基于LCA的典型3C家用电器产品碳足迹研究

2022-12-21张子华董延硕杜新月

绿色科技 2022年22期

张子华，董延硕，彭瑶，禹桐，杨雪，杜新月

(北京工业大学材料与制造学部现代机械设计研究所，北京 100124)

1 引言

2020年第七十五届联合国大会上，我国向国际社会庄严承诺2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和(即“3060双碳目标”)，首次明确了实现碳达峰、碳中和的决心，是迄今为止在国际范围内减排承诺力度最大、面临挑战最艰巨且时间最紧迫的国家之一，彰显了对全球可持续发展的责任和担当[1]。中国碳排放量占全球总量约30%，年平均增速大于世界平均水平。相比欧美国家40～70年的窗口，中国作为发展中国家需要在30年内由“碳达峰”走向“碳中和”。在未来“双碳”规划中必须走出具有“中国特色”的减排路径，在保障经济可持续发展的基础上逐步实现碳达峰、碳中和。就碳排放结构而言，中国的碳排放主要集中于工业(41%)及能源(46%)。工业是二氧化碳排放的主要领域，工业绿色低碳改造，是做好碳达峰、碳中和的关键。目前国内外关于家用电器碳足迹的研究主要聚焦于碳足迹评价技术和计算方法，缺少对家用电器全生命周期碳足迹量化的研究。

王吉凯等[2]对家电低碳评价技术内容进行了详细的阐释，并结合对家用豆浆机的碳足迹计算和评价，对家电低碳评价技术方案进行了应用分析。俞波等[3]对碳足迹评价的国内外标准、主要步骤以及技术难点进行了研究和分析，为电子电器企业以及相关技术监测机构计算分析产品碳足迹提供了参考。赵新等[4]介绍了碳排放绩效指标和一种碳足迹计算方法，并开发了一种软件，可对家电产品进行碳排放绩效评价和碳足迹计算，并以液晶电视机为例，对所提方法进行了应用分析。鲍宏等[5]首次提出了产品多层次碳足迹分析方法，构建了产品多层次碳足迹分析模型，并以洗碗机为例，验证了所提方法的可行性。陈艳阳等[6]对叶轮机加工车间多目标生产调度开展了研究，基于车间碳排放源建立了碳排放量化数学模型，并基于碳足迹、完工时间、设备运行成本3个约束条件完成了生产调度方案设计，提高了设备利用率。Ghani等[7]采用全生命周期评价法(Life Cycle Assessment：LCA)对马来西亚吉兰丹州Senok的海水淡化厂的海水生产系统进行了碳足迹评估。张旭靖等[8]通过生命周期评价法建立服装缝制生产过程碳排放评估模型，以碳排放最少和生产线面积最小为目标建立布局多目标优化模型，采用NSGA-II算法求解最优布局解。Piroozfard等[9]以碳排放和总延迟为目标进行柔性生产作业调度，并建立了生产车间的设备碳排放数学模型。周先锋等[10]针对工厂化食用菌生产过程中的能量流进行建模，实现对生产过程中各工艺环节能耗的定量分析。Sweetapple等[11]采用NSGA-II多目标优化算法求解废水处理厂的帕累托最优解，其最优解涵盖了最小化温室气体排放、操作成本、污染物的浓度以及符合法律约束。邓朝晖等[12]将机床零部件生产过程分为生产加工、使用、回收处理、运输等4个阶段，并分别对其建立碳排放模型，为生产环节各个阶段实施节能减排提供指导。

而针对产品的研究，本课题的研究以一台具体产品作为研究对象。目前，家务机器人发展速度较快，在个人及家庭服务机器人的销售量中占据主要部分，而家务机器人的发展主要得益于扫地机器人市场的崛起。据中商产业研究院发布的《2018-2023年全球机器人行业发展前景及投资机会研究报告》[13]数据显示，2015年全球个人及家用服务机器人销售量为540万台，其中家务服务机器人370万台，占比将近70%。扫地机器人是目前家务机器人中的主导品类，2021年一季度，扫地机器人销售额达18.59亿元、销售量97.14万台，同比分别增长30.08%、4.01%，产品均价1914元，同比上涨384元[14]。扫地机器人产品在现代生活中扮演着越来越重要的角色，发展速度加速提升。

鉴于扫地机器人在家用机器人中的市场份额，本课题将基于生命周期评价(LCA)的方法，以具体的机电产品扫地机器人为例进行碳足迹量化评估。本课题基于LCA方法，参考已有《PAS 2050:2011》[15]等准则体系，结合具体产品的设计流程，依照3个步骤进行研究：①建立产品研究全生命周期框架;②确定系统边界及核算内容;③碳足迹清单分析。清单分析中需要建立具体的碳足迹量化模型，包括整个生命周期内的各种GHG排放，即从原材料、生产制造、运输、使用到最后的处置及再生利用5个阶段的GHG排放量化研究。

2 扫地机器人全生命周期碳排放计算方法

2.1 系统边界的确定

在本文研究过程中，选取的功能单元为一台扫地机器人(以科沃斯品牌T9型号为例)，将扫地机器人的生命周期分为5个阶段，分别为：原材料阶段、制造阶段、运输阶段、使用阶段、回收阶段，建立起基于时间轴和物质轴的时空网络模型，如图1所示。首先建立碳足迹量化模型，为其他同类型3C家电产品碳足迹分析做好规范，然后在具体阶段对其进行碳排放量化分析。

图1 扫地机器人碳足迹系统边界分析

2.2 碳排放核算模型

目前已知的碳排放量化方法有碳排放因子法、质量平衡法和实际测量法[16]。考虑到扫地机器人的生命周期过程复杂，且不易被测量，因此采用碳排放因子法。碳排放因子，即碳排放系数，是指每一种能源燃烧或使用过程中单位能源所产生的碳排放数量，根据IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)的假定,可以认为某种能源的碳排放系数是固定不变的，碳排放系数通常是指二氧化碳的排放系数,甲烷、氧化亚氮、全氟化物、六氟化硫等其他温室气体，一般折算成二氧化碳后再参与计算，折合后被称作为二氧化碳当量。碳排放因子法如式(1)所示：

E=AD×EF

(1)

式(1)中，E为碳排放量；AD为核算期内生产过程中化石燃料的消耗量、原材料的使用量及购入或输出的电量；EF为碳排放因子，即碳排放系数，可由碳审计工具箱获取数据。

2.2.1 原材料使用阶段

生产一台扫地机器人需要用到大量的零部件，在零部件的原材料使用阶段会产生大量的碳排放，为计算原材料使用阶段的碳排放，笔者引用了科沃斯品牌网站公布的扫地机器人零部件各类物质材料的质量以及材质。需要注意的是原材料在使用过程中会出现损耗，在计算碳排放时应将损耗率考虑进去。将零部件中所包含的各类物质材料的质量与相应的物质排放因子相乘，再乘以相应物质损耗率，所得总和即为该阶段碳排放估算值，如式(2)所示：

(2)

式(2)中，Gmaterial为原料获取阶段GHG排放量，kgCO2e；Mi为零部件中所包含的第i类物质材料的质量，kg；EFi为第i类物质排放因子，kgCO2e/kg；k为材料的损耗率。

2.2.2 制造加工阶段

在扫地机器人制造加工过程中，一些具体的工艺制造环节会产生碳排放，主要涉及外壳开模注塑和主机机体点焊工艺环节，以其为例来计算制造加工阶段的碳排放。此两个工艺环节的碳排放主要来源于注塑机和电焊机焊枪的电力消耗，其他来源影响较小。计算公式如下。

(1)外壳——开模注塑：

G注塑=P注塑×T×EFelc

(3)

式(3)中，G注塑为注塑阶段 GHG 排放量，kgCO2e；P注塑为注塑机功率；T为注塑时间；EFelc为耗电过程中电力排放因子，kgCO2e/kg。

(2)主机——点焊：

Gwelding=I2RT焊×N×EFelc

(4)

(5)

式(4)、(5)中，Gwelding为点焊阶段 GHG 排放量，kgCO2e；I2Rt焊为电能；EFelc为电力排放因子，kgCO2e/kg；N为点数=长度/间隔+1。

2.2.3 运输阶段

运输阶段的排放主要是对加工产品的运输，其主要运输方式分别为海路运输和公路运输，运输阶段碳足迹主要是运输工具等设备化石燃料燃烧产生的碳排放，涉及的能源主要有柴油、汽油、航空煤油等。因此，依据运输扫地机器人货船的发动机功率和发动机的燃油消耗率以及货船的行驶时间等参数，即可算出相应的燃油消耗量。公路运输则是根据货车的发动机功率和发动机的燃油消耗率以及货车行驶时间，计算对应的燃油消耗量。海运货船与公路运输的货车都主要以柴油为主。将燃油消耗量与其相对应的碳排放因子相乘，得到该阶段的碳排放量计算值，如式(6)、(7)所示：

xfuel-j=Pe×η×T

(6)

EGHG-i,fuel-j=xfuel-j×EFGHG-i,fuel-j

(7)

式(6)、(7)中，xfuel-j为燃料消耗量；Pe为特定发动机的额定功率；η为特定发动机燃油消耗率；T为特定发动机运行时间；EGHG-i,fuel-j为j燃料燃烧产生的温室气体碳排放量；EFGHG-i,fuel-j为燃烧特定燃料j的碳排放系数。

2.2.4 使用阶段

在使用阶段，扫地机器人的碳排放主要来自拖地水的消耗以及电能的使用。扫地机器人每一次充电都会产生碳排放，故可以根据其充电的频率以及使用寿命来确定其充电次数，再根据电耗的碳排放是所消耗的电能与对应地区的电力碳排放因子[17]乘积而得，所消耗电能可以采用产品充电功率P与单次充电时间T的乘积。最终使用阶段全生命周期对电能的利用为充电一次所消耗的电能与充电次数的乘积。扫地机器人每一次运行都会消耗水用来清洁地面，确定其充电一次运行后所需水量与水的碳排放因子[18]，最终使用阶段水的碳排放为用水量与水的碳排放因子的乘积。使用阶段的所有碳排放为两方面之和，如式(8)、(9)所示：

Guse-elc=P×t×EFelc×N

(8)

Guse-water=M×EFwater×N

(9)

式(8)、(9)中，Guse-elc为使用阶段电能的碳排放量；Guse-water为使用阶段清洁用水的碳排放量；P为科沃斯扫地机器人充电额定功率；t为充电时间；M为单次清洁用水量；N为充电/充水次数。

2.2.5 回收阶段

由于扫地机器人生产过程的原材料主要为不锈钢材骨架和塑料包壳，因此回收阶段主要回收原材料的材质为不锈钢和塑料，其他材料忽略不计。

(1)回收不锈钢材料。通过查询，回收钢铁主要有直接通空气法和直接通氯气氧化法[19]，但氯气毒性大且污染环境，价格较高。而空气取之不尽用之不竭，因此通空气法较为优越。

(2)回收塑料材料。废旧塑料分离方法主要为人工分离、密度分离、光学分离、静电分离、熔点分离、溶解分离等。为了操作简单采用密度分离法[20]。

回收得到的碳排放均可用以下公式求解，如式(10)所示：

(10)

式(10)中，mwaste-j为已弃置的第j类废物的质量；EFCO2-eq,waste-j为已弃置的第j类废物的质量相应的排放系数。

3 科沃斯扫地机器人全生命周期碳排放量化计算

3.1 数据获取与处理

(1)以科沃斯DEEBOT T9型号扫地机器人为例，如图2所示，计算其各个零部件的原材料材质以及质量。由于原材料主要材质为ABS和Steel，其他材质原材料的碳排放可以忽略不计，整理后如表1所示[13]。

图2 科沃斯DEEBOT T9型号扫地机器(图片来自科沃斯官网)

表1 科沃斯 DEEBOT T9系列机器人主要原材料材质及质量

(2)扫地机器人加工制造阶段，以常州北奇注塑机158型卧式曲肘注塑机与无锡尼克4200W超声波塑料焊接机为例，确定注塑机与焊接机功率以及工作时间，得出以下数值，参见表2。

表2 注塑机与焊接机功率及单次工作时长

(3)由扫地机器人全生命周期碳排放核算方法可知，对扫地机器人运输过程中的碳排放核算需要先获取柴油、发动机功率、燃油效率等数据。本文研究案例为国内扫地机器人的生产、运输及使用过程，故只涉及陆路碳排放计算。

首先确定发动机功率以及柴油消耗率、货物承载量。本文以一台搭载玉柴YC6L系列发动机的中型货车为例，扫地机器人从江苏苏州运往北京，计算其相关参数。按照实际货运得到以下数据，参见表3。

表3 直接排放数值

确定直接排放中燃油密度、燃油碳排放系数、水、电的碳排放因子，参见表4。

表4 直接排放碳排放系数与柴油密度

(4)扫地机器人使用阶段需要确定T9系列科沃斯扫地机器人的重量、额定功率、充电时间、使用寿命以及电力碳排放因子[16]，经查询科沃斯DEEBOT T9系列说明书[21]与科沃斯官网[22]，得到以下数据，参见表5。

表5 科沃斯DEEBOT T9系列扫地机器人的相关排放计算参数

3.2 直接碳排放计算

3.2.1 原材料阶段碳排放

将扫地机器人零部件中所包含的各类物质材料的质量与相应的物质排放因子相乘，相加的总和即为该阶段碳排放估算值(表6)。

表6 科沃斯 DEEBOT T9系列机器人主要原材料碳排放因子

将公式(1)代入数据得：Gmaterial=0.19×1077.8+2.5×96.5=0.446 kgCO2e。

科沃斯 DEEBOT T9扫地机器人零部件中原材料阶段碳排放量化值为0.446 kg二氧化碳当量。

3.2.2 生产加工制造阶段计算

已知注塑机功率为13 kW，注塑一台扫地机器人大约需要5 s，则注塑一台扫地机器人产生的碳排放为注塑机功率乘以注塑时间和对应地区的电力碳排放因子得到，代入公式(3)可得：G注塑=13000×5×0.96=62.4 kgCO2e。

已知焊接机功率为4200 W，焊接一台扫地机器人大约需要1 s，总计点焊5次，则焊接一台扫地机器人产生的碳排放为焊接机功率乘以焊接时间，和对应地区的电力碳排放因子得到，代入公式(4)得：Gwelding=4200×1×0.96×5=20.16 kgCO2e。

科沃斯 DEEBOT T9扫地机器人在其生产加工制造阶段碳排放量化值为82.56 kg二氧化碳当量。

3.2.3 运输阶段碳排放量计算

玉柴YC6L系列发动机功率为206 kW，燃油消耗率为193 g/(kW·h)，行驶时间为15.5 h，根据式(1)、(2)计算可得柴油消耗量X与运输阶段碳排放量E。代入公式得：X=206×193×15.5=616.249 kg；E=616.249×2.635/0.84=1933.114 kgCO2e。

再根据货车运货量5 t与扫地机器人重4.7 kg可以计算单位扫地机器人的碳排放，可以由运输工具载货量和单位产品质量间接获得。平均到一台扫地机器人上的碳排放计算公式：E1=E(总)×4.7/M(货物总质量)。

代入公式得：E1=1933.114×4.7/5000=1.817 kgCO2e。

运输阶段的排放主要是对加工产品的运输，本文以一台搭载玉柴YC6L系列发动机的中型货车为例，将科沃斯 DEEBOT T9扫地机器人从江苏苏州运往北京，计算了燃油消耗量以及对应的碳排放量为1.817 kg二氧化碳当量。

3.2.4 使用阶段碳排放量计算

调研家庭中对扫地机器人的使用频率，以北京普通四口之家扫地机器人每周平均充电3次(每月充电12次)，每次充电补充一次水箱的使用场景为例。已知扫地机器人额定充电功率为20 W，充电时间为6.5 h，碳排放可由所消耗的电能与对应地区的电力碳排放因子乘积得到，即根据式(8)可计算电耗的碳排放：Guse-elc=107.827 kgCO2e。已知扫地机器人使用寿命为6年，水箱容量为0.24 L，根据式(9)可计算水的碳排放：Guse-water=40.228 kgCO2e。

扫地机器人使用阶段的碳排放主要是电力消耗和清洁用水，由调研计算可知，扫地机器人使用阶段全生命周期总计消耗电能112.32 kW·h，总计用水量为207.36 L，扫地机器人使用阶段对应的碳排放量为148.055 kg二氧化碳当量。

3.2.5 回收利用阶段

(1)钢材的回收。直接通空气法最高转化率约为93%[7]，由表1与表5可知，生产过程中使用的钢铁原材料质量为96.5 g，碳排放因子为2.5 gCO2/g，由公式(10)计算可得：Gsteel-recycle=2.5×96.5×0.93=0.224 kgCO2e。

(2)塑料的回收。密度分离法转化率约为98%[8]，由表1与表5可知，塑料的质量为1077.8 g，碳排放因子为0.19 gCO2/g,由公式(10)得：GABS-recycle=1077.8×0.19×0.98=0.201 kgCO2e。

则回收阶段总共回收材料质量为：Grecycle=Gsteel+GABS=0.425 kgCO2e。

3.3 扫地机器人全生命周期碳足迹核算

通过对某型科沃斯扫地机器人全生命周期各阶段的碳排放量化计算，得出了一台扫地机器人全生命周期碳排放量为：

E=Gmaterial+G注塑+Gwelding+E1+Guse-elc+Guse-water-Grecycle=232.453 kgCO2e。

4 结论与展望

4.1 结论

本文基于生命周期评价原理，采用排放因子法研究了一台扫地机器人的碳排放足迹。一台扫地机器人生命周期碳排放源主要来自原材料阶段、制造加工阶段、运输阶段、使用和废弃物回收阶段。以科沃斯扫地机器人为例，介绍了3C白色家电产品全生命周期分析的系统边界，并给出各阶段碳足迹核算模型，对于家电类产品全生命周期碳足迹量化研究提供了重要参考依据。结果表明，在扫地机器人生命周期碳足迹中，使用阶段产生的碳排放最多为148.055 kgCO2e，其次是制造加工阶段为82.56 kg二氧化碳当量，由此可知3C白色家电产品全生命周期产生的碳排放由家电生产企业及相关参与主体共同产生。