面向生態(tài)設(shè)計的汽車生命周期數(shù)據(jù)庫的理論研究

鄭乃金 楊 潔

（①中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)資源中心，北京100176;②四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都 610207）

近年來，中國的汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。2011年我國 生產(chǎn)汽車1 841．6萬輛，同比上年增長0．8%;至2011年末，全國民用汽車保有量達到10 578萬輛，比上年末增長16．4%，其中私人汽車保有量7 872萬輛，增長20．4%［1］。汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在極大地促進我國社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，也因為其制造、使用、回收處置等過程中對資源能源的消耗和環(huán)境排放，從一定程度上限制了可持續(xù)社會的發(fā)展。此外，隨著國際上對產(chǎn)品環(huán)境性能的關(guān)注度日益提高，中國的汽車產(chǎn)業(yè)也將遇到新的國際綠色貿(mào)易壁壘的挑戰(zhàn)。在汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的同時，如何處理好汽車產(chǎn)業(yè)與環(huán)境保護的關(guān)系，減少汽車生產(chǎn)和消費過程對環(huán)境的影響，同時提高我國汽車產(chǎn)品的市場競爭力，實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展不僅是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不可忽視的問題，也是社會發(fā)展的重要關(guān)注點。

生態(tài)設(shè)計為汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了一個重要途徑。產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計［2］又稱“環(huán)境意識設(shè)計”、“綠色設(shè)計”或“環(huán)境化設(shè)計”，指為提高產(chǎn)品生命周期內(nèi)的環(huán)境績效，優(yōu)化產(chǎn)品的環(huán)境影響而將環(huán)境因素引入產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)的活動。生態(tài)設(shè)計已成為國際的潮流和趨勢。

1 汽車生態(tài)設(shè)計及其評價

汽車生態(tài)設(shè)計［3］是指將生態(tài)設(shè)計的理念融入到汽車的設(shè)計開發(fā)中去，在產(chǎn)品的開發(fā)階段綜合考慮汽車產(chǎn)品在全生命周期內(nèi)對生態(tài)環(huán)境的影響，設(shè)計出既對環(huán)境友好、同時又能滿足人們使用需求的新型汽車產(chǎn)品。生態(tài)設(shè)計是生命周期評價理論在實際工作中的一個重要應用。按照國家標準的定義，生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）［4－5］是指對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價。而生命周期則是指產(chǎn)品系統(tǒng)中前后銜接的一系列階段，從自然界或從自然資源中獲取原材料，直至最終處置。

為了滿足汽車生態(tài)設(shè)計的理念，首先就要在設(shè)計階段考慮到汽車生產(chǎn)過程中用到的原材料選擇等問題。因為隨著汽車的設(shè)計和生產(chǎn)過程的進行，防止污染的機會越來越少，而治理污染的代價也越來越大，所以要在汽車的設(shè)計階段就考慮其全生命周期的環(huán)境問題。生命周期評價很重要的一個應用就是進行材料選擇研究，就是對用途相同的材料進行生命周期評價研究，分析這些材料在全生命周期的環(huán)境特性，并比較其優(yōu)劣，以便在產(chǎn)品設(shè)計及開發(fā)時選擇那些環(huán)境負荷低的材料，降低產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境影響。對汽車企業(yè)來說，就需要了解其原材料如鋼材、鋁材、橡膠等的環(huán)境性能，以便其在產(chǎn)品設(shè)計中選用環(huán)境性能好的原材料，降低汽車全生命周期的環(huán)境負荷。將生命周期評價與汽車生態(tài)設(shè)計結(jié)合在一起，是實現(xiàn)汽車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計和汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

有了這個理念，究竟什么樣的汽車才符合生態(tài)設(shè)計概念，是真正的生態(tài)設(shè)計產(chǎn)品，就需要有一定的評價方法。汽車的生態(tài)設(shè)計涵蓋了全生命周期，所以從本質(zhì)上說，汽車的生態(tài)設(shè)計評價即為生命周期評價。

對汽車而言，其生命周期評價即對汽車從原材料生產(chǎn)、零部件生產(chǎn)、整車總裝到使用、廢棄回收處置整個生命周期階段的輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響進行的匯編和評價。收集汽車全生命周期各階段的能源資源消耗和環(huán)境排放數(shù)據(jù)，采用生命周期評價的相關(guān)計算方法，即可計算得到汽車整個生命周期的各種環(huán)境影響指標。對汽車產(chǎn)品而言，需根據(jù)汽車行業(yè)自身的特點和社會關(guān)注的熱點，選擇合適的環(huán)境影響指標。在得到汽車生命周期的各種環(huán)境影響指標后，根據(jù)不同影響類型的權(quán)重可得到單一的綜合生態(tài)設(shè)計指數(shù)，便于綜合評價產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計水平。

綜上所述，汽車的生態(tài)設(shè)計及其評價不僅涉及到汽車生產(chǎn)、使用和回收處置過程中的大量消耗和排放數(shù)據(jù)，還涉及到其原材料生產(chǎn)、零部件生產(chǎn)過程中的大量數(shù)據(jù)。一方面，企業(yè)需要上游原材料、零部件的數(shù)據(jù)為其生態(tài)設(shè)計選擇合適的原材料和零部件提供依據(jù)，另一方面也需要這些豐富的背景數(shù)據(jù)來為其最終的生態(tài)設(shè)計評價作支撐。故建立汽車生命周期數(shù)據(jù)庫是汽車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計及其評價工作開展的關(guān)鍵。

2 汽車生命周期數(shù)據(jù)庫的理論框架研究

生命周期數(shù)據(jù)庫是LCA評價中必不可少的一部分，LCA的分析與應用都十分依賴數(shù)據(jù)庫的支持。生命周期數(shù)據(jù)庫主要由各種單元（生產(chǎn)）過程的清單數(shù)據(jù)和相應產(chǎn)品的生命周期清單數(shù)據(jù)構(gòu)成。單元過程清單數(shù)據(jù)是在一個過程中生產(chǎn)單位數(shù)量產(chǎn)品所消耗的資源、原材料（含能源）及造成的環(huán)境排放數(shù)據(jù)（一般稱為gate－to－gate，“廠門到廠門”）;通過追溯這些原材料的上游生產(chǎn)過程直至資源開采階段，則可以得到這個產(chǎn)品從資源開采到產(chǎn)品出廠的生命周期模型，由此模型計算得到此產(chǎn)品相應的生命周期清單數(shù)據(jù)（一般稱為 cradle－to－ gate，“搖籃到廠門”）［6］。目前，國內(nèi)開發(fā)的生命周期數(shù)據(jù)庫主要是綜合性的生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包含工業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)原材料、能源等數(shù)據(jù)，如四川大學的CLCD（Chinese Life Cycle Database）數(shù)據(jù)庫和北京工業(yè)大學的MLCA（Materials Life Cycle Assessment）數(shù)據(jù)庫，而缺乏一些主要的行業(yè)數(shù)據(jù)庫。本文旨在建立針對汽車產(chǎn)品的行業(yè)生命周期數(shù)據(jù)庫，應用于汽車產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計評價。

2．1 需求分析

需求分析是建立數(shù)據(jù)庫的起始階段，也是關(guān)鍵階段。首先需明確數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)需求及功能需求。

（1）數(shù)據(jù)需求:為了得到產(chǎn)品的環(huán)境影響評價結(jié)果，需要3個方面的數(shù)據(jù)信息。一是產(chǎn)品生產(chǎn)過程的技術(shù)工藝數(shù)據(jù)，包括原材料、電力、水等的輸入和產(chǎn)品、廢氣等的輸出。二是相關(guān)的背景數(shù)據(jù)，包括原材料（如鋼材、鋁材、橡膠等）、基礎(chǔ)能源（如電力、燃油等）等的生命周期環(huán)境數(shù)據(jù)。三是評價方法相關(guān)計算因子數(shù)據(jù)，同樣的資源消耗和廢物排放在不同的環(huán)境中的影響程度不一樣，所以必須將產(chǎn)品生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)加上環(huán)境特征，即給出不同物質(zhì)的特征化因子和歸一化基準值;且在分析產(chǎn)品生產(chǎn)對環(huán)境影響的過程中，要得到一個綜合的單指數(shù)評價結(jié)果，需要對不同的影響類型予以區(qū)別，評判重要性，給出權(quán)重因子等［7］。

（2）功能需求:該數(shù)據(jù)庫的建立很重要的一個目的是幫助企業(yè)更好地進行生態(tài)設(shè)計，因此數(shù)據(jù)庫要實現(xiàn)對各種原材料、零部件的生命周期環(huán)境負荷信息及汽車全生命周期環(huán)境負荷數(shù)據(jù)的快速檢索，滿足企業(yè)的查詢需求。此外，從汽車生態(tài)設(shè)計評價的角度而言，生產(chǎn)過程的實際輸入輸出數(shù)據(jù)對整個評價的真實性和準確性至關(guān)重要，翔實、可靠且充分的數(shù)據(jù)是準確評價汽車產(chǎn)品全生命周期環(huán)境影響的基礎(chǔ)［8］，也是積累汽車產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進行生態(tài)設(shè)計評價的關(guān)鍵支撐，因此數(shù)據(jù)庫還應具有一定的數(shù)據(jù)采集功能。

2．2 理論框架

基于需求分析階段的成果，結(jié)合國際上通用的生命周期評價過程和方法，設(shè)計汽車的生命周期數(shù)據(jù)庫理論框架主要應包括兩大部分:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和功能模塊?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫不僅應包括材料、產(chǎn)品的環(huán)境負荷信息，同時還應包括評價方法的相關(guān)信息。功能模塊則應包括數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)采集?？傮w框架［9］如圖 1。

3 數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容

3．1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

如圖1所示，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中4大部分之間是相輔相成的，背景數(shù)據(jù)庫和基準參考庫分別用來存儲基礎(chǔ)原材料、能源和汽車產(chǎn)品的環(huán)境負荷信息，而這些環(huán)境負荷信息都是依據(jù)評價方法庫和基礎(chǔ)物質(zhì)庫中的指標體系和物質(zhì)屬性確定的。

3．1．1 背景數(shù)據(jù)庫

背景數(shù)據(jù)庫主要存儲汽車產(chǎn)品相關(guān)原材料、基礎(chǔ)能源及生命周期各階段的環(huán)境負荷信息。

（1）原材料及基礎(chǔ)能源數(shù)據(jù)庫:該數(shù)據(jù)庫主要存儲汽車產(chǎn)品生產(chǎn)、使用等過程中所使用的原材料和基礎(chǔ)能源的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)，原材料主要包括鋼材、鋁材、鑄鐵、塑料、橡膠和玻璃等?；A(chǔ)能源則主要是電力、汽油、柴油、煤炭等。該數(shù)據(jù)庫主要采用相關(guān)行業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，其環(huán)境負荷數(shù)據(jù)應為原材料、能源產(chǎn)品從資源開采至產(chǎn)品出廠的生命周期環(huán)境負荷數(shù)據(jù)。此外，在存儲這些環(huán)境負荷數(shù)據(jù)的同時，還需描述其相關(guān)信息，包括產(chǎn)品代表性、技術(shù)代表性、地理代表性、功能單位、系統(tǒng)邊界、環(huán)境影響類型等，這是由LCA數(shù)據(jù)的復雜性和地域性等特點決定的。（2）零部件數(shù)據(jù)庫:該數(shù)據(jù)庫主要描述汽車產(chǎn)品相關(guān)零部件（如發(fā)動機懸置、進氣歧管、前翼子板等）生產(chǎn)過程的資源能源消耗和環(huán)境影響。與功能模塊的數(shù)據(jù)采集功能相結(jié)合，通過采集相關(guān)零部件生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中的能耗和水耗建立零部件數(shù)據(jù)庫。（3）使用:使用階段的數(shù)據(jù)主要包括汽車運行的燃油消耗及環(huán)境排放，環(huán)境排放主要涉及二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、顆粒物等。使用階段的數(shù)據(jù)采用檢測報告等數(shù)據(jù)。

3．1．2 評價方法庫

評價方法庫主要存儲評價方法及對應評價指標體系數(shù)據(jù)，包括所選擇的環(huán)境影響類型指標、特征化因子、歸一化基準值和權(quán)重因子等。目前國際上廣泛使用的有Eco－indicator99、CML、EPS等評價方法及指標體系。國內(nèi)也有研究將國外的一些評價指標因子進行本地化，如四川大學基于廣泛采用的CML方法中的非生物資源消耗因子，通過引用中國的資源自給率進行本地化修正，得到了中國非生物資源消耗因子及其指標［10］;北京工業(yè)大學則選擇Eco－indicator99和CML方法中的資源耗竭特征化模型，結(jié)合中國的資源特征，對2種模型中的重要參數(shù)進行修正，計算得到了中國礦產(chǎn)資源耗竭的特征化因子集［11］。數(shù)據(jù)庫實際建立時可根據(jù)實際數(shù)據(jù)庫的需求選擇合適的評價方法和指標體系數(shù)據(jù)。

3．1．3 基礎(chǔ)物質(zhì)庫

基礎(chǔ)物質(zhì)庫存儲整個數(shù)據(jù)庫體系中所用物質(zhì)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)。它將產(chǎn)品生命周期內(nèi)消耗和排放的各種物質(zhì)按資源消耗、能源消耗、空氣排放、水體排放和土壤排放進行分類，存儲全生命周期過程中各種物質(zhì)的屬性。

3．1．4 基準參考庫

基準參考庫則是在收集汽車行業(yè)生態(tài)設(shè)計平均水平之后建立的數(shù)據(jù)庫，作為生態(tài)設(shè)計評價的基準數(shù)據(jù)庫，為生態(tài)設(shè)計評價提供基準參考值。基準參考庫的建立是個復雜而長期的過程，需要汽車行業(yè)的眾多企業(yè)參與，收集不同企業(yè)、不同類型汽車的生命周期相關(guān)數(shù)據(jù)，最終得到我國汽車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的平均水平，作為生態(tài)設(shè)計評價的基準值。

基準庫中的數(shù)據(jù)涵蓋汽車產(chǎn)品從原材料生產(chǎn)、零部件生產(chǎn)、整車總裝、使用直至回收處置全生命周期的資源能源消耗和環(huán)境影響。與以往對汽車產(chǎn)品的評價相比，評價范圍更全面，數(shù)據(jù)信息更充分。

3．2 功能模塊

功能模塊主要是數(shù)據(jù)庫應用功能的實現(xiàn)，是數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)最終應用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)需求分析的成果，數(shù)據(jù)庫應主要實現(xiàn)以下2個功能:（1）數(shù)據(jù)查詢:主要用于企業(yè)進行汽車相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括原材料、零部件、基礎(chǔ)能源及汽車生態(tài)設(shè)計基準信息的查詢。企業(yè)通過查詢功能可以為其進行產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計及其評價提供量化的理論依據(jù)。（2）數(shù)據(jù)采集:主要用于促進企業(yè)和數(shù)據(jù)庫開發(fā)者的有效融合，通過采集企業(yè)真實數(shù)據(jù)不斷擴充數(shù)據(jù)庫，在擴展數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的同時提高數(shù)據(jù)庫的真實性和準確性。此功能需設(shè)計合理的數(shù)據(jù)采集表，全面準確地收集汽車零部件生產(chǎn)、整車總裝及回收處置階段的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)庫應用

4．1 幫助企業(yè)實現(xiàn)綠色供應鏈管理及產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計

選擇環(huán)境性能好的材料是實現(xiàn)汽車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的關(guān)鍵。產(chǎn)品的材料選用處于產(chǎn)品全生命周期的前端，是實現(xiàn)汽車產(chǎn)品全生命周期設(shè)計的基礎(chǔ)，不僅影響汽車的制造，而且會影響汽車的銷售、使用、維修、回收處理等環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)庫中收集汽車產(chǎn)品的大量原材料的生命周期環(huán)境負荷數(shù)據(jù)，便于汽車企業(yè)查詢原材料的環(huán)境性能相關(guān)數(shù)據(jù)，將節(jié)約能源和保護環(huán)境等因素納入到產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程之中，在保證汽車產(chǎn)品功能、質(zhì)量和安全性能的基礎(chǔ)上，盡可能地選擇環(huán)境性能好的原材料，不僅可以實現(xiàn)企業(yè)的綠色供應鏈管理，也可從源頭上實現(xiàn)汽車產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計。

4．2 支持企業(yè)的形象提升及市場宣傳

汽車生命周期數(shù)據(jù)庫的建立，可為汽車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計評價提供大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使生態(tài)設(shè)計評價有量化的依據(jù)可循，實施上更具操作性;且量化的評價結(jié)果不僅可以用于企業(yè)社會責任報告發(fā)布，提升企業(yè)的社會形象，在消費者日益關(guān)注產(chǎn)品環(huán)境性能的趨勢下，也更有利于產(chǎn)品的市場宣傳和推廣。此外，數(shù)據(jù)庫還可以用于計算汽車企業(yè)的碳排放情況，為企業(yè)之間的碳交易提供量化的數(shù)據(jù)支持，為企業(yè)帶來額外的收益。

4．3 支持政府的政策制定和行業(yè)管理，推進節(jié)能減排

汽車生命周期數(shù)據(jù)庫收集國內(nèi)大量汽車企業(yè)的全生命周期環(huán)境數(shù)據(jù)，有助于明確我國汽車行業(yè)的生態(tài)設(shè)計現(xiàn)狀水平，為政府制定相關(guān)的行業(yè)政策提供理論依據(jù)。而基于數(shù)據(jù)庫建立起來的生態(tài)設(shè)計評價流程使得汽車產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計評價得以真正實施，可以加強政府對汽車產(chǎn)品的行業(yè)管理。此外，企業(yè)基于數(shù)據(jù)庫進行生態(tài)設(shè)計評價可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中需要改進的機會點，不斷改進生態(tài)設(shè)計，推進節(jié)能減排。

5 結(jié)語

在資源能源危機日益嚴重、環(huán)境問題日益惡化的今天，可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為全球的共識。汽車的生態(tài)設(shè)計及其評價為汽車產(chǎn)業(yè)緩和自身發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾提供了一個重要途徑。汽車生命周期數(shù)據(jù)庫則為生態(tài)設(shè)計評價提供了量化的數(shù)據(jù)支撐，能夠有力地促進汽車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的發(fā)展，從而促進汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

［1］國家統(tǒng)計局．2011年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報［EB/OL］，http://www．gov．cn/gzdt/2012－ 02/22/content_2073982．htm．2012－02－22．

［2］GB/T24256－2009產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計通則［S］．

［3］李名林．汽車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法與評價指標體系探討［J］．汽車科技，2007（1）:32－35．

［4］GB/T24040－2008環(huán)境管理生命周期評價原則與框架［S］．

［5］GB/T24044－2008環(huán)境管理生命周期評價要求與指南［S］．

［6］劉夏璐，王洪濤，陳建，等．中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫的建立方法與基礎(chǔ)模型［J］．環(huán)境科學學報，2010，30（10）:2136－2144．

［7］張曉輝．鋼鐵材料環(huán)境協(xié)調(diào)性數(shù)據(jù)庫研究［D］．北京:北京工業(yè)大學，2003．

［8］張群．材料生命周期分析網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的研究與開發(fā)［D］．北京:北京工業(yè)大學，2009．

［9］龔先政，聶祚仁，王志宏．典型材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評價數(shù)據(jù)庫框架的研究［J］．武漢理工大學學報，2004，26（3）:12－14．

［10］侯萍，王洪濤，朱永光，等．中國資源能源稀缺度因子及其在LCA中的應用［J］．自然資源學報，2012（9）．

［11］聶祚仁，高峰，陳文娟，等．材料生命周期的評價研究［J］．材料導報，2009，23（7）:1－6．