引言太阳能热水作为太阳能最成熟的技术，已经得到广泛应用。截至2019年，全球太阳能热水装机容量479 GWh，集热面积68 400万m2，二氧化碳减排达到10.9亿t。我国的太阳能热水装机容量达346.5 GWh，占全球72.34%[1]。太阳能热水系统根据集热器的不同可以分为真空管式（Evacuated Tube Collectors，ETC）和平板式（Flat Plate Collector，FPC）。国内外学者对两种类型的集热器性能进行了研究。周志华[2]等认为，与电加热系统相比，真空管式系统的能量回收期、环境效益回收期和投资回收期分别为0.54 a、0.26 a、2.40 a，而平板式系统分别为0.84 a、0.70 a、3.86 a。覃新颖[3]等研究发现，与电热水器相比，真空管式和平板式系统的静态投资回收期分别为1.7 a和2.4 a。雷舒尧[4]等在相同太阳辐照资源带发现，最具节能潜力的是全玻璃真空管集中式太阳能热水系统，能源回收时间最短。在不同太阳辐照资源带，家用全玻璃真空管太阳能热水系统的能源回收时间为1.4~2.8 a，家用平板型太阳能热水系统的能源回收时间为2.0~3.9 a。Jyotirmay[5]等研究发现，真空管式系统和平板式系统的能量回收期分别为2.60 a、3.81~4.16 a。从环境影响角度研究表明，平板式太阳能热水系统产出单位热量的环境影响是真空管式太阳能热水系统的1.6倍[6]。从经济学角度分析，真空管式系统平均投资回收期为4.5 a，而平板式系统为10 a左右[2]。我国太阳能热水器中，全玻璃真空管式集热器占85%~90%[2]，2019年我国新增太阳能集热器中75.2%为真空管式太阳能集热器[1]。黄志甲[7]等发现，热水器产品的臭氧耗竭、全球变暖、能源强度、资源消耗是其生命周期内贡献最大的几个指标。真空管式太阳能热水系统相对电加热器，生命周期环境影响仅为1.7%，且影响最大的是化石能源耗竭，约占32%[6]；其次是全球变暖和酸化指标，分别占25%和21%。太阳能热水系统的环境影响主要发生在生产阶段和使用阶段，分别占54%和40%。研究发现，每台太阳能热水器相比电热器的节能量分别为700.9吨标准煤，15 a寿命期内共减排二氧化硫300 kg、氮氧化物135 kg、二氧化碳37.5 t[8]。截至2018年，我国农村建筑面积共238亿m2，占全国建筑面积的36%；碳排放4.37亿tCO2，占建筑总排放的21%，大多为独立建筑形式，有利于太阳能的开发利用[9-10]。本研究针对宁波市某农村建筑群集中建设的太阳能热水系统进行生命周期分析，全面评价农村建筑中太阳能热水系统的节能、减碳效益，推动乡村建筑集群中太阳能热水系统的普及。1生命周期环境影响评价方法生命周期影响评价（LCIA）是评价与产品、工艺或行动相关的环境负荷的客观过程，涉及产品、工艺或活动的整个生命周期，包括原材料提取和加工，生产、运输和分配，使用、再使用和维护，再循环以及最终处置[11-12]。生命周期评估研究分为3个阶段：目标与范围确定、生命周期清单分析、影响评价与解释。1.1目标与范围的确定本研究以某真空管分散式太阳能热水系统为例，收集生产、运输、使用、回收过程的数据，构建生命周期清单；评价系统的环境负荷，并识别关键过程；与假设的电加热系统对照，揭示太阳能系统的节能性，评估该技术在双碳目标中的贡献。与研究目标匹配，定义功能单元为生产1 t生活热水，范围包括原材料获取、生产、运输、使用和回收阶段。清单分析阶段包括集热器、支架、储热水箱、管路等主要部分，辅助加热设备等因数据不齐，不作为考虑因素。产品试用阶段的性能参数通过现场测试获取，产品的使用年限和寿命对生命周期环境产生直接影响，按照一般合格产品的寿命为15 a计算。利用Gabi软件进行建模和生命周期影响评估，采用CML 2001进行影响分析。1.2生命周期影响评价指标生命周期环境影响主要分为资源影响、非生命生态系统影响、人类健康和生态毒性影响。本研究中资源影响主要考虑非生物资源消耗（ADP elements）和能量消耗（ADP fossil）；非生命生态系统影响指标主要包括全球变暖系数（GWP）、臭氧层破坏系数（ODP）、酸化（AP）、光化学烟雾（POCP）；人类健康影响主要考虑人体毒性指标（HTP）。2清单分析2.1各阶段消耗清单本研究选择宁波市某自然村的真空管分散式太阳能热水系统，全村热水系统情况为：20管系统98户、24管系统374户、30管系统190户。额定总集热面积3 061.8 m2，真空管总重量25 t。户内水箱分别为192 L、236 L、300 L。项目整体中不锈钢重量19 t，热镀锌角钢16.8 t，保温材料聚氨酯2.85 t。安装、生产、回收阶段共消耗电力1 261万kWh。运输阶段，将原材料及成品的运输过程统一考虑，为了降低运输成本，选择周边地区生产的产品，公路运输货运量为3 990 t/km。由于农村建筑条件限制，未安装太阳能热水系统时，最常用的热水制备方案是电热水器。设置与太阳能热水器相同热水产量的电热水器作为对照组，进行方案的对比分析。清单数据通过文献调研、产品调研获取。2.2使用阶段性能分析根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB 50801—2013），通过现场测试，获得系统的集热效率、太阳能保证率、热损系数等参数。全年性能评估中，给水温度按15 ℃计算，设计热水温度为50 ℃。3种系统抽样测试的集热效率分别为42.70%、45.73%、49.78%。全年太阳能保证率分别为64.83%、66.42%、64.79%。运行阶段包括系统的维护、保养，如真空管的破损更换等。15 a内真空管的替换率为30%，估算运行阶段的材料消耗。其他设备、材料损耗忽略不计。2.3回收阶段回收阶段消耗量最大的金属和玻璃分别按照回收率80%和60%计算，其他材料数量不多或回收技术不成熟，按照填埋方式处理。3生命周期影响评价3.1生命周期环境影响评价生命周期影响评价根据清单分析提供的物质、能量消耗数据及各种排放数据对系统的环境影响进行评价。ISO 14042标准建立了LCIA框架，包括分类、特征化、标准化和加权。由于加权过程的权重基于价值选择，存在较大争议，因此本研究仅考虑分类、特征化、标准化[13-14]。3.2全生命周期模拟计算根据清单的分析结果，利用Gabi软件进行系统全生命周期模拟计算。特征化是将每一个影响类型中不同清单数据以同一单位进行换算，并在该类型内对结合进行合并。选择CML-2001模型进行环境影响评价，结果如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.005.T001表1环境影响特征化结果对比环境影响因素太阳能热水系统电热水器对照系统生命周期影响生产阶段运输阶段使用阶段废弃回收阶段生命周期影响生产阶段运输阶段使用阶段废弃回收阶段非生物耗竭指标ADP elements/(×10-3kg Sb eq)62.900 0048.400 000.013 0014.500 00-0.026 005.890 001.890 000.001 104.000 000.000 38能源耗竭指标ADP fossil/(×103 MJ)16.90010.9004.4801.3400.200439.0002.3000.380436.0000.035酸化指标AP/（kg SO2 eq）4.6702.5101.7400.3700.058129.0000.6000.150128.0000.011富营养化指标EP/（kg Phosphate eq）1.0100.4100.4200.0800.10012.4000.0450.03612.3000.011温室效应系数GWP/（×103 kg CO2 eq）1.3500.8100.3300.0910.12043.8000.2100.02843.6000.014臭氧层破坏系数ODP/（×10-14 kg R11 eq）2.560×10763.8007.3209.8502.560×1073 720.00055.0000.6303 710.0002.260光电化学臭氧生成指标POCP/（kg Ethene eq）-0.420 00.290 0-0.760 00.024 00.027 015.000 00.086 0-0.066 015.000 00.003 4陆地生态毒性指标TETP inf./（kg DCB eq）1.89e+001.31e+001.24e-012.62e-011.87e-014.23e+013.26e-011.07e-024.19e+012.37e-02人体毒性指标HTP/（kg DCB eq）170.00136.0010.5022.500.704 440.00546.000.903 890.000.26海洋水生生态毒性MAETP INF./kg DCB eq8.02e+045.62e+045.82e+031.04e+047.80e+034.36e+061.91e+044.99e+024.34e+063.23e+02由于太阳能热水系统的集热系统、管网系统相对复杂，生产阶段消耗非生物资源较多，ADP elements指标远大于电热水器系统。真空管玻璃的废弃过程同样产生较大的环境影响，主要体现在ODP指标。能源消耗主要发生在生产、使用过程中，且太阳能热水系统的能源消耗指标远小于电热水器系统。与能源消耗和排放相关的指标，太阳能热水系统均远小于电热器对照系统。3.3标准化分析环境影响因素涉方面较广，难以进行不同参数之间的比较，因此在评价之前需要对结果进行标准化处理，以消除量纲、量级差异。Nj=EIjSj (1)式中：Nj——影响类型j的环境影响；Sj——影响类型j的环境影响基准。本研究以全球尺度数据为基准，对各影响因素进行分析，如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.005.F001图1太阳能热水系统与电热水器系统的标准化环境影响对比两种系统的环境影响构成不同，太阳能热水以ADP elements、ADP fossil、GWP、HTP为主，而电热水器系统以ADP fossil、GWP、HTP、AP、POCP为主。太阳能热水系统和电热水系统不同阶段的标准化环境影响对比和环境影响构成分别如图2、图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.005.F002图2太阳能热水系统和电热水系统不同阶段的标准化环境影响对比10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.005.F003图3太阳能热水系统和电热水系统的环境影响构成太阳能热水系统的环境影响在生产、运输、使用、废弃回收阶段的比例分别为73.23%、5.85%、14.90%、6.02%；而电热水器对照系统的4个阶段环境影响比例分别为1.21%、0.01%、98.77%、0.01%。生产阶段的太阳能热水系统环境影响比电热水系统大，主要是因为太阳能热水系统消耗更多的钢、玻璃、保温材料等；运输阶段和废弃回收阶段，生命周期环境影响中的比例较小；电热水器对照系统的环境影响是太阳能热水系统最大差异达到243.55倍。全生命周期角度，电热水系统的环境影响是太阳能热水系统的36.74倍。两种热水系统各阶段的环境影响构成如图4所示。生产和使用阶段的环境影响是主要部分，其中影响最大的HTP和MAETP分别占该阶段环境影响的55.9%和40.4%。HTP产生的来源主要是玻璃生产和钢材生产，分别占比7.72%和92.11%。图4两种热水系统各阶段的环境影响构成10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.005.F4a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.005.F4a23.4农村建筑太阳能热水系统应用减排效益评估根据2020中国建筑能耗报告，农村居住建筑面积共238亿m2，人均42.3 m2[15]。以人均40 L的热水需求核算，太阳能热水系统的应用可产生的CO2当量减排效益达到0.2亿t/a。全国建筑碳排放总量约21亿t，约减排1%，节能效果将大幅提升。4结语在系统运行能效实测的基础上，通过Gabi软件，利用CML模型进行全生命周期环境影响评价。结果表明，太阳能热水系统全生命周期的环境影响远小于传统的电热水系统，主要是使用阶段的能耗大幅降低；生产阶段的材料消耗、能耗比电热水系统略高。通过系统的全生命周期减排效益评价，太阳能热水系统若推广到全国范围，将产生非常可观的节能减排效益。