张涛1蔡亮1张建忠2马燕宾3孟庆垄1
1东南大学能源与环境学院2南京市建筑设计研究院3浙江省建筑设计研究院
摘要：基于生命周期评价理论，将双冷源空调系统生命周期划分为生产加工、运输安装、运行使用、拆除回收四个阶段，针对双冷源空调系统全生命周期内的碳排放进行了计算与评估，并建立了双冷源空调系统生命周期内各阶段碳排放核算模型，提出了以空调系统单位冷吨制冷量每年产生的CO2排放量作为不同空调系统对比的指标。结合工程案例，计算分析三种同类型的空调系统生命周期CO2排放情况。分析结果表明，双冷源空调系统全年能耗和碳排放量最低，适合在电力紧缺的地区应用。
关键词：双冷源空调系统生命周期评价碳排放
1 生命周期评价理论
根据国际化组织(ISO)定义，生命周期评价理论可以定义为4个阶段：①定义目标与范围；②清单分析；③影响评价；④解释说明。本研究中生命周期范围包括生产阶段、运输安装阶段、运行维护阶段以及拆除和回收这四个阶段。
2 清单分析
2.1数据来源
双冷源空调系统的主要部件包括高温冷水机组、地源热泵机组、双冷源新风机和输配管路。根据原材料进行统计，原始数据直接从生产厂家或公司获得的，包括机组的性能参数规格尺寸等；间接数据是通过国家统计资料、gabi数据库及科技文献的获得。
2.2碳排放核算模型
空调系统包括冷热源、输配系统以及末端设备在其生命周期中会直接或间接地释放出CO2，直接排放是指计算边界内系统排放源的CO2排放；间接排放是指系统运行消耗的电力，构成系统的设备、管道、构件等从原材料的获取、生产、运输、加工等所有活动中消耗的能源等引起的温室气体排放。
本文采用空调系统单位面积单位制冷量年CO2排放量作为评价指标，如式(1)
2,3生命周期各阶段CO2排放量核算模型
2.3.1生产加工阶段碳排放模型
空调系统中各设备的材料碳排放量加工过程包括一次加工和二次加工，一次加工为设备组成所需原材料，包括铜、铝、钢等基本矿物总量；二次加工为将获得的原材料进行加工组合成设备所消耗的能源的量，如式(2)所示
空调系统材料种类繁多，本文就几种主要用的材料进行比较。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)中的CO2排放计算方式，得到常用的化石能源的碳排放系数，表1列出了主要材料和能源的CO2排放系数。
2.3.2运输和安装阶段碳排放模型
我国货物运输方式主要有公路、铁路及航空等几种形式，各种运输方式的能耗主要集中在油耗上：
本研究中机组设备及管道主要采用公路运输，公路货运采用柴油的能源效率为0.0730 L/(t .km)，交通运输结构为0.285。
2.3.3运行阶段碳排放模型
空调运行阶段的碳排放，主要包括暖通空调设备日常使用运行能耗，主要来源于冷热源、水泵、风机以及新风机组等设备使用时对电力等能源的消耗、暖通空调设备维护耗材及修缮能耗、更新设备材料生产能耗、更新设备现场施工能耗，如式(4)
空调系统在使用中维护耗材及修缮能耗以及更新设备材料的生产能耗相对日常使用中的运行能耗来说，比重很小，因此可以忽略不计，这一阶段只考虑设备日常运行中所消耗的能耗。空调冷热源能耗常见的简化计算方法有当量满负荷运行(equivalent full load hour)法、有效传热系数(effective U-value)法及温频(Bin)法，本文采用当量满负荷运行法。
2.3.4拆除回收阶段
拆除回收和系统整个生命周期的能耗和CO2排放量相比显得相当小，因此本文暂不考虑空调系统拆除阶段和回收阶段由于使用能耗所产生的CO2排放量。
3 案例分析
为了核算双冷源系统生命周期内碳排放指标，现采取三种空调系统形式加以计算比较，分别为高温冷水机组+地源热泵机组、空气源热泵机组、冷水机组+燃气锅炉。每个空调系统包括冷热源机组，输配管路，末端设备。假设整个空调系统的使用年限为15年，假设每个空调系统的辅助设备都是在额定下运行。
1)高温冷水机组+地源热泵机组。本工程位于陕西西安，总建筑面积为1478.22 m2，地上2层。冷热源由地源热泵机组及高温冷水机组（以下简称双冷源系统）共同构成。包括螺杆式地源热泵机组一台，名义制冷量为105 kW，输入功率20 kW，名义制热量195 kW，输入功率45.6 kW;螺杆式高温冷水机组一台，机组制冷量116 kW，输入功率14.5 kW。空调系统设备及管道总重为12.8 t，运输距离和燃油率分别为100 km和0.0606 L/(t - km)，总耗油量9651 L。通过上述模型，计算得生产阶段双冷源系统的设备、风系统和水系统的CO2排放量分别为87668 kg、49175.8 kg、44387.6 kg。除主机外，埋管换热器工程也较大，地埋管换热器采用双U型埋管，管外径32 mm，管内径25 mm，钻孔深度80 m，钻孔直径150 mm，钻孔间距5m，钻孔数80，埋管数60根、地埋管换热器采用高密度聚乙烯管( HDPE)，共用该材质管材4334.4k，采用公路运输置换出的土壤83.2 t。经计算得，埋管换热器运输、钻孔过程、钻孔机和置换土壤的搬运工程的CO2排放量分别为70 kg、20210 kg、771.78kg、865.4kg，机组、风系统、水系统运输过程中CO2排放量为143kg、332.5 kg、171.5 kg。
2)空气源热泵机组。主机为开利空气．水热泵机组一台，制热量为235 kW(出水温度45 ℃，室外环境温度7℃)，制冷量为245 kW(出水温度7℃，室外环境温度35℃)。
3)冷水机组+燃气锅炉。主机位开利螺杆式冷水机组一台，制冷量246 kW(冷冻水进出水温度7/12℃，冷却水进出水温度32/37℃)；环通智能燃气锅炉一台，制热量242 kW(热水进出水温度70/95℃)。
4 各种空调系统碳排放结果分析
4.1双冷源空调系统生命周期各阶段碳排放计算
该办公楼空调系统采用一班制( 8:00-18:00)规律运行，双冷源系统生命周期各阶段碳排放量如表2所示，其中，双冷源系统使用阶段碳排放比例最高，达89%;原材料获得、生产阶段比系统运输、安装阶段碳排放总和还要高；系统使用阶段和原材料生产阶段之和占总量的98%以上。
分析得，系统使用阶段是空调碳排放的主要阶段，也是减排的重点阶段，只有降低使用阶段的碳排放，才能整体上降低空调系统的碳排放。
4.2不同冷热源方案能耗对比
根据上述建立的碳排放模型，分别比较这三种不同形式的空调系统生命周期内能耗情况，如表3和图1所示。
双冷源空调系统能耗最低，适合在电力资源紧缺的地区应用；冷水机组+燃气锅炉次之，空气源热泵系统较高，后两者能耗基本相同；冷水机组+燃气锅炉系统中供冷、供热季能耗基本持平，后两者供冷季耗电量较大。
目前我国的电力结构特点是过度依赖火电，包括煤炭、燃油、天然气发电，不同的电力结构也决定了电力碳排放系数的不同，也导致不同的电网碳排放系数的不同，根据《2013中国区域电网基准线排放因子》，如表4列出了各区域碳排放因子。根据建立的碳排放计算模型，计算三种冷热源方案的碳排放量（图2），电力碳排放系数分别选择西北电网和南方电网排放系数，0.9720 kgCO2/kWh和0.9223 kgCO2／kWh。
在供冷季，三种冷热源的方式的碳排放比例为1：1.11：1.09，供暖季比例为1：1.3:1.2，说明双冷源系统全年运行比后两者都要节能减排。但是当使用南方电网的电力时，三种冷热源方案碳排放量各自减少了约5.1%，这是由于电力结构的改变导致的碳排放系数的降低，因此，优化电力结构，采用新能源将是在系统运行阶段减少碳排放量的重要途径。
在考虑全年供应冷热负荷的情况下，三种冷热源生命周期碳排放情况如图3所示，空气源热泵在生命周期内产生的碳排放最高，其当量CO2排放量为1503.5 kgCO2/(R t．年)；地源热泵在生命周期内产生的碳排放量最少，其当量CO2排放量为13 82.1 kgCO2/(R t．年)。CO2排放量由大到小依次是：空气源热泵，冷水机组+燃气锅炉，地源热泵。
5 结论
1)分析了双冷源空调系统在生命周期各个阶段的碳排放特点，通过计算整理得到了我国部分能源、运输方式的碳排放计量基础数据，提出了以空调系统单位冷吨制冷量年CO2排放量作为空调系统的指标，建立了空调系统生命周期内碳排放量评估方法。
2)结合工程案例，分别对双冷源机组、空气源机组、冷水机组+燃气锅炉三种空调系统进行了全生命周期CO2排放量计算，对各个阶段碳排放特点进行比较。当运行年限设定为15年时，运行阶段碳排放比例最大，为89%左右；生产加工阶段碳排放次之，仅占空调系统生命周期的10%左右，其中机组设备占据了48%左右，风系统和水系统比例差别不大，分别占据了生产阶段碳排放量的27%、25%左右；运输安装阶段，埋管换热器的安装产生的碳排放量占据相当大的比例约为92%。
3)针对空气源热泵、冷水机组+燃气锅炉、双冷源机组等三种不同的冷热源方案在运行阶段的碳排放进行了对比分析，结果表明：双冷源地源热泵空调系统全年能耗和碳排放量最低，适合在电力资源紧缺的地区使用，冷水机组+燃气锅炉次之，空气源热泵系统最高。同时对比分析了采用不同电网时系统的碳排放差别，结果表明采用南方电网时碳排放量比采用西北电网要减少大约5%，说明除系统本身运行性能外，电力结构的不同对空调系统运行使用阶段的碳排放也有着很大的影响。
