制冷空调设备绿色设计的技术和实践探讨

朱斌祥，张缓缓，曲本连，彭飞，李韶强

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）

制冷空调设备绿色设计的技术和实践探讨

朱斌祥*，张缓缓，曲本连，彭飞，李韶强

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）

空调行业作为能源消耗和环境污染的重要源流，对于节能环保承担着重要责任。制冷空调设备绿色设计的应用研究日益受到人们的重视。本文指出了制冷空调产品进行绿色设计的必要性，分析了制冷空调绿色设计中的主要因素及主要内容，对于目前制冷空调产品提出了相应的绿色设计方法，还提出了绿色设计在制冷空调产品中的应用策略，以及绿色产品的评价指标。

制冷空调；绿色设计；评价

0 引言

进入21世纪以来，社会和经济快速发展，人口急骤增加，全球城镇化进程加快，能源危机、资源缺乏和环境污染恶化，使得人类社会面临严峻挑战。面对这种形势，各国相关机构和研究人员均开展了不同深度的研究，政府相关部门也制定了相应的节能环保法规和条例，大力推进节能环保技术创新研究和应用，实施产品能效限制和节能认证，推广提倡绿色设计和绿色制造。其中，绿色设计为重要举措之一。绿色设计是在保证产品应有的基本功能、使用寿命、质量等条件下，同时着重考虑产品的环境属性[1]（材料环保无害性、可拆卸性、可回收性、可维护性和可重复利用性等），并将环境目标要求作为产品设计要求的重要内容，从根本上节约资源和能源、减少污染。制冷空调设备量大面广，同许多机械设备和机电产品一样，其生产制造和使用的过程中不仅消耗了大量的能源和资源，而且破坏了环境。制冷空调设备紧跟形势和技术进步，实施绿色设计理所当然，且大有作为。

发达国家早在10多年前就制定一些政策，如日本发布《容器和包装再循环法》、《家电再循环法》、《建筑工程材料再资源法》等条例[2]、欧盟发布的关于报废电子电气设备指令[3]，即Waste Electrical and Electronic Equipment（WEEE）指令，和关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令，即Restriction of use of certain Hazardous Substances in EEE（RoHS）指令 ，促使相关行业或企业实施绿色设计。在上述条例和指令里，规定了产品部分环境属性的要求。

与发达国家相比，我国制冷空调设备绿色设计的技术探讨和实践研究起步稍晚，尚未完善，需加大行动力度。2005年颁布的《电子信息产品污染防治管理办法》[4]规定，2006年7月1日起，投放国内市场的重点监管电力电子产品禁用铅等6种有害物质。我国首部《废旧家电及电子产品回收处理管理条例》[5]也已于2011年1月1日起施行。这要求在设计时就必须考虑产品废弃后的拆卸和回收事宜，设计的产品必须易于拆卸和回收，且可回收率须达到相关规定要求。因此只有在开始设计时就按绿色产品的要求规划和开发产品，才能确保产品的完全绿色特性。

1 制冷空调绿色设计及其必要性

制冷空调品种涉及家用、商用、民用、军用及特种设备各个领域，产品应用于人民生活和社会的各行各业，已经成为社会主要的高耗能源头。据文献报道，作为制冷空调设备应用主体的建筑，其耗能占我国社会总耗能的三分之一，在我国耗能总量中占有十分重要的比例[6-7]。而在这些建筑能耗当中，又以空调、采暖等设施设备耗能最多，占建筑能耗的一半以上。有数据显示，我国商场、办公楼、酒店三种大型建筑中，仅中央空调的耗电量就分别占47.2%、46.7%和53.3%[8]。同时，在制冷空调设备的生产和使用中，存在着大量制冷剂、发泡剂等的排放和废弃物，特别是大量产品的报废，给环境带来危害和破坏。

在当今社会大力推进可持续发展战略、追求低碳节能的形势下，绿色设计技术是最受认可和应用实践的手段。对于制冷空调行业，推广和实施制冷空调产品的绿色设计更是重中之重。通过绿色设计，在设计、制造、试验、使用直至废弃处理整个生命周期内，对制冷空调产品进行能源消耗、资源消耗和环境影响等的分析和评估，贯彻能源有效利用、资源合理利用和再生利用、节能先进技术利用设计的思想和原则，从源头上控制能源消耗、资源消耗以及排放和污染问题，达到节能减排的目标。我国作为制冷空调设备的制造大国和使用大国，实施产品绿色设计，取得的结果对节约能源资源和环境保护的贡献将是巨大的。它将极大地提高我国制冷空调产品技术水平，促进行业的技术进步。

2 制冷空调绿色设计中的主要因素

制冷空调的绿色设计主要涉及能源、资源和环境三大问题。其核心是“3R”[9]，即Reduce、Recycle和Reuse，不仅要尽量减少物质和能源的消耗，减少有害物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便地分类回收并再生循环和重复利用。材料要强调低污染、易降解、节省资源；结构要强调零部件的互换通用、可拆卸；制造加工中要强调材料的高效利用、低的排放和污染；产品的使用要强调低的能源消耗和经济实用；产品的报废要强调高的可回收利用率、低的环境污染，这是绿色设计的根本要求。绿色设计工作需从包括设计、制造、试验、运行及回收整个生命周期内多方面考虑三大问题，落实上述强调的项目，其主要因素如下。

1）产品基本属性。无论是绿色设计，还是传统设计都必须考虑制冷空调产品能否满足消费者所需求的功能、性能、质量等基本属性。质量和性能指标要符合国家或行业标准，能效指标要达到一定的级别或要获得国家节能认证。否则，产品根本无法占领市场。

2）环境保护。制冷空调绿色设计中，应该贯彻这一理念：产品无论是在生产制造过程中，还是在使用过程中都应避免损害和破坏环境，即追求实现产品生命周期内，制冷空调产品有优异的环境保护特性，这是绿色设计最重要的目的之一。

3）劳动和健康保护。实现对产品生产者和用户的良好劳动和健康保护也是绿色设计过程中所必须考虑的重要因素之一。绿色设计时，必须仔细考虑所设计的制冷空调产品在制造过程中应对生产者具有良好的劳动保护，同时在使用过程中对使用者也应该具有良好的安全和健康保护。在产品整个寿命周期中对劳动者和用户的危害应极小化，零危害是最佳状态。

4）资源能源优化利用和重复利用。传统设计中，制冷空调企业也从降低产品生产成本角度考虑过节约资源、降低消耗问题，但由于传统设计中仅考虑产品的设计开发、制造、销售等几个阶段，而并非以系统的观点从产品的生命周期角度上去考虑该问题，因此，虽然对产品进行了一些节省资源和能源的改进型设计，但是其节资节能效果有限。绿色设计则克服了这一缺点，它用生命周期分析方法，模拟追踪并分析所设计产品的寿命周期中各个阶段以及整体的资能源消耗情况，通过制冷系统零部件的通用性设计和标准化设计、制冷空调产品的模块化设计以及制冷空调产品的可拆卸设计及可回收设计，从而实现产品生命周期的资源和能源优化利用。

5）产品生命周期成本。无论是传统设计中，还是绿色设计中，制冷空调产品的成本都必须作为一个十分重要的因素。传统设计中通常考虑的产品成本仅包括设计、制造和营销费用成本，未考虑消费者使用成本和产品最终处理成本，而绿色设计中必须考虑产品的生命周期成本（由企业成本、用户成本和社会成本三部分组成）。随着环境保护的法制化，企业对产品的整个寿命周期负责已逐步走向规范化、法制化，因此企业设计时不得不考虑产品的维护和最终处理成本；此外，产品要真正占据市场，企业设计时还需为顾客考虑，为用户降低产品的使用成本；同时从可持续发展观点出发，企业在维护自身经济利益的同时，还应从提高整个社会福利角度考虑如何降低因产品报废废弃（或部分零部件废弃）后对环境、人们健康等造成的影响而产生的社会成本。

6）技术先进性。绿色设计中不仅考虑制冷空调产品的基本功能、使用寿命、质量，同时着重考虑产品的环境属性（材料环保无害性、可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等）。这是传统设计的产品所不具备的。因此设计时，必须充分考虑产品制冷原理技术、制冷机结构技术、产品生产制造技术的先进性，大力度应用地源热泵技术[10]、太阳能制冷技术等可再生能源驱动的制冷技术，以确保所设计产品的生命周期“绿色性”和制冷系统应有的技术水平和制冷技术的绿色特征。

3 制冷空调绿色设计主要内容

绿色设计是以环境保护和节约资源为核心，将制冷空调行业传统设计中众多局部设计方法融合到产品的整个生命周期中，以达到整体最优。如何实现绿色设计，以期达到绿色产品的预期目标，其设计的主要内容如下。

1）绿色产品建模

准确全面的描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型是制冷空调产品绿色设计的关键，例如针对制冷压缩机和换热器等系统部件，采用多目标模糊优化设计，使其重量最轻、体积最小、使用的材料最少、消耗的能源最少；随之建立制定出绿色产品的评价指标体系、评价标准制定原则，利用模糊评价法对“绿色程度”进行评价。

2）绿色材料选择

改变传统的选材程序和步骤，选材时既要有良好的适用性能，又要与环境有良好的协调性。在制冷空调产品选材时，不仅要考虑产品的使用条件和性能，而且要遵循环境约束准则，了解材料对环境的影响，即要以产品的技术性能、经济性能和环境性能为共同设计目标。选材应首选可再生利用的材料，尽量选用可回收、低能耗、无毒、少污染、无腐蚀性、可重用及易降解的材料；积极采用环保制冷剂、符合国际环保政策法规发展趋势制冷剂和环保发泡剂，严禁选用对环境有破坏的氯氟烃类的制冷剂、发泡剂和被欧洲和日本限制的高GWP制冷剂[11]；选择环境兼容性良好的材料及零部件，材料种类要少，少用多种材料复合制成的零部件；应对选材进行经济性分析、环境影响定量化分析、绿色程度综合评价、相容性分析等。

3）可拆卸性设计

制冷空调系统由多个装置和部件组成，往往使用着多种不同材料，因而其拆卸已成为目前绿色设计研究的主要热点。因为不可拆卸不仅会造成大量可重复利用零部件材料的浪费，而且因废弃物处置不当，还会严重污染环境。拆卸在现代机械生产良性发展中起着重要的作用，已成为机械设计的重要内容。可拆卸性设计要求在产品设计的初级阶段，就将可拆卸性作为结构设计的一个评价项目，使所设计的结构易于拆卸、方便维修和维护，且在产品报废后被设计成可重用部件能有效的回收和重复利用，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。可拆卸性要求制冷系统在进行结构设计和流程设计时，尽量改变制冷空调行业上常用的焊接连接方式，代之以其它易于拆卸的连接方式。

4）可回收性设计

可回收性设计是指在制冷空调产品设计初期充分考虑容器部件和阀件等零部件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法和回收处理结构工艺性等一系列问题，最终达到零件材料资源能源的最大利用，并对环境污染最小的一种设计思想和方法。它使传统的物料运行模式从开放式变为部分封闭式。可回收性设计包括可回收材料及其标志、可回收工艺与方法、回收性经济评价和可回收性结构设计。在可回收设计阶段，必须考虑产品零部件的通用性、制造阶段的可装配性、使用周期内的可维修性、回收阶段的可拆卸性、再生性和处理成本等问题，实现在产品生命周期后期通过模块化的拆卸，将可再利用的零件转入其它产品使用。通过可回收设计，零件材料资源获得最大利用，对环境污染最小。

5）节能设计

制冷空调的节能设计是传统设计和绿色设计高度一致的核心内容。它要求设计产品时，在达到功能、性能、质量目标和绿色设计环境属性目标的同时，充分利用新技术、新材料和新工艺等，使产品在使用时耗能最少。如采用高效压缩机和电机、高效强化传热的蒸发器、冷凝器，采用变频及模糊控制技术，将热管技术、蓄冷及蓄热相变材料、废热及废水回收利用等新技术用于制冷空调设计。同时制定设计措施，减少产品运输和储存能耗及污染。采用合理加工方法，优化工艺流程 ,确定最佳工艺参数，降低原材料消耗，力争排放的废料污染最少。运用人机工程学原理设计制冷空调的人机系统，让使用者感到舒适、方便，并尽可能降低对操作者的技术要求，简化操作，提高效率，降低劳动强度，减少可能出现的失误，以达到人机系统的最佳效率。如变频空调、变温模糊冰箱及网络信息智能化制冷家电等均为其成功范例。

6）绿色设计产品的成本分析

绿色设计产品的成本分析与传统的成本分析不同，由于在产品设计初期，就必须考虑产品的回收再利用等性能，因此成本分析时就必须考虑污染物的替代产品拆卸、重复利用成本，特殊产品相应的环境成本等。通常情况下，成本会有增加，即使生产符合节能规定的产品成本都正在上升[12]。这对企业来说是多支出的费用，也会形成产品成本上的差异。因此在每一设计决策时，都应进行绿色产品成本分析。

4 绿色设计在制冷空调产品中的应用策略

4.1 注重对不可再生资源的保护与节制使用

我国经历了由传统的计划经济到社会主义市场经济的过渡，已经成为世界第二经济大国。长期以来，我国的制造业以粗放式增长的方式运行和发展，加剧了能源资源危机和环境破坏。制冷空调的生产制造是资源密集型产业，消耗大量的钢材、铜材和铝材等宝贵资源，投向市场后又是高耗能产品，消耗大量的电、热、油、气，其生产和使用中又产生对人体和环境有害的氟利昂排放物和等其他废弃物。制冷空调绿色设计实践中，必须直视和面对这一问题，坚持采用先进技术和绿色技术，注重对不可再生资源的保护与节制使用。

4.2 以人为本，绿色设计与人和谐结合

制冷空调设备主要功能是创造特定环境，为人们服务。同时，它们又需要人们操作、控制。人与设备的关系紧密切相连。绿色设计在制冷空调中应用的目标之一就是要提供功能、性能适合的产品，没有功能和性能的浪费，避免或者减小制冷空调设备对人体的伤害，保证人们有利的、舒适的工作、生活环境，保证人们的活动与设备和谐相处，保证人们便捷、舒适地操作、控制设备。产品和包装选用的材料要对人体和环境无毒、无害，设计中优先选用绿色环保材料。采取可靠技术措施，控制制冷系统中制冷剂、润滑油等的泄漏排放。氨制冷系统尤为重要。绿色设计与人和谐结合，其中较为重要的一点是制冷空调设备功能的设计要与当地地理气候环境和人们生活习惯、人体特点相结合。不同地区，冬天夏天气候环境差别迥异，制冷空调设备工作环境和条件差别不一，人们对空调温度、湿度的舒适要求也不一样。在绿色设计中，需要放弃这种“一概而论、一成不变”的设计理念，针对不同地理气候环境和人们生活习惯、人体特点，推出功能、性能适合的产品，其产品没有多余的功能，工作参数能够很好地适宜当地工作条件。

4.3 做到理论与实践的统一

在制冷空调绿色设计具体的实践中，绿色设计理念、想法与设计策略、原则，以及技术要求常常会有差距，甚至发生矛盾和冲突。强调和做到绿色设计理论与实践的辩证统一尤为重要。在绿色设计过程，要平衡设计中涉及的产品性能、产品效率、产品质量和寿命等绿色设计要素或环境属性等核心因素，发挥最大价值，难度非常大。比如，空调产品的能效达到最优，往往需要大面积的冷凝器和蒸发器，则换热器铜材等金属材料消耗增大，环境属性无法保证。两者不能兼容，甚至是相悖的情况常常会出现。因此，设计人员应该在社会整体利益的基础上，切实处理好整体和局部、持续发展和近期利益、理想和现实的关系，平衡好产品功能、性能等质量指标与资源、能源及污染物排放绿色设计指标的追求关系，协调好企业利益，把节能减排和企业利益发挥到最大化。

5 制冷空调绿色设计评价

制冷空调绿色设计是否满足产品的绿色要求，需对产品进行绿色设计综合评价[13]，即对产品的使用性能、环境性能、成本等进行综合评价。生命周期评估（LCA）是绿色设计的一项重要内容，能够量化一个产品贯穿其整个产品生命周期对环境的影响，并提供改进的指导原则，因此LCA被称为是支持绿色产品设计的核心工具。LCA是指对从产品原材料的选取、设计、生产到使用维修及报废的整个生命周期的各个阶段，进行全生命周期评估，并将评价结果用于指导设计和制造方案的决策。LCA对一个特定产品的分析，包括以下4方面内容。

1）定义目标和范围，包括LCD的目标，建立所研究产品的功能单元，设定LCA的边界等。

2）详细目录，包括确定产品各个生命周期阶段的全部输入（能源、原材料）和输出（产品、副产品、废弃物等）数据，并进行量化。

3）影响因素评价，对量化的基础数据进行分析，将其转换成对环境有关的测量数据。

4）结果评价，对各影响因素造成最严重的环境问题进行评估，并提出改进设计的策略。

为准确反映产品对环境的各种影响程度，拟用以下10个绿色产品评价量化指标。

1）有害材料最小化使用指标。

2）成本花费指标，花费越高对资源的消耗将越大。

3）产品可靠性指标，可靠性越高，对人和环境的损害越小，还会减少维修点环境的破坏。

4）材料资源指标，使用材料对环境的敌对性要小，包括材料的再生性能、可回收性能及清洁性能的，如钢材比铝材的环境敌对性小。

5）产品重量指标，越重的材料对资源的占用越多，还造成运输及报废处理时更多的资源消耗。

6）产品寿命终结后的再利用指标，较短的寿命会造成材料的更多浪费和回收时较多的资源消耗。

7）生产效率指标，产品加工越复杂，生产效率将越低，能源材料等的浪费就越大。

8）加工方式指标，不同的加工方式会对环境产生不同影响，如电镀比机加工对环境的破坏大。

9）材料回收性能指标，材料因能经济方便的进行回收处理。

10）可拆卸性指标，产品应易于拆卸。

目前尚缺乏统一的绿色产品评价标准。需由全国冷冻空调设备标准化委员会和制冷空调企业组织制定。

6 结论

制冷空调设备已经成为我国能源消耗和环境污染的重要因素，因此，在制冷空调行业推广和实施绿色设计意义重大。

提升资源利用率、降低能源消耗和减少环境污染是绿色设计的三大驱动力，为此，绿色设计的规划中必须抓住产品基本属性、环境保护、劳动和健康保护、资源能源优化利用和重复利用、产品生命周期成本和技术先进性七个要素。实施工业设计的过程中，将绿色设计理念融入其中，利用绿色设计平台，建立绿色产品建模，进行绿色材料选择、可拆卸性设计、可回收性设计、节能设计和绿色产品的成本分析，并且进行绿色设计综合评价。绿色设计理念贯彻于制冷空调设备生产全过程，也将大力推动我国制冷空调行业的技术进步，促进行业的可持续发展，保障行业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

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Technical and Practical Discussions on Green Design of Refrigeration and Air Conditioning Equipments

ZHU Bin-xiang*, ZHANG Huan-huan, QU Ben-liang, PENG Fei, LI Shao-qiang
(Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230031, China)

s] As an important part of energy consumption and environment pollution, the air conditioning industry takes a great responsibility for energy saving and environment protection. More and more attentions have been paid on the application investigation in the green design of refrigeration and air conditioning equipments. In the paper the necessity to conduct the green design of refrigeration and air conditioning equipments is pointed out. A series of major factors and technologies are analyzed. The green design methods are proposed for the practical refrigeration and air conditioning equipment. In addition, the application strategy of green design in the air conditioning and refrigeration field is presented and the evaluation indicators on green products are concluded.

Refrigeration and air conditioning; Green design; Evaluation

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.204

*朱斌祥（1961-），男，高级工程师，学士。研究方向：制冷空调、余热余压能源利用、机电产品检测。联系地址：合肥市长江西路888号，邮编：230031。联系电话：13805694076。E-mail：zbx4076@126.com。