家庭作为社会终端消费的基本单元，它直接或间接(通过所使用的产品及服务)地消费能源、原材料和水资源，对环境生产多种负面影响(刘晶茹等，2003).其中，家用空调供热和制冷所消耗的能源及其生命周期温室气体排放已成为家庭环境影响的主要原因之一(Hertwich，2005; Sahakian 等，2011).近年来，我国居民家庭空调拥有量增长迅速，城镇居民家庭平均每百户空调拥有量由1990年的0.34台，增长到2010年的112.07台，20年间增长了300多倍(国家统计局城市社会经济调查司，2012).其背后必然带来家庭能源消费和温室气体排放的迅速增长.

本文采用生命周期评价方法(Life cycle assessment，LCA)计算家用空调的碳足迹.LCA是用来评估产品或服务全生命周期过程中相关环境要素及其潜在影响的一种技术(BSI，2006a).国外的一些学者已经应用LCA方法对家用空调进行了研究，如Prek(Prek，2004)，Heikkil(Heikkil，2008)，Sahakian(Sahakian et al., 2011)，Johnson(Johnson，2011)，Greening和Azapagic等(Greening et al., 2012)，相关研究均得到相似的结论，即家用空调的生命周期环境影响主要集中在使用阶段，但这些研究没有进一步分析不同的空调使用方式对评价结果的影响.发达国家家用空调大都是中央空调或户式空调，而国内的家庭主要安装的是分体壁挂式空调，国内学者邵晓炜等(2012)开展过家用空调生命周期的案例研究，所选的研究对象为普通家用空调，但没有考虑制冷剂的泄露以及空调的使用时间等因素对环境影响的贡献.

随着国家节能环保政策的推出，节能变频空调已成为家庭空调消费的首选，2010年我国高效节能空调销量占比已超过80%(中国国家信息中心市场部，2011)，2011年变频空调零售量份额约占50%(产业在线，2013a).本文以节能变频家用空调为例，对我国家用空调的碳足迹进行了核算，并重点分析了空调使用行为和维护行为对空调碳足迹的影响.

本文以2012年在中国销量最好的家用变频空调为研究对象(产业在线，2013b)，依据国际碳足迹标准PAS 2050(BSI，2011)，核算该种家用空调的碳足迹，确定空调不同生命阶段碳足迹的大小.通过敏感性分析，明确家用空调的使用方式(使用时间)和维护方式(制冷剂的泄露情况)对空调碳足迹的影响.

如图 1所示，本研究的系统边界为一个完整的家用空调的生命周期，包括家用空调的生产制造阶段(从资源的开采、原材料的生产、零部件的生产到最终空调产品的组装)，产品运输阶段(从空调的生产地到空调的使用地)，使用阶段(包括电力的使用和制冷剂的泄漏)和废物处理阶段(生命周期末端的回收和废弃)这4个主要的生命周期阶段.

图 1(Fig. 1)

图 1 家用空调碳足迹系统边界 Fig. 1 System boundary of household air-conditioner carbon footprint

本研究的功能单位是一整套分体壁挂式家用空调，由室内机组、室外机组和遥控器组成，寿命周期是10年.该空调的具体参数见表 1，该款空调的季节能效比(SEER，Seasonal Energy Efficiency Ratio)为4.28，根据《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级(GB21455—2008)》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会，2008)中的相关标准可以判断，本文所选择的研究对象属于变频空调里相对节能的空调.

表 1(Table 1)

表 1 家用空调参数 Table 1 Factors for household air-conditioner

表 1 家用空调参数 Table 1 Factors for household air-conditioner 参数名称Factor 数值 Value 单位 Unit 季节能效比SEER 4.28 W·h/W·h 能效等级Energy efficiency grade 3 级grade 额定制冷量Rated cooling capacity 2600 W 额定制热量Rated heating capacity 3520 W 额定功率Rated power 720(制冷cooling) W 1150(制热 heating) W 外形尺寸(室内/外) 790/776(宽 width) mm Dimension 265/540(高 height) mm (indoor/outdoor) 170/320(深 deepth) mm 重量(室内/外)weight(indoor/outdoor) 10/32 kg 使用面积Usable area 12~18 m2 循环风量Air volume 610 m3·h-1

空调产品生产阶段生命周期环境影响主要来自材料的生产过程，表 2列出了家用空调的主要部件及其材料的重量，这些数据来自企业调研.本文只考虑了占空调重量比重较大的金属和塑料，它们共占空调总重量的93.5%.除ABS、环氧树脂、线路板和电容器的相关数据采用Ecoinvent 2.1数据库中全球平均水平数据，其它数据均来源于中国科学院生态环境研究中心建立的中国生命周期数据库RCEES 2012.在构建模型时我们考虑了生产过程的部分材料损耗、能源消耗，但由于数据的可获得性等问题，仍有一些损耗未包含在内.

表 2(Table 2)

表 2 家用空调主要部件及材料 Table 2 Main components and data for material of household air-conditioner

表 2 家用空调主要部件及材料 Table 2 Main components and data for material of household air-conditioner 空调组分Main components 材料Material 重量Weight/kg 数据来源Data source 室内机组机壳Indoor chassis ABS 3.00 Ecoinvent 2.1 风扇Air fan ABS 3.00 Ecoinvent 2.1 室外机组外壳 钢Steel 4.76 RCEES 2012 Outdoor chassis 环氧树脂Epoxy resin 0.24 Ecoinvent 2.1 铜管Copper pipe 紫铜Copper 0.98 RCEES 2012 阀门Brass valve 黄铜Brass 0.56 RCEES 2012 毛细管Copper capillary 紫铜Copper 0.50 RCEES 2012 热交换器Heat exchanger 紫铜Copper 6.40 RCEES 2012 铝Aluminum 1.60 RCEES 2012 压缩机Compressor 钢Steel 6.27 RCEES 2012 铁Iron 2.46 RCEES 2012 紫铜Copper 0.95 RCEES 2012 铝Aluminum 0.25 RCEES 2012 环氧树脂Epoxy resin 0.08 Ecoinvent 2.1 电动机Motor 铝Aluminum 0.23 RCEES 2012 钢Steel 2.93 RCEES 2012 铜Copper 0.81 RCEES 2012 环氧树脂Epoxy resin 0.03 Ecoinvent 2.1 电容器Capacitor 铝Aluminum 0.80 Ecoinvent 2.1 线路板PWB 环氧树脂Epoxy resin 0.93 Ecoinvent 2.1 紫铜Copper 0.32 Ecoinvent 2.1 制冷剂Refrigerant R410A 0.90 UNEP RTOC 2011 冷冻油Refrigerant oil 聚乙烯基乙醚PVE 0.63 RCEES 2012 遥控器Remote control ABS 0.74 RCEES 2012 液晶显示屏LCD 0.004 Ecoinvent 2.1 线路板PWB 0.005 Ecoinvent 2.1 总重量Total 39.28

本文所研究的家用空调添加的是节能空调普遍使用的环保制冷剂R410A，它由50%的HFC 32和50%的HFC 125组成，R410A的臭氧层破坏潜力ODP为0，由IPCC 2007指标值计算(BSI，2011)R410A全球增温潜力GWP₁₀₀为2088，对温室效应贡献巨大，所以考虑与R410A相关的碳足迹是十分必要的.本文中制冷剂R410A的数据来源于联合国环境规划署“2010制冷剂，空调和热泵技术方案委员会报告”(United，2011)，其数据具有一定的权威性，其中R410A生产阶段的碳足迹为173 kg(以CO₂当量计，下同).

本文假设空调产品使用的是公路运输方式，碳排放数据来自RCEES 2012，公路运输1 t · km的货物，产生的碳足迹为0.23 kg_CO2-Eq.本文选取的案例空调在广东省珠海市生产，假设产品在北京使用，由谷歌地图可得到珠海到北京的公路运输距离是2274 km.

空调使用阶段的环境影响主要来自两个部分，一是使用过程中电力的使用，二是使用过程中制冷剂的泄露.

空调使用阶段的电力数据来自RCEES 2012，电力结构为79.85%的火力发电，17.31%的水力发电和1.77%的核能构成.使用1 MJ电，产生碳足迹为0.27 kg.假设空调在北京家庭中使用，工作日和双休日每天分别运行6 h和8 h(李兆坚，2007)，一个月按4周计算为(6×5+8×2)h/week×4week=184 h；空调的年使用季节包括空调年使用(制冷和制热)的月份数，本文假设夏季制冷3.5个月(2012年夏季温度在30 ℃以上的天数)，秋冬和冬春过渡季节制热1个月(2012年过渡季节中最高温度在20 ℃以下并且最低温度在10 ℃以下的天数)，这样一年空调运行(3.5+1)mon×184 h=828 h，寿命期为10年内共运行8280 h.案例空调通过改变频率实现节能，正常使用时的功率约为0.4 kW · h^-1.可以计算得到，空调使用阶段由于消耗电力而产生的碳足迹为3219 kg.

空调使用阶段每年制冷剂的泄露量为6%(United，2011)，此数值是由空调生命周期过程中3个过程(包括制冷剂添加过程、空调运行过程和制冷剂回收过程)制冷剂泄漏的总量平均到空调使用的每一年计算得到的.因此，本研究中空调使用阶段由于制冷剂泄露而产生的碳足迹为0.9 kg×6%×10 a×2088=1128 kg.

假设空调废弃后，其中的材料钢、铁、铜、铝和ABS等100%得到回收利用(此数据来自空调回收处理企业)，制冷剂R410A末期回收率为45%(United，2011)，其它组分按RCEES 2012中城市固体垃圾废弃处理场景进行处理.

表 3给出了案例家用空调4个生命周期阶段的清单结果，其中原材料主要有金属矿石、煤、原油和水等，能源类型主要有煤、生物质、风能、水力和太阳能，温室气体清单主要有CO₂、N₂O、CH₄和HFCs等.

表 3(Table 3)

表 3 家用空调生命周期清单 Table 3 Life cycle inventory of household air-conditioner

表 3 家用空调生命周期清单 Table 3 Life cycle inventory of household air-conditioner 类别 category 单位 Unit 总量 Total 生产制造 Manufacturing 使用(10年) Use(10 years) 运输(tkm)Distribution(per tkm) 废物处理 End of Life 原材料Raw materials 铝矿石 Aluminum ore kg 0.64 0.67 -0.03 铬矿石 Chromium ore kg 0.11 0.17 -0.06 煤 Coal，in ground kg 1665.86 190.88 1516.72 0.27 -42.01 铜矿石 Cooper ore kg 110.60 211.10 -102.53 废铜 Cooper scrap kg 4.95 12.24 -7.30 原油 Crude oil CN kg 18.47 18.11 4.94 5.33 -9.91 锰铁 Ferromanganese kg 0.13 0.41 -0.28 萤石 Fluorspar kg 0.13 0.31 -0.18 铁矿石 Iron ore kg 36.55 95.40 -58.85 石灰岩 Limestone kg 8.93 23.99 -15.06 天然气 Natural gas kg 18.61 2.74 17.01 -1.15 镍矿石 Nicke ore kg 0.32 0.45 -0.13 原油Crude oil kg 27.46 27.71 -0.25 氧气 Oxygen kg 7.08 19.08 -12.00 氯化钠 Sodium chloride kg 5.06 5.14 -0.08 钾盐 Sylvite g 150.32 150.38 -0.06 云母 Talc g 143.34 143.59 -0.25 水 Water kg 79033.17 5251.90 76070.69 30.48 -2319.90 木头 Wood cm3 6525.00 6725.00 -200.00 HFC 32 kg 0.45 0.45 -0.20 HFC 125 kg 0.45 0.45 -0.20 能源 Energy 能量，煤Energy，coal kJ 53.23 53.23 能量，生物量Energy，in biomass MJ 67.23 69.21 -1.99 能量，风能 Energy，wind MJ 20.55 20.86 -0.30 能量，水力Energy，hydropower MJ 188.94 206.09 -17.14 能量，太阳能Energy，solar kJ 291.71 296.06 -4.34 能量，其它Energy，unspecified MJ 38.29 38.29 大气排放 Air emission CO2 kg 4006.41 433.49 2785.44 21.23 -360.75 N2O g 9.46 10.74 -1.28 HCFC 21 g 0.60 1.56 -0.96 CH4 g 496.34 75.17 452.84 0.16 -31.82 HFC 32 kg 0.23 HFC 125 kg 0.23

本文采用IPCC 2007(100年增温潜势)方法对案例家用空调的碳足迹进行了核算，该方法由联合国气候变化委员会编写，已成为国际上公认和通用的碳排放评估方法，碳足迹的结果以kg表示.碳足迹的计算过程运用SimaPro 7.1软件实现.

本文所选取的案例家用空调的碳足迹为4813 kg，生命周期各阶段的碳足迹如图 2所示.可以看出，使用阶段的碳足迹最大，为4347 kg，占全部碳足迹的90%；其次是生产制造阶段，为748 kg，占全部碳足迹的16%；运输阶段的碳足迹较小，为22 kg；在废弃处理阶段，由于对有价值材料的回收利用，避免了部分原材料生产产生的碳排放，所以此阶段的碳足迹是负的，为-304 kg，即通过材料的回收利用，减少了全部家用空调碳足迹的6%.

图 2(Fig. 2)

图 2 家用空调碳足迹 Fig. 2 The carbon footprint of household air-conditioner

图 3为生产制造阶段家用空调各组分的碳足迹比重，可以看出对生产制造阶段贡献最大的是线路板的生产过程，占生产阶段碳足迹的26%(181 kg)，其次为制冷剂的生产过程，占22%(156 kg)，但两者的重量分别仅占家用空调总重量的2.97%和2.29%.

图 3(Fig. 3)

图 3 Co-BiVO4生产制造阶段各组分的碳足迹比重 Fig. 3 The carbon footprint proportion of main components

由2.1节中的分析可知，在整个家用空调碳足迹中，使用阶段的影响是最大的.如图 4所示，家用空调90%的碳足迹产生在使用阶段，其中67%(3219 kg)为电力的使用，23%(1128 kg)为制冷剂的泄漏产生的影响.制冷剂的泄漏相当于额外增加了25.6%电力使用的碳足迹.

图 4(Fig. 4)

图 4 家用空调使用阶段的碳足迹构成 Fig. 4 Structure of Use stage carbon footprint of household air-conditioner

图 5展示了废物处理阶段各材料的回收利用对空调碳足迹的贡献，可以看出回收制冷剂可以减少回收阶段53%的碳足迹，其次是回收钢铁和ABS等.如果增加对制冷剂的回收利用率，会进一步降低空调生命周期中对温室效应的影响.

图 5(Fig. 5)

图 5 废物处理阶段各材料的回收利用对空调碳足迹的贡献 Fig. 5 Contribution of recycling material to carbon footprint in EoL

敏感性分析(BSI，2006b)是从定量分析的角度研究有关因素的变化对某一个或一组关键指标的影响程度，上述研究结果表明，空调使用时间及制冷剂泄漏的程度对空调碳足迹影响最大.本文选用单因素敏感性分析法，每次选取一种因素在指定范围内变化而其他因素固定不变，分别针对空调日使用时间、空调年使用季节和制冷剂的泄漏比例对家用空调碳足迹的影响进行敏感性分析.

前文所述的空调使用时间是工作日和双休日每天分别运行6 h和8 h，如果保持其它因素不变，分别增加工作日和双休日每天10%的空调使用时间，则空调碳足迹将增加9%.

前文所述的情景空调的使用月份是夏季制冷3.5个月和过渡季节制热1个月，保持其它因素不变，分别增加每年空调的制冷和制热月份的10%，则空调碳足迹将增加9%.

保持其它因素不变，将制冷剂的泄漏比例设为5%~10%，家用空调碳足迹结果会在对照组的基础上变化-4%~15%，-4%代表结果在对照组的基础上减少4%，15%代表结果在对照组的基础上增加15%，敏感度为4%~15%.

通过以上分析可知，以上3个因素包括空调日使用时间、空调年使用季节和制冷剂的泄漏比例对家用空调碳足迹的结果影响显著，是家用空调碳足迹的关键影响因素.

1)在空调的生产制造阶段，线路板和制冷剂这两个重量比重均不到3%的组分，共产生了接近整个生产制造阶段50%的碳足迹，因此，有必要通过生态设计及使用先进技术等方式来减少这部分材料生产过程对温室效应的影响.

2)家用空调的碳足迹主要集中在使用阶段，其中，除67%为电力使用外，制冷剂的泄漏产生23%的碳足迹.一方面可以通过使用清洁能源发电和提高能源利用率来减少用电产生的碳足迹，另一方面通过适当的方法避免制冷剂的泄漏也是当务之急.

3)制冷剂的回收率对减缓废物处理阶段碳足迹的作用最大，提高其回收利用率，可以进一步降低空调生命周期中对温室效应的影响.

4)通过敏感性分析可知，空调日使用时间、空调年使用季节和制冷剂的泄漏比例是家用空调碳足迹的关键贡献因素.

家用空调作为一个耐用消费品，其生命周期过程的碳足迹主要受空调的使用行为及维护行为的影响，不同消费者的使用行为差异很大，这些行为背后的社会经济驱动力值得进一步深入研究.