基于生命周期評價的生態(tài)設計方法

陳世杰， 劉志峰， 蔣建平

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.浙江省標準化研究院，浙江 杭州 310006）

基于生命周期評價的生態(tài)設計方法

陳世杰1， 劉志峰1， 蔣建平2

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.浙江省標準化研究院，浙江 杭州 310006）

文章主要針對QFDE的三、四階段方法的不足進行改進，從生命周期評價方法中的環(huán)境影響類型出發(fā)，突破傳統QFDE只注重定性和權重分配的思維模式，尋找改善產品環(huán)保特性的途徑。該方法采用了環(huán)境因素的定量化與產品的自身特性及生產流程特點的定性化相結合的思路，可以有效地改善產品的環(huán)保特性，達到相應的環(huán)保標準要求，是一種符合邏輯的生態(tài)設計方法，實例證明了其有效性。

生態(tài)設計；QFDE方法；生命周期評價；環(huán)境因素

0 引 言

近年來，國際社會不斷地提高低碳、節(jié)能的環(huán)保要求，企業(yè)面臨的是如何實現產品的環(huán)保特性又能降低成本這一雙重問題，這一問題的解決主要依賴于產品在設計階段生態(tài)特性和經濟性的權衡和優(yōu)化。

本文主要從生命周期評價結果中的環(huán)境影響因素方面，對 QFDE［1－3］方法的不足進行改進。該方法分為4個階段，第1、第2階段與通用的質量機能展開QFD方法［4－7］的前2階段模式相同；第3階段通過權重分配，確定環(huán)境影響最大的零部件后，構建與工藝特征相關的質量屋，完成產品的零部件和工藝流程設計，再將產品制造過程資源環(huán)境特性評價方法引入到QFDE第3階段，用以選取其中環(huán)境影響最大的工藝特征，并導入第4階段進行生產過程控制的質量展開，以保證在整個產品制造過程中都考慮到環(huán)境要求，如圖1所示。

上述生態(tài)設計方法中存在著一定的不足，環(huán)境影響最大的零部件以及關鍵工藝的環(huán)境影響評價不能簡單地通過權重分配來確定，僅僅通過權重分配是達不到預期的環(huán)境目標值的。

本文通過對產品生命周期評價結果中環(huán)境影響因素的定性和定量分析，尋求產品和生產工藝的生態(tài)特性改進方法，如圖2所示。

圖1 QFDE流程圖

圖2 基于生命周期評價的生態(tài)設計

1 生命周期評價步驟

目前，國際上普遍認可的生態(tài)環(huán)境影響評價指標是基于生命周期評價方法［8］（LCA）建立起來的。該方法首先確定研究目的與研究界限范圍；其次建立系統物質流和能量流的清單，清單的主要任務就是搜集相關數據，這是LCA的基礎；最后進行影響評價，包括將清單分析中得到的數據劃歸到不同的影響類型，并進行特征化描述，以及量化、標準化，確定不同環(huán)境影響類型的權重，最終得到環(huán)境影響負荷大小和資源消耗系數，如圖3所示。

圖3 生命周期評價的一般步驟

根據不同生命周期評價指標，如EI99、CML2001、EDIP 97等，可以建立起相應的生態(tài)環(huán)境因素，如全球變暖、臭氧層破壞、酸化潛力及富營養(yǎng)化等，而且還能得出相應環(huán)境因素的影響值。

2 基于生命周期評價的生態(tài)設計方法

節(jié)能降耗往往都有一定的指標參數，對于一個已經批量化生產的產品和成熟的工藝流程，如何減少能耗對于企業(yè)來說是個難題。本文從生命周期評價結果出發(fā)，對產品自身的特性和生產工藝流程特點進行生態(tài)研究，從而優(yōu)化產品，使產品更加符合環(huán)保要求。

目前，產品的生態(tài)環(huán)境影響值（LCA評價結果）可以利用軟件（如GaBi等）計算得到。根據節(jié)能降耗的具體指標，對產品的特性和生產工藝流程特點進行分析，找出可以改善產品環(huán)保特性的最佳路徑。

2.1 產品特性

從環(huán)保方面來說，產品的特性可以歸結到產品的材料和體積2個方面。材料是組成產品的基礎，從生命周期角度出發(fā)，各種原材料經過一系列的物理、化學工藝過程，形成最終產品，而每種原材料的生產、運輸過程對環(huán)境產生的影響大小也不同。為了達到環(huán)保指標，可以從對環(huán)境影響較大的原材料種類考慮，通過減少原材料用量、改進原材料的成分配比或者用相對環(huán)保材料代替等方法，達到產品的環(huán)保要求。例如，國際上近年來越來越多采用鋁芯作為電線電纜的導體，鋁芯生產工藝比銅芯生產工藝簡單，能耗和污染排放少，而且鋁資源比銅資源豐富、價格便宜，這就是利用材料代替的方法達到環(huán)保要求。

體積的改變方法主要是通過形狀改變及結構優(yōu)化。形狀改變主要是減少原材料的使用量，結構的優(yōu)化是減少材料種類以及方便產品的拆卸和維修。

例如，大多數液晶顯示器的外殼采用的是卡殼連接，而不是以往的螺栓連接，既減少了材料種類又方便拆卸，從而通過結構優(yōu)化達到環(huán)保要求。

2.2 生產工藝流程特點

在產品生產過程中，涉及環(huán)境影響的主要有“三耗”、材料轉化率及廢料的回收利用。

“三耗”通常指的是耗電、耗液、耗氣，企業(yè)可以通過技術手段改進和設備更新達到降低“三耗”要求。例如，通過實際調研發(fā)現，某節(jié)能燈生產企業(yè)生產流程中耗電量最大的環(huán)節(jié)是老化檢測階段。檢測時間一般是在0.5h以上，按1只燈泡功率10W計算，每次檢測200個，1次檢測的耗電量大約為1kW·h，1條檢測流水線1d大約要耗費10kW·h電左右，已超過了其他生產環(huán)節(jié)。該企業(yè)為了節(jié)能降耗，正在改進電壓沖擊手段，使節(jié)能燈的老化檢測在保證質量的前提下，短時間內就能完成。

材料轉化率從側面反映出工藝水平的高低，理想狀態(tài)是1∶1，但實際生產總是投入大于產出，投入產出比越大表明材料的浪費程度越嚴重，這與生產技術手段和設備效率相關。對于企業(yè)而言，提高原材料的轉化率，不僅可以降低浪費程度，又可以節(jié)約成本。

“三廢”是指廢液、廢氣、廢料。很多企業(yè)為了節(jié)約成本，沒有采取相關回收處理裝置，直接將其排放到外界環(huán)境中，不僅污染環(huán)境，也嚴重影響員工的人身安全。正確的做法應該是一方面減少“三廢”的排放量，另一方面加強對“三廢”的回收集中處理。

2.3 設計步驟

（1）針對擬定的具體指標對現有產品進行全生命周期評價，將評價結果分別歸到產品特性和生產工藝2個大類。

（2）找出產品特性和生產工藝中對環(huán)境指標具有顯著影響的方面。產品特性可以從原材料和體積兩方面進行考慮；生產工藝可以從“三耗”、材料轉化率、“三廢”方面考慮。

（3）找出產品中對環(huán)境指標影響較大的材料。在不改變產品特性的前提下，首先考慮能否降低其使用量；其次考慮能否通過某種物理或化學途徑改善該材料的自身性能，降低其對環(huán)境的污染（如有毒、有害物質的替代）；最后嘗試用某種更加環(huán)保的材料替代，該材料的環(huán)境影響值也由LCA方法計算得出。

（4）針對環(huán)境影響較大的材料，可以考慮如何減小其體積（即減少材料的使用量）而不改變產品的性能；對產品進行可拆卸性分析，盡量優(yōu)化產品結構，能夠方便回收產品中的有用部分。

（5）綜合步驟（3）和步驟（4），選出幾組備案，對每組備案進行生產工藝流程特點分析。

（6）生產過程中“三耗”的大小、材料轉化率的高低、“三廢”排放的多少基本是由非人為因素和人為因素決定的。對于非人為因素，首先考慮如何改進制作工藝；其次淘汰舊設備，采用效率高、能耗小的設備進行生產；最后增加一些密閉裝置回收“三廢”。對于人為因素，則要對員工的操作技能進行培訓，加大環(huán)保知識的宣傳。

（7）將每組備案的最終環(huán)境影響值和環(huán)保指標進行比對，并結合價格、工廠實際情況等因素，選出最佳方案。

（8）如果步驟（5）無法實現，則對原產品的生產工藝流程特點，按步驟（6）進行分析，通過改進原產品的工藝特點達到環(huán)保指標。

3 實例驗證

某試點電線電纜企業(yè)擬降低碳排放量35%，以此作為環(huán)保指標，其他環(huán)境因素如酸化影響、臭氧消耗、光化學污染等作為輔助參考，并以CO2作為計算當量因子，選取銅芯交聯聚乙烯電纜為改進對象。

選擇YJV22－8.7／10kV、3×70mm2作為研究對象，具體結構示意如圖4所示。

圖4 電纜結構示意圖

按照生態(tài)設計方法，首先考慮該型號電纜的自身特性，主要結構為銅芯導體、交聯聚乙烯絕緣層、聚乙烯護套。其中，銅芯制造全過程中碳排放量為8 627kg，交聯聚乙烯制造全過程碳排放量為3 824.5kg，聚乙烯制造全過程碳排放量為1 706.5kg。由于電線電纜的截面尺寸是有國家標準的，因此采用減少原材料使用量途徑不可取，故利用原材料替代方法。

目前，電線電纜常用的導體線芯材料有銅芯、鋁芯、貴金屬銀及合金材料，考慮成本和電阻率，最后選擇與原銅芯電纜具有相近載流量的鋁芯作為導體（截面積3×120mm2），比銅芯電纜截面積大2個規(guī)格，符合實際生產情況，見表1所列。

選擇乙丙橡膠絕緣層作為代替方案，各性能參數與原型號交聯聚乙烯參數相近。碳排放及其他環(huán)境影響參數見表2所列。

表1 銅、鋁線芯相同截面積載流量

表2 2種方案環(huán)境污染排放參數

由表2可以看出，與碳排放相比，酸化物質、臭氧消耗和光化學污染的排放量很小，而且國家目前關注更多的是減少碳排放，因此選取碳排放作為主要評價標準［9］，方案2比方案1碳排放量降低了56.4%，決定采納方案2。

由于確定采用鋁芯導體，考慮用實心代替絞合制成線芯，省去了拉線、絞線等工序，省工、省料，導體外徑最小，與絕緣的結合較好。另外，從實際調研情況來看，絕緣層和護套的擠出工序中存在原材料浪費嚴重現象，這是因為原材料以顆粒形式被吸入到擠出設備中，而存放原材料顆粒的容器（鐵桶）是開放式的，吸管也是直接插入容器中，員工在加料過程中很容易散落原料顆粒，設備停止后取出吸管時，殘留在吸管內的原料顆粒也容易滑落吸管外。

考慮將容器入口處做成漏斗狀，擴大入口面積；在容器底部將吸管和容器做成可拆式連接，設備停止時可以不用將吸管取出，這2種做法都可以減少原料顆粒的外泄，降低投入產出比。此外，絕緣層和護套層擠出時會有少量廢氣（H2S、HCL、Cl2）排出，因此可以加裝通風裝置，將廢氣收集統一處理。碳排放參數見表3所列。

由表3可知，方案1碳排放量合計7 308kg，方案2碳排放量合計5 664.1kg，改進后的方案2比方案1碳排放量降低了22.5%，采納方案2。

企業(yè)通過產品和工藝流程的改進后，對新產品和原產品的碳排放量進行比較，見表4所列。由表4可知，碳排放減少了45.67%。

表3 2種方案工藝特性碳排放參數

表4 新、舊產品碳排放量比較 kg

由上述結果可知，企業(yè)擬定的碳排放量指標已經達到，但是這并不代表鋁芯電纜可以完全代替銅芯電纜，鋁的熔點、抗拉強度、彈性模量、延展性、柔韌度、相同截面積的載流量以及抗腐蝕性能都不如銅，所以，在某些特殊場合還應使用銅芯電纜（如高溫、礦井中等）；對于電力電纜，大部分情況下，可以用鋁芯電纜代替銅芯電纜，從而達到節(jié)能減排的目的。

4 結束語

本文在傳統QFDE生態(tài)設計方法上，提出了基于生命周期評價的生態(tài)設計方法。針對具體的節(jié)能減排指標，通過分析產品特性和生產工藝流程特點找出最佳改進方案，使其達到節(jié)能減排指標。本文更側重于對已知產品進行生態(tài)特性的改進，該方法可以有效地幫助設計人員通過定性和定量化的分析解決環(huán)保問題。

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Method of eco－design based on life cycle assessment

CHEN Shi－jie1， LIU Zhi－feng1， JIANG Jian－ping2

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Zhejiang Institute of Standardization，Hangzhou 310006，China）

In order to overcome the shortcoming of the quality function deployment for environment（QFDE）method at the third and the fourth levels and break through the traditional QFDE’s concentration on qualitative and weight distribution method，the way of improving the eco－environmental characteristics of the product is searched from the point of view of environmental factors of life cycle assessment.An ecological method is proposed in which the quantification of environmental factors is integrated with the qualitative identification of the product properties and the production process characteristics.The method can effectively improve the ecoenvironmental characteristics of the product，so as to meet the corresponding environmental protection standards.It is logical and effective.An example is presented.

eco－design；quality function deployment for environment（QFDE）method；life cycle assessment；environmental factor

TH122

A

1003－5060（2012）11－1456－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.005

2012－04－09；

2012－07－06

陳世杰（1987－），男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學碩士生；

劉志峰（1963－），男，陜西寶雞人，博士，合肥工業(yè)大學教授，博士生導師.

（責任編輯 呂 杰）