基于生命周期评价的智能电表碳足迹研究

方旭斌，陈昆昌，李仁旺，江绪宇

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

基于生命周期评价的智能电表碳足迹研究

方旭斌，陈昆昌，李仁旺，江绪宇

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

采用生命周期评价(LCA)方法研究智能电表整个生命周期的碳足迹.研究结果表明，智能电表在其生命周期内产生的碳足迹总量为315.321 kg，产品生产制造阶段、运输阶段、使用阶段和废弃物处理阶段产生的碳足迹分别为2.281 kg、0.167 kg、313.608 kg和-0.735 kg.根据生命周期各阶段的碳足迹数据，提出了准确的碳减排措施，使得产品更加绿色环保.研究结果能够为企业的产品碳足迹评估提供参考.

智能电表；生命周期评价；碳足迹

随着社会经济的发展和能源消费的增加，二氧化碳(CO2)等温室气体的排放量急剧上升，温室效应已经是国际社会面临的严峻问题之一[1].目前，我国政府已将碳减排纳入新的社会经济发展规划.

衡量温室气体排放对气候以及人类生活影响的标准主要是碳足迹(Carbon Footprint).碳足迹的概念来源于“生态足迹”，主要是指产品生产和消费过程中排放的与气候变化相关的气体总量[2-3].智能电表产品在日常生活中十分常见，用量非常庞大.对于智能电表来说，从原材料生产到产品的制造、运输、使用以及废弃物的回收处理，各个阶段都有碳足迹的产生[4].生命周期评价(Life Cycle Assessment， LCA)方法作为一种重要的环境管理工具，用于评估产品或者服务生命周期中的相关环境因素及其潜在影响[5].生命周期评价方法是传统的从“摇篮”到“坟墓”的计算方法，具体包括相互联系且不断重复进行的4个步骤：确定目标与范围，分析清单，评价环境负荷影响，解释结果.它适合对微观层面的碳足迹计算，在碳排放评估方面的应用主要集中于产品或服务的碳足迹计算，且已有可供参考的成熟的相关标准，如英国标准协会颁布的面向公众的标准PAS 2050:2008 规范[6].但是，国内鲜见应用生命周期评价方法对智能电表产品进行碳足迹的研究文献.鉴于此，本文将采用生命周期评价方法对智能电表的碳足迹进行定量核算，并对研究结果进行分析，提出相应的碳减排措施，从根本上达到节能减排的目的.

1 智能电表全生命周期碳足迹研究

目前，国内智能电表产品的品牌、种类繁多.本文以浙江某厂生产的家用单相智能电表作为研究对象，开展智能电表全生命周期碳足迹研究.

1.1智能电表碳足迹系统边界

产品碳足迹系统边界评价有B2B 和 B2C 两种模式.B2B 模式表示从商业到商业的模式，即从某一方到另一方(终端用户)提供各种输入；B2C 模式则表示某一方向终端用户提供各种输入.可以根据要求或实际情况选择相应的模式进行边界确定[7].本研究选择 B2C 模式，即从原料生产商到终端智能电表产品用户的模式.

智能电表产品的整个生命周期包括4个主要阶段：生产制造阶段(资源的开采、原材料的生产、零部件生产和组件安装)、产品运输阶段(从智能电表生产地到最终使用地)、产品使用阶段(电力的使用)和废物处理阶段(回收和丢弃).智能电表碳足迹系统边界如图1所示.

图1 智能电表碳足迹系统边界

1.2智能电表产品参数

这里所研究的功能单位是一只智能电表整体.它主要由电表功能模块、外壳和铭牌等组成.该智能电表产品参数如表1所示.

表1 智能电表产品参数

2 生命周期清单数据及碳足迹计算

在全生命周期评价过程中，有很多细节无法准确了解，这就需要按照实际情况做出合理的假设或者忽略其中一些细节.

2.1产品生产制造阶段

在产品生产制造阶段，智能电表消耗了大量的资源和能源，也导致了大量的碳排放.智能电表的电表功能模块由PCB电路板和多个电气元件组装而成.通常，在计算碳足迹之前需要建立相应的质量平衡方程，然后根据质量平衡方程计算产品生命周期各阶段的碳足迹.产品的碳足迹为：

式中：Qi为第i种资源或能源的消耗量；Ci为Qi对应的单位排放因子.

表2所示为智能电表各组件构成的材料和质量数据清单.其中只考虑了占智能电表比重较大的材料.根据瑞士Ecoinvent 3和中国科学院生态环境研究中心生命周期数据库RCEES 2012中材料的单位排放因子数据和上述碳足迹公式，可核算产品各组件生产过程中的碳足迹.以消耗材料的质量乘以其对应的单位排放因子，计算出各材料的碳足迹，最后求和，从而得到智能电表生产过程的碳足迹为2.281 kg.

表2 智能电表组成材料和质量数据清单

2.2产品运输阶段

由于该智能电表各零部件及材料在运输阶段所产生的碳足迹已算在零部件的碳排放量中，因此只需计算智能电表产品从生产地到用户手中这段距离运输所产生的碳足迹即可.交通运输方式种类繁多，碳排放量各不相同.为了方便研究，本文主要研究产品以公路运输所产生的碳足迹.根据RCEES2012数据库可知，我国公路运输路程为1 km，质量为1 t货物产生的碳足迹为0.23 kg.假设产品运输路程均为1 000 km，可计算出一只智能电表产品在该运输路程中产生的碳足迹约为0.167 kg.

2.3产品使用阶段

智能电表在使用阶段碳足迹的产生主要是消耗电能所致.智能电表的运行是通过内置锂电池供电的.该锂电池为可充电式电池，需要外部电路为其充电.智能电表在使用阶段的电力数据来自RCEES 2012数据库.我国的电力构成主要是火力发电、水力发电和核能发电.其中，火力发电占了近80%[8]，碳足迹的量最大.在使用过程中，每1 kWh电就会产生1.79 kg的碳足迹.智能电表按照10年使用寿命，每年365 d，每天24 h，以最大功耗2 W/5 VA不间断使用，可以得出其在使用阶段消耗电能而生成的碳足迹，约为313.608 kg.

2.4产品废弃处理阶段

在智能电表废弃处理阶段，一部分废弃材料可被回收利用，其余废弃材料按照国家废弃物处理相关规定进行相应处理.该智能电表产品采用环保纸包装方式.纸包装在早期就可以进行回收，其余材料可在智能电表废弃后进行回收.其中可回收的材料主要为铜、铁、铝和ABS(合成树脂).PCB印制电路板上的材料需要进行一些处理才能得到回收.

3 研究结果分析

该智能电表在其生命周期各阶段碳足迹总量为315.321 kg.其中使用阶段产生的碳足迹最多，为313.608 kg，占了产品全生命周期产生碳足迹总量的99.46%.智能电表自身功耗较大，使用时间较长，其生命周期内的碳足迹几乎都在产品使用阶段产生.产生碳足迹第二多的是产品生产阶段，为2.281 kg，占了碳足迹总量的0.72%.产品运输阶段产生的碳足迹最少，只有0.167 kg.在产品废弃处理阶段，一些可被回收利用的材料正好减少了产生碳足迹的总量，因此该阶段的碳足迹是负的，为-0.735 kg.

图2 生产制造阶段各组分碳足迹比重

在智能电表产品的生产阶段，由于智能电表功能模块的材料碳排放量较大，而且其组成材料的数量比较多，因此，该电表功能模块产生的碳足迹最多，占了产品生产阶段碳足迹总量的43%，接近生产制造阶段碳足迹总量的一半.其次，智能电表外壳的生产阶段碳足迹占了产品生产阶段碳足迹总量的28%.而导线和焊锡的使用量比较少，产生的碳足迹也相对少一些，其碳足迹之和只占产品生产阶段碳足迹总量的4%(图2).

4 结束语

(1)以智能电表为研究对象，采用生命周期评价方法确立了智能电表碳足迹核算范围，对智能电表从产品生产制造、运输、使用到废弃物回收处理的生命周期不同阶段进行碳足迹的定量研究计算.根据研究结果，智能电表全生命周期碳足迹的产生主要来自生产制造阶段和使用阶段.其中，使用阶段占了碳足迹总量的99.46%，而生产制造阶段占了0.72%.废弃物回收处理阶段能够抵消一部分碳足迹.

(2)根据智能电表生命周期各阶段碳足迹分析，提出以下碳减排措施：在智能电表使用阶段，可以通过优化智能电表电路设计以及使用更加节能的电气元件，降低智能电表自身功耗，减少智能电表使用过程中碳足迹的产生；在生产制造阶段，通过选择更加环保的低碳材料以及减少材料的浪费，可以减少碳足迹的产生；在废弃物回收阶段，加强材料的回收利用也能够降低智能电表生命周期内碳足迹的总量.

[1] 张 薛. 低碳经济:机遇与挑战[J]. 节能环保，2009(7) : 14-16.

[2] William E R.Ecological footprints and appropriated carrying capacity:What urban economics leaves out [J]. Environment and Urbanization,1992(2):121-130.

[3] Wackernagel M,William R.Our ecological footprint: Reducing human impact on the Earth[M]．Gabriola Island，BC，Canada: New Society Publisher,1996.

[4] 荣 杰，李仁旺，陈昆昌，等.基于ERP的制造过程碳足迹计算研究[J].成组技术与生产现代化，2016,33(4):18-23.

[5] BSI.Environmental management-life cycle assessment-principles and framework：ISO 14040[S].London:BSI,2006.

[6] 孙丹峰，黄章庆，季幼章.气候变化与碳足迹[J].电源世界，2013(6):54-58.

[7] BV国际检验集团市场部.气候变化与碳足迹[J].家电科技,2010(6):56-58.

[8] Tang S L，Zhang X L，Wang L C. Life cycle analysis of wind power: A case of Fuzhou[J]．Energy Procedia，2011(5): 1847-1851.

CarbonFootprintofSmartMeterBasedonLifeCycleAssessment

FANG Xu-bin, CHEN Kun-chang, LI Ren-wang, JIANG Xu-yu

(School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018,China)

In this paper, the life cycle assessment (LCA) method is used to study the carbon footprint in the whole life of smart meter. The results show that the total carbon footprint of the smart meter in the life cycle is 315.321 kg, and the carbon footprint in the production, transportation, using and waste treatment phases respectively is 2.281 kg, 0.167 kg, 313.608 kg and -0.735 kg. According to the carbon footprint data of each life cycle stage, more accurate carbon reduction measures are proposed to make the product more environmentally and friendly. This study also provides a reference for enterprises to evaluate the carbon footprint of products.

smart meter; life cycle assessment; carbon footprint

2017-07-22

国家自然科学基金资助项目(51475434)

方旭斌(1992-)，男，浙江金华人，硕士研究生，研究方向为制造业信息化.

1006-3269(2017)03-0054-04

X828

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.012