷水机组类似，只需重新编辑原材料输入以及在生命周期过程中对参数稍加修改，即可得到方案2的生命周期评价结果，如图5，6所示.

方案2的影响总值曲线与方案1的曲线基本表现出一致的变化趋势，但在生命周期后期的增长幅度明显更大，说明相对于大型中央空调，家用空调的老化更快.

3.3 方案对比

为了更加清晰地展示家用空调方案与冷水机组方案的环境效益，将图3，5中2种方案的环境影响总值曲线汇总，如图7所示.

图7 2种方案的环境影响曲线

方案1为冷水机组方案，基本特征为生命周期长，年环境影响值增长较为平稳，但峰值更大，即冷水机组在其生命周期内对环境更加不利;方案2为家用空调方案，基本特征为曲线起点低，初期较平稳，后期更为陡峭，峰值较方案1略小.2条曲线的交点出现在机组使用5～6 a之间，在此之前，方案2曲线位于方案1曲线之下，但纵向差值不大;交点向右，方案2曲线位置超过方案1曲线，且随着时间的增加，差值逐渐变大;当冷水机组使用约13 a时，其环境影响值正好与家用空调全生命周期的影响值相同.

图8为2种方案的CO2气体输出曲线，曲线的特点及趋势跟图7环境影响值曲线大致相同，不同点在于交点的位置较之略有提前，出现在生命周期的4～5 a之间.

图8 2种方案的CO2输出曲线

图7，8曲线的交点均出现在4～6 a之间，在此之前，家用空调的环境影响较小，但年增长值较大;4～6 a之后，方案2曲线更为陡峭，方案1则较为平稳，说明冷水机组方案的环境效益比较稳定，更适合长期投资.

对比了2种方案的运行状况后，发现在每天运行8 h，年使用200 d，冷水机组方案表现出更加稳定的环境效益，更加适用于该项宿舍空调安装工程.

3.4 运行策略

上述的所有分析都是在系统年使用时间1 600 h的假设条件下完成的，由于在电力驱动的空调设备的生命周期中，电力使用是对环境危害最大的指标，并且家用空调在生命周期初期对环境的影响值不高，所以，调整设备的年使用时间有可能产生不同的结果，将从环境影响的角度对方案1和方案2的运行策略进行讨论.对于夏热冬冷地区，夏季、冬季使用空调均按100 d计.

图9-14 分别为年运行1 000，1 200，1 800 h，2种方案的环境影响总值曲线和CO2输出曲线.

图9 年运行1 000 h的环境影响曲线

通过比较上述几种运行时间下的曲线，可得以下几点结论:

1)年运行1 000 h时，家用空调的环境影响总值基本都低于冷水机组，虽然在生命周期末期，超过了同期冷水机组，但两者的峰值差变大，达到了近30 000 Pt.而虽然家用空调CO2输出量还是要高于冷水机组，但这仅仅表示家用空调在全球变暖方面的环境影响要高于冷水机组，最终决定性的指标是综合所有影响指标的环境影响总值.所以，在年运行1 000 h，即每天空调使用不超过5 h时，家用空调比冷水机组具有更大的环境效益，方案2应是更为理想的选择.

2)年运行1 200 h时，冷水机组的环境影响总值曲线平缓、稳定，而家用空调曲线斜率逐渐变大.2种方案的峰值差约为20 000 Pt.曲线的交点出现在系统使用7 a左右，接近家用空调生命周期的尽头，在此之前，家用空调对环境的影响值比冷水机组略小，但幅度并不明显;7 a之后，家用空调的环境影响值剧增.而在CO2输出曲线则表明，家用空调方案的温室气体输出远高于冷水机组方案，并且两者在生命周期内的输出总值相当.所以，在年运行时间达到1 200 h，使用冷水机组更为合理.

3)与年运行1 600 h的曲线相比，在空调设备年运行1 800 h的条件下，图13，14中曲线的交点均向左移动，曲线峰值差减小，说明年运行时间越长，冷水机组的节能减排作用越明显，证明了冷水机组更适用于运行时间长，制冷及供暖面积大的中大型工程.

4 结论

1)运用生命周期评价理论分析冷水机组对环境的影响是可行的，主要以环境影响和气体输出为评价指标.

2)基于工程实例，比较了螺杆式冷水机组和家用空调在环境效益方面的优劣.在年运行1 600 h的情况下，冷水机组方案在使用初期的环境影响高于家用空调方案，5～6 a后两者更替，并且随着运行年限的增加，不论是环境影响总值还是温室气体及污染气体排放量，冷水机组方案都表现出稳定增长的趋势，说明冷水机组方案的环境效益比较稳定，更适合长期投资.

3)从环境影响和CO2排放的角度出发，研究了家用空调和冷水机组的运行策略，结果表明:根据建筑结构、功能及人员使用情况，设计时应使用不同的空调形式.当需要空调设备年运行不超过1 000 h时，家用空调方案更能起到节能减排的作用;而当需要空调设备年运行时间大于1 000 h时，冷水机组为更加合适的选择.

References)

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