绿色设计的理论初探

景华荣　徐亚勇

摘 要：绿色设计着重考虑产品环境属性（能耗低、污染小、可拆卸回收、可重复利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等。绿色设计的关键技术包括绿色材料选择、回收性设计、可拆卸性设计、生命周期评价等。

关键词：绿色设计；绿色材料选择；回收性设计；可拆卸性设计；生命周期评价

收稿日期：2009-03-03

作者简介：景华荣（1969—），男，江苏江都人，江都职业教育中心校教师，扬州大学2007级工程硕士研究生，主要研究方向为机械设计理论与教学。

中图分类号：TU201 文献标识码：A 文章编号：1005-569X(2009)03-0048-03

1 绿色设计概念及特点

1.1 概 念

绿色设计(GD：Green Design)，也称为生态设计(ED：Ecological Design)、环境设计(DFE：Design for Environment)、生命周期设计(LCD：Life Cycle Design)。

绿色设计不同于传统设计，绿色设计包含产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、重用及处理处置的各个阶段，即涉及产品整个生命周期，是从摇篮到再现的过程。也就是说，要从根本上防止环境污染，节约资源和能源，首先决定于设计，要在设计过程中考虑到产品及工艺对环境产生的负作用，并将其控制在最小范围之内或最终消除，这就是绿色设计的基本思想。

图1为一种基于层次的绿色产品设计体系。该体系包含目标层、设计内容层、主要阶段层、设计因素层4个层次^［1］。

绿色设计与传统设计的根本区别在于，绿色设计要求设计人员在设计构思阶段，就要把降低能

耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。

绿色设计是生产绿色产品的保障，在实施绿色制造过程中，绿色设计是关键。研究表明：产品性能的70%～80%是由设计阶段决定的，而设计本身的成本仅为产品总成本的10%^［2］。因此，只有在设计阶段按照绿色产品的特点进行规划、设计，即进行绿色产品设计，才能保证产品最终的绿色特性。

1.2 特 点

由绿色设计的定义可以看出，绿色设计的主要特点包括以下几个方面：

①扩大了产品的生命周期；②绿色设计从源头上减少了废弃物的产生，有利于保护环境，维护生态系统平衡；③绿色设计可以防止地球上矿物资源财富的枯竭；④绿色设计将减少废弃物的数量及其处理的棘手问题，避免通常垃圾处理采用的填埋、焚烧法所造成的二次污染。

1.3 方法及工具开发

绿色设计是一种综合了面向对象技术、并行工程、寿命周期设计的一种发展中的系统设计方法，是集产品的质量、功能和环境为一体的设计系统。绿色设计的方法主要有：生命周期设计法、并行工程法、模块化设计法。

绿色设计工具的开发研究是绿色设计的重要内容，国内外的研究部门和企业都进行了很多研究，主要侧重于材料选择、拆卸分析、环境影响评价等方面，目前已开发或正在开发的典型绿色设计工具有：Boustead数据库、DFA/DFD（计算机辅助拆卸分析）、Ecomanager、LCAiT、Simapro5、Green Assessent、Cummpan、CALA等^［3］。

2绿色设计的材料选择

2.1 绿色材料的概念

绿色材料(Green Material：GM)，又称环境协调性材料 (Envionmental Conscious Materials：ECM)或生态材料(Ecomaterials)，是指那些具有良好使用性能或功能，并对资源和能源消耗少，对生态与环境污染小，有利于人类健康，再生利用率高或可降解循环利用，在制备、使用、废弃直至再生循环利用的整个过程中，与环境协调共存的一大类材料。

绿色材料是绿色设计的基础，绿色材料对绿色产品的绿色程度有着重要作用。因此，绿色设计的材料选择必须建立在绿色材料的基础之上。绿色材料不仅包括直接具有净化环境、修复等功能的高新技术材料的开发，也包括对使用量大而面广的传统材料及其产品的改造。随着产品对环境性能要求的不断提高，传统产品设计中材料选择有明显不足之处。主要表现在：

(1)所用材料种类繁多；

(2)选材很少考虑材料的加工过程及其环境的影响；

(3)所用材料很少考虑报废后的回收处理问题；

(4)没有考虑所用材料本身的生产过程。

由此可见，传统的材料选择方法已不能适应绿色产品及绿色设计的要求，必须从更广泛的角度考虑材料的选择，不仅应考虑基本性能要求，更应着重考虑材料的环境属性。

2.2 绿色设计材料选择的准则

绿色产品设计首先应要求构成产品的材料具有绿色特性，具体来说，在材料选择时，应符合以下要求：

（1）具有良好的使用性能。

（2）所用材料应是低能耗、低成本、少污染的材料。

（3）尽量不用或少用短缺的或能耗大的原材料，多用废料或再生循环材料作为原料。

（4）尽量不用或少用有毒有害的原材料。

（5）所用材料应是易回收、易处理、可降解材料，且具有最大的再生利用率。

（6）所用材料应是易加工且加工中无污染或污染最小。

（7）材料在整个生命周期的全过程对生态环境无副作用，而不仅是某一生产过程具有低的环境负荷值。

2.3 绿色材料的评价

产品设计中所选材料的绿色程度有多大，所选材料是否是绿色材料，这对材料比较和选择具有重要作用。这种材料的选择决策也就是绿色材料评价。开展对材料、产品及其生产、使用直至废弃全生命周期或某个环节的环境协调性评价研究，是绿色设计评价的基础性工作。

3 产品的可拆卸性设计

3.1 拆卸设计的概念

所谓拆卸就是从产品或部件上有规律地拆下可用零部件的过程，同时保证不因拆卸过程而造成该零部件的损伤。面向拆卸的设计（Design for Disassembly，DFD）是一种使产品最容易拆卸并能从材料回收和零件重新使用中获得最高利润的设计方法学，它研究如何设计产品才能高效率、低成本地进行组件、零件的拆卸以及材料的分类拆卸，以便重新使用及回收。产品的可拆卸性是产品回收再生的前提，直接影响产品的可回收再生性^［3］。

3.2 拆卸设计准则

可拆卸性要求在产品设计的初期就将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使所设计的结构易于拆卸，维护方便，并可在产品报废后可重用部分能充分有效地回收和重用，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。拆卸设计应遵循以下基本准则：①拆卸工作量最少准则；②易于拆卸准则；③易于分离准则；④产品结构的可预测性准则。

3.3 拆卸设计评价

拆卸评价是对设计方案进行评价—修改—再评价—再修改直至满足设计要求的动态过程。评价的内容、指标、标准是评价的关键。提出一套完整的拆卸性评价指标体系，建立严格的评价标准是评价系统的基础。

4 产品的可回收性设计

4.1 回收设计的基本概念

回收设计（Design for Recycling，DFR）就是在进行产品设计初期，充分考虑产品零部件及材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与可回收有关的一系列问题，以达到零部件及材料资源和能源的充分有效利用，并在回收过程中对环境污染为最小的一种设计思想和方法。

产品可回收性设计的内容包括产品零部件的回收性能分析、可回收材料及其标志、回收工艺与方法、回收性经济评价、可回收性产品结构工艺性等几个方面。

4.2 回收设计的特点及经济性分析

从回收设计的定义可以看出，回收设计与传统设计有很大的不同。回收设计在产品的设计初期就考虑消除或减少废弃物的产生，并在产品废弃淘汰时，对其进行经济有效的回收或使废旧产品的零部件得到重用、移用。回收设计主要有以下特点：

(1)回收设计可使材料资源得到最大限度地利用；

(2)回收设计可减少环境污染，保护生态环境；

(3)回收设计有利于持续发展战略的实施；

(4)物流的闭合性。

对回收经济性进行分析应根据产品类型、生产方式、材料种类等，收集整理各有关数据资料并参考现行的成本预算方法，目前所采用的参数通常为回收的费用收益比和净收益两种，其表达式为：

费用收益比=总回收收益/总回收费用

净收益=总回收收益－总回收费用

4.3 产品回收的基本原则

回收设计是产品在使用寿命终结时获得重新利用的基础，从废旧产品中不断的拆卸与回收零部件，其回收价值如图2所示。图中的极值点是经济回收的极限点，在高价值零部件优先回收的前提下，该点表示拆卸的过程或步骤开始进入负价值拆卸。在这种情况下，就限制了产品的进一步拆卸与回收，因此，在废旧产品的回收过程中，主要有以下基本原则可供遵循：

（1）若零件的回收价值加上不回收该零件所需的处理费用大于拆卸费用，则回收该零件；

（2）若零件的回收价值小于拆卸费用，而两者之差又小于处理该零件的费用，则回收该零件；

（3）若零件的回收价值小于拆卸费用，而两者之差又大于处理该零件的费用，则不回收该零件，除非为了获得剩余部分中其他更有价值的零件材料而必须拆卸；

（4）对所有不予回收的零件都需进行处理。

回收的零件及材料的价值应从高到低，当回收效益为零或负值时，则停止拆卸。

4.4 回收设计准则

在回收设计中，应遵循以下设计准则：

①设计的结构易于拆卸，减少拆卸的工作量；②可重用零部件材料要易于识别分类；③结构设计应有利于维修调整；④限制材料种类，采用系列化、模块化的产品结构；⑤尽可能利用回收零部件或材料；⑥应便于分离拆卸不同的材料组合；⑦采用相容性好的材料。

5 绿色设计评价

5.1 概 述

绿色产品设计的最重要的环节就是研究开发对产品整个生命周期进行评价的方法和工具。绿色设计评价可以利用各种工具，以支持生命周期各个阶段设计过程的进行，其中最为有效的方法为生命周期评价。

5.2 生命周期评价的概念

生命周期评价(LCA：Life Cycle Assessment)，或称“环境协调性评价”。LCA是对产品系统在整个生命周期中的环境影响、物质和能源的投入产出和潜在的环境影响进行定量分析和评价的一种方法，是对绿色产品进行认证的最有效方法。

5.3 LCA的技术框架

根据1997年的ISO14040标准的定义，LCA技术框架如图3所示，它包含了目标和范围定义、编目分析、环境影响评估、环境解释4个组成部分。

参考文献：

［1］ 张峥嵘，袁清珂.21世纪制造业的特点及其关键技术［J］.机械工程师,1999(1)：1~3.

［2］ 刘飞.21世纪制造的绿色变革与创新［J］.机械工程学报,2000(1)：7~13.

［3］ 薛风英，张军涛.讨论绿色设计与环境保护［J］.河北科技大学学报,1999(1)：57~60.

工作研究 2009年第3期