基于生命周期评价的生态设计方法

陈世杰， 刘志峰， 蒋建平

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2.浙江省标准化研究院，浙江 杭州 310006）

基于生命周期评价的生态设计方法

陈世杰1， 刘志峰1， 蒋建平2

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2.浙江省标准化研究院，浙江 杭州 310006）

文章主要针对QFDE的三、四阶段方法的不足进行改进，从生命周期评价方法中的环境影响类型出发，突破传统QFDE只注重定性和权重分配的思维模式，寻找改善产品环保特性的途径。该方法采用了环境因素的定量化与产品的自身特性及生产流程特点的定性化相结合的思路，可以有效地改善产品的环保特性，达到相应的环保标准要求，是一种符合逻辑的生态设计方法，实例证明了其有效性。

生态设计；QFDE方法；生命周期评价；环境因素

0 引 言

近年来，国际社会不断地提高低碳、节能的环保要求，企业面临的是如何实现产品的环保特性又能降低成本这一双重问题，这一问题的解决主要依赖于产品在设计阶段生态特性和经济性的权衡和优化。

本文主要从生命周期评价结果中的环境影响因素方面，对 QFDE［1－3］方法的不足进行改进。该方法分为4个阶段，第1、第2阶段与通用的质量机能展开QFD方法［4－7］的前2阶段模式相同；第3阶段通过权重分配，确定环境影响最大的零部件后，构建与工艺特征相关的质量屋，完成产品的零部件和工艺流程设计，再将产品制造过程资源环境特性评价方法引入到QFDE第3阶段，用以选取其中环境影响最大的工艺特征，并导入第4阶段进行生产过程控制的质量展开，以保证在整个产品制造过程中都考虑到环境要求，如图1所示。

上述生态设计方法中存在着一定的不足，环境影响最大的零部件以及关键工艺的环境影响评价不能简单地通过权重分配来确定，仅仅通过权重分配是达不到预期的环境目标值的。

本文通过对产品生命周期评价结果中环境影响因素的定性和定量分析，寻求产品和生产工艺的生态特性改进方法，如图2所示。

图1 QFDE流程图

图2 基于生命周期评价的生态设计

1 生命周期评价步骤

目前，国际上普遍认可的生态环境影响评价指标是基于生命周期评价方法［8］（LCA）建立起来的。该方法首先确定研究目的与研究界限范围；其次建立系统物质流和能量流的清单，清单的主要任务就是搜集相关数据，这是LCA的基础；最后进行影响评价，包括将清单分析中得到的数据划归到不同的影响类型，并进行特征化描述，以及量化、标准化，确定不同环境影响类型的权重，最终得到环境影响负荷大小和资源消耗系数，如图3所示。

图3 生命周期评价的一般步骤

根据不同生命周期评价指标，如EI99、CML2001、EDIP 97等，可以建立起相应的生态环境因素，如全球变暖、臭氧层破坏、酸化潜力及富营养化等，而且还能得出相应环境因素的影响值。

2 基于生命周期评价的生态设计方法

节能降耗往往都有一定的指标参数，对于一个已经批量化生产的产品和成熟的工艺流程，如何减少能耗对于企业来说是个难题。本文从生命周期评价结果出发，对产品自身的特性和生产工艺流程特点进行生态研究，从而优化产品，使产品更加符合环保要求。

目前，产品的生态环境影响值（LCA评价结果）可以利用软件（如GaBi等）计算得到。根据节能降耗的具体指标，对产品的特性和生产工艺流程特点进行分析，找出可以改善产品环保特性的最佳路径。

2.1 产品特性

从环保方面来说，产品的特性可以归结到产品的材料和体积2个方面。材料是组成产品的基础，从生命周期角度出发，各种原材料经过一系列的物理、化学工艺过程，形成最终产品，而每种原材料的生产、运输过程对环境产生的影响大小也不同。为了达到环保指标，可以从对环境影响较大的原材料种类考虑，通过减少原材料用量、改进原材料的成分配比或者用相对环保材料代替等方法，达到产品的环保要求。例如，国际上近年来越来越多采用铝芯作为电线电缆的导体，铝芯生产工艺比铜芯生产工艺简单，能耗和污染排放少，而且铝资源比铜资源丰富、价格便宜，这就是利用材料代替的方法达到环保要求。

体积的改变方法主要是通过形状改变及结构优化。形状改变主要是减少原材料的使用量，结构的优化是减少材料种类以及方便产品的拆卸和维修。

例如，大多数液晶显示器的外壳采用的是卡壳连接，而不是以往的螺栓连接，既减少了材料种类又方便拆卸，从而通过结构优化达到环保要求。

2.2 生产工艺流程特点

在产品生产过程中，涉及环境影响的主要有“三耗”、材料转化率及废料的回收利用。

“三耗”通常指的是耗电、耗液、耗气，企业可以通过技术手段改进和设备更新达到降低“三耗”要求。例如，通过实际调研发现，某节能灯生产企业生产流程中耗电量最大的环节是老化检测阶段。检测时间一般是在0.5h以上，按1只灯泡功率10W计算，每次检测200个，1次检测的耗电量大约为1kW·h，1条检测流水线1d大约要耗费10kW·h电左右，已超过了其他生产环节。该企业为了节能降耗，正在改进电压冲击手段，使节能灯的老化检测在保证质量的前提下，短时间内就能完成。

材料转化率从侧面反映出工艺水平的高低，理想状态是1∶1，但实际生产总是投入大于产出，投入产出比越大表明材料的浪费程度越严重，这与生产技术手段和设备效率相关。对于企业而言，提高原材料的转化率，不仅可以降低浪费程度，又可以节约成本。

“三废”是指废液、废气、废料。很多企业为了节约成本，没有采取相关回收处理装置，直接将其排放到外界环境中，不仅污染环境，也严重影响员工的人身安全。正确的做法应该是一方面减少“三废”的排放量，另一方面加强对“三废”的回收集中处理。

2.3 设计步骤

（1）针对拟定的具体指标对现有产品进行全生命周期评价，将评价结果分别归到产品特性和生产工艺2个大类。

（2）找出产品特性和生产工艺中对环境指标具有显著影响的方面。产品特性可以从原材料和体积两方面进行考虑；生产工艺可以从“三耗”、材料转化率、“三废”方面考虑。

（3）找出产品中对环境指标影响较大的材料。在不改变产品特性的前提下，首先考虑能否降低其使用量；其次考虑能否通过某种物理或化学途径改善该材料的自身性能，降低其对环境的污染（如有毒、有害物质的替代）；最后尝试用某种更加环保的材料替代，该材料的环境影响值也由LCA方法计算得出。

（4）针对环境影响较大的材料，可以考虑如何减小其体积（即减少材料的使用量）而不改变产品的性能；对产品进行可拆卸性分析，尽量优化产品结构，能够方便回收产品中的有用部分。

（5）综合步骤（3）和步骤（4），选出几组备案，对每组备案进行生产工艺流程特点分析。

（6）生产过程中“三耗”的大小、材料转化率的高低、“三废”排放的多少基本是由非人为因素和人为因素决定的。对于非人为因素，首先考虑如何改进制作工艺；其次淘汰旧设备，采用效率高、能耗小的设备进行生产；最后增加一些密闭装置回收“三废”。对于人为因素，则要对员工的操作技能进行培训，加大环保知识的宣传。

（7）将每组备案的最终环境影响值和环保指标进行比对，并结合价格、工厂实际情况等因素，选出最佳方案。

（8）如果步骤（5）无法实现，则对原产品的生产工艺流程特点，按步骤（6）进行分析，通过改进原产品的工艺特点达到环保指标。

3 实例验证

某试点电线电缆企业拟降低碳排放量35%，以此作为环保指标，其他环境因素如酸化影响、臭氧消耗、光化学污染等作为辅助参考，并以CO2作为计算当量因子，选取铜芯交联聚乙烯电缆为改进对象。

选择YJV22－8.7／10kV、3×70mm2作为研究对象，具体结构示意如图4所示。

图4 电缆结构示意图

按照生态设计方法，首先考虑该型号电缆的自身特性，主要结构为铜芯导体、交联聚乙烯绝缘层、聚乙烯护套。其中，铜芯制造全过程中碳排放量为8 627kg，交联聚乙烯制造全过程碳排放量为3 824.5kg，聚乙烯制造全过程碳排放量为1 706.5kg。由于电线电缆的截面尺寸是有国家标准的，因此采用减少原材料使用量途径不可取，故利用原材料替代方法。

目前，电线电缆常用的导体线芯材料有铜芯、铝芯、贵金属银及合金材料，考虑成本和电阻率，最后选择与原铜芯电缆具有相近载流量的铝芯作为导体（截面积3×120mm2），比铜芯电缆截面积大2个规格，符合实际生产情况，见表1所列。

选择乙丙橡胶绝缘层作为代替方案，各性能参数与原型号交联聚乙烯参数相近。碳排放及其他环境影响参数见表2所列。

表1 铜、铝线芯相同截面积载流量

表2 2种方案环境污染排放参数

由表2可以看出，与碳排放相比，酸化物质、臭氧消耗和光化学污染的排放量很小，而且国家目前关注更多的是减少碳排放，因此选取碳排放作为主要评价标准［9］，方案2比方案1碳排放量降低了56.4%，决定采纳方案2。

由于确定采用铝芯导体，考虑用实心代替绞合制成线芯，省去了拉线、绞线等工序，省工、省料，导体外径最小，与绝缘的结合较好。另外，从实际调研情况来看，绝缘层和护套的挤出工序中存在原材料浪费严重现象，这是因为原材料以颗粒形式被吸入到挤出设备中，而存放原材料颗粒的容器（铁桶）是开放式的，吸管也是直接插入容器中，员工在加料过程中很容易散落原料颗粒，设备停止后取出吸管时，残留在吸管内的原料颗粒也容易滑落吸管外。

考虑将容器入口处做成漏斗状，扩大入口面积；在容器底部将吸管和容器做成可拆式连接，设备停止时可以不用将吸管取出，这2种做法都可以减少原料颗粒的外泄，降低投入产出比。此外，绝缘层和护套层挤出时会有少量废气（H2S、HCL、Cl2）排出，因此可以加装通风装置，将废气收集统一处理。碳排放参数见表3所列。

由表3可知，方案1碳排放量合计7 308kg，方案2碳排放量合计5 664.1kg，改进后的方案2比方案1碳排放量降低了22.5%，采纳方案2。

企业通过产品和工艺流程的改进后，对新产品和原产品的碳排放量进行比较，见表4所列。由表4可知，碳排放减少了45.67%。

表3 2种方案工艺特性碳排放参数

表4 新、旧产品碳排放量比较 kg

由上述结果可知，企业拟定的碳排放量指标已经达到，但是这并不代表铝芯电缆可以完全代替铜芯电缆，铝的熔点、抗拉强度、弹性模量、延展性、柔韧度、相同截面积的载流量以及抗腐蚀性能都不如铜，所以，在某些特殊场合还应使用铜芯电缆（如高温、矿井中等）；对于电力电缆，大部分情况下，可以用铝芯电缆代替铜芯电缆，从而达到节能减排的目的。

4 结束语

本文在传统QFDE生态设计方法上，提出了基于生命周期评价的生态设计方法。针对具体的节能减排指标，通过分析产品特性和生产工艺流程特点找出最佳改进方案，使其达到节能减排指标。本文更侧重于对已知产品进行生态特性的改进，该方法可以有效地帮助设计人员通过定性和定量化的分析解决环保问题。

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Method of eco－design based on life cycle assessment

CHEN Shi－jie1， LIU Zhi－feng1， JIANG Jian－ping2

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Zhejiang Institute of Standardization，Hangzhou 310006，China）

In order to overcome the shortcoming of the quality function deployment for environment（QFDE）method at the third and the fourth levels and break through the traditional QFDE’s concentration on qualitative and weight distribution method，the way of improving the eco－environmental characteristics of the product is searched from the point of view of environmental factors of life cycle assessment.An ecological method is proposed in which the quantification of environmental factors is integrated with the qualitative identification of the product properties and the production process characteristics.The method can effectively improve the ecoenvironmental characteristics of the product，so as to meet the corresponding environmental protection standards.It is logical and effective.An example is presented.

eco－design；quality function deployment for environment（QFDE）method；life cycle assessment；environmental factor

TH122

A

1003－5060（2012）11－1456－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.005

2012－04－09；

2012－07－06

陈世杰（1987－），男，安徽合肥人，合肥工业大学硕士生；

刘志峰（1963－），男，陕西宝鸡人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师.

（责任编辑 吕 杰）