雙冷源空調系統(tǒng)生命周期內碳排放研究
張濤1蔡亮1張建忠2馬燕賓3孟慶壟1
1東南大學能源與環(huán)境學院2南京市建筑設計研究院3浙江省建筑設計研究院
摘要：基于生命周期評價理論，將雙冷源空調系統(tǒng)生命周期劃分為生產加工、運輸安裝、運行使用、拆除回收四個階段，針對雙冷源空調系統(tǒng)全生命周期內的碳排放進行了計算與評估，并建立了雙冷源空調系統(tǒng)生命周期內各階段碳排放核算模型，提出了以空調系統(tǒng)單位冷噸制冷量每年產生的CO2排放量作為不同空調系統(tǒng)對比的指標。結合工程案例，計算分析三種同類型的空調系統(tǒng)生命周期CO2排放情況。分析結果表明，雙冷源空調系統(tǒng)全年能耗和碳排放量最低，適合在電力緊缺的地區(qū)應用。
關鍵詞：雙冷源空調系統(tǒng)生命周期評價碳排放
1 生命周期評價理論
根據(jù)國際化組織(ISO)定義，生命周期評價理論可以定義為4個階段：①定義目標與范圍；②清單分析；③影響評價；④解釋說明。本研究中生命周期范圍包括生產階段、運輸安裝階段、運行維護階段以及拆除和回收這四個階段。
2 清單分析
2.1數(shù)據(jù)來源
雙冷源空調系統(tǒng)的主要部件包括高溫冷水機組、地源熱泵機組、雙冷源新風機和輸配管路。根據(jù)原材料進行統(tǒng)計，原始數(shù)據(jù)直接從生產廠家或公司獲得的，包括機組的性能參數(shù)規(guī)格尺寸等；間接數(shù)據(jù)是通過國家統(tǒng)計資料、gabi數(shù)據(jù)庫及科技文獻的獲得。
2.2碳排放核算模型
空調系統(tǒng)包括冷熱源、輸配系統(tǒng)以及末端設備在其生命周期中會直接或間接地釋放出CO2，直接排放是指計算邊界內系統(tǒng)排放源的CO2排放；間接排放是指系統(tǒng)運行消耗的電力，構成系統(tǒng)的設備、管道、構件等從原材料的獲取、生產、運輸、加工等所有活動中消耗的能源等引起的溫室氣體排放。
本文采用空調系統(tǒng)單位面積單位制冷量年CO2排放量作為評價指標，如式(1)
2,3生命周期各階段CO2排放量核算模型
2.3.1生產加工階段碳排放模型
空調系統(tǒng)中各設備的材料碳排放量加工過程包括一次加工和二次加工，一次加工為設備組成所需原材料，包括銅、鋁、鋼等基本礦物總量；二次加工為將獲得的原材料進行加工組合成設備所消耗的能源的量，如式(2)所示
空調系統(tǒng)材料種類繁多，本文就幾種主要用的材料進行比較。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)中的CO2排放計算方式，得到常用的化石能源的碳排放系數(shù)，表1列出了主要材料和能源的CO2排放系數(shù)。
2.3.2運輸和安裝階段碳排放模型
我國貨物運輸方式主要有公路、鐵路及航空等幾種形式，各種運輸方式的能耗主要集中在油耗上：
本研究中機組設備及管道主要采用公路運輸，公路貨運采用柴油的能源效率為0.0730 L/(t .km)，交通運輸結構為0.285。
2.3.3運行階段碳排放模型
空調運行階段的碳排放，主要包括暖通空調設備日常使用運行能耗，主要來源于冷熱源、水泵、風機以及新風機組等設備使用時對電力等能源的消耗、暖通空調設備維護耗材及修繕能耗、更新設備材料生產能耗、更新設備現(xiàn)場施工能耗，如式(4)
空調系統(tǒng)在使用中維護耗材及修繕能耗以及更新設備材料的生產能耗相對日常使用中的運行能耗來說，比重很小，因此可以忽略不計，這一階段只考慮設備日常運行中所消耗的能耗�？照{冷熱源能耗常見的簡化計算方法有當量滿負荷運行(equivalent full load hour)法、有效傳熱系數(shù)(effective U-value)法及溫頻(Bin)法，本文采用當量滿負荷運行法。
2.3.4拆除回收階段
拆除回收和系統(tǒng)整個生命周期的能耗和CO2排放量相比顯得相當小，因此本文暫不考慮空調系統(tǒng)拆除階段和回收階段由于使用能耗所產生的CO2排放量。
3 案例分析
為了核算雙冷源系統(tǒng)生命周期內碳排放指標，現(xiàn)采取三種空調系統(tǒng)形式加以計算比較，分別為高溫冷水機組+地源熱泵機組、空氣源熱泵機組、冷水機組+燃氣鍋爐。每個空調系統(tǒng)包括冷熱源機組，輸配管路，末端設備。假設整個空調系統(tǒng)的使用年限為15年，假設每個空調系統(tǒng)的輔助設備都是在額定下運行。
1)高溫冷水機組+地源熱泵機組。本工程位于陜西西安，總建筑面積為1478.22 m2，地上2層。冷熱源由地源熱泵機組及高溫冷水機組（以下簡稱雙冷源系統(tǒng)）共同構成。包括螺桿式地源熱泵機組一臺，名義制冷量為105 kW，輸入功率20 kW，名義制熱量195 kW，輸入功率45.6 kW;螺桿式高溫冷水機組一臺，機組制冷量116 kW，輸入功率14.5 kW�？照{系統(tǒng)設備及管道總重為12.8 t，運輸距離和燃油率分別為100 km和0.0606 L/(t - km)，總耗油量9651 L。通過上述模型，計算得生產階段雙冷源系統(tǒng)的設備、風系統(tǒng)和水系統(tǒng)的CO2排放量分別為87668 kg、49175.8 kg、44387.6 kg。除主機外，埋管換熱器工程也較大，地埋管換熱器采用雙U型埋管，管外徑32 mm，管內徑25 mm，鉆孔深度80 m，鉆孔直徑150 mm，鉆孔間距5m，鉆孔數(shù)80，埋管數(shù)60根、地埋管換熱器采用高密度聚乙烯管( HDPE)，共用該材質管材4334.4k，采用公路運輸置換出的土壤83.2 t。經計算得，埋管換熱器運輸、鉆孔過程、鉆孔機和置換土壤的搬運工程的CO2排放量分別為70 kg、20210 kg、771.78kg、865.4kg，機組、風系統(tǒng)、水系統(tǒng)運輸過程中CO2排放量為143kg、332.5 kg、171.5 kg。
2)空氣源熱泵機組。主機為開利空氣．水熱泵機組一臺，制熱量為235 kW(出水溫度45 ℃，室外環(huán)境溫度7℃)，制冷量為245 kW(出水溫度7℃，室外環(huán)境溫度35℃)。
3)冷水機組+燃氣鍋爐。主機位開利螺桿式冷水機組一臺，制冷量246 kW(冷凍水進出水溫度7/12℃，冷卻水進出水溫度32/37℃)；環(huán)通智能燃氣鍋爐一臺，制熱量242 kW(熱水進出水溫度70/95℃)。
4 各種空調系統(tǒng)碳排放結果分析
4.1雙冷源空調系統(tǒng)生命周期各階段碳排放計算
該辦公樓空調系統(tǒng)采用一班制( 8:00-18:00)規(guī)律運行，雙冷源系統(tǒng)生命周期各階段碳排放量如表2所示，其中，雙冷源系統(tǒng)使用階段碳排放比例最高，達89%;原材料獲得、生產階段比系統(tǒng)運輸、安裝階段碳排放總和還要高；系統(tǒng)使用階段和原材料生產階段之和占總量的98%以上。
分析得，系統(tǒng)使用階段是空調碳排放的主要階段，也是減排的重點階段，只有降低使用階段的碳排放，才能整體上降低空調系統(tǒng)的碳排放。
4.2不同冷熱源方案能耗對比
根據(jù)上述建立的碳排放模型，分別比較這三種不同形式的空調系統(tǒng)生命周期內能耗情況，如表3和圖1所示。
雙冷源空調系統(tǒng)能耗最低，適合在電力資源緊缺的地區(qū)應用；冷水機組+燃氣鍋爐次之，空氣源熱泵系統(tǒng)較高，后兩者能耗基本相同；冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)中供冷、供熱季能耗基本持平，后兩者供冷季耗電量較大。
目前我國的電力結構特點是過度依賴火電，包括煤炭、燃油、天然氣發(fā)電，不同的電力結構也決定了電力碳排放系數(shù)的不同，也導致不同的電網碳排放系數(shù)的不同，根據(jù)《2013中國區(qū)域電網基準線排放因子》，如表4列出了各區(qū)域碳排放因子。根據(jù)建立的碳排放計算模型，計算三種冷熱源方案的碳排放量（圖2），電力碳排放系數(shù)分別選擇西北電網和南方電網排放系數(shù)，0.9720 kgCO2/kWh和0.9223 kgCO2／kWh。
在供冷季，三種冷熱源的方式的碳排放比例為1：1.11：1.09，供暖季比例為1：1.3:1.2，說明雙冷源系統(tǒng)全年運行比后兩者都要節(jié)能減排。但是當使用南方電網的電力時，三種冷熱源方案碳排放量各自減少了約5.1%，這是由于電力結構的改變導致的碳排放系數(shù)的降低，因此，優(yōu)化電力結構，采用新能源將是在系統(tǒng)運行階段減少碳排放量的重要途徑。
在考慮全年供應冷熱負荷的情況下，三種冷熱源生命周期碳排放情況如圖3所示，空氣源熱泵在生命周期內產生的碳排放最高，其當量CO2排放量為1503.5 kgCO2/(R t．年)；地源熱泵在生命周期內產生的碳排放量最少，其當量CO2排放量為13 82.1 kgCO2/(R t．年)。CO2排放量由大到小依次是：空氣源熱泵，冷水機組+燃氣鍋爐，地源熱泵。
5 結論
1)分析了雙冷源空調系統(tǒng)在生命周期各個階段的碳排放特點，通過計算整理得到了我國部分能源、運輸方式的碳排放計量基礎數(shù)據(jù)，提出了以空調系統(tǒng)單位冷噸制冷量年CO2排放量作為空調系統(tǒng)的指標，建立了空調系統(tǒng)生命周期內碳排放量評估方法。
2)結合工程案例，分別對雙冷源機組、空氣源機組、冷水機組+燃氣鍋爐三種空調系統(tǒng)進行了全生命周期CO2排放量計算，對各個階段碳排放特點進行比較。當運行年限設定為15年時，運行階段碳排放比例最大，為89%左右；生產加工階段碳排放次之，僅占空調系統(tǒng)生命周期的10%左右，其中機組設備占據(jù)了48%左右，風系統(tǒng)和水系統(tǒng)比例差別不大，分別占據(jù)了生產階段碳排放量的27%、25%左右；運輸安裝階段，埋管換熱器的安裝產生的碳排放量占據(jù)相當大的比例約為92%。
3)針對空氣源熱泵、冷水機組+燃氣鍋爐、雙冷源機組等三種不同的冷熱源方案在運行階段的碳排放進行了對比分析，結果表明：雙冷源地源熱泵空調系統(tǒng)全年能耗和碳排放量最低，適合在電力資源緊缺的地區(qū)使用，冷水機組+燃氣鍋爐次之，空氣源熱泵系統(tǒng)最高。同時對比分析了采用不同電網時系統(tǒng)的碳排放差別，結果表明采用南方電網時碳排放量比采用西北電網要減少大約5%，說明除系統(tǒng)本身運行性能外，電力結構的不同對空調系統(tǒng)運行使用階段的碳排放也有著很大的影響。
