電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的重要領(lǐng)域探討

李　蕓　張明順　田　歡

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院/北京應(yīng)對氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地/北京電子廢物資源化國際科技合作基地，北京　100044)

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電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的重要領(lǐng)域探討

李蕓張明順田歡

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院/北京應(yīng)對氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地/北京電子廢物資源化國際科技合作基地，北京100044)

【摘要】本文采用定性分析法和文獻研究法，分析了電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的內(nèi)涵，并著重分析與討論了電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的三大重要領(lǐng)域：能源效率、材料效率和減少有毒有害物質(zhì)。研究表明，電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計將成為解決電子行業(yè)和電子廢物管理難題的重要途徑，而資源效率和減少有毒有害物質(zhì)的使用需要引起我們的重點關(guān)注。

【關(guān)鍵詞】電器電子產(chǎn)品；生態(tài)設(shè)計；產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計

我國工業(yè)化、城市化進程加快，“大量生產(chǎn)、大量消費、大量廢棄”時代已經(jīng)到來。從2005年起中國已經(jīng)進入家電更新?lián)Q代的高峰期。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2007年“四機一腦”保有量已達到14.92億臺，僅2009年銷售量達到1.75億臺。大量消費必將導(dǎo)致大量廢棄，根據(jù)中國家用電器協(xié)會推算：按電器產(chǎn)品的正常使用10～15年壽命期計算，全國僅“四機一腦”5種電器的報廢量已超過1.5億臺，加上其他類型的廢棄電器電子產(chǎn)品數(shù)量很龐大。因此，“電子垃圾”的規(guī)范化回收、資源化、無害化處理迫在眉睫，要想真正解決電子廢物管理的難題，電器電子產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計將是非常重要的解決途徑。電器電子產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計將為電子產(chǎn)品行業(yè)和固體廢物領(lǐng)域帶來革命性的變化，新的電子產(chǎn)品、廢物管理的最優(yōu)框架將形成[1]。

當(dāng)今，生態(tài)設(shè)計已經(jīng)成為設(shè)計活動的一個普遍要求。無一例外，電器電子產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計也要求低能耗，為了與發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的新政策保持一致，也要重視低(初級)材料消耗?，F(xiàn)在，資源效率是歐洲經(jīng)濟和環(huán)境議程的主要議題。資源效率包括兩大方面：能源效率和材料效率。能源效率是指在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的能源消耗效率，以注重產(chǎn)品的能效指標為分析依據(jù)，采用科學(xué)合理的試驗方法，綜合評價產(chǎn)品的能效指標，其目的是提高能源利用效率，從而減少溫室氣體的排放；材料利用效率是指產(chǎn)品在全生命周期內(nèi)的耗材效率，如產(chǎn)品的設(shè)計階段、生產(chǎn)階段、運輸階段的耗材，以注重材料的使用效率為分析依據(jù)，要求在保證產(chǎn)品的功能性、安全性、耐用性的基礎(chǔ)上，將減少材料消耗的理念融入產(chǎn)品設(shè)計之中，減少過度的材料浪費[2]。生態(tài)設(shè)計的核心理念就是降低環(huán)境影響，所以與其密切相關(guān)的領(lǐng)域無疑包括避免采用有毒有害物質(zhì)。

因此，電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計中能顯著降低對環(huán)境影響的三大領(lǐng)域是：能源效率、材料利用效率和避免采用有毒物質(zhì)。

1電器電子產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計概念

電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計是指在可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，按照全生命周期的理念，在電器電子產(chǎn)品的設(shè)計意識、設(shè)計定位及設(shè)計方法等問題上將生態(tài)意識、環(huán)境因素融入到整個設(shè)計理念中，即在電器電子產(chǎn)品生命周期內(nèi)(設(shè)計、制造、運輸、銷售、使用或消費、廢棄處理)，優(yōu)先考慮產(chǎn)品的資源環(huán)境屬性(可拆卸性、可回收性、可維護性、可重復(fù)利用性等)，通過改進設(shè)計將電子產(chǎn)品的環(huán)境影響降至最低，力求最大限度降低資源消耗、盡可能少用或不用含有毒有害物質(zhì)的原材料，減少污染物的產(chǎn)生和排放，從而實現(xiàn)環(huán)境保護的活動，并切實考慮到環(huán)境、人類健康和安全，最終引導(dǎo)產(chǎn)生一個更具有可持續(xù)性的生產(chǎn)和消費系統(tǒng)[2，4]。生態(tài)設(shè)計是改變“先污染后治理”的發(fā)展方式、實現(xiàn)污染防治的重要措施，是落實生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度的要求。

2電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的對比

電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計存在很大的不同。電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計不僅僅注重產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、市場要求、成本、安全要求，更加強調(diào)產(chǎn)品對環(huán)境的影響、對人體健康的影響以及產(chǎn)品本體、組件、材料與能源的多級循環(huán)利用，實現(xiàn)閉合循環(huán)的供應(yīng)鏈系統(tǒng)[5]，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟體系。兩者之間的區(qū)別見表1。

表1電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的比較[6，7，8]

3電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的重要領(lǐng)域

3.1能源效率

中國是全球最大的電器電子產(chǎn)品生產(chǎn)和消費國之一，每年制造、使用電器電子產(chǎn)品要消耗大量的能源與材料，同時其擁有量的迅速增長也加重了對環(huán)境的污染。因此，我國電器電子產(chǎn)品行業(yè)面臨的嚴峻問題是如何降低能源、(初級)材料的消耗，如何降低對環(huán)境的污染。世界各國都通過制定和實施能效標準、推廣能效標識制度來提高耗能產(chǎn)品的能源效率，促進節(jié)能技術(shù)進步，減少有害物質(zhì)的排放，進而保護環(huán)境。例如，歐盟2010年6月18日出臺了新能源標識框架指令，歐盟的能源標識體系進行了重大調(diào)整，新能源標識在原A～G等級基礎(chǔ)上增加了A+、A++、A+++三個更高等級，同時與指令配合推出了強制性能源標識制度，共同致力于降低電子產(chǎn)品的能耗；日本由于資源匱乏，石油、天然氣等一次能源幾乎完全依靠進口，所以日本高度重視電子產(chǎn)業(yè)的節(jié)能、高效、高附加值，大力開發(fā)節(jié)能技術(shù)、產(chǎn)品，積極推行節(jié)能措施，開展了“領(lǐng)跑者”計劃、強制性的電器零售商節(jié)能標簽計劃、自愿性節(jié)能標簽計劃、生態(tài)標志計劃、“能源之星”等節(jié)能計劃；中國于2005年開始實施《能源效率標識管理辦法》，并要求生產(chǎn)、銷售、進口的所有家用電冰箱和空調(diào)都要貼“中國能效標識”，而且最新強制性能效標識產(chǎn)品目錄中包含十種家用電器。所以，能效是當(dāng)前生態(tài)設(shè)計中非常重要的領(lǐng)域。

在電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的過程中，關(guān)于能源效率必須考慮電器電子產(chǎn)品類型、使用者感知等兩個方面。

電器電子產(chǎn)品在材料的選取與生產(chǎn)、分配和使用階段的能耗與碳足跡所占比重，主要取決于電器電子產(chǎn)品的類型(圖1)。如圖所示，高效節(jié)能電器電子產(chǎn)品的開發(fā)，其間接生產(chǎn)和使用階段的能耗與產(chǎn)品生命周期的直接使用階段能耗之間存在此消彼長的關(guān)系。一般高效節(jié)能產(chǎn)品在直接使用階段的能耗低，那么其在材料選取和生產(chǎn)階段的間接生產(chǎn)能耗和間接使用能耗比重就高，反之亦然。對某些電子產(chǎn)品來說，如熱水器或照明產(chǎn)品在使用階段的總能耗占產(chǎn)品總能耗(產(chǎn)品直接能耗和間接能耗相加)的90%[10]，在間接生產(chǎn)和間接使用階段的能耗只占10%；對于液晶電視，其直接使用階段能耗和材料選取與間接生產(chǎn)階段的能耗比為50%/50%；小型電子設(shè)備，如電動鉆、手機或數(shù)碼相機在生產(chǎn)階段的能耗占主導(dǎo)地位。電子產(chǎn)品的環(huán)境生命周期影響是趨于“使用型主導(dǎo)”還是趨于“材料與生產(chǎn)型主導(dǎo)”主要取決于制造過程中使用的大量材料、電子元件的比例、功率需量、使用頻率、產(chǎn)品壽命等五個因素。因此，對電器電子產(chǎn)品進行生態(tài)設(shè)計時要充分考慮其能耗與產(chǎn)品類型，再判斷如何設(shè)計才能使其能耗與碳足跡降至最低[11]。

與能源效率相關(guān)的另一重要因素是使用者感知。消費者對“實用”產(chǎn)品、“娛樂”產(chǎn)品和“動力”產(chǎn)品的能源使用認知不同。消費者愿意支付“實用”產(chǎn)品(電冰箱、洗衣機)的能源消耗，但對于“娛樂”產(chǎn)品群(電視、音響等)，其通常與低質(zhì)量相關(guān)，消費者不能接受預(yù)付其能源消耗?！皠恿Α碑a(chǎn)品(吸塵器、電動工具等)的性能一般認為與能源消耗有關(guān)，且功率越大代表性能越好。當(dāng)前市場需求、法律法規(guī)迫使生產(chǎn)商對重新產(chǎn)品進行生態(tài)設(shè)計與投資，通過技術(shù)改造實現(xiàn)較低的直接能源消耗，這對于消費者來說有很大益處(如平板液晶電視)。然而，激烈的市場競爭導(dǎo)致生產(chǎn)商幾乎無法收回其前期的設(shè)計和投資成本。有時較低的直接能耗甚至?xí)蔀橐粋€突破口迫使同類具有較高直接能耗的產(chǎn)品退出市場，如中小型等離子平板電視。因此，電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計要考慮使用者感知，只有消費者容易接受且愿意購買的產(chǎn)品才能實現(xiàn)其的環(huán)境和生態(tài)價值。

圖1　耗能產(chǎn)品在各個階段的能耗與碳足跡[12]

3.2材料效率[13]

材料本身特性對提高材料利用效率和降低材料的環(huán)境影響來說最重要。因此，材料應(yīng)用分析(材料類型、重量)是環(huán)境基準的重要組成部分。所使用材料(金屬、塑料、木材或者玻璃)類型與其表面光潔度對產(chǎn)品的所有“非物理”功能具有顯著影響。從這個角度來看，情感因素占主導(dǎo)地位。一般而言，消費者認為金屬比塑料擁有更好的“質(zhì)量”，而木材給人更“自然”、更環(huán)保的感覺。材料的回收再利用同樣也存在類似問題。一方面，消費者認為木材和塑料的質(zhì)量不高；另一方面，也代表更“良好的環(huán)境”，有利于回收再利用且有助于進一步降低產(chǎn)品價格。材料應(yīng)用分析作為環(huán)境基準必不可少的一部分，是電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的重要一步，有利于從源頭上降低產(chǎn)品的環(huán)境影響。環(huán)境基準也顯示了所謂的“實用設(shè)計帶寬”，即為了實現(xiàn)產(chǎn)品的一定功能，實際使用的材料組合種類的多少。通常塑料對環(huán)境的影響低于金屬。因此，從材料應(yīng)用角度出發(fā)，塑料是環(huán)境更友好的材料選擇(在能夠滿足產(chǎn)品物理功能的前提下)。但是，如果綜合考慮回收再利用階段、應(yīng)用階段，從回收角度出發(fā)，金屬比塑料更有利。然而，從環(huán)境角度來看，再生塑料更有利于降低環(huán)境影響，提高材料的利用效率，實現(xiàn)進行電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的目的。

3.3減少有毒有害物質(zhì)

許多電器電子設(shè)備中存在有毒有害物質(zhì)。材料和組件中的大多數(shù)潛在有毒物質(zhì)都具有特定的物理和化學(xué)功能。例如，材料中使用阻燃劑，可以滿足社會安全生產(chǎn)和生活的需要，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，確保安全；焊料中的電接頭中增加塑料添加劑以提高這些材料和鉻、鋅層的性能，防腐蝕。雖然這些物質(zhì)在環(huán)保問題上“非議”多端，但在實現(xiàn)某些特定功能方面卻必不可少；最典型的例子就是電容器中的電解質(zhì)[14]。電器電子產(chǎn)品中含有的某些化學(xué)物質(zhì)，若在回收處理過程中處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致一系列環(huán)境問題或影響人類健康的問題。只要電器電子產(chǎn)品不能完全循環(huán)回收再利用，就需要重視產(chǎn)品中化學(xué)物質(zhì)的種類與含量。當(dāng)電子廢物出口到我國在回收處理電子廢物的過程中，可能會釋放有毒物質(zhì)或副產(chǎn)物釋放。這就意味著在回收處理時，回收工人會暴露在電器電子產(chǎn)品所含有的有毒化學(xué)品中。燃燒廢料時，其所含的危險化學(xué)品，如塑料中的聚氯乙烯(PVC)和溴化阻燃劑(BFR)會釋放出具有劇毒性的二惡英。作為阻燃劑的還有三氧化二銻，是人類公認的致癌物質(zhì)；在回收處理電子廢物的過程中，工人長期暴露于含高濃度灰塵或煙霧的工作場所，會導(dǎo)致嚴重的皮膚問題或其他健康問題。電子廢物中含有的鈹和鈹化合物，也是公認的人類致癌物，在處理和回收過程中會釋放粉塵或煙霧，長期暴露于這些化學(xué)物質(zhì)中，可能會導(dǎo)致鈹過敏，嚴重的可能引起慢性鈹病[15]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)找到電器電子產(chǎn)品中某些潛在有毒物質(zhì)的替代物。例如，實踐中應(yīng)用的無鉛焊料和技術(shù)；具有阻燃功能的溴和氯的替代品；可充電電池中鎘的替代物；塑料染色著色劑的替代物等。所以研發(fā)有毒有害物質(zhì)的替代物，是設(shè)計師的一項重要任務(wù)。在某些情況下，如果沒有找到有毒有害物質(zhì)的替代品，設(shè)計師唯一能做的就是把該物質(zhì)的使用量限制在其物理或化學(xué)功能所要求的最小范圍內(nèi)。

對于設(shè)計師來說，在很多情況下，對于是否減少有毒有害物質(zhì)的決策并不明確。在這種情況下，以下方案(表2)將發(fā)揮作用：

表2　對化學(xué)物質(zhì)取舍所采用的設(shè)計決策檢查表[16]

4結(jié)論

迄今，生態(tài)設(shè)計政策的焦點是能源效率。而對材料利用效率的關(guān)注度不夠，仍處于起步階段。減少有毒有害物質(zhì)的使用也是新興的領(lǐng)域，應(yīng)繼續(xù)加強研究與實踐。

電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計要想獲得最好的成果，必須整體統(tǒng)籌產(chǎn)品所有領(lǐng)域的環(huán)境影響。此外，還要預(yù)評估每個領(lǐng)域與各個環(huán)節(jié)能夠減少環(huán)境影響的機會。在能源效率方面，已經(jīng)開發(fā)出許多節(jié)能高效措施，且技術(shù)開發(fā)仍將繼續(xù)。在材料效率方面，可以預(yù)見到很多新的發(fā)展機遇。目前，生態(tài)設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)新型生物基替代品。在某些情況下，很難避免使用有毒有害物質(zhì)，若不可能避免或減少有毒有害物質(zhì)的使用，循環(huán)回收設(shè)計就變得愈發(fā)重要?？傊茉葱?、材料效率和減少有毒有害物質(zhì)將是電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計非常重要的三大領(lǐng)域[7-23]。

解決方案與建議：①產(chǎn)品中不使用有毒有害原材料，盡可能選擇可循環(huán)、相容性好、可被生物降解的物質(zhì)與材料；②在產(chǎn)品設(shè)計和運輸階段，將能源和資源消耗最小化，提高能源與資源利用率；③使用模塊化設(shè)計、采用卡扣連接結(jié)構(gòu)，減少螺釘使用量；使用高質(zhì)量原材料以減小產(chǎn)品重量與體積；④在產(chǎn)品使用階段，提高能效，使資源消耗最小化，確保使用階段污染排放最?。虎萁档彤a(chǎn)品返修率，提高產(chǎn)品的可維修性、可翻新性、可循環(huán)再利用性等；⑥延長產(chǎn)品的使用壽命，增加結(jié)構(gòu)強度，結(jié)構(gòu)應(yīng)易于產(chǎn)品的維修與保養(yǎng)；⑦發(fā)現(xiàn)新材料、新技術(shù)，選擇節(jié)約材料、能源、資源的制造工藝技術(shù)；降低制造過程中“三廢”排放、降低噪聲；利用制造過程中產(chǎn)生的多余能量；⑧在產(chǎn)品設(shè)計階段，充分考慮設(shè)備升級、設(shè)備返修和設(shè)備回收等；材料結(jié)構(gòu)單一化，避免一次性使用的產(chǎn)品設(shè)計，采用易于零件替換的結(jié)構(gòu)；⑨在產(chǎn)品廢棄與回收利用階段，將材料分類回收、返修，便于用戶進行資源分類與回收；建立完善的回收系統(tǒng)，促使資源回收及循環(huán)再生；⑩盡可能減少使用連接材料，易于拆解與處理。

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作者簡介：李蕓，碩士，主要研究方向為歐盟環(huán)境規(guī)劃與管理；張明順，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為環(huán)境規(guī)劃與管理、電子廢棄物資源化利用等

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0116-04

Discuss on Most Relevant Areas for Eco-design ofElectricalandElectronicProducts

LI YunZHANG MingshunTian Huan

(School of Environment and Energy Engineering/Beijing International Cooperation Base for Science and Technology of ElectronicWasteResourceRecovery，BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044)

Abstract：This paper adopts qualitative analysis method and literature research method and summarizes the definition of Eco-design of EEE. Then the paper emphatically analyzes and evaluates the most relevant areas for eco-design of EEE，including energy efficiency，material efficiency and reduction of hazardous substances. Research shows that ecodesign of EEE will become an important way to solve the problem of electronic waste management. We should focus on resource efficiency and reduction of hazardous substances.

Keywords：Electrical and Electronic Products；Eco-design；Product Eco-design

項目資助：中國清潔發(fā)展機制贈款項目-北京市應(yīng)對氣候變化規(guī)劃思路研究(編號：1112015)；“應(yīng)對氣候變化”北京市研究與人才培養(yǎng)基地；北京市電子廢物資源化技術(shù)、標準與產(chǎn)業(yè)政策研究基地

引用文獻格式：李蕓等.電器電子產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的重要領(lǐng)域探討[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(4)：116-119.