整理太阳能热水器生命周期评估修复的.docx
- 文档编号:29077123
- 上传时间:2023-07-20
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:358.04KB
整理太阳能热水器生命周期评估修复的.docx
《整理太阳能热水器生命周期评估修复的.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《整理太阳能热水器生命周期评估修复的.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
整理太阳能热水器生命周期评估修复的
太阳能热水器的生命周期环境影响评估
ChristopherJ.Koroneos,EvanthiaA.Nanaki
摘要:
太阳能热水器(SWH)的技术性能和环保性能一直采用生命周期评估(LCA)的方法来检测。
目前LCA研究量化了电力太阳能热水器安装的环境效益,而这种热水器是塞萨洛尼基这所城市的辅助家用电器。
太阳能供暖在操作过程中不产生任何排放,但零部件和系统的制造和安装过程中会产生一些小量的排放。
本研究检查SWH的制造阶段,并记录其资源消耗以及对环境释放的废物流。
对此系统的研究包括生产所用的原材料,如钢、玻璃、铜、铝、玻璃纤维和聚氨酯绝缘子;太阳能热水器各部分的制造,如太阳能集热器和热水存储箱;以及最后的装配过程。
功能单位选择是生产热水所消耗的1MW。
研究中所考虑的环境影响因子包括温室效应、臭氧层破坏、酸化、富营养化、重金属、致癌物、冬季烟雾和夏季烟雾。
该系统可提供1702千瓦/年,太阳能的贡献是58.5%。
所研究系统的金融特性,给予生命周期储蓄相当于4280.0欧元和5年的补偿期限。
在欧洲,家庭和第三产业领域的能源使用代表了欧盟15国的年度能源使用总量的40%左右,占温室气体排放量大约三分之一的比例。
其中大约三分之二集中在住宅领域,其余在商业建筑领域。
家计部门占了建筑部门能源使用总量的70%左右(欧盟委员会,2004)。
大部分的能量被用于水加热和空间加热。
要减少来自于常规能源的能量的数额,一个可行解决方案是采用太阳能。
太阳能是一个可持续的能源供应技术,因为太阳辐射具有再生性,并且太阳能转换系统在其生命周期内具备产生不含温室气体的热能和电能的能力,“零排放”技术的利用,在减少碳氢化合物的使用和二氧化碳排放量中有很大作用。
与可再生能源使用相关的补贴,能源成本的不断增加,使得许多国家的太阳能光热产业的显著增长成为可能。
尤其在2008年的欧洲市场上,拥有着2.1万平方米新增装机容量的德国,在国内市场的份额增加至44%(欧盟27国以及瑞士)。
西班牙、意大利和法国的份额也都超过了2007年排名第二的希腊。
上述国家目前占有欧洲太阳能热利用市场的84%(欧洲太阳能光热产业联合会(ESTIF),2009.5)。
应该指出的是,在希腊,数年来人均安装太阳能集热器的面积都居于欧洲最高位,平均达到0.264平方米,是欧盟平均水平的10倍(欧洲太阳能光热产业联合会(ESTIF))。
然而,由于经济衰退,欧洲一些主要市场的新安装量持续下滑,包括奥地利、德国、法国。
希腊和意大利市场略有上升,而西班牙的市场继上年增加约21%后,在2010年也维持不变。
欧盟总增量在2010年到达2.6吉瓦热,相对于2009年下降10%,对于2008年则下降了近19%,现有产能达25.1吉瓦(21世纪可再生能源政策网络和可再生能源,2011)。
尽管在事实上太阳能被认为是最干净的可用能源,在太阳能热水系统的整个生命周期(物料、制造、运输、利用和最终处置)中还是会产生与环境之间重要的相互作用。
这些相互作用可能导致自然资源枯竭、温室效应、酸化、富营养化等后果。
此时可以使用一种被称为“生命周期评估”的技术,来评估太阳能热水器在其整个生命周期中对环境的影响。
LCA是近来被开发并同时不断改善的方法,其主要目标之一是致力于建立一个健全的环境管理系统(Koroneos等,1999)。
LCA是一种方法,它能提供一个尽可能完整地涉及到产品整个生命周期的环境影响的图像:
包括从原料药的提取到最终处置的过程(图1)。
通过LCA的使用,产品所需要的能源和原料消耗,以及其生命周期中的每一个阶段产生的固体、气体和液体废料,都可以进行定量的定义。
同时,对由该产品的生产、使用和处置所产生的环境影响的初步估计,以及产品所需的相关原材料和能源供应也可因此得到量化。
此外,还可以考虑采用合适的测量措施,以减少对环境的影响。
因此,LCA也是一种工具,在环保决策上发挥了显著作用。
图1产品的生命周期
这项研究中的重点是与太阳能系统的生产和利用相关的环境影响,特别是太阳能热水系统在其生命周期中的气体排放。
最大的环境影响发生在太阳能热水器系统使用阶段之前的生产阶段。
系统的生命周期的末尾可不予考虑,因为有关太阳能热水器的部分零件是否可被回收的问题,市场上还没有可用的数据。
在光热系统的环境生命周期分析上出现过大量的文献研究。
而其中有一些针对的是太阳能热水系统(Mirasgedis等,1996;Tsillingrides等,2004;Ardente等,2005)本研究中,LCA的方法被应用于所研究的太阳能热水系统,因为它构成了一种工业产品,而产品又由许多部分组成,且这些部分所使用的许多材料会产生不同的环境影响。
与不同材料的LCA有关的一个大型数据库以及各种数据都将会被用到,这些结果能很好的勾画出太阳能热水器系统在生命周期中所释放的固体和液体废物量及大气排放量的情况。
当然它们也将其对环境的排放量与环境影响相联系。
这些结果的意义重大,因为它们可以帮助行业估计一个产品或一个过程的环保性能,从而找到对环境具有较小或没有影响的适合的替代品。
2方法论
LCA源于“净能量分析”研究,70年代首次出版(Boustead,1972年,Hannon,1972,Sundstrom,1973年)。
这些研究只考虑一个产品或一个过程的整个生命周期的能源使用。
后来的研究则包括废物和排放量((Lundolm和Sundstrom,,1985年,Boustead,1989年);但他们并没有在材料和能源使用的量化上有进一步发展。
因此环境毒理学&化学学会和国际标准化组(ISO14040,1997;ISO14041,1998;ISO14042,2000;ISO14043,2000)在20世纪90年代制定出一个完整的LCA方法。
2006年,ISO14040标准进行了修订(ISO14040,2006a,b),并提出了一个新的ISO14044标准(ISO14044,2006a,b)。
正式的变化包括降低一些标准,减少一些附件和包含要求的网页数量。
所有这些变化的目的是增加标准的可读性和可访问性。
这两个新的标准,即ISO14040和ISO14044,再次确认了以前标准的主要技术内容的有效性。
错误和不一致的地方被拆除,并提高可读性((Finkbeiner等,2006)。
当前最先进的LCA方法的更多详情可以通过欧洲平台的出版物上找到,比如生命周期评估或联合国环境规划署/环境毒理学&化学学会的生命周期倡议等(UNEP/SETAC,2010;欧洲平台,2010)。
这项研究的方法论属于国际标准ISO14040系列。
包括四个步骤:
●目标定义和范围
●清单分析
●影响评估
●解释
遵循目标和范围定义的三个阶段分别是:
●生命周期清单(LCI):
能源与原材料投入和产品的量化,产品的生命周期中液体,固体和气态废物的输出(废弃物包括对空气、土壤和水域的释放物)。
●生命周期影响评价(LCIA):
基于LCI阶段的数据之上的环境影响评价。
●改进评估:
有关产品生命周期对环境的影响评估的可能性和可能存在的解决方案。
这项评估可能包括定量和定性的预防措施,如在生产设计、材料和能源使用以及废物管理等过程中产生的变化。
纳入本研究的分析以GEMIS软件工具为基础(GEMIS软件,2007年5月),这款软件根据已收录的生态指标99数据库(Goedkoop等,2000)涵盖了各种生产过程和影响。
GEMIS(全球排放模型集成系统)是一个生命周期分析程序和数据库,由生态研究所和卡塞尔(GHK)开发出来,作为一种工具用来进行能源对环境的影响的比较评估。
它被用于LCA的实施过程,以提供燃料数据、工艺、材料和运输信息的数据库,。
3太阳能水加热系统规格
太阳能热水系统是最简单和最广泛使用的太阳能收集和利用装置。
其目的是提供热水供国内使用,基础原理是自然循环或所谓的热虹吸原理。
供应温度约60℃的热水,包括集热器,储水箱和连接管(图2)。
图2太阳能热水系统(太阳能热水器)
希腊大部分的太阳能热水系统制造与希腊中部的雅典以及希腊北部的塞萨洛尼基相接近。
为了达到太阳能热水系统的研究目的,其被设在塞萨洛尼基生产制造。
研究中相关的太阳能热水系统的位置数据包括经度(40,64)、纬度(22,95)、海拔高度(30米),年太阳辐射以及年平均气温(16℃)和年均网格水温(15,6℃)。
气象数据取自文献(Pelekanos,1982),并如表1所示进行了分析。
表1
塞萨洛尼基的气象数据(月平均值)(Goedkoop等,2000)
月份
H45[[kWh/m2]
Ta[℃]
Tw[℃]
一月
二月
三月
四月
五月
六月
七月
八月
九月
十月
十一月
十二月
年度
82
92
113
135
152
153
172
169
149
120
90
78
125
5.5
7.0
9.9
14.6
19.7
24.1
16.7
16.3
22.2
16.7
11.9
7.4
16.0
8.2
7.9
9.2
12.8
16.8
20.2
21.5
22.8
22.1
19.4
15.7
11.0
15.6
H45:
年太阳辐射,Ta:
年均气温,Tw:
年均电网水温。
太阳能热水系统是平板集热器的一类,在希腊是典型的用于热水的太阳能系统(Pafilias,1993)。
集热器包括涂有铜箔的铜管,为了提高吸湿性,表面喷射了黑色的太阳能粉末。
大面积的聚氨酯层被喷在集热器背面以绝缘。
集热器的两侧是绝缘岩棉,后盖是镀锌钢板,两侧由铝构成,前部区域被单独的太阳能玻璃覆盖。
其锅炉包括一个带有不锈钢板套管的不锈钢地幔热交换器,介于锅炉和外壳之间的为用于保温的高密度发泡聚氨酯层。
储槽具有很好的绝缘性,以减少对环境的热损失,并配备有热交换器以使用辅助能源加热水。
辅助能源可以是电力或柴油;然而,在这项研究中的辅助能源是电力。
太阳能热水系统的基本组成部分如图3中的原理图所示(KreithandKreider,1978)。
此处的家庭视为四人家庭,所研究的太阳能热水器系统的技术特点总结如表2所示。
用于所研究太阳能热水系统的生命周期环境评估(LCEA)的算式和数据列于表3中,所用数值恰好与文献匹配(应用手册,2003年)。
使用F-图表方法,可计算出家用热水量的太阳能覆盖年度百分比,以及其年度总量和覆盖值的百分比((Duffie和Beckman,1991)。
该方法的目的是计算f,即由太阳能加热系统所提供的热水用量的部分(太阳能部分)。
该方法能够计算出每月由具有存储量的热水机系统传递的能量值,只要给定每月的太阳能辐射值,环境温度值以及负荷量的数值。
在年度太阳能覆盖的基础上,将(F)设为0.585,而年度总负荷量计为2909.0千瓦时/年,年覆盖负荷量是1702.0千瓦时/年。
图3太阳能热水器的组成部分
4环境影响评估
基于上述系统的技术特点,图4所示的过程可被量化,基于生态指数95数据库(Goedkoop等人,2000)的环境影响也可被估算出来。
该系统的功能单位采用产生热水消耗的1MW。
功能单位是对所研究系统功能的衡量,它为可能相关的输入和输出提供了一个参考值。
此外,功能单位与太阳能热水器将实现的功能相关。
此时所选择的功能单位是用于生产热水的1兆瓦的太阳能热量。
产生的热水量取决于每月太阳辐射度和网格水的温度(见表1)。
生命周期清单(LCI)的性质会作用于液体、固体废物流和对环境的排放量的计算。
LCI会考虑到系统的生命周期的所有阶段,从材料开采到太阳能热水器的最后寿命。
表4a-d中列出了废物流和排放量。
检查这些数据的结论可以通过考虑其环境影响进行精炼。
此外,总的环境影响的计算考虑到了由集热器、锅炉、光圈以及从运输到安装地点所产生的影响。
由于塞萨洛尼基生产的太阳能热水系统被安装在离制造工厂20-50公里的范围内,其影响可以忽略不计。
表2
所研究太阳能热水器系统的规格
集热器类型
平板式,带有铜箔的铜管式
上光
选择性涂料
FRUL
FR(τa)n
集热器倾角
长/宽比
水箱容量
热水温度
热水需求
集热器面积
单玻璃
黑色太阳能粉末
8.42Wm-2K
0.77
45°
2.05厘米
200公升
60℃
200公升(4人)
4m2
FR:
集热器散热因子,UL:
热损系数,N:
集热效率,τ:
玻璃的透射系数,a:
吸收系数板。
基于LCA的方法论,接下来就是规范化和估值阶段。
排放量通过权重因子被转换为分数,
(规范化和估值因子),这样便可通过其对不同环境的影响所做出贡献的基础上,很容易地进行汇总和比较。
每类废物对环境的影响都有不同的贡献。
所用的公式是:
总评估值=
(1)
总排放量指排放当量。
表5列出了这些排放物对环境的量化影响。
应该指出的是对加权后的全球环境影响,需要进行谨慎说明。
对环境的影响分析包括全球变暖、酸化、富营养化(空气)、水体富营养化(水)、重金属、致癌作用、冬季烟雾和夏季烟雾这些类别。
影响值是在加权因素的基础上进行规范化和评估的。
从影响评估可以明显看到,酸化效应对环境影响总量的贡献最大(如图5所示)。
太阳能热水器的四个主要部分对环境的影响,经过LCA方法评估得到的结果如图6所示。
显然对环境影响的主要贡献来自存储箱,占了总量的58%。
太阳能集热器占了25%,而光圈和元件盒则具有最小的影响值,分别为10%和7%。
表3
太阳能热水器生产中使用的材料的数量。
材料
数量/Kg
数量Kg/MW热水
加热玻璃
铜
铝
钢铁
聚氨酯
玻璃纤维
塑料绝缘体EPDM
12
5.3
11
40
7
5
2
41.3×103
18.2×103
37.8×103
137×103
24.1×103
17.2
6.9×103
图4太阳能热水器系统的生命周期。
表4
a:
温室气体的排放量。
b:
液体废物排放量。
c:
固体废物的排放。
d:
气态废物的排放。
温室气体排放量[Kg]
CO2
CH4
N2O
甲烷
乙烷
12638.22
37.08
0.36
0.11
0.01
液态废物排放量[Kg]
N
AOX
COD
BOD
无机盐
2.52×10-6
8.46×10-6
39.28×10-6
51.21
65.84
固体废物排放量[Kg]
灰
固体残渣烟气脱硫
废钢/污泥
生产残渣
废料
478.92
32.09
0.70
8949.11
25888.96
气态废物排放量[Kg]
TOPP
二氧化硫
氮氧化物
盐酸
氟化氢
颗粒
铬
汞
123.64
96.51
33.30
2.49
0.067
20.14
0.00039
0.00012
一氧化碳
NMVOC
硫化氢
氨气
砷
镉
镍
铅
72.50
2.57
9.26×10-6
0.18
9.57×10-5
5.35×10-5
0.00037
0.00024
5经济评估
在利用太阳能代替传统能源的经济效益的调查中,一定要考虑到此类投资所有的经济参数。
据推测,太阳能热水器的成本在开始时就已支付。
太阳能热水器的寿命是20年,且假定系统有每年1%的热性能的退化。
用于副油箱系统的代价是0.08欧元/千瓦时的电力,贴现率和利率分别为6%、8%。
补贴没有被考虑进去。
电价被认为每年上升3.5%。
具有备用电能的太阳能热水器的初始投资成本为1475.0欧元,包括安装和运输成本。
维护成本则被认为占有初始投资的5%。
用于评估投资的技术和财务可行性的技术经济模型,建立在RETScreenV.4.1(手动RETScreen)先进的数学模型基础上。
RETScreen软件可广泛用于评估能源生产、能源节约、能源成本以及减排,也可用于一些设备及工程的财务可行性和风险分析,比如太阳能热水工程;大小不等的太阳能集热器,以用来满足不同用途,从国内小型热水应用;住宅、商业和机公共建筑的室内和室外游泳池,以及大规模工业生产过程和水产养殖业的应用要求,到完善的加热系统的设计,包括太阳能集热器安装、热水的温度和减少使用、先进的管道保温。
该软件包含一套典型的日常热水使用量的数据库,如住宅、公寓、酒店和汽车旅馆、医院、办公室、餐厅、学校、洗衣房和洗车等用水量。
软件(多语言)还包括产品,项目和气候数据库,以及详细的用户手册。
用电价格和成本在RETScreen提供数据的基础上进行分析。
值得注意的是,RETScreen的能量模型与通过f-图法计算出的能量模型是一致的。
表5
释放到环境中的排放总量的计算
规范化因子
表征因素
总排放量
总量评估
全球变暖潜能值
臭氧层耗损
酸化
富营养化物质(空气)
水体富营养化(水)
重金属
致癌因子
冬季烟雾
夏季烟雾
相对影响(%)
总量
0.0000742
1.24
0.00888
0.0262
0.0262
17.8
106
0.0106
0.0507
2.5
100
10
5
5
5
10
5
2.5
13144.34
1)规划实施可能对相关区域、流域、海域生态系统产生的整体影响。
0
1.建设项目环境影响评价分类管理的原则规定123.42
(一)安全预评价依据4.39
0.060
0.00936
0.00017587
96.51
(三)环境价值的定义1.33
C.环境影响报告书2.44
(5)建设项目对环境影响的经济损益分析。
0
(2)评价方法的适当性;10.96
[例题-2006年真题]下列关于建设项目环境影响评价实行分类管理的表述,正确的是( )0.57
对于安全预评价的内容,要注意安全预评价的目的、时间,安全预评价报告的内容等知识点。
0.00788112
0.83
同建设项目安全评价相关但又有不同的还有:
《地质灾害防治管理办法》规定的地质灾害危险性评估,《地震安全性评价管理条例》中规定的地震安全性评价,《中华人民共和国职业病防治法》中规定的职业病危害预评价等。
0.19
5.11
0.17
20.28
夏季烟雾
致癌
图5太阳能热水器生命周期内每个类别的环境影响评价
图6所研究太阳能热水系统的每个部分对环境的影响
表6
所研究太阳能热水器的经济评估
经济参数
税后内部收益率--投资回报率(%)
投资回收期时间(年)
正现金流(年)
净现值(€)
年度生命周期储蓄(€)
受益设备费用比
21.8
4.9
4.6
2103
214
2.43
图7所研究太阳能热水器的累积现金流量。
所用的成本分析考虑到太阳能热水器的初始成本和年度费用。
经济评估中使用的金融条款包括:
内部的回报率(IRR),净现值(NPV)以及回收期(PBP)。
IRR代表项目在其生命周期内产生的真实利息。
它也被称为返回投资回报(ROI)或调整时间后的回报率,通过找到使得该项目净现值等于零的折现率计算出来。
根据净现值法,将所有现金流入的现值与投资项目相关的所有现金流出的现值进行比较。
这些现金流的现值之间的差异,称为净现值,以决定项目是否大致为可接受的投资。
PBP代表投资项目取回自己的初始成本所用的时间长度,并不计入其产生的现金收入之内。
一般来说,一项投资的净现值计算公式如下:
NPV=
(2)
其中:
Fj是每年投资的现金流,i是利益,I0初始投资,n是投资的周期。
经济评估的结果如表6所示。
太阳能热水器的投资回收期约等于5年(图7)。
生命周期储蓄代表所有者将通过安装太阳能热水系统以满足热水需求所节省的金额,此处计为4280.0欧元。
6结论
丰富的太阳能辐射以及良好的技术基础,为希腊利用太阳能创造了有利条件。
经济对化石燃料的依赖,使得具备多种技术的可再生能源系统的使用成为必要。
可再生能源可以提供解决问题的办法,因为他们取之不尽,用之不竭,且相比于化石燃料对环境的不利影响较小。
特别是太阳能系统提供了显着的环境保护。
然而,从以前的研究(Koroneos等,2003年;Koroneos,2007年)中可得知,可再生能源技术体系还没有达到一个可被视为与化石燃料相竞争的高水平。
本研究中紧随系统的经济性能的研究之后,对环境影响进行了调查。
希腊北部的塞萨洛尼基市自身的太阳能热水器系统,包括面积为4平方米的平板式集热板和200公升容量的热水缸。
太阳能热水器系统在生命周期内对环境的排放量,通过利用生态指标99的方法进行研究。
所研究的系统对环境造成的主要影响是百分比高达54%的酸化。
此类型的污染物主要成分为硫(S),因此它们的形成和排放,可以归因于燃烧过程。
第二高的环境影响是潜在值可达25%的冬季烟雾。
此环境影响主要由固体颗粒的释放所派生,应当指出,它们也可以被归因于燃烧过程。
例如,燃烧褐煤产生电能就可以与冬季的烟雾相关联。
由于CO2所导致的全球升温的潜在贡献也存在,虽然比例较低(12%)。
对其他各种环境影响的贡献值也较低(9%)。
经调查的太阳能热水系统的金融特征,使其在使用寿命期间节省了4280.0欧元,且其使用寿命中包含了5年的投资回收期。
这些特性可以激励人们购买太阳能热水系统,因为他们有较短的投资回收期(4-6年),且可以很容易地安装在任何平面或斜面的屋顶,购置成本低,维护成本低(约投资成本的1%-4%),还有正的净现值。
此外,它们可以改善生活质量(可用的热水)。
这些结果在决策中是非常有用的,因其提供定量依据,以评估能源系统在其整个生命周期内的环境性能的潜在提高。
另外,从行业的角度来看,健全的环境政策的目标应该是尽可能地在生产链的所有阶段减少废物排放。
就低碳建筑而言,应注重绿色饭店的发展,尤其是在希腊岛屿,其具备有利的气候条件,能促进能源节约和环境保护。
医院和学校属于经济部门中可采用太阳能加热水的其他部门。
随着欧洲议会2002/91/EC指令以及欧洲2002年12月16日有关建筑物的节能性能(称为指令EPBD)(指令,2002/91)的理事会的实施,对建筑中的可持续加热系统的需求,具有十分重要的意义。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 整理 太阳能热水器 生命周期 评估 修复