基于SimaPro的機(jī)械產(chǎn)品生命周期影響評(píng)估方法研究

欒忠權(quán)

LUAN Zhong-quan

（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

1 生命周期評(píng)價(jià)的內(nèi)涵

生命周期評(píng)價(jià)是定量地匯總和評(píng)估一項(xiàng)產(chǎn)品(或服務(wù))體系，從原材料的采掘或獲取、制造加工、使用到廢棄物處理乃至再生循環(huán)利用整個(gè)生命過(guò)程中的投入和產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成的和潛在的影響。其基本思想起源于20世紀(jì)60年代化學(xué)工程中的“物質(zhì)-能量守衡”方法，基本的理論依據(jù)是能量守恒和物質(zhì)不滅定律。

LCA方法在不斷地發(fā)展，從1990年SETAC會(huì)上的簡(jiǎn)單三角模型發(fā)展到ISO14040系列標(biāo)準(zhǔn)。圖1是LCA的四個(gè)階段（標(biāo)和范圍的確定；清單分析；影響評(píng)估；結(jié)果解釋）的技術(shù)框架以及它們的實(shí)施依據(jù)。本文點(diǎn)重點(diǎn)是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品生命周期影響（LCIA）階段點(diǎn)的分析研究。

近年來(lái)已有數(shù)十個(gè)LCA評(píng)估軟件以及環(huán)境管理系統(tǒng)的管理軟件問(wèn)世，其中比較著名的有SimaPro、GaBi和KCL-ECO等。SimaPro軟件的目的主要在于簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)流程及圖標(biāo)量化數(shù)據(jù)，以環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)的觀念來(lái)改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)，達(dá)到環(huán)保的目的。

圖1 生命周期評(píng)價(jià)方法各階段技術(shù)框架

2 生命周期影響評(píng)價(jià)

2.1 LCIA理論與方法

LCIA是生命周期評(píng)價(jià)的重要組成部分，在完成目標(biāo)界定和清單分析后，根據(jù)所提供的物料、能源消耗數(shù)據(jù)以及各種排放數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估對(duì)環(huán)境的影響，定量分析對(duì)人體健康、生態(tài)、自然環(huán)境的影響及相互關(guān)系。它涉及到數(shù)據(jù)的歸類和計(jì)算，目的是對(duì)清單分析所識(shí)別的環(huán)境影響因子進(jìn)行定性與定量的表征評(píng)價(jià)，以確定產(chǎn)品生命周期過(guò)程中的物質(zhì)能量交換對(duì)其外部環(huán)境的影響程度。

在LCIA階段，對(duì)選定的環(huán)境影響類型建立模型，并利用類型參數(shù)來(lái)精簡(jiǎn)和解釋LCI（Life Cycle Inventory）結(jié)果。類型參數(shù)用來(lái)反映各影響類型中的累積總量或資源消耗，表征潛在的環(huán)境影響。LCIA還為生命周期解釋階段做準(zhǔn)備，環(huán)境影響評(píng)價(jià)的方法很多，基本上都包含分類、表征、歸一化和評(píng)價(jià)四個(gè)部分。

2.2 LCIA方法的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)際上典型的LCIA方法可劃分為中間類型方法和結(jié)果類型方法兩大類。前者著眼于環(huán)境影響的中間過(guò)程，即當(dāng)前被關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題，對(duì)各種環(huán)境干擾因素進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化分析，直觀的解釋產(chǎn)品對(duì)環(huán)境問(wèn)題的貢獻(xiàn)程度。后者則著眼于影響后果對(duì)人類健康、環(huán)境及資源等最終保護(hù)領(lǐng)域所造成的傷害，讓人們了解產(chǎn)品的生產(chǎn)及使用給人類造成的直接影響有多大。這兩類方法各有優(yōu)勢(shì),由于中間類型方法的環(huán)境模型相對(duì)健全，所得參數(shù)的不確定性較低；結(jié)果類型方法計(jì)算復(fù)雜，不可能包含所有的相關(guān)環(huán)境機(jī)制，所得參數(shù)的不確定性較前者為高。在所有影響評(píng)價(jià)的方法中,貝爾實(shí)驗(yàn)室的方法較為簡(jiǎn)單,但結(jié)果完全根據(jù)專家評(píng)價(jià)的結(jié)論得出，主觀性太強(qiáng)，不具有廣泛的適用性。

3 基于SimaPro機(jī)械產(chǎn)品的LCIA分析

3.1 項(xiàng)目分析

利用SimaPro軟件分析如圖2所示傳動(dòng)件齒輪和齒輪軸的簡(jiǎn)單配合的生命周期影響。

1齒輪軸 2小鍵槽 3左端蓋 4,9滾動(dòng)軸承 5軸套 6齒輪 7大鍵槽 8齒輪10右端蓋圖2 齒輪及齒輪軸的簡(jiǎn)單配合

該配合中的幾個(gè)重要部件有：齒輪軸、齒輪、鍵、端蓋、滾動(dòng)軸承、軸套、齒輪軸托架、齒輪軸支架以及其它一些小零部件（如螺栓，螺母，墊圈之類）。在此，我們不考慮小零部件，僅考慮所列舉出來(lái)的各個(gè)部件，對(duì)它們各自的環(huán)境載荷進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

生產(chǎn)這些部件的主要原材料是鋼材，鍛造用鋼是普通調(diào)質(zhì)鋼。作為原材料的鋼的生產(chǎn)是研究的一個(gè)重點(diǎn)，鋼生產(chǎn)的清單數(shù)據(jù)的分析在整個(gè)齒輪清單分析中也有很中要的作用。我們根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署工業(yè)與環(huán)境規(guī)劃中心提供的資料，對(duì)煉焦、鐵礦石燒結(jié)、高爐煉鐵、氧化爐煉鋼和熱軋成錠燈五個(gè)階段的主要生產(chǎn)過(guò)程的清單進(jìn)行分析。

鋼的冶煉，是經(jīng)過(guò)礦石開(kāi)采、運(yùn)輸、煉焦、燒結(jié)、煉鐵、氧化煉鋼、軋鋼等過(guò)程，生產(chǎn)出鋼錠。主要消耗的能量是煤、電力、石油和少量天然氣。一般粗鋼錠中含有有害元素硫、磷、氫，所以，在下料前一般進(jìn)行精煉，精煉的任務(wù)主要是保證鋼液的化學(xué)成分符合鋼種的要求，提出高鋼液純凈度或減少有害元素及夾雜氣體的含量，按照要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理或淬火處理。

利用SimaPro軟件分析齒輪及齒輪軸的簡(jiǎn)單配合全生命周期影響的過(guò)程中，我們僅考慮三個(gè)過(guò)程：鐵礦石開(kāi)采過(guò)程，鐵的冶煉過(guò)程以及齒輪的機(jī)械加工過(guò)程。在這三個(gè)過(guò)程中考慮如下假設(shè)：1）在鐵礦石開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中考慮：假設(shè)炸藥開(kāi)采鐵礦石，我們指定為每千克產(chǎn)生的影響：為1千克炸藥開(kāi)采500kg的鐵礦石；鐵礦石采集點(diǎn)運(yùn)輸方式，運(yùn)輸路程，運(yùn)輸負(fù)載系數(shù)等因素。2）在鐵的冶煉過(guò)程中考慮：鐵礦石轉(zhuǎn)化為輸出的成份以及各自占的比重；耗能情況等。3）機(jī)械加工過(guò)程中考慮：鐵錠轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品類別以及各自所占比重；耗能多少，加工方式和過(guò)程等。最后假設(shè)產(chǎn)品廢棄后100%可以循環(huán)使用。

假設(shè)運(yùn)輸過(guò)程，鐵礦石采集點(diǎn)到煉鐵廠采用卡車運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境載荷過(guò)程，假設(shè)路程為200km，假設(shè)用一輛負(fù)載系數(shù)為50%（因?yàn)榛爻淌强盏模┑?8噸卡車。并忽略諸如清洗零部件用的煤油之類的對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果的因素，因?yàn)闆](méi)有可以反復(fù)利用，消耗很少。

圖3 機(jī)械產(chǎn)品的一般加工過(guò)程

表1利用proe導(dǎo)出的實(shí)體的質(zhì)量，耗電量是機(jī)械加工師傅提供的參考數(shù)據(jù)：

表1 齒輪及齒輪軸配合中主要部件的相關(guān)參數(shù)

注：1.在計(jì)算各部件的質(zhì)量時(shí)采用鋼鐵密度為7.9*103kg/m3

3.2 環(huán)境影響因子

通過(guò)對(duì)每個(gè)工序排放的污染物進(jìn)行分析，主要存在以下環(huán)境影響因子，如表2所示。

表2 環(huán)境影響因子分析

3.3 目的和范圍的確定

以傳動(dòng)件齒輪和齒輪軸的簡(jiǎn)單配合為例，利用SimaPro軟件分析該配合的生命周期影響，在圖紙階段初步確定該配合中各部件的環(huán)境影響。根據(jù)所得結(jié)果的反饋信息，以達(dá)到識(shí)別改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)并確定優(yōu)先次序；在選定類型參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)不同的產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)能用其他方法為決策者提供補(bǔ)充性環(huán)境數(shù)據(jù)和信息的目的。從而提高對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境友好程度，并對(duì)經(jīng)濟(jì)效益提供一定的指導(dǎo)。

圖4 研究范圍和系統(tǒng)邊界

3.4 影響評(píng)價(jià)（默認(rèn)生態(tài)指標(biāo)99法）

生命周期影響評(píng)價(jià)有三個(gè)過(guò)程即分類、特征化和權(quán)重。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO14042《生命周期影響評(píng)價(jià)》中認(rèn)為，特征化是必須要求的，而標(biāo)準(zhǔn)化或權(quán)重是根據(jù)研究目的可選擇的內(nèi)容。

1）分類：影響類目是根據(jù)生命周期評(píng)價(jià)的范圍來(lái)確定的。污染物的排放對(duì)環(huán)境的影響有三大方面，即資源的影響、非生命生態(tài)系統(tǒng)的影響、人類健康和生態(tài)毒性的影響三種，具體影響類目分別納入相應(yīng)的類別。

2）特征化：特征化的目的是將某一個(gè)影響類目中的不同物質(zhì)轉(zhuǎn)化和匯總成為統(tǒng)一的單元。目前研究特征化的計(jì)算模式有很多種，我們?cè)趨⒄者@些方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究進(jìn)行一些探索，主要采用三種方式來(lái)進(jìn)行特征化。

（1）導(dǎo)入。直接采用清單分析的結(jié)果，或略作修訂。

（2）相關(guān)性系數(shù)。主要是通過(guò)對(duì)參照物的相關(guān)性權(quán)重進(jìn)行換算，對(duì)類似的物質(zhì)進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換。

（3）內(nèi)在的特性評(píng)分?；谇鍐螖?shù)量權(quán)重進(jìn)行評(píng)分，用于具有某些特殊效果的物質(zhì)。

不管是采用直接的清單分析數(shù)據(jù)還是經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換的影響類目，其目的都是使之更有意義和可比性。相關(guān)性的方法是使用相關(guān)性系數(shù)，其確定方式是用影響類目中的物質(zhì)與參照物之間的比較后測(cè)算出一個(gè)系數(shù)，從而計(jì)算整個(gè)影響類目的影響范圍。內(nèi)在特性評(píng)分法是在相關(guān)因子不存在或參照物不能被廣泛接受的時(shí)候，對(duì)不同物質(zhì)同樣數(shù)量的情況下的不同影響效果而言。評(píng)分意味著用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)來(lái)提供表達(dá)影響潛能的價(jià)值。內(nèi)在特性評(píng)分法主要用于人類健康和生態(tài)毒性的指標(biāo)類目中。

圖5 齒輪和齒輪軸簡(jiǎn)單配合的LCIA結(jié)果Ⅰ

圖5是齒輪和齒輪軸的簡(jiǎn)單配合的生命周期模型樹(shù)狀圖，其中截止值設(shè)置為5%。圖5顯示：大約49%的環(huán)境負(fù)載來(lái)自于齒輪軸，11.6%來(lái)自于齒輪，38.6%來(lái)自于左右端蓋。由于截止值的設(shè)置的原因，其他幾個(gè)部分，譬如軸承、鍵、軸套等零部件的環(huán)境載荷情況就沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)，但是并不是代表他們對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響。在顯示的三個(gè)部件中，給它們帶來(lái)環(huán)境負(fù)載的主要是原材料的使用，運(yùn)輸過(guò)程，以及加工生產(chǎn)過(guò)程中能源的消耗。圖6為該配合總體對(duì)各影響類型的影響的總和。

圖6 齒輪和齒輪軸簡(jiǎn)單配合的LCIA結(jié)果Ⅱ

3.5 結(jié)果分析

根據(jù)LCIA的基本原理及實(shí)施步驟，可在產(chǎn)品CAD階段，利用LCIA分析軟件SimaPro研究機(jī)械產(chǎn)品典型零部件的環(huán)境影響情況，分析主要環(huán)境影響環(huán)節(jié)，重新設(shè)計(jì)或修改已設(shè)計(jì)產(chǎn)品，改善零部件的綠色性能，從而提升產(chǎn)品的整體綠色環(huán)保特性。也可以進(jìn)一步節(jié)約成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。實(shí)施技術(shù)路線如圖7所示。

圖7 基于SimaPro機(jī)械產(chǎn)品LCIA分析的技術(shù)路線

4 結(jié)束語(yǔ)

LCA是一個(gè)復(fù)雜現(xiàn)實(shí)的模型，所有的模型都是對(duì)現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化也就是扭曲現(xiàn)實(shí)，所以我們?cè)诶蒙芷谠u(píng)價(jià)方法分析產(chǎn)品的環(huán)境影響的時(shí)候盡量減小這種扭曲程度。LCIA被認(rèn)為是LCA中技術(shù)含量最高、難度最大、同時(shí)也是發(fā)展最不完善的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。LCIA僅涉及目的和范圍中所識(shí)別的那些環(huán)境問(wèn)題，不是對(duì)所研究的產(chǎn)品系統(tǒng)的所有環(huán)境問(wèn)題的完整評(píng)價(jià)。利用SimaPro軟件對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境影響分析也是一個(gè)高深而艱難的主題，實(shí)難闡述完整。但是想到這是為各行各業(yè)打開(kāi)綠色大門，拋磚引玉，又鼓起勇氣。期待著各方賜教，共同獻(xiàn)身新世紀(jì)的綠色工程。

[1] GB/T 24042-200[S]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.

[2] http: / /www.pre.nl

[3] 17thCIRP international conference on life cycle engineering.fundamental theories,sustainable manufacturing:application technologies and nfeture development.

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