湯可石, 王玉琳

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

產品拆解過程的碳排放分析

湯可石, 王玉琳

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

針對產品拆解過程中的碳排放問題,文章提出了一種解算方法,建立了一套以碳排放量值為評價標準的拆解評價體系。通過對產品零部件拆解序列進行規(guī)劃排序,根據(jù)產品拆解路徑得出每步所需要的拆解類型,解算出拆解過程中能耗的大小,使得不同零件聯(lián)接類型的拆解能耗都有一個量化標準,以此進一步解算出在整個拆解過程中碳排放的量級,最終能夠針對產品的環(huán)境友好性目標給出一個客觀的評價。該文以空調外機的拆解為例,根據(jù)所提出的方法解算出空調外機拆解的碳排放當量,利用GaBi軟件解算出空調外機全生命周期的碳排放量,通過對比得出空調外機拆解過程的環(huán)境友好性評價。

拆解;碳排放;能耗;生命周期分析

目前低碳設計已成為產品設計的重要發(fā)展方向。國內外在研究產品對環(huán)境的影響時,主要以碳排放量指標作為評價標準,即分析計算整個生命周期中產品對環(huán)境的碳排放量的大小。文獻[1]提出了產品的多層次碳足跡分析方法,構建了產品多層次碳足跡分析模型,探索了該方法在低碳設計中的應用;文獻[2]對零部件之間聯(lián)接單元的碳足跡進行了遞歸分配,利用層次分析法提出了一種計算聯(lián)接單元碳足跡的方法;文獻[3]研究了家電產品生命周期內使用階段的碳排放量,并且針對化石燃料在使用過程中溫室氣體排放的問題,提出了一種有效的評估方法;文獻[4]提出了溫室氣體排放當量的估算模型,根據(jù)其研究成果推薦了一種產品低碳設計的方法;文獻[5]通過生命周期分析法,對機床整個生命周期中的碳排放進行了評估,得出了一種針對機床的碳排放量計算方法。

目前關于產品碳足跡的研究已經(jīng)取得了不少成果,但仍有一些不足。首先,在建立碳足跡模型時,針對不同的研究對象會得出不同的結果,關于能量輸入的主觀選擇因素較強,這些都會影響產品碳排放的計算結果;其次,當前的碳排放研究主要集中在生命周期相對重要的幾個階段,例如材料的加工階段、零部件的制造階段以及產品的使用階段等,而忽略了產品在拆解過程中所造成的碳排放。

針對上述問題,本文將以零部件的拆解序列為基礎,以零部件的聯(lián)接特征為碳排放解算對象,估算產品拆解的碳排放量。拆解碳排放解算流程如圖1所示。

圖1 拆解碳排放解算流程

1 拆解能耗碳排放量化

1.1 產品的拆解路徑規(guī)劃

產品拆解路徑規(guī)劃可以歸結為約束優(yōu)化問題。研究人員根據(jù)產品裝配信息來獲得產品零部件在裝配體中所受到的約束,依據(jù)零部件所受到的約束條件生成滿足約束關系的可行性拆解序列。

首先獲取產品裝配的材料清單(bill of material,BOM),根據(jù)BOM信息找出零部件之間的聯(lián)接約束CE和空間干涉約束CDE,通過零部件之間的約束關系建立產品的信息模型。對產品的零部件進行編碼,如1,2,3,…,n(n為零部件數(shù)目),其中節(jié)點V={v1,v2,…,vn}為拆解單元,該編碼應與裝配圖中的編碼相匹配,同時也被應用在BOM和數(shù)據(jù)管理庫中。根據(jù)聯(lián)接約束關系和空間干涉約束關系以及編碼結果得出產品的鄰接矩陣NE和NDE如下:

其中

建立產品的拆解約束信息之后,本文采用回溯算法[6]來搜索符合約束條件的拆解路徑,然后根據(jù)優(yōu)化目標得出一條最優(yōu)的拆解序列,如X1→X2→…→Xi→…→Xn,其中，Xi代表零部件號；n代表零部件數(shù)目。

1.2 產品拆解碳足跡模型的建立

產品的拆解碳足跡是指在產品拆解系統(tǒng)邊界內,該產品所有拆解活動所產生的溫室氣體排放量的總和。根據(jù)碳排放的來源不同,可以分為由材料消耗所產生的碳排放因子和由能量消耗所產生的碳排放因子兩類,分析碳足跡時還包括不確定因素所產生的碳排放因子。建立產品的拆解碳足跡模型如圖2所示。

圖2 產品的拆解碳足跡模型

圖2模型的建立是基于產品零部件的拆解序列。其中,1,2,3,…,n代表零部件；B1,B2,…，Bn-1代表每一項拆解任務。若用ei代表每一項拆解任務的碳排放量,拆解碳排放總量e為:

(1)

1.3 拆解類型及其能耗形式

在產品拆解過程中,不同的裝配形式對應不同的拆解能耗。下面是工程中一些常見的拆解形式及其能耗表達。

1.3.1 螺紋拆解

螺紋聯(lián)接是一種廣泛使用并可拆卸的固定聯(lián)接,具有結構簡單、裝拆方便、可靠性高等優(yōu)點。對于普通標準螺紋,根據(jù)專家及企業(yè)相關經(jīng)驗[7]可得拆解能耗Ed為:

(2)

M=KDF×10-3

(3)

(4)

其中,M為螺紋的拆解扭矩;θ為螺紋的轉角;K為阻力系數(shù),主要與螺紋中徑的摩擦系數(shù)有關,一般取0.2;F為螺紋的預拆解扭力,一般取螺紋破壞載荷的70%～80%;D為螺紋的公稱直徑;Ca、Cb為拆解聯(lián)接件和被聯(lián)接件的剛度;P為螺距;n為拆解聯(lián)接件的個數(shù)。

1.3.2 銷聯(lián)接類型拆解

銷大致分為圓柱銷和圓錐銷,一般用作零部件定位、傳遞力或力矩以及安全保護等。銷和孔之間常采用輕微的過盈聯(lián)接,常用的圓柱銷在拆解過程中的能耗為:

(5)

其中,Fi為拆解過盈配合的沖擊力;li為銷的裝配長度;n為拆解銷聯(lián)接的個數(shù)。

1.3.3 其他聯(lián)接類型拆解

裝配體中還有其他多種聯(lián)接類型,如焊接、過盈聯(lián)接以及粘接等方式。這些聯(lián)接的拆解活動都會消耗自然界的一些能量,如人力、電力、天然氣等。

1.4 拆解耗能的碳排放折算

在產品的拆解過程中,主要通過經(jīng)驗估算和能源輸入轉換方式來評估拆解的碳排放當量。原材料生產的碳排放當量見表1所列;常見能源的碳排放系數(shù)見表2所列；不同區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子見表3所列[8-9]。

表1 部分原材料生產碳排放當量 kg CO2/kg

表2 不同能源的碳排放系數(shù) kg CO2/kg

表3 不同區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子 t CO2/(MW·h)

區(qū)域碳排放因子區(qū)域碳排放因子華北1．0021華中0．9944東北1．0935南方0．9344華東0．8244西北0．9913

根據(jù)表1～表3數(shù)據(jù)可得如下關系:

(6)

其中,mi為消耗能源的質量;Ei為消耗的電能;γi為碳排放系數(shù)。

1.5 產品拆解過程不確定因素分析

影響產品拆解過程碳排放的因素有很多,如聯(lián)接方式、聯(lián)接材料、能源排放系數(shù)、輔助工藝依賴程度等，其中拆解過程輔助工藝的量化一般為不確定因素,因此確定拆解過程不確定因素的碳排放修正系數(shù)是問題的關鍵。

如果把拆解過程相對確定部分的碳排放設為eb,不確定因素產生的碳排放設為er,產品拆解碳排放不確定因子設為δ,碳排放修正系數(shù)設為δr,總的碳排放設為e,那么(1)式可以進一步表示為:

(7)

(8)

(9)

拆解過程對碳排放修正系數(shù)δri進行量化。輔助工藝主要包括冷卻、拉馬使用、潤滑以及夾具使用4個因素。確定輔助工藝碳排放指標采用的是模糊層次分析法[10]。將拆解過程4個輔助工藝指標分別用α1、α2、α3、α4表示,引入企業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)或相關專家的評價結果對4項輔助工藝的相對重要性進行評判。構建n個比較判斷矩陣Q(x),其結構為：

(10)

其中,qij值為指標αi相對于αj的重要程度；0.9、0.8、0.7、0.6和0.5分別為極度重要、非常重要、明顯重要、略微重要和同等重要;0.4、0.3、0.2和0.1分別為反方向重要程度,因此該矩陣的各元素遵守qij+qji=1的關系。

將(10)式的判斷矩陣轉化為上三角灰色比較矩陣AG,即

(11)

(12)

其中,Q(x)ij為第x個判斷矩陣中第i行、第j列的值。白化矩陣還需要通過約束來驗證其模糊一致性,該約束為滿足矩陣相鄰兩行對應元素差恒為常數(shù)的條件。若沒有通過一致性判斷,則可以微調相應判斷矩陣各元素值或白化系數(shù)來滿足一致性條件。

根據(jù)上述條件可以得出輔助工藝的權重關系[11]，即

(13)

其中,n為白化矩陣的階數(shù);α為人為判斷各因素重要程度的差異,取值范圍為0～1。

對于不同拆解類型所需要的輔助工藝概率要求被量化,即可得到每種拆解類型的拆解概率矩陣。

本文列舉5種拆解類型,即螺紋拆解、過盈聯(lián)接拆解、銷拆解、焊接拆解及鍵拆解,分別用C1、C2、C3、C4、C5表示;輔助工藝指標分別用α1、α2、α3、α4表示。構造出的概率矩陣為:

(14)

結合模糊層次分析法與灰色理論可以得出相應輔助工藝修正系數(shù)δi，即

(15)

2 應用實例

以某企業(yè)生產的空調外機為實例,對本文所提出的解算方法進行驗證?？照{外機為典型的機電產品,應用極其廣泛,其全生命周期的碳排放相對較大,因此對其進行拆解過程的碳排放分析具有典型意義。

2.1 空調外機拆解碳排放解算

2.1.1 確定空調外機的拆解序列

在進行空調外機拆解序列規(guī)劃前,首先得到空調外機零部件的BOM清單,見表4所列；再根據(jù)零部件的聯(lián)接關系,得到聯(lián)接約束的鄰接矩陣和空間干涉約束的鄰接矩陣。

表4 空調外機零部件清單

本文采用回溯算法搜索可行的拆解序列,最后找出一條最為合理的拆解路徑,經(jīng)計算選擇此空調外機的拆解序列為:

2→8→7→5→3→1→6→

14→15→9→10→11→12→13→4。

2.1.2 量化輔助工藝修正系數(shù)

通過對相關企業(yè)進行調研,征求專家意見,得到4種輔助工藝碳排放的相對重要程度,并構造出如下3個判斷矩陣：

其中每個判斷矩陣代表一個評判者的評判意見。

微調判斷矩陣中的元素并選擇合適的白化系數(shù),可得上三角灰色比較矩陣,白化系數(shù)χ1=χ2=0.5;根據(jù)(12)式可求出灰色比較矩陣如下:

經(jīng)驗證符合一致性約束。判斷因素重要度差異系數(shù)α取0.8;根據(jù)(13)式得到輔助工藝的權重系數(shù)為:

[0.453 125 0.265 625 0.203 125 0.078 125]。

企業(yè)調研結果表明,對空調外機的拆解可歸為上述5種典型的拆解類型,根據(jù)這5種拆解類型所對應的輔助工藝,得出其拆解概率矩陣為:

根據(jù)(15)式可求得5種拆解類型的輔助工藝修正系數(shù)為:

δi=[0.352 13 0.369 38 0.271 41

0.046 72 0.355 31]。

由空調外機的拆解序列可得一個拆解BOM。本例拆解過程中電能消耗均采用華東電網(wǎng)的碳排放因子,取值為0.824 4 t CO2/(MW·h)?？照{外機焊接部分的拆解將采用手持式切割機作業(yè),功率為750 W。由表4的空調BOM數(shù)據(jù)解算出零部件拆解序列,由零部件的拆解序列和空調外機的BOM可以得出空調外機的拆解任務列表，見表5所列。

表5 空調外機拆解任務序列

由表5可知,共有3種拆解類型,分別為螺紋聯(lián)接拆解、焊接切割拆解以及插接拆解。拆解螺栓分為M12、M10和M8 3種,均為8.8級。其中，M12的螺栓數(shù)量為16個；M10的數(shù)量為33個；M8的數(shù)量為17個。焊接切割拆解的數(shù)量為2個,插接拆解的數(shù)量為2個。

下面分別對上述拆解類型進行碳排放量化。

(1) 螺紋聯(lián)接拆解能耗。查表可得8.8級螺栓的抗拉強度為800 MPa、屈服極限為640 MPa,M10螺栓的應力面積為58 mm2。取螺栓拆解的拆解力為其破壞載荷的80%,螺距P為1.5 mm,聯(lián)接材料的剛度分別為1.193×105、1.328×105N/mm,根據(jù)(2)～(4)式可得:

F=0.8×640×58=2.969 6×104N,

M=0.2×2.969 6×104×

10×10-3=59.392N·m,

同理可計算得到M12、M8螺栓的拆解能耗分別為Ed12=15 965 J和Ed8=2 130 J。

(2) 焊接切割拆解能耗。功率P=750 W,根據(jù)表5可知拆解時間t=20 s,得到拆解能耗為Eh=Pt=750×20=15 000 J。

(3) 插接拆解能耗。提手的插入深度約為15 mm,拆解力為20 N,裝配的能耗為0.3 J。

(4) 根據(jù)已計算出的各種拆解能耗修正系數(shù)以及表3的碳排放轉換因子,可以得出上述幾種拆解類型的碳排放量值。

螺栓拆解的碳排放量為:

(16×15 965+33×6 711+

17×2 130)≈158.9g。

焊接切割拆解的碳排放量為:

e2=2×(1+0.046 72)×

由于插接拆解能耗非常小,本文忽略不計,在整個空調外機拆解中碳排放量共計為166.1 g。

2.2 空調外機全生命周期的碳足跡分析

空調外機的零部件組成如圖3所示。

采用GaBi軟件對空調外機進行生命周期分析,即可得到空調外機的全生命周期碳排放。這里設定空調外機的輸入功率為1 100 W,每天開機6 h,使用壽命為8 a。繪制GaBi分析方案圖,根據(jù)上述輸入條件可以得到相應的碳排放數(shù)據(jù),分別計算出不同階段的碳排放值,結果見表6所列。

圖3 空調外機的零部件模塊

表6 空調外機各階段碳排放值 kg

由表6可知,空調外機全生命周期碳排放總量約為8 343.77 kg,而拆解階段的碳排放大約為0.17 kg,占整個生命周期碳排放量的0.002 0%,所占比例極小,可以忽略不計。這進一步說明了空調外機的拆解活動基本不會對環(huán)境造成污染。

3 結 論

本文以產品在拆解過程中的碳排放為研究對象,基于產品拆解規(guī)劃序列建立了產品拆解過程的碳排放量化模型,提出了產品拆解碳排放修正系數(shù)的概念,為量化碳排放提供了理論基礎。

產品拆解過程的碳排放可以作為產品環(huán)境友好屬性的評價標準之一,同時在產品開發(fā)的過程中,還可以作為產品逆向設計的重要參數(shù),為產品在生命周期末端較低的環(huán)境影響提供理論基礎。

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(責任編輯 胡亞敏)

Analysis of carbon emissions in the process of product dismantling

TANG Keshi, WANG Yulin

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

A method for the calculation of carbon emissions in the process of product dismantling is proposed, and a set of evaluation system with the standard of carbon emissions is established. By planning order of dismantling sequence of product parts and drawing every dismantling type needed according to the product dismantling path to calculate the energy consumption of dismantling process, the dismantling energy consumption of different connecting types of parts has a quantitative standard, then the magnitude of carbon emissions throughout the whole process of dismantling is calculated, and finally an objective evaluation for product environment-friendly target is given. Taking the air conditioner as an example, the carbon equivalent emissions during the air conditioner dismantling are solved by the proposed method, the carbon emissions of total life cycle of the air conditioner are calculated by using GaBi software, and the environment-friendly evaluation result for the air conditioner dismantling process is drawn by contrast.

dismantling; carbon emission; energy consumption; life cycle analysis(LCA)

2015-12-24；

2016-02-19

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2013AA040202)

湯可石(1986-),男,安徽鳳陽人,合肥工業(yè)大學碩士生; 王玉琳(1966-),男,安徽六安人,博士,合肥工業(yè)大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.004

TH122

A

1003-5060(2017)01-0018-06