家电产品生命周期评估分析:以家用空调为例

胡嘉琦 朱宽宽 杜 彬 邓梅玲 韩文生

（1.中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510300； 2.合肥工业大学 合肥 230009）

引言

近年来，中国社会经济飞速发展，人民生活水平不断提高，包括家用空调在内的家电产品的使用量也不断增加。相关数据显示：2018年家用空调产量为14 985.05台，同比增长4.4 %；2018年12月，家用空调产量为1 157万台，同比增长3.17 %。[1]然而，家电产品使用量的快速增加给人们生活带来便利的同时，也引发了能源消耗大与环境污染严重等一系列问题。产品对环境的影响存在于从原材料获取到废物回收的整个生命周期，而且对于不同种类的产品需要不同的评价方法。为了准确高效的评价与分析家用空调对环境的影响，开发一种面向家用空调的基于生命周期理论的家电产品环境绩效评估系统是十分有必要的。

从1969年美国中西部研究所对饮料容器从原材料获取到废弃物处理全过程的跟踪有分析开始，到目前为止，国内外已经有大量学者对不同类型产品进行生命周期的分析研究。美国Argonne实验室[2]针对汽车替代燃料全生命周期建立了GREET模型,并对其做了大量的实例研究,对汽车燃料生命周期的能源消耗和气体排放分析,并对其中各个具体阶段进行对比阐述。Haapala等[3]建立了产品制造过程的能耗预测模型，并对产品的环境绩效分析,有效降低了其生命周期中能源及原材料的消耗与废弃物的排放。龙苏华等[4]运用中国汽车生命周期评价系统 (CALCA)，对汽车零部件生命周期评价进行研究，识别汽车零部件生命周期内不同阶段的对环境的影响。钟言久等[5]根据聚酯树脂产品的生产特点，开发一种基于生命周期理论的聚酯树脂产品环境绩效评价工具，为聚酯树脂的生命周期分析提供指导。吕杰锋等[6]对共享单车生命周期不同阶段的环境影响进行对比分析,从设计的角度提出改进建议，弥补作为可持续产品服务系统的共享单车在可持续方面的欠缺，让共享单车更可持续。

总的来说，全球范围内对产品生命周期分析已进行了非常多的研究，但针对家电产品的生命周期分析却寥寥无几，而家电产品产量的逐年增加给环境带来的影响却日益严重。因此，为了减少家电产品在生命周期各阶段对环境的影响，引导绿色消费，保护生态文明，对家电产品进行全生命周期分析显得尤为重要。本文在对家用空调分析的基础上，开发了基于生命周期理论的家电产品环境绩效评估软件1.0，通过该软件对家用空调建立了生命周期模型，实现了家用空调的分阶段分工艺环境性能评价，为设计人员进行家用空调的低碳设计提供支持。

1 生命周期评价系统设计

家电产品环境绩效评估软件1.0运行环境为Windows7及以上的操作系统以及Sqlite3数据库，使用的汇编语言为JavaScript和HTML5。该软件的主要功能是为家电产品提供环境影响评价方法和计算框架，评估家电产品的环境绩效，能够满足不同产品的评价需求，保证评价实时性和可靠性。

1.1 系统功能模块设计

图1 评估软件系统架构图

根据生命周期评价原则和功能要求，整个系统分为五个功能模块：基本信息功能模块、清单数据功能模块、LCA评估功能模块、信息查询功能模块、基础数据管理模块，同时支持计算结果的分析和导出等功能，如图1所示为评估软件系统架构图。

1）基本信息功能模块

基本信息功能模块主要用于存储案例的基本信息，包括基本信息和确定需评估的家电产品生命周期阶段两部分。

基本信息用于存储案例名称、产品型号、功能单位、评价目的、数据取舍原则等信息。家电产品生命周期阶段一般包括原材料获取、生产阶段、制造阶段、使用阶段和回收等阶段，用户可以根据需要自定义。

2）清单数据功能模块

清单数据功能模块主要用来添加产品生产所需要的原材料获取、生产制造、运输、使用阶段和废弃回收五个部分数据。

在原材料获取数据中，主要添加家电产品所需要的原材料名称、用量等信息；生产制造数据中，主要添加每个工艺阶段需要的能耗信息和排放的废弃物；运输数据包括原材料运输和产品运输两个阶段的运输重量、运输距离和运输方式；使用阶段包括使用年限、耗能类型以及日耗电量；废弃回收阶段主要包括回收阶段输入的能量、排放的废物。

3）LCA评估功能模块

LCA评估为软件的环境绩效计算模块。该部分主要分为碳排放分析、CML 2001分析和水足迹分析三个部分，分别计算家电产品原材料使用、能源使用、废物排放以及废弃能量输出各过程的碳排放结果、CML 2001指标评估结果和水足迹。

4）信息查询功能模块

信息查询功能模块主要为政策法规和行业标准的查询，双击每个条目名称，就会自动打开其所在网页，从而进行信息查询与预览。

5）基础数据管理模块

基础数据管理模块主要用来管理基本数据，包括输入输出信息管理和相关信息管理。在输入输出信息管理中，添加或者删除基础数据库数据。相关信息管理中，添加或删除法律法规、标准以及行业信息。

1.2 系统工作流程设计

家电产品环境绩效评估软件1.0是基于生命周期理论的家电产品环境绩效评估系统，其工作流程可以分为4个步骤：目标与范围确定、各阶段数据导入、生命周期分析、结果展示，如图2所示为软件工作流程图。

步骤1：评价目标和范围确定：该步骤主要工作是确定研究对象，确定系统边界以及主要功能单元，将这些确定后的信息填入基本信息功能模块中。

步骤2：各阶段数据导入：该步骤主要导入家电产品生命周期各阶段数据，包括原材料获取、生产制造、运输、使用和废弃回收五个部分数据。

图2 软件工作流程图

步骤3：生命周期分析：导入家电产品清单分析阶段的消耗与排放数据之后，软件自动对家电产品生命周期各环节的碳排放、CML 2001和水足迹进行分析计算。

步骤4：结果展示：软件进行生命周期分析以后，将分析结果以柱状图和饼状图的形式展示出来，用户可以根据研究目标进行选择。

2 家用空调生命周期分析

2.1 评价目标与范围确定

1）目标确定

本文选用华凌空调的某款产品室外机的高压阀部件作为分析对象,对其从原材料获取到废物回收的全生命周期中的资源使用、能源消耗、废物排放以及废弃能量输出进行分析,确定对环境影响最大的阶段和主要影响因素，探索降低能耗和排放的具体方式。根据产品的生命周期定义以及高压阀部件生产的特点，高压阀部件生命周期不涉及使用阶段，故本文确定研究其生命周期中的四个阶段：原材料获取阶段、生产制造阶段、运输阶段和回收阶段。

2）系统边界

高压阀部件的系统边界是对高压阀部件进行生命周期分析，并且收集相应阶段数据的重要边界。根据ISO 14041标准，高压阀部件的边界包括原材料获取阶段、生产制造阶段、运输阶段和回收阶段四部分。家用空调高压阀部件生命周期系统边界如图3所示。

3）功能单位

本文选定的功能单位是广州华凌空调的某款产品室外机的高压阀部件。

2.2 清单分析

1）原材料获取阶段

本研究中原材料数据清单根据产品原始物料清单经过修正综合分析得到的。高压阀部件由分液管、高压阀接管、U型支撑等零件组成，主要考虑的原材料包括铜、聚酰胺纤维、环氧树脂三类，其他材料由于使用量较少，不予考虑。如表1所示为原材料获取阶段数据。

2）生产制造阶段

高压阀部件由多个零件组成，其生产制造阶段主要在配管车间内完成，包括分液管、高压阀接管、U型支撑、节流阀、高压阀和毛细管的制造与各零件之间的焊接。该阶段主要在电力带动下工作，主要消耗电能，生产制造阶段数据清单表2所示。

3）运输阶段

图3 家用空调系统边界

表1 原材料获取阶段数据

表2 生产制造阶段数据清单

表3 运输阶段数据清单

表4 回收阶段数据清单

本研究中运输阶段主要考虑家用空调的销售运输过程，本款家用空调主要销售区域为北京，采用货车运输的方式从广州运往北京，燃料类型为柴油，运输阶段数据清单如表3所示。

图4 总碳排放当量饼图

4）回收阶段

回收阶段主要是对家用空调高压阀部件进行拆解及材料回收。该阶段对环境的影响主要来源于回收设备的消耗的电能。回收阶段数据清单如表4所示。

2.3 结果分析

完成家用空调高压阀部件基本信息及各阶段数据的导入以后，软件自动对家电产品生命周期各环节的碳排放、CML 2001和水足迹进行分析计算。

如图4所示为高压阀部件总碳排放当量饼图。由饼图可知，总碳排放当量为1.840 80（kgCO2eq.）。其中原材料获取阶段碳排放当量为1.700 96（kgCO2eq.），生产制造阶段碳排放当量为0.030 76（kgCO2eq.），运输阶段碳排放当量为0.1005 9（kgCO2eq.），回收阶段碳排放当量为0.008 49（kgCO2eq.）。对比各阶段碳排放当量，原材料获取阶段碳排放量最大，占总数的92.4 %，回收阶段碳排放量最少，仅占总数的0.46 %。

根据家电产品环境绩效评估软件1.0分析结果，列出家用空调高压阀部件CML 2001影响潜能值如表5所示，各阶段CML 2001评估结果柱状图如图5所示。分析可知，家用空调高压阀部件CML 2001各类影响潜能中海水水生生态毒性潜能值(MAETP inf)最大，非生物资源（ADP化石）消耗量也比较大。生命周期各阶段的海水水生生态毒性潜能值(MAETP inf)原材料获取阶段最大，非生物资源（ADP化石）消耗量原材料获取阶段也为最大。

由以上分析结果可知，家用空调高压阀部件从生产制造到废弃回收的全生命周期内，原材料获取阶段对环境的影响最大。这种现象产生的原因是高压阀原材料主要是铜和塑料高分子，铜矿在开采、冶炼、金属加工过程中需要排放大量烟尘及废水，烟尘中含有大量CO2及有毒气体，对大气造成污染。废水中含铜量比较多，含有酸性及有毒物质，排放到外界污染水资源。而塑料在制作过程中需要加热，加热到一定温度会分解出酸、酯、过氧化物、CO、CO2等有害物质，同时，通常塑料制品在生产过程中需要添加抗氧剂、稳定剂和着色剂，这些都对大气和水资源有很大的影响。

家用空调高压阀部件生命周期原材料获取阶段对环境的影响最大，因此在获取原材料时需要改进原材料制取工艺，或者在不改变家用空调性能的情况下改用其他对环境影响较小的物质代替，同时也要尽可能的降低其他阶段对环境的影响。

3 结论

本文在对家用空调外机高压阀部件生命周期分析的基础上，开发了一种基于生命周期理论的家电产品环境绩效评估系统。本文首先介绍了生命周期评价系统的设计，包括其架构设计和工作流程设计，然后通过家电产品环境绩效评估软件1.0，对家用空调建立了生命周期模型，实现了家用空调的分阶段分工艺环境性能评价，列出了家用空调外机高压阀部件生命周期各环节的碳排放和CML 2001柱状图，得出家用空调高压阀部件生命周期原材料获取阶段对环境的影响最大，并且提出准确的改进方案。

表5 CML 2001影响潜能值

图5 总CML 2001评估结果柱状图

通过对家用空调外机高压阀部件生命周期分析，可以证明家电产品环境绩效评估软件能够根据不同类型家电产品的特点，调整评价参数，制定个性化的环境绩效评价方法和流程，计算出不同阶段不同工序对环境的影响，得到生命周期各环节的碳排放、CML 2001和水足迹结果，从而评估家电产品的环境绩效，为设计人员进行家电的绿色设计提供指导。