基于多層級(jí)數(shù)據(jù)分配的機(jī)床生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

馬 艷，李方義，王黎明，王 耿

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

中國(guó)是全球機(jī)械制造業(yè)大國(guó)，機(jī)床保有量世界第一[1]。機(jī)床作為裝備制造業(yè)的“工作母機(jī)”是基礎(chǔ)制造能力構(gòu)成的核心，金屬切削機(jī)床是我國(guó)使用最廣泛、數(shù)量最多的機(jī)床。金屬切削機(jī)床從產(chǎn)品材料、設(shè)計(jì)、制造、使用到報(bào)廢的整個(gè)生命周期過(guò)程涉及到大量的資源能源消耗和環(huán)境排放，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，影響人類健康和生態(tài)安全[2]。因此，如何定量評(píng)價(jià)機(jī)床生命周期的環(huán)境排放，對(duì)機(jī)床制造業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色化轉(zhuǎn)變具有重要的理論支撐意義。

近年來(lái)，不少學(xué)者研究了機(jī)床生命周期過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響。時(shí)麗君等[3]基于生命周期評(píng)價(jià)理論，建立了機(jī)床切削單元的能耗、物耗及環(huán)境排放模型。曹華軍等[2]基于生命周期評(píng)價(jià)原理提出一種機(jī)床生命周期碳排放評(píng)估方法。宋勝利[4]對(duì)機(jī)床產(chǎn)品全生命周期碳排放特征、量化分析方法以及碳效率評(píng)估方法進(jìn)行了研究。Cao等[5]從固定碳排放與可變碳排放兩方面針對(duì)機(jī)床分析了其生命周期碳排放特征。李聰波等[6]建立了一種基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)主線和生命周期主線的機(jī)床行業(yè)綠色制造運(yùn)行模式。以上學(xué)者多針對(duì)機(jī)床的加工單元、碳排放特征、綠色制造運(yùn)行模式等方面展開研究，未針對(duì)生命周期的清單數(shù)據(jù)獲取與環(huán)境排放進(jìn)行研究。

生命周期評(píng)估(Life Cycle Assessment，LCA)是研究機(jī)床在其整個(gè)生命周期中對(duì)環(huán)境影響最有利的工具，已被廣泛應(yīng)用。生命周期清單的構(gòu)建是生命周期評(píng)價(jià)中最重要的階段，主要涉及生命周期清單數(shù)據(jù)收集和對(duì)象建模[7]，但生命周期清單分析存在著數(shù)據(jù)收集困難，無(wú)法直接應(yīng)用獲取的數(shù)據(jù)的問(wèn)題[8]，并且在產(chǎn)品的生命周期過(guò)程中，輸入和輸出往往不是單一的，而是包括一種或者多種，此時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分配[9]。

江志蘭[10]闡述了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多、使用壽命較長(zhǎng)、回收率較高的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)收集工作更為耗時(shí)費(fèi)力，分析了產(chǎn)品生命周期各階段數(shù)據(jù)收集內(nèi)容與獲取方法，數(shù)據(jù)獲取方法主要為數(shù)據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研、企業(yè)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)等方法。Tao等[11]提出一種基于元模型的面向LCA的產(chǎn)品生命周期相關(guān)數(shù)據(jù)檢索與集成方法。Kellens等[12]闡述了生命周期清單獲取數(shù)據(jù)方法有篩選方法和深入方法。Yin等[13]建立了一個(gè)通用的單元過(guò)程模型，收集了具有代表性的所需材料生產(chǎn)廠家的各種前景數(shù)據(jù)，并采用逐級(jí)計(jì)算的方法及蒙特卡羅模擬得到所需材料的清單數(shù)據(jù)。王壽兵[14]提出了復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品制造階段生命周期清單分析數(shù)據(jù)的獲取方法，主要包括數(shù)據(jù)收集的人員安排、產(chǎn)品系統(tǒng)邊界確定、面向數(shù)據(jù)收集的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)查收集表格、數(shù)據(jù)調(diào)查收集方法、數(shù)據(jù)處理方法等。Hong等[15]采用泰勒級(jí)數(shù)展開式的方法評(píng)估了生命周期清單分析和影響評(píng)價(jià)中的不確定性。羅宇等[16]分析了垃圾焚燒處理生命周期清單中多產(chǎn)品系統(tǒng)存在的分配問(wèn)題，以及垃圾焚燒處理系統(tǒng)的組成，以《GB/T 24044 環(huán)境管理—生命周期評(píng)價(jià)要求與指南》分配原則為準(zhǔn)則，詳細(xì)探討了其影響因素，并從熱電轉(zhuǎn)化率、價(jià)格因素、所在地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響、環(huán)境產(chǎn)業(yè)政策的影響等多角度分析和研究垃圾焚燒處理系統(tǒng)環(huán)境負(fù)荷分配情況。Hill等[17]使用經(jīng)濟(jì)方法解決主要產(chǎn)品的分配問(wèn)題，同時(shí)使用基于能量的方法解決了系統(tǒng)中副產(chǎn)品的分配問(wèn)題。Mendoza等[18]用質(zhì)量、能源、經(jīng)濟(jì)價(jià)值等多種分配方法研究生物電的生產(chǎn)鏈，指出在優(yōu)先考慮一致性的情況下，基于物理關(guān)系的分配方法是首要選擇，但是以經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)或者系統(tǒng)擴(kuò)張的辦法更有效，盡管可能會(huì)受到數(shù)據(jù)不足的影響。Finnveden等[19]指出數(shù)據(jù)的分配問(wèn)題是LCA 中最具爭(zhēng)議的問(wèn)題之一，但沒(méi)有統(tǒng)一的分配方法。根據(jù)ISO給出的分配標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在數(shù)據(jù)分配方法有市場(chǎng)價(jià)格分配法、能量分配法和質(zhì)量分配法等[20]。而機(jī)床產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多種的復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品，其生產(chǎn)過(guò)程包含多種原材料，有鑄造、機(jī)加工等多種工藝，有單件小批量、成批生產(chǎn)、大量生產(chǎn)、混合生產(chǎn)等多種生產(chǎn)方式，其清單數(shù)據(jù)更是涉及多個(gè)功能單元或過(guò)程，獲取的數(shù)據(jù)來(lái)自不同層級(jí)且異構(gòu)多源，無(wú)法直接應(yīng)用于生命周期評(píng)價(jià)，因此，如何將獲取的多個(gè)功能單元或過(guò)程共同作用的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析得到直接應(yīng)用于機(jī)床環(huán)境影響評(píng)估的數(shù)據(jù)，具有較高的工程價(jià)值。

綜上所述，本文開展了基于多層級(jí)數(shù)據(jù)分配的機(jī)床生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究。基于產(chǎn)品生命周期原理，提出了產(chǎn)品生命周期清單數(shù)據(jù)多層級(jí)分配方法，分析并評(píng)價(jià)了機(jī)床在整個(gè)生命周期過(guò)程中所涉及的環(huán)境影響排放，并將該方法應(yīng)用于金屬切削機(jī)床的環(huán)境分析與量化評(píng)估，驗(yàn)證了該方法的有效性與實(shí)用性。

1 機(jī)床產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)

產(chǎn)品生命周期是指產(chǎn)品從原材料提取、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品使用與報(bào)廢回收處理的整個(gè)過(guò)程。LCA 是以開發(fā)利用環(huán)境負(fù)荷最小的產(chǎn)品為目的，是產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中對(duì)社會(huì)和環(huán)境影響的評(píng)估方法[21]。

LCA起源于1969年美國(guó)中西部研究所對(duì)可口可樂(lè)飲料容器從原材料采掘到廢棄物最終處理的全過(guò)程進(jìn)行的跟蹤與定量分析的研究，1993年國(guó)際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會(huì)提出了LCA 系統(tǒng)性的詳細(xì)定義。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織提出了《ISO 14040:2006環(huán)境管理—生命周期評(píng)估——原則和框架》，確定了LCA4個(gè)步驟的技術(shù)框架:目標(biāo)和范圍定義、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋[22]，如圖1所示。

1.1 目標(biāo)和范圍定義

本文的研究目的是分析和評(píng)價(jià)機(jī)床在整個(gè)生命周期過(guò)程中所涉及的環(huán)境影響排放。金屬切削機(jī)床產(chǎn)品生命周期包括原材料獲取階段、制造階段(包括機(jī)加工、熱處理、零部件涂裝、裝配、整機(jī)涂裝)、運(yùn)輸階段、使用階段、回收處理階段等5個(gè)生命周期階段。本文只對(duì)機(jī)床的以上生命周期階段進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估，其物理特性(如穩(wěn)定性、所受載荷)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等不在本文研究范圍之內(nèi)。機(jī)床產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界的劃分如圖2所示。

1.2 清單分析

清單分析是確定、量化原材料和能量輸入、氣體排放、水污染、固體廢棄物及產(chǎn)品生命周期其他階段的輸入和輸出。清單分析包括建立模型與收集數(shù)據(jù)、計(jì)算清單等步驟，所依據(jù)的數(shù)據(jù)是產(chǎn)品在全生命周期的能源和原材料需求，以及廢物的環(huán)境排放。該分析評(píng)估貫穿產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，從原材料的提取開始，以產(chǎn)品的最終消耗和處理結(jié)束[23]。

1.2.1 基于多層級(jí)數(shù)據(jù)分配的生命周期清單獲取模型

清單分析獲得的數(shù)據(jù)往往不是某個(gè)功能單元或過(guò)程產(chǎn)生的，而是多個(gè)功能單元或過(guò)程共同作用的結(jié)果。因此，研究某個(gè)具體單元和過(guò)程，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)分配。例如制造階段三廢的排放量往往是按整個(gè)企業(yè)或車間的形式記錄的，對(duì)于這些數(shù)據(jù)必須將其折算、分配到各個(gè)功能單元和過(guò)程中。數(shù)據(jù)分配工作很困難，通常有兩種方法:①完善數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)，在重要的功能單元或過(guò)程中設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)備，避免不必要的數(shù)據(jù)分配;②利用質(zhì)量守恒定律和能量守恒定理以及專家知識(shí)，對(duì)各功能單元或過(guò)程進(jìn)行評(píng)估，完成數(shù)據(jù)分配?！禛B/T 24044 環(huán)境管理—生命周期評(píng)價(jià)要求與指南》中對(duì)于分配以及分配程序進(jìn)行了概述:分配應(yīng)根據(jù)明確規(guī)定的程序?qū)⑤斎胼敵龇峙涞讲煌漠a(chǎn)品中，并與分配程序一并作出書面說(shuō)明。

針對(duì)上述現(xiàn)象，本文根據(jù)收集數(shù)據(jù)時(shí)面向?qū)ο蟮牟煌?，將?shù)據(jù)由低層級(jí)到高層級(jí)劃分為零件層數(shù)據(jù)、車間層數(shù)據(jù)、企業(yè)層數(shù)據(jù)。零件層數(shù)據(jù)是面向零件收集的數(shù)據(jù);車間層數(shù)據(jù)是面向車間收集的數(shù)據(jù);企業(yè)層數(shù)據(jù)是面向企業(yè)收集的數(shù)據(jù)。利用質(zhì)量守恒定律和能量守恒定理，建立了多層級(jí)數(shù)據(jù)分配方法，主要應(yīng)用于原材料獲取階段、制造階段、運(yùn)輸階段、廢棄回收階段。因?yàn)槭褂秒A段的數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)際測(cè)試，所以需要將原材料獲取階段、制造階段、運(yùn)輸階段、廢棄回收階段的數(shù)據(jù)與不同層級(jí)的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，如圖3所示。基于多層級(jí)數(shù)據(jù)分配方法，建立了面向多層級(jí)的生命周期清單獲取模型，根據(jù)收集數(shù)據(jù)時(shí)面向?qū)ο蟮膶蛹?jí)不同，以及應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)面向?qū)ο蟮膶蛹?jí)不同，研究高層級(jí)與低層級(jí)數(shù)據(jù)間的關(guān)系，低層級(jí)數(shù)據(jù)難以獲得時(shí)，采用將高層級(jí)數(shù)據(jù)以按質(zhì)量、按成本、按產(chǎn)量等物理量的分配方法傳遞給低層級(jí)單元，獲得機(jī)床產(chǎn)品生命周期清單數(shù)據(jù)，應(yīng)用于生命周期評(píng)價(jià)。

(1)面向零件層的數(shù)據(jù)分配模型

面對(duì)零件層進(jìn)行數(shù)據(jù)收集時(shí)，可從原材料階段主要零部件BOM 表獲得主要零部件清單數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)采集獲取加工過(guò)程每個(gè)工序時(shí)間t，加工設(shè)備額定功率P，建立工時(shí)模型，求得零件層的電能消耗。

式中:E為該零件加工過(guò)程中的消耗電能(單位:kWh)，Pi為加工第i個(gè)零件的加工設(shè)備額定功率(單位:kW)，ti為第i個(gè)零件在此加工設(shè)備上的加工時(shí)間(單位:h)。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取機(jī)床零部件加工過(guò)程中某種輔助物料的消耗量M、每個(gè)零部件的加工時(shí)間T、零部件加工總時(shí)間Tmax，建立物料模型求得零件層的物料消耗。

式中:mls為第l個(gè)零部件加工過(guò)程中第s種輔助物料的消耗量(單位:kg);Ms為第s種輔助物料的總消耗量(單位:kg)，T為零部件加工總時(shí)間(單位:h);T為單個(gè)零部件加工時(shí)間(單位:min);k為比例系數(shù)，如當(dāng)Ms為天然氣時(shí)，k=1。

面向零件層的數(shù)據(jù)分配模型主要應(yīng)用于原材料獲取階段，因?yàn)樵牧想A段清單數(shù)據(jù)主要來(lái)源于主要零部件BOM 表與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研機(jī)床零部件生產(chǎn)過(guò)程中獲取的數(shù)據(jù)。

(2)面向車間層的數(shù)據(jù)分配模型

產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)品零件制造離散、周期長(zhǎng)、工藝鏈復(fù)雜。為使企業(yè)制造功能配置優(yōu)化，一些制造車間工藝位置布局集中(如鑄造)，而一些制造車間工藝布局多樣(如熱處理、機(jī)加工等)，這使車間的生產(chǎn)消耗和環(huán)境排放特性都變得十分復(fù)雜，數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算難度大大增加。不但采集的數(shù)據(jù)異構(gòu)多源，并且采集的數(shù)據(jù)來(lái)自于不同層級(jí)，難以直接應(yīng)用于生命周期評(píng)價(jià)。因而，獲得的數(shù)據(jù)為車間層數(shù)據(jù)時(shí)，需要將車間數(shù)據(jù)分配到零件層。

產(chǎn)品制造過(guò)程中的輸入輸出是隨著系統(tǒng)所提供的產(chǎn)品或功能中的量而變化，可采用能反映它們之間相應(yīng)物理關(guān)系的分配方法。本文按零部件的質(zhì)量或產(chǎn)量將獲取的車間層數(shù)據(jù)分配到零件層數(shù)據(jù)。

1)按質(zhì)量分配數(shù)據(jù)模型。

一般情況下，零部件質(zhì)量是影響生產(chǎn)中輸入輸出最直接的物理量。建立按質(zhì)量分配模型如下:

式中:X為E或W或G，mi為第i類零件的質(zhì)量(單位:kg)，ni為第i類零件的數(shù)量，·ni為某車間生產(chǎn)的零件總質(zhì)量(單位:kg)。當(dāng)X=E時(shí)，Ei為生產(chǎn)第i類零件消耗的電能(單位:kWh)，E為某車間消耗的電能(單位:kWh);當(dāng)X=W時(shí)，Wi為生產(chǎn)第i類零件消耗水的用量(單位:m3)，W為某車間消耗水的用量(單位:m3);當(dāng)X=G時(shí)，Gi為生產(chǎn)第i類零件消耗天然氣的用量(單位:m3)，G為某車間天然氣的用量(單位:m3)。

2)按產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)模型。

一些車間生產(chǎn)零部件的材料組成多樣，各種材質(zhì)材料的獲取或生產(chǎn)方式可能存在很大差異，僅靠零件的質(zhì)量很難反映其在環(huán)境屬性上的特征，因此很難按質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)分配。這時(shí)可采用按產(chǎn)品產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)。建立按產(chǎn)量分配模型如下:

式中:X=E或W或G，i為第i類機(jī)床，j為第i類產(chǎn)品的第j類零件，為某車間生產(chǎn)第i類機(jī)床的第j類零件的總產(chǎn)量(單位:件)，Q為某車間生產(chǎn)的零件總產(chǎn)量(單位:件)。當(dāng)X=E時(shí)，Eij為某車間生產(chǎn)第i類機(jī)床的第j類零件消耗的電能(單位:k Wh)，E為某車間消耗的電能(單位:k Wh);當(dāng)X=W時(shí)，Wij為某車間生產(chǎn)第i類機(jī)床的第j類零件消耗水的用量(單位:m3)，W為某車間水的用量(單位:m3);當(dāng)X=G時(shí)，Gij為某車間生產(chǎn)第i類機(jī)床的第j類零件消耗天然氣的用量(單位:m3)，G為某車間天然氣的用量(單位:m3)。

面向車間層的數(shù)據(jù)分配模型主要應(yīng)用于制造階段，因?yàn)橹圃祀A段的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于機(jī)加工車間、熱處理車間、涂裝車間及裝配車間的統(tǒng)計(jì)報(bào)表與車間數(shù)據(jù)的調(diào)研。針對(duì)不同制造車間的特點(diǎn)，采用不同的分配模型，如機(jī)加工車間的零件多，零件工藝種類多且含有外協(xié)件，主要為大批量生產(chǎn)，因此采用按產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)模型，先將數(shù)據(jù)分配到自用件，再分配到評(píng)價(jià)零件;熱處理車間使用的物料種類復(fù)雜多樣，主要為單件生產(chǎn)或成批生產(chǎn)，與熱處理的工件的質(zhì)量關(guān)聯(lián)大，故采用按質(zhì)量分配數(shù)據(jù)模型;涂裝車間零件較多、使用的物料種類也較多，存在單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)、大批量生產(chǎn)多種生產(chǎn)方式，故采用按質(zhì)量分配數(shù)據(jù)模型與按產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)模型均可;裝配車間零部件較多，基本不使用其他物料或極少，故采用按產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)模型。

(3)面向企業(yè)層的數(shù)據(jù)分配模型

當(dāng)收集的數(shù)據(jù)為企業(yè)層數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)閷⑵髽I(yè)層數(shù)據(jù)分配至零件層時(shí)，過(guò)程影響因素過(guò)多，容易造成數(shù)據(jù)失真，所以將企業(yè)層數(shù)據(jù)分配到車間層數(shù)據(jù)，即獲取由零部件裝配成的機(jī)床的數(shù)據(jù)，也可直接應(yīng)用于機(jī)床評(píng)價(jià)。

此時(shí)，當(dāng)無(wú)法建立單純的物理關(guān)系，也無(wú)法用來(lái)作為分配基礎(chǔ)時(shí)，宜以反映它們之間其他關(guān)系的方式將輸入在產(chǎn)品或功能間進(jìn)行分配。例如，可以根據(jù)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值按比例將輸入輸出數(shù)據(jù)分配到共生產(chǎn)品中。選取“產(chǎn)值比例”作為分配的比例，即產(chǎn)值越大的產(chǎn)品，其分配比例就越大，并將單臺(tái)機(jī)床的價(jià)格看做單臺(tái)機(jī)床的產(chǎn)值。建立成本分配模型如下:

式中:X為E或W或G，Ci為第i臺(tái)機(jī)床生產(chǎn)的成本(元)，Qi為第i臺(tái)機(jī)床的年生產(chǎn)量，Ci·Qi為車間生產(chǎn)消耗的總成本(單位:元)。當(dāng)X=E時(shí)，Ei為生產(chǎn)第i臺(tái)機(jī)床消耗的電能(單位:k Wh)，Es為車間消耗的電能(單位:kWh);當(dāng)X=W時(shí)，Wi為生產(chǎn)第i臺(tái)機(jī)床消耗水的用量(單位:m3)，Ws為車間消耗水的用量(單位:m3);當(dāng)X=G時(shí)，Gi為生產(chǎn)第i臺(tái)機(jī)床消耗天然氣的用量(單位:m3)，Gs為車間消耗天然氣的用量(單位:m3)。

面向企業(yè)層的數(shù)據(jù)分配主要應(yīng)用于運(yùn)輸階段與廢棄處理階段，因?yàn)檫\(yùn)輸階段是企業(yè)統(tǒng)一選擇產(chǎn)品的運(yùn)輸方式與運(yùn)輸設(shè)備，廢棄回收處理階段是企業(yè)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)一的回收處理，當(dāng)可以直接獲取評(píng)估產(chǎn)品的運(yùn)輸數(shù)據(jù)與廢棄處理數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)分配。

結(jié)合實(shí)際調(diào)研情況，該典型機(jī)床評(píng)價(jià)過(guò)程中，制造階段需采用基于多層級(jí)數(shù)據(jù)分配的生命周期清單獲取模型將各車間的水電氣進(jìn)行分配，如表1所示。

表1 金屬切削機(jī)床各車間水電氣的消耗量

(4)數(shù)據(jù)分配后的整合

經(jīng)多層級(jí)數(shù)據(jù)分配后，獲得n臺(tái)機(jī)床的數(shù)據(jù)。需將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，獲得單臺(tái)機(jī)床的數(shù)據(jù)，整合公式如下:

式中:xi為ei或wi或gi，Xin為Ein或Win或Gin，n為該機(jī)床的年產(chǎn)量。當(dāng)xi=ei、Xin=Ein時(shí)，ei為生產(chǎn)單臺(tái)機(jī)床的i車間消耗的電能(單位:kWh)，Ein為生產(chǎn)該類機(jī)床的i車間消耗的電能(單位:kWh);當(dāng)xi=wi、Xin為Win時(shí)，wi為生產(chǎn)單臺(tái)機(jī)床的i車間消耗水的用量(單位:m3)，Win為生產(chǎn)該類機(jī)床的i車間消耗水的用量(單位:m3);當(dāng)xi=gi、Xin=Gin時(shí)，gi為生產(chǎn)單臺(tái)機(jī)床的i車間消耗天然氣的用量(單位:m3)，Gin為生產(chǎn)該類機(jī)床的i車間消耗天然氣的用量(單位:m3)。

經(jīng)整合計(jì)算后，獲得制造階段過(guò)程中單臺(tái)機(jī)床各車間水電氣的消耗量，如表2所示。

表2 分配后單臺(tái)機(jī)床各車間水電氣的消耗量

1.2.2 基于產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響排放清單量化模型

根據(jù)產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)邊界的劃分，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，環(huán)境影響排放的貢獻(xiàn)分為5個(gè)階段:原材料獲取階段、制造階段、運(yùn)輸階段、使用階段、廢棄回收處理階段。

產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響排放評(píng)估公式如下:

式中:i為第i種材料，j為第j種環(huán)境影響類型，EIE(j)為機(jī)床產(chǎn)品的整個(gè)生命周期的第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)1為原材料獲取階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)2為制造階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)3為運(yùn)輸階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)4為使用階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)5為回收處理階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值。

(1)原材料獲取階段環(huán)境影響量化模型

原材料獲取階段是產(chǎn)品生命周期的第一個(gè)階段，該階段主要是為了獲取后續(xù)階段所需材料。鑄鐵、鋼材、鋁材、銅材是機(jī)床生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的主要物質(zhì)，其余材料如絕緣材料、有機(jī)玻璃、耐油橡膠、毛氈等非金屬材料用量占比極小，本文暫不考慮。涉及到的標(biāo)準(zhǔn)件如軸承、螺栓等同樣不予考慮。因而本階段只考慮材料對(duì)于環(huán)境影響的排放。公式如下:

式中:EIE(j)1為原材料階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值，M1i為第i類原材料的質(zhì)量(kg)，EF(j)1i為第i種材料第j種的環(huán)境排放因子。

(2)制造階段環(huán)境影響量化模型

制造階段是產(chǎn)品由原材料到零部件再到整機(jī)的過(guò)程。主要經(jīng)歷毛坯件制造階段、零件機(jī)加工階段、零件熱處理階段、零部件裝配階段、產(chǎn)品涂裝階段等階段，其中資源能源消耗及水資源消耗按照車間全年用量分配，相應(yīng)的排放輸出根據(jù)輸入物質(zhì)按公式間接計(jì)算得出。評(píng)價(jià)公式如下:

式中:EIE(j)2為制造階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;PCm為制造加工階段的耗電量，PCa為裝配階段的耗電量，EF(j)e為電能的第j種的環(huán)境排放因子，M2i為第i種材料消耗量(單位:kg)，EF(j)2i為第i種材料的第j種的環(huán)境排放因子。

(3)運(yùn)輸階段環(huán)境影響量化模型

運(yùn)輸階段包含原材料獲取地到生產(chǎn)地的運(yùn)輸、生產(chǎn)地到銷售地的運(yùn)輸、銷售地到回收地的運(yùn)輸，因銷售地到使用者的距離較前三者比較后影響甚微，故暫不考慮。庫(kù)存階段的數(shù)據(jù)難以收集，且影響低于1%[24]，暫不考慮。評(píng)價(jià)公式如下:

式中:EIE(j)3為運(yùn)輸階段的第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;M3i為第i類運(yùn)輸對(duì)象的質(zhì)量(單位:kg);L3p為采用第p種運(yùn)輸方式下的運(yùn)輸距離(單位:km);EF(j)3p為第p類運(yùn)輸方式的環(huán)境排放因子。

(4)使用階段環(huán)境影響量化模型

使用階段即為產(chǎn)品正式服役時(shí)期，主要是電能消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響排放。評(píng)價(jià)公式如下:

式中:EIE(j)4為使用階段的第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;PCu為使用階段每天平均的耗電量;Tw為平均運(yùn)行時(shí)間(年，平均使用壽命);EF(j)e為電能的第j種的環(huán)境排放因子。

(5)廢棄回收處理階段環(huán)境影響量化模型

報(bào)廢回收處理階段考慮回收材料類型，回收方式及設(shè)備類型，資源能源消耗及廢棄物排放。

式中:EIE(j)5為廢棄回收處理階段的第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;PCd為回收處理階段的耗電量;EF(j)e為電能第j種的環(huán)境排放因子;M5i為第i類材料消耗量(單位:kg);EF(j)5i為第i種材料的第j種的環(huán)境排放因子;M5k為第k類材料回收量(單位:kg);EF(j)5k為第k種材料的第j種的環(huán)境排放因子，回收材料可以減少該材料制取過(guò)程中的環(huán)境影響排放故為負(fù)排放。

影響因子為量化單位活動(dòng)中環(huán)境影響物質(zhì)(如氣體)的排放量的系數(shù)，即計(jì)算資源能源的排放時(shí)使用的因子。主要來(lái)源于軟件數(shù)據(jù)庫(kù)[25-28]，環(huán)境影響因子如表3所示。

表3 環(huán)境影響排放因子 kg

續(xù)表3

選取某類金屬切削機(jī)床作為案例進(jìn)行驗(yàn)證分析。數(shù)據(jù)可通過(guò)企業(yè)調(diào)研、采樣監(jiān)測(cè)、上游廠家提供、數(shù)據(jù)庫(kù)、文獻(xiàn)等途徑進(jìn)行收集。通過(guò)基于多層級(jí)數(shù)據(jù)分配的生命周期清單獲取模型及基于產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響排放清單量化模型獲取清單數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 金屬切削機(jī)床生命周期清單數(shù)據(jù)

1.3 影響評(píng)價(jià)

1.3.1 生命周期評(píng)價(jià)指標(biāo)建立及環(huán)境影響分類

根據(jù)金屬切削機(jī)床生產(chǎn)實(shí)際情況，建立適用于機(jī)床環(huán)境評(píng)價(jià)的7類生命周期評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4所示。機(jī)床產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)的影響類型有:金屬資源消耗、水資源消耗、化石能源消耗、氣候變化、酸化影響、水體富營(yíng)養(yǎng)化、可吸入無(wú)機(jī)物等7個(gè)方面將清單分析結(jié)果劃分到所選的影響類型，分別對(duì)應(yīng)金屬資源消耗潛值(Abiotic Depletion Potential，ADP)、水資源消耗量(Water Resource Consumption，WRC)、化石能源消耗量(Fossil Energy Consumption，F(xiàn)EC)、全球變暖影響潛值(Global Warming Potential，GWP)、酸化影響潛值(Acidification Potential，AP)、水體富營(yíng)養(yǎng)化影響潛值(Eutrophication Potential，EP)、可吸入無(wú)機(jī)物影響潛值(Respiratory Inorganics，RI)7個(gè)生態(tài)環(huán)境影響類型，以便更清晰地顯現(xiàn)與該結(jié)果相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題。

1.3.2 特征化

由于不同的物質(zhì)可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生相同的影響，但其影響程度上存在差異。而且每種物質(zhì)存在的比例大不相同，有些存在極其微量的物質(zhì)，對(duì)環(huán)境的影響卻是巨大的，而有些存在量非常大的物質(zhì)，其對(duì)環(huán)境的影響程度微乎其微。這就需要將清單結(jié)果中的不同物質(zhì)對(duì)同一影響類型的潛在影響進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即特征化。特征化包括下列兩個(gè)計(jì)算步驟:

(1)選擇并使用特征化因子將已歸類的生命周期清單結(jié)果換算為同一單位。

(2)將轉(zhuǎn)換后的生命周期清單結(jié)果進(jìn)行合并，形成類型參數(shù)結(jié)果。

式中:Ci為影響類型i的特征化結(jié)果，mj為環(huán)境負(fù)荷因子j的清單結(jié)果，Qij為環(huán)境負(fù)荷因子j對(duì)影響類型i的特征化因子。

結(jié)合表4、表5[27]計(jì)算單臺(tái)金屬切削機(jī)床生命周期環(huán)境影響排放，得到機(jī)床環(huán)境影響評(píng)價(jià)特征化結(jié)果如表6和圖5所示。

表5 特征化因子

表6 單臺(tái)金屬切削機(jī)床生命周期環(huán)境影響排放特征化結(jié)果

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化的目的是對(duì)各種環(huán)境影響類型的相對(duì)大小提供一個(gè)可比較的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程主要是建立標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)。它通過(guò)一個(gè)選定的基準(zhǔn)值作除數(shù)對(duì)影響類型參數(shù)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化。標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如表7所示。

ISO14042建議的基準(zhǔn)值如:

(1)特定范圍內(nèi)(如全球、區(qū)域或局地)排放總量或資源消耗總量;

(2)特定范圍內(nèi)的人均(或類似均值)排放總量或資源消耗總量;

(3)基線情景，如特定的備選產(chǎn)品系統(tǒng)參數(shù)結(jié)果計(jì)算值;

式中:Ni為影響類型i的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，Ci為影響類型i的特征化結(jié)果，Ri為影響類型i的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值。

表7 單臺(tái)金屬切削機(jī)床生命周期環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

1.4 結(jié)果解釋與討論

1.4.1 金屬切削機(jī)床環(huán)境影響分析

從金屬切削機(jī)床生命周期環(huán)境影響特征化結(jié)果(如表6和圖5)中可以看出，金屬切削機(jī)床生命周期原材料獲取階段化石能源消耗值、導(dǎo)致氣候變化排放值及金屬資源消耗值較大，因?yàn)樵牧想A段的材料物種多消耗大。使用階段化石能源消耗值與導(dǎo)致氣候變化排放值較大，因?yàn)槭褂秒A段主要消耗電能，且產(chǎn)生較多的溫室氣體的排放。

從金屬切削機(jī)床生命周期環(huán)境影響排放標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果(如表7和圖6)中可以看出，該金屬切削機(jī)床全生命周期金屬資源消耗相對(duì)影響最大，其次化石能源的消耗、氣候變化與酸化的相對(duì)影響也較大，水資源消耗、水體富營(yíng)養(yǎng)化與可吸入無(wú)機(jī)物的相對(duì)影響較小。

由金屬切削機(jī)床生命周期環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，得出金屬資源消耗相對(duì)影響最大。因?yàn)闄C(jī)床的零部件主要是鑄鐵材料，且機(jī)床的大型零部件，如床身等消耗的材料均為鑄鐵材料，床身鑄鐵材料占比約為金屬材料的30%。因此，可采取輕量化設(shè)計(jì)或材料替代等措施來(lái)減少金屬資源的消耗。有大量學(xué)者進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)的研究，則本文主要針對(duì)材料替代來(lái)開展，研究由礦物材料來(lái)替代金屬材料進(jìn)行床身等主要大型零部件的制造。

分析表8可知，礦物床身替代鑄鐵床身減少了3 960 kg Fe eq/kg金屬資源消耗，降低率為29.93%，且礦物床身的資源消耗的相對(duì)影響小于鑄鐵床身。因此，本文的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)機(jī)床降低環(huán)境影響有指導(dǎo)意義。

表8 不同床身材料資源消耗量及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

1.4.2 敏感性分析

敏感性分析是指研究制約評(píng)價(jià)指標(biāo)的有關(guān)因素在特定條件下發(fā)生變化時(shí)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響程度的系統(tǒng)分析方法。機(jī)床全生命周期是一個(gè)巨大復(fù)雜的系統(tǒng)，針對(duì)機(jī)床生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)行敏感性分析時(shí)，采用單因素敏感性分析方法。單因素敏感性分析是假定在同一時(shí)間只有一個(gè)不確定性因素發(fā)生變化，其他因素不變，每次分析這個(gè)因素的變化對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響大小的方法。由圖5可知，化石能源消耗值最大，因此，針對(duì)金屬切削機(jī)床的化石能源排放進(jìn)行敏感性分析。

(1)煤電比例

我國(guó)電力結(jié)構(gòu)以煤電為主導(dǎo)，本文調(diào)研機(jī)床電力結(jié)構(gòu)也為煤電，我國(guó)還有風(fēng)電、水電等，煤電比例指的是使用電力結(jié)構(gòu)中煤電的占比。煤電電力的比例會(huì)影響機(jī)床化石能源消耗情況。因而，分析煤電比例對(duì)機(jī)床化石能源消耗的影響，如圖7所示?？梢钥闯觯瑱C(jī)床化石能源消耗與煤電比例基本呈線性關(guān)系。當(dāng)煤電比例為零時(shí)，機(jī)床化石能源消耗減少了約111886.44kg Coal-Req./kg，總體降低約76.68%。

(2)材料

金屬切削機(jī)床的主要原材料為鑄鐵材料，其中機(jī)床床身約占鑄鐵材料的30%，現(xiàn)將床身的鑄鐵材料更換為礦物材料，不同的材料進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)會(huì)消耗不同的電能，進(jìn)而影響機(jī)床化石能源消耗的情況。分析材料對(duì)機(jī)床化石能源消耗的影響，如圖8所示，可以看出礦物床身代替鑄鐵床身化石能源減少了4.260 kg Coal-Req./kg，總體降低約47.11%。

綜上所述，化石能源消耗量對(duì)于煤電比例變化產(chǎn)生的減少值大且降低率高，從而發(fā)現(xiàn)化石能源消耗對(duì)于煤電比例的敏感度高，因?yàn)闄C(jī)床在使用階段消耗大量的電能，電能主要是煤電，煤電生產(chǎn)的過(guò)程中會(huì)消耗大量的化石能源。

1.5 說(shuō)明與驗(yàn)證

下面選取機(jī)床主要零部件床身進(jìn)行驗(yàn)證。本文主要針對(duì)制造階段進(jìn)行數(shù)據(jù)分配方法的應(yīng)用。選取制造階段的電能消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，比較追蹤床身制造階段實(shí)時(shí)獲取的電能消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響與采用數(shù)據(jù)分配方法獲取的電能消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響，如表9所示。

表9 測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)與分配數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)的比較

由表9可知，測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)與分配數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)的環(huán)境影響類型的數(shù)值相差較小，除可吸入無(wú)機(jī)物因影響數(shù)值較小導(dǎo)致的誤差偏大，其他環(huán)境影響類型誤差絕對(duì)值均低于10%。分配方法的正確性與評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性是可以保障。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了基于多層級(jí)數(shù)據(jù)分配的生命周期清單獲取模型和基于產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響排放清單量化模型，進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立及環(huán)境影響分類，解決了采集的多層級(jí)數(shù)據(jù)異構(gòu)多源，難以直接應(yīng)用于生命周期評(píng)價(jià)的問(wèn)題，該方法適用于各類機(jī)床產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)。結(jié)合實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行了金屬切削機(jī)床的環(huán)境影響評(píng)價(jià)，并輸出評(píng)價(jià)結(jié)果。該金屬切削機(jī)床生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果由大到小依次為:金屬資源消耗、化石能源能耗、氣候變化、酸化影響，水體富營(yíng)養(yǎng)化、水資源消耗、可吸入無(wú)機(jī)物。為減少金屬資源消耗，應(yīng)多考慮復(fù)合材料、綠色材料來(lái)替代金屬材料的使用，來(lái)降低金屬資源消耗量;為節(jié)約能源消耗，可開發(fā)應(yīng)用新能源，也可設(shè)計(jì)節(jié)能機(jī)床或?qū)C(jī)床進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化;為減少氣候變化影響排放，應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)降低產(chǎn)品生產(chǎn)中的溫室氣體排放，為減少酸化影響，應(yīng)將燃燒用煤炭進(jìn)行脫硫處理。在后續(xù)研究中，將針對(duì)具體環(huán)境影響類型展開優(yōu)化研究，降低機(jī)床產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響。