基于SimaPro的机械产品生命周期影响评估方法研究

栾忠权

LUAN Zhong-quan

（北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192）

1 生命周期评价的内涵

生命周期评价是定量地汇总和评估一项产品(或服务)体系，从原材料的采掘或获取、制造加工、使用到废弃物处理乃至再生循环利用整个生命过程中的投入和产出对环境造成的和潜在的影响。其基本思想起源于20世纪60年代化学工程中的“物质-能量守衡”方法，基本的理论依据是能量守恒和物质不灭定律。

LCA方法在不断地发展，从1990年SETAC会上的简单三角模型发展到ISO14040系列标准。图1是LCA的四个阶段（标和范围的确定；清单分析；影响评估；结果解释）的技术框架以及它们的实施依据。本文点重点是对机械产品生命周期影响（LCIA）阶段点的分析研究。

近年来已有数十个LCA评估软件以及环境管理系统的管理软件问世，其中比较著名的有SimaPro、GaBi和KCL-ECO等。SimaPro软件的目的主要在于简化评价流程及图标量化数据，以环境协调性评价的观念来改善产品设计，达到环保的目的。

图1 生命周期评价方法各阶段技术框架

2 生命周期影响评价

2.1 LCIA理论与方法

LCIA是生命周期评价的重要组成部分，在完成目标界定和清单分析后，根据所提供的物料、能源消耗数据以及各种排放数据来评估对环境的影响，定量分析对人体健康、生态、自然环境的影响及相互关系。它涉及到数据的归类和计算，目的是对清单分析所识别的环境影响因子进行定性与定量的表征评价，以确定产品生命周期过程中的物质能量交换对其外部环境的影响程度。

在LCIA阶段，对选定的环境影响类型建立模型，并利用类型参数来精简和解释LCI（Life Cycle Inventory）结果。类型参数用来反映各影响类型中的累积总量或资源消耗，表征潜在的环境影响。LCIA还为生命周期解释阶段做准备，环境影响评价的方法很多，基本上都包含分类、表征、归一化和评价四个部分。

2.2 LCIA方法的发展现状

目前国际上典型的LCIA方法可划分为中间类型方法和结果类型方法两大类。前者着眼于环境影响的中间过程，即当前被关注的环境问题，对各种环境干扰因素进行数据标准化分析，直观的解释产品对环境问题的贡献程度。后者则着眼于影响后果对人类健康、环境及资源等最终保护领域所造成的伤害，让人们了解产品的生产及使用给人类造成的直接影响有多大。这两类方法各有优势,由于中间类型方法的环境模型相对健全，所得参数的不确定性较低；结果类型方法计算复杂，不可能包含所有的相关环境机制，所得参数的不确定性较前者为高。在所有影响评价的方法中,贝尔实验室的方法较为简单,但结果完全根据专家评价的结论得出，主观性太强，不具有广泛的适用性。

3 基于SimaPro机械产品的LCIA分析

3.1 项目分析

利用SimaPro软件分析如图2所示传动件齿轮和齿轮轴的简单配合的生命周期影响。

1齿轮轴 2小键槽 3左端盖 4,9滚动轴承 5轴套 6齿轮 7大键槽 8齿轮10右端盖图2 齿轮及齿轮轴的简单配合

该配合中的几个重要部件有：齿轮轴、齿轮、键、端盖、滚动轴承、轴套、齿轮轴托架、齿轮轴支架以及其它一些小零部件（如螺栓，螺母，垫圈之类）。在此，我们不考虑小零部件，仅考虑所列举出来的各个部件，对它们各自的环境载荷进行评价分析。

生产这些部件的主要原材料是钢材，锻造用钢是普通调质钢。作为原材料的钢的生产是研究的一个重点，钢生产的清单数据的分析在整个齿轮清单分析中也有很中要的作用。我们根据联合国环境规划署工业与环境规划中心提供的资料，对炼焦、铁矿石烧结、高炉炼铁、氧化炉炼钢和热轧成锭灯五个阶段的主要生产过程的清单进行分析。

钢的冶炼，是经过矿石开采、运输、炼焦、烧结、炼铁、氧化炼钢、轧钢等过程，生产出钢锭。主要消耗的能量是煤、电力、石油和少量天然气。一般粗钢锭中含有有害元素硫、磷、氢，所以，在下料前一般进行精炼，精炼的任务主要是保证钢液的化学成分符合钢种的要求，提出高钢液纯净度或减少有害元素及夹杂气体的含量，按照要求进行调质处理或淬火处理。

利用SimaPro软件分析齿轮及齿轮轴的简单配合全生命周期影响的过程中，我们仅考虑三个过程：铁矿石开采过程，铁的冶炼过程以及齿轮的机械加工过程。在这三个过程中考虑如下假设：1）在铁矿石开采过程当中考虑：假设炸药开采铁矿石，我们指定为每千克产生的影响：为1千克炸药开采500kg的铁矿石；铁矿石采集点运输方式，运输路程，运输负载系数等因素。2）在铁的冶炼过程中考虑：铁矿石转化为输出的成份以及各自占的比重；耗能情况等。3）机械加工过程中考虑：铁锭转化的产品类别以及各自所占比重；耗能多少，加工方式和过程等。最后假设产品废弃后100%可以循环使用。

假设运输过程，铁矿石采集点到炼铁厂采用卡车运输的环境载荷过程，假设路程为200km，假设用一辆负载系数为50%（因为回程是空的）的28吨卡车。并忽略诸如清洗零部件用的煤油之类的对环境影响评价结果的因素，因为没有可以反复利用，消耗很少。

图3 机械产品的一般加工过程

表1利用proe导出的实体的质量，耗电量是机械加工师傅提供的参考数据：

表1 齿轮及齿轮轴配合中主要部件的相关参数

注：1.在计算各部件的质量时采用钢铁密度为7.9*103kg/m3

3.2 环境影响因子

通过对每个工序排放的污染物进行分析，主要存在以下环境影响因子，如表2所示。

表2 环境影响因子分析

3.3 目的和范围的确定

以传动件齿轮和齿轮轴的简单配合为例，利用SimaPro软件分析该配合的生命周期影响，在图纸阶段初步确定该配合中各部件的环境影响。根据所得结果的反馈信息，以达到识别改进产品设计并确定优先次序；在选定类型参数的基础上对不同的产品系统进行比较，发现能用其他方法为决策者提供补充性环境数据和信息的目的。从而提高对产品的环境友好程度，并对经济效益提供一定的指导。

图4 研究范围和系统边界

3.4 影响评价（默认生态指标99法）

生命周期影响评价有三个过程即分类、特征化和权重。国际标准ISO14042《生命周期影响评价》中认为，特征化是必须要求的，而标准化或权重是根据研究目的可选择的内容。

1）分类：影响类目是根据生命周期评价的范围来确定的。污染物的排放对环境的影响有三大方面，即资源的影响、非生命生态系统的影响、人类健康和生态毒性的影响三种，具体影响类目分别纳入相应的类别。

2）特征化：特征化的目的是将某一个影响类目中的不同物质转化和汇总成为统一的单元。目前研究特征化的计算模式有很多种，我们在参照这些方法的基础上，结合本研究进行一些探索，主要采用三种方式来进行特征化。

（1）导入。直接采用清单分析的结果，或略作修订。

（2）相关性系数。主要是通过对参照物的相关性权重进行换算，对类似的物质进行等价转换。

（3）内在的特性评分。基于清单数量权重进行评分，用于具有某些特殊效果的物质。

不管是采用直接的清单分析数据还是经过数据模型转换的影响类目，其目的都是使之更有意义和可比性。相关性的方法是使用相关性系数，其确定方式是用影响类目中的物质与参照物之间的比较后测算出一个系数，从而计算整个影响类目的影响范围。内在特性评分法是在相关因子不存在或参照物不能被广泛接受的时候，对不同物质同样数量的情况下的不同影响效果而言。评分意味着用标准化的数据来提供表达影响潜能的价值。内在特性评分法主要用于人类健康和生态毒性的指标类目中。

图5 齿轮和齿轮轴简单配合的LCIA结果Ⅰ

图5是齿轮和齿轮轴的简单配合的生命周期模型树状图，其中截止值设置为5%。图5显示：大约49%的环境负载来自于齿轮轴，11.6%来自于齿轮，38.6%来自于左右端盖。由于截止值的设置的原因，其他几个部分，譬如轴承、键、轴套等零部件的环境载荷情况就没有表现出来，但是并不是代表他们对环境没有影响。在显示的三个部件中，给它们带来环境负载的主要是原材料的使用，运输过程，以及加工生产过程中能源的消耗。图6为该配合总体对各影响类型的影响的总和。

图6 齿轮和齿轮轴简单配合的LCIA结果Ⅱ

3.5 结果分析

根据LCIA的基本原理及实施步骤，可在产品CAD阶段，利用LCIA分析软件SimaPro研究机械产品典型零部件的环境影响情况，分析主要环境影响环节，重新设计或修改已设计产品，改善零部件的绿色性能，从而提升产品的整体绿色环保特性。也可以进一步节约成本，缩短产品设计周期。实施技术路线如图7所示。

图7 基于SimaPro机械产品LCIA分析的技术路线

4 结束语

LCA是一个复杂现实的模型，所有的模型都是对现实的简化，简化也就是扭曲现实，所以我们在利用生命周期评价方法分析产品的环境影响的时候尽量减小这种扭曲程度。LCIA被认为是LCA中技术含量最高、难度最大、同时也是发展最不完善的一个技术环节。LCIA仅涉及目的和范围中所识别的那些环境问题，不是对所研究的产品系统的所有环境问题的完整评价。利用SimaPro软件对机械产品进行环境影响分析也是一个高深而艰难的主题，实难阐述完整。但是想到这是为各行各业打开绿色大门，抛砖引玉，又鼓起勇气。期待着各方赐教，共同献身新世纪的绿色工程。

[1] GB/T 24042-200[S]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.

[2] http: / /www.pre.nl

[3] 17thCIRP international conference on life cycle engineering.fundamental theories,sustainable manufacturing:application technologies and nfeture development.

[4] 濮良贵,纪名刚,等.机械设计(第七版)[M].高等教育出社,2004.

[5] 刘中文.ISO生命周期评价概述[J],环境导报.1998.

[6] 肖骁,黄可龙,等.生命周期评估(LCA)与生态环境材料开发[J].材料导报,2000,11(14).

[7] 张根保,等.先进制造技术[M].重庆:重庆大学出版社,1996.

[8] 孙胜龙.环境材料[M].北京:化学工业出版社,2002,18-32.

[9] 左铁镛, 聂祚仁. 环境材料基础[M].北京:科学出版社,2003.

[10]王天民.生态环境材料[M].天津:天津大学出版社,2000.