据国家统计局数据,中国居民空调保有量从2013年的70. 4台/百户增长到了2018年的109. 3台/百户,5年时间增长了55% 。碳排放量也随着空调使用量的增加而水涨船高,引起了人们广泛的关注。本文将运用全生命周期评价方法对这两种家用空调生命周期碳排放进行对比分析。
据国家统计局数据,中国居民空调保有量从2013年的70. 4台/百户增长到了2018年的109. 3台/百户,5年时间增长了55% 。碳排放量也随着空调使用量的增加而水涨船高,引起了人们广泛的关注。本文将运用全生命周期评价方法对这两种家用空调生命周期碳排放进行对比分析。
为了对 R290 和 R32 两种分体式家用空调器从原材料获取阶段到报废回收阶段整个生命周期内的碳排放进行量化评价,采用全生命周期评价方法进行研究,以便全面对比评估家用空调器分别使用R290和R32 两种制冷剂对环境造成的影响。
为了对比分析以R290 和R32为工质的空调在碳足迹方面的区别,采用的R290和R32两款分体式家用空调器具有相同的能效比,其主要性能参数汇总如表 1 所示。
确定研究范围包括5个阶段:
原材料获取阶段,制造阶段,运输阶段,使用阶段和回收处置阶段,其详细的系统边界如图 1 所示。
(2) 两空调器能效一致,使用城市为湖北省武汉市;
对空调生命周期中5个阶段,即原材料获取阶段,制造阶段,运输阶段,使用阶段和回收处置阶段的物料和能量消耗列清单进行分析研究,具体系统边界如图1所示。
作为研究对象的两款典型的 1HP R290 和 R32空调器的原材料清单( 表 2) 是根据家用空调器制造企业的物料清单、压缩机生产企业的物料清单以及部分外携零部件的设计图纸综合分析所得。
因本文是针对两种不同制冷剂的研究,材料清单中将制冷剂单独归类。本清单只考虑空调器本身的材料,外携部件和整机的包装材料均未纳入计算。原料获取阶段的碳排放按照制冷剂和其它材料分别计算。
如图 1 所示,本研究对于制冷剂只分析其原材料获取阶段的能源消耗产生的碳排放量。R290 是由石油或天然气分离所得;R32 是一种合成工质,其主要由 AHF、二氯甲烷和液氯反应所得,目前国内企业主要采用液相法生产 R32。根据企业提供的数据,R290分离与提纯的能耗和 R32 合成过程的耗能情况如表3 所示,其它材料获取阶段碳排放汇总如表4 所示。
分体式空调主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流元件以及内、外机箱体组成。我国空调器生产企业均外购压缩机,主机的其他零部件绝大部分自产。因此,空调器制造阶段的碳排放主要由压缩机的制造和主机部件制造及组装两部分组成。
据 2020 年中国家用电器行业生产能耗与产品能效调查报告显示,家用空调压缩机制造以及主机部件制造和组装过程中的主要能源消耗包括电能,汽 / 柴油、天然气和液化石油气等,其消耗量和碳排放如表 5 所示。
目前国内空调器大部分采用公路运输,从生产地佛山运输到使用地武汉,其运输距离约为 1 000 km。根据GB / T51366-2019建筑碳排放计算标准, 载重30t的重型柴油货车碳排放系数为 0. 078 kg( CO 2) /(t( 货物) ·km),则运输阶段单台 R290 空调和 R32空调的碳排放分别为2. 78 kg 和2. 86 kg。
空调使用阶段的碳排放由空调能耗引起的间接排放和制冷剂缓慢泄漏导致的直接排放组成。根据武汉典型气象年干球温度数据,全年有90 天最高气温超过30 ℃ ,因此每年空调需要制冷 3 个月。假设家用空调工作日运行6 h,周末运行8 h,一个月按4周计算。假设空调使用阶段每年的制冷剂泄漏量为6% ,10 年的总泄漏量是60%。根据IPCC( In-tergovernmental Panel on Climate Change) AR 4,R290和 R32 的全球变暖潜能值GWP ref分别为3和675。空调使用阶段的碳排放量计算如下:
回收碳排放由回收处理过程的碳排放和废弃物及废弃物处理碳排放组成,由于回收处理过程碳排放已经算在原材料获取阶段中,因此,回收处置阶段碳排放等于废弃物及废弃物处理碳排放。
空调材料回收率存在较大不确定性,根据中国物资再生协会的数据,我国塑料回收率为 30% ;据中研网公布的行业调研数据,我国金属回收率约为 85% ,冷冻机油回收率约50%。
对于未回收的金属、塑料,其废弃物处理方式视为完全填埋处理;橡胶不回收,视为完全填埋处理;未回收的冷冻机油属于有毒有害物质,一部分会在回收冷冻机油的过程中无害化地损耗掉,另一部分未经回收处理的冷冻机油经无害化处理后排放。对于可燃性制冷剂R290 和 R32 来说,为了安全一般不允许回收,视为完全排放到大气中,故只计算其自身的碳排放。回收阶段碳排放计算如表 6 所示。
分析两种空调全生命周期碳排放按阶段汇总如表7所示。
为了直观地分析,将两种空调全生命周期碳排放数据绘制饼状图,如图 2 所示。
不管是R290空调还是R32空调,使用阶段的碳排放系数占比最大,分别是 96. 25%和87. 68% ,其中,对于R290空调,使用阶段 99. 98% 的碳排放是由于耗电产生的,对于R32空调,则只有93. 66% 的碳排放是由于耗电产生的,其余 6. 34% 是由于 R32 的泄漏而产生的。
两种空调原材料获取阶段的碳排放分别占比3. 21% 和2. 63% ,制造阶段和运输阶段的碳排放占比非常接近,并且几乎可以忽略不计。对于 R290 空调,回收处置阶段的碳排放占比仅0. 04% ,而R32 空调的回收处置阶段碳排放占比高达 9. 27% , 这是由于高GWP值的R32未经回收直接排放到大气中。
由图 3 可以看到,在原材料获取和回收处置阶段,所有原材料碳排放中,对于 R290 空调,各类钢板(钢板、镀锌钢板、锌铝镁板)占比之和为 32. 79% ,铝所占比例为 22. 91% ,铜占比也超过了15% ,这 3 大类金属占比之和超过了70%,塑料占比达 23. 90% 。R290 的占比则微不足道。
而对于 R32 空调,制冷剂R32 的碳排放占比最高,高达 78.04% ,这是因为空调内 R32 的全部直接排入大气,产生巨量的碳排放,因此,对于GWP 值较大的制冷剂,最好全部回收利用。其次,各类钢板占比之和为 8. 62% ,铜和塑料分别占比 4. 68% 和 4. 95% 。从表 7 可以看到,R290空调生命周期碳排放量仅为R32 空调的 85. 33% ,两者相差 416. 81 kg; 其中,R290空调在回收阶段的碳排放量仅为R320. 41% ,使用阶段的碳排放量为R32的 93. 68% 。R290 空调相比于R32 空调生命周期各阶段碳排放减少量如图 4 所示。
其中,R290 回收处置阶段相比于R32空调减排 262 kg,占总减排量的 62. 95% ;使用阶段减排 158 kg, 占 比 37. 79% ; 而原材料获取阶段R290 空调碳排放比R32 空调多3kg;运输阶段两空调碳排放几乎相同,因为两空调的重量相差不大。
导致这 3 阶段差异的原因分别是:
对于使用阶段来说,在相同的泄漏率下,R32 的GWP 值比R290 大得多,而且 R32 充灌量是 R290 的 1. 6 倍,从而产生较多的碳排放
;对于回收阶段,如上文所述,R32 未回收部分产生大量的碳排放;对于原材料获取阶段,差异来源于R290 空调采用了全铝微通道冷凝器,而铝的生产碳排放系数比铜高很多。
影响空调生命周期碳排放的因素较多且存在一定的不确定性,为此,有必要对关键因素进行敏感性分析,即定量分析某一因素的变化对生命周期碳排放的影响程度。文献[3-4] 的研究表明,空调使用时间增加 10% ,则空调生命周期碳足迹将增加 6% —9% ;制冷剂泄漏率从 6% 上升到 10% ,则空调碳足迹会增加 15% ,而制冷剂泄漏率从6%增加10%,碳足迹增加0. 12% 。
对于 R290、R32 等可燃制冷剂来说,为了安全一般不允许回收,但由此会造成采用高 GWP 值制冷剂的空调系统碳排放系数显著提高,所以本文将考虑制冷剂回收80%情况下的碳足迹。
制冷剂泄漏率与众多因素有关,每台空调各不一样,且在空调运行过程中动态变化。目前我国还没有制冷剂泄漏率的权威数据,国内一般认为制冷剂年泄漏率为 6% ,这个数值不仅包括运行过程中的泄漏,还包括在添加和回收制冷剂过程中的泄漏。
国外取值也存在出入,其中 IIR给出的参考值是 4% ,因此将对比6% 和4% 泄漏率下的碳排放。敏感性分析结果如表8所示。
由结果可知,R290空调碳排放对制冷剂回收率和泄漏 率均不敏感,R32空调对这两个因素的敏感度相比R290空调强得多,制冷剂回收率从0 提高到 80%;R32 空调碳排放降低7. 41% ,制冷剂泄漏率从6% 降低到4% ,碳排放降低1. 85% 。
运用全生命周期评价方法对两种分别使用 R290和 R32 的单冷家用分体式空调的碳排放进行了研究和对比分析,总结结论如下:
(1)R290 空调生命周期碳排放量约为R32空调的 85%
减少的 15%碳排放中,使用阶段和回收阶段分别贡献了约38%和63% 。减少的原因是 R290的GWP 值比R32 小得多,且单位制冷量较大,使用阶段和回收阶段因制冷剂泄漏向大气中排放的温室气体少得多。因此,采用低GWP 值的制冷剂十分有利于减少碳排放。
(2) R290和R32空调对制冷剂回收率和泄漏率敏感度
R290空调对制冷剂回收率和泄漏率不敏感,而R32空调制冷剂回收率从0 提高到 80% ,可以降低 7. 41% 碳排放,R32 空调年泄漏率从 6% 降低到4%,碳排放降低 1. 85% 。因此对于利用 R32 这类高GWP 值的空调而言,非常有必要提高制冷剂回收率、减少泄漏率。但考虑到R 32 和 R290 都具有可燃性,需要谨慎采用制冷剂的回收策略。
对于 R290 空调和 R32 空调来说,使用阶段碳排放分别占生命周期碳排放总量的 96. 25% 和87. 68% 。
因此,影响碳排放的关键因素和使用阶段有关,即空调使用时间。在尽量缩减不必要的使用时间条件下,提高空调COP 对于降低碳排放有异曲同工之妙。钢、铝、铜、塑料在原材料碳排放中( 原材料获取阶段和回收处置阶段)占比较高,对于 R290 空调,各类钢板的碳排放占比约为 33% ,3 种金属的碳排放之和占比超过 70% ;对于R32 空调,制冷剂碳排放在所有原材料中占比高达78% , 而其重量比例不到1. 1% ,如果去除制冷剂碳排放,则 R32 空调的其余材料碳排放占比和R290 空调类似。
(5)采用全铝微通道换热器有利于提高换热器效率,但会稍微增加碳排放
为简化生命周期碳排放计算过程,两种空调的某些参数取值相同,比如制冷剂泄漏率和空调能效。实际上,两空调系统运行压力不同,理论上来说其泄漏率应当有所差别,R32 空调系统运行压力明显大于R290 空调系统,因此前者的泄漏率可能略大于后者。
另外,在能效上,R290 空调比 R32 空调更具优势,因此,在同样的制冷量下,R290 空调系统使用阶段的功耗和碳排放均小于 R32 空调。最后值得一提的是,R32 合成产业链较长,若从原料开采考察,则碳排放值更高。
综上,R290 空调相对于R32 空调的碳排放应该比本文计算值更低,在空调中推广R290 等 低GWP 值制冷剂的减排效果显著。
