利用循环经济商业模式和生命周期评估提高电梯的可持续性

研究探索了驱动器翻新提高电梯可持续性的潜力。

作者：Marco Tomatis、Christian Kukura、Siniša Djurović、Judith Apsley、David Griffin、Jordan Griffin、Rob Corner 和 Laurence Stamford

抽象

世界上约有 55% 的人口目前居住在城市，预计未来城市化水平将不断提高。 因此，高层建筑的建设越来越多，因此，电梯的安装和维护成为越来越重要的推动因素。 电力驱动器是电梯的主要部件之一，用于控制电梯的运动、速度和扭矩。 电梯驱动器的使用寿命通常比电梯的寿命短，因此，在电梯的使用寿命期间，驱动器需要更换一次或多次，从而对环境造成影响。 这项工作探索了驱动器翻新以提高电梯可持续性的潜力。 通过生命周期评估 (LCA) 评估了与使用新驱动器相比，使用翻新驱动器可能减少的环境影响。 本次评估考虑了两种电梯驱动器 OVF20 (Otis) 和 VF22BR (Schindler)，包括有关组件材料和质量的经验数据收集。 在 18 个影响类别中，结果表明，与建造新驱动器相比，翻新电梯驱动器可将环境影响降低 53-91%，并有可能将电子垃圾量减少 72-84%，具体取决于考虑的驱动器。 在整个电梯系统的整个生命周期中，电力消耗是影响的主要来源，占总量的 63-99%，而驱动本身的贡献≤27%。 尽管如此，通过安装翻新的电梯驱动器，可以将电梯在使用寿命期间对环境的影响降低 1-17%。 总的来说，这项研究的结果表明，循环经济战略的使用可以显着提高电梯的环境可持续性，并且可以与其他绿色电梯战略相结合，以实现更加生态友好的城市化。

关键词： 升降机； 圆; 生命周期评估； 电子垃圾； 环境影响； 绿色电梯战略； 电梯驱动

1. 引言

据报道，过去 30 年城市人口显着增加，目前全球约 55% 的人口居住在城市，^[1] 并预测报告称这种趋势预计将持续下去。^[2] 这种快速的城市化导致建造越来越高的建筑物以优化城市地区的土地利用。^[3] 在这种情况下，电梯对于保持高层建筑的可达性至关重要。 因此，自 2012 年以来，全球安装的电梯数量从约 11 万部增加到超过 18 万部，^[4] 预计在可预见的未来将持续增长：预计到 99.30 年，该市场将从目前的价值（120 万美元）增长到 130 亿美元至 2029 亿美元。^{[5 6]}

各种关于电梯的先前科学文献已经解决了性能、能源效率、维护和控制以及其他主要技术问题。^[3，7-10] 电梯驱动器是电梯的主要部件之一，因为它们控制电梯的运动、速度、位置和扭矩。 当这些驱动器出现故障时，通常会更换新驱动器，而有缺陷的驱动器将作为电子垃圾处理。 此外，电梯驱动器的使用寿命因驱动器型号而异，通常比电梯本身的寿命短（后者至少为 20-30 年）。^{[8 11]} 因此，在电梯的使用寿命期间，可能会多次更换驱动器。 因此，翻新故障电梯驱动器可以大大减少电子垃圾的产生量。 然而，据作者所知，之前没有出版物调查电梯行业这种循环战略对环境可持续性的影响。

因此，本研究根据英国公司 Northern Drives and Controls (NDC) Ltd. 开发的程序，使用 LCA 调查电梯驱动器翻新的影响和足迹，并将其与安装新替代品的标准行业实践进行比较驱动器。 两种不同的商用电梯驱动器，即 OVF20 (Otis) 和 VF22BR (Schindler)，用作示例。 为了为电梯驱动的影响提供更广泛的背景，其环境可持续性也作为整个电梯系统的一部分进行评估。 该评估的目的是确定应用符合电梯驱动循环经济原则的废物管理方案的潜在好处。 更广泛地说，本研究旨在为涉及电子和/或城市基础设施的行业的循环商业模式提供进一步的基础。

2。 方法论

LCA 模型是根据 ISO 14040/44 指南开发的，^{[12 13]} 因此，研究的目标和范围、清单分析、影响评估和解释如下所述。 所有评估都遵循归因方法，GaBi 10.5 软件^[14] 用于系统建模。

2.1 目标和范围

本研究的主要目标是评估翻新电梯驱动器与安装新电梯驱动器相比对环境的影响。 为了考虑驱动器之间的可变性，选择了两个不同的模型进行并排分析：Otis OVF20 和 Schindler VF22BR。 这些特定模型是根据其在市场上的流行程度选择的，由项目合作伙伴 NDC Ltd. 的直接经验确定。

本研究的目的是确定翻新驱动器的优点和缺点以及改进机会。 第二个目标是在整个电梯系统的背景下评估驱动的环境可持续性，以确定电梯驱动与电梯影响的相关性。

电梯驱动的功能单元（FU）是“驱动单元的翻新或生产”，而电梯系统的生命周期评价（LCA），功能单元是“电梯运行25年”，代表电梯的平均寿命。一部电梯。^{[8，11，15]}

电梯驱动的生产/翻新考虑了从摇篮到坟墓的方法（图 1）。 翻新过程的系统边界包括驱动器运输到维修地点、测试以评估哪些组件需要更换、维修、第二组测试以评估翻新驱动器是否按预期运行、处理产生的电子废物将翻新的驱动器运输到电梯现场。 考虑采用更简单的系统来组装新驱动器，其中包括组装新驱动器、将其运输到电梯现场以及处理损坏的驱动器。 对于电梯系统的 LCA，还考虑了电梯的生命周期耗电量。

2.2 库存数据

表 1 和表 2 分别报告了 OVF20 和 VF22BR 驱动器的清单数据。 翻新过程的库存数据由项目合作伙伴 NDC Ltd. 直接提供，而驱动器本身的材料平衡是通过拆卸每个驱动器并称重和识别其组件凭经验估算的。 这是在曼彻斯特大学电源转换实验室进行的，每个评估的驱动器都按照商业指南有条不紊地拆开，并评估其子组件的所需特性。 材料和能源的背景数据来自 Ecoinvent 3.7，^[16] 假设翻新过程在英国进行，而新驱动器的生产则取决于生产商公司的位置。 作者指出，Ecoinvent 数据库中的一些电子产品库存数据最初可以追溯到 2000 年代，可能需要更新才能准确反映当前的电子产品制造情况。 然而，在缺乏更新、可靠的数据的情况下，它仍然是最可靠的来源。

对于新驱动器和翻新驱动器的运输，根据 NDC Ltd. 的真实市场数据，假设 60% 的损坏驱动器来自英国，30% 来自欧洲，10% 来自美国。对于翻新驱动器，假设来自英国的驱动器可以通过公路运输到翻新地点，而根据电梯所有者预期的快速周转时间，其他地点将需要航班。 还考虑了返回电梯站点的行程。 通过海运到位于不同国家/地区的仓库的散装运输被认为是新驱动器，短途航班或公路运输假设将驱动器从仓库运输到电梯站点。 所有废物处理都考虑了到处置场 50 公里的运输距离。 回收或填埋的不同材料的百分比是根据特定国家/地区的统计数据和相关法规估算的。^[17-21]

为了估算电梯的耗电量，使用了 TK Elevator 提供的能源计算器。^[22] 对于此案例研究，假设驱动单元是可容纳六人的齿轮传动办公室电梯的一部分，服务于一栋六层楼的建筑，并以 0.8 m/s 的速度运行。 因此，预计 89.9 年运行期间的耗电量为 25 兆瓦时。 本案例研究采用英国电力组合，使用 Ecoinvent 中可用的最新版本（大约 2017 年）：39% 天然气、22% 核能、19% 可再生能源（风能、太阳能、水力）、8% 进口、6% 生物质能和 6% 的煤炭。 鉴于电力供应的持续绿色化，使用最近的组合是保守的。 请注意，排气扇和驾驶室照明的电力消耗已被排除在该总数之外，因为它们独立于电梯驱动并且不太可能对总数做出重大贡献。 OVF9 和 VF2BR 驱动器在运行期间被调查的两个驱动器的额定功耗分别为 20 和 22 kW。

表 1：OVF20 驱动器生产和翻新的库存数据 [FU = 功能单元]

2.3 影响评价

按照等级法，在中点水平上使用 ReCiPe 2016 V1.1 影响评估方法估算了环境影响。^[24] 从 ReCiPe 方法的 18 个影响类别中选择了 XNUMX 个影响类别，包括气候变化、基于消耗和毒性的类别用于本次评估，因为它们与评估相关且对观察到的趋势具有代表性。

3。 结果和讨论

图 2 报告了为 OVF20 和 VF22BR 驱动器估计的生命周期影响。 请注意，对于每个驱动器，翻新机壳和新机壳以 1:1 的比例进行比较。 这是保守的，因为翻新过程解决了每种驱动器型号的常见故障点，这意味着翻新的驱动器实际上可能比新驱动器的使用寿命更长，从而导致在电梯的使用寿命内需要更少数量的翻新驱动器与新驱动器相比。

图 2 (a) 报告了 OVF20 驱动器的生命周期影响，表明与生产新驱动器相比，翻新造成的环境影响较低（53-83%）。 在这两种情况下，影响主要是由驱动器生产或翻新中使用的材料和能源造成的（分别占总影响的 66-90% 和 55-95%）。

在翻新驱动器的情况下，交通对气候变化 (23%)、化石枯竭 (22%) 和陆地生态毒性 (15%) 有显着贡献，而它对人类毒性 (2%) 的影响较小，并且对其他影响的贡献可以忽略不计 (<1%)。 相反，交通成为新驱动对环境影响的次要贡献者，在所有考虑的类别中所占比例≤2%。 交通对翻新驱动器的影响的贡献更大，因为包括了到翻新地点的交通和返回电梯现场的行程，而更长的运输是通过飞机进行的； 相比之下，新驱动器采用了单向传输和不同的假设（第 2.2 节）。

回收材料作为废物处理的一部分计入系统，随后将翻新驱动器对环境的影响降低了 2-30%。 应用于新驱动器的回收信贷更为可观，将影响降低了 10-32%，这主要是因为铝制底盘的回收（在翻新期间不会被丢弃）。 虽然更多的功劳归功于新驱动器的废物处理，但应该记住，与翻新驱动器（17.1 公斤的电子垃圾），这可能会导致更高的垃圾处理成本。

VF22BR 驱动器也发现了类似的趋势，翻新后的环境影响比新驱动器低 61-91%（图 2b）。 在这两种情况下，驱动器翻新 (57-91%) 或生产 (57-89%) 成为影响的主要贡献者，而交通显示对翻新驱动器对气候变化 (25%)、化石枯竭的影响有重大贡献(23%) 和陆地生态毒性 (14%)，但对其他类别的贡献可以忽略不计。 对于新驱动器，交通占影响的 ≤5%。 来自回收材料回收的信用减少了翻新 (2-29%) 和新驱动器 (10-38%) 的影响。 与处理翻新部件（12.1 千克电子垃圾）相比，新驱动器产生的更多信用是由于其处理产生的大量垃圾（每个驱动器 13.4 千克金属部件和 2.1 千克电子垃圾）每个驱动器）。 因此，VF22BR 驱动器的翻新使产生的废物总量减少了 92%，电子废物量减少了 84%。

总体而言，该分析清楚地显示了与更换新驱动器相比，驱动器翻新的潜在优势。 然而，通过优化物流以缩短运输距离并尽可能避免空运，可以进一步减少翻新驱动器对环境的影响。 为此，作者指出，NDC 目前正在美国、德国和西班牙等多个主要国家设立服务中心，这将有助于简化物流，从而减少影响。 最终，

由于整个行业的商业惯例、市场风险和其他变量不同，很难对新驱动器和翻新驱动器之间的实际运输差异进行强有力的比较。

表 2：VF22BR 驱动器生产和翻新的库存数据 [FU = 功能单元]

3.1 电梯系统评估

图 3 报告了整个电梯系统的环境影响，并显示电梯的生命周期电力消耗是翻新 (89-99%) 和新驱动 (63-99%) 两种驱动模型的主要影响来源。 与翻新驱动器相比，新驱动器的贡献估计更大 (1-27%)，但在这两种情况下，驱动器本身对气候变化、化石枯竭和水资源枯竭的贡献微乎其微，对其他影响的贡献也不超过 8% . 这是因为，根据可用数据，没有理由预计使用新驱动器和翻新驱动器的电梯的电力消耗会有任何差异，因此，电力在这两种情况下同样占主导地位。 总体而言，该分析表明，使用翻新驱动器有可能将电梯的生命周期影响降低 1-17%（对于 OVF20）和 1-16%（对于 VF22BR）。

应该指出的是，在电梯系统的使用寿命期间，所提供的电力组合可能会变得低碳，其中可再生能源的贡献更大。 因此，电力对环境影响的相对贡献可能会随着时间的推移而减少，这意味着驱动器和其他硬件的相对重要性将增加，翻新带来的好处也会增加。

4。 结论

本研究评估了作为循环经济战略翻新电梯驱动装置的潜在环境效益，与更换新驱动装置的传统做法形成对比。 在驱动器之间的一对一比较中，结果表明，翻新驱动器有可能将产生的废物总量减少 91-92%，并将电子垃圾量减少 72-84%，具体取决于驱动器型号. 还观察到，与生产新驱动器相比，通过翻新策略可减少材料使用量，从而使驱动器对环境的影响减少 53-91%。 在考虑整个电梯系统时，发现电力使用是造成影响的主要原因 (63-99%)。 但是，由于所需材料的重量减少，使用翻新驱动器的电梯有可能将其生命周期影响减少 ≤17%。 这些发现是保守的，因为根据驱动器型号和翻新过程，由于消除了常见故障点，翻新驱动器的使用寿命可能比新驱动器更长。 因此，上述结果表明以维修为导向的循环商业模式可能带来的好处微乎其微。

总体而言，翻新有可能显着减少电梯在使用寿命期间对材料的需求和废物的产生，从而显着提高其环境可持续性。 未来的研究应该解决电梯驱动的运输物流优化，循环模型在新兴驱动技术以及电梯系统其他组件中的应用。

NDC 董事总经理 David Griffin 表示：

“我们一直相信，我们的模型——高质量的驱动器翻新——不仅对客户来说是一个具有成本效益的机会，而且是一种可持续的方法，可以充分利用现有的设备和材料。 翻新是购买新驱动器的真正替代方案。”

致谢

作者非常感谢英国研究和创新影响加速账户通过曼彻斯特大学提供的资金。

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