基于QFD和TRIZ的空调产品绿色设计方法研究

刘 祥 纪 雪 王新龙

山东建筑大学 山东济南 250101

20世纪以来,伴随着全球经济的迅速增长,中国制造业的“绿色浪潮”也在迅猛兴起,全面绿色、低碳已经成为社会经济发展的方向,绿色工厂、绿色供应链、绿色产品等成为关注热点。空调作为现代生活中人们不可缺少的一部分,改善了我们的生活环境,提高了生活的舒适度。但当前人们也对空调提出了更多、更高的绿色设计要求,例如空调的材料要低污染、可回收、易降解,空调的使用过程要低噪声、低能耗、经济实用等。现代质量管理理论认为,产品质量首先是设计出来的,设计阶段决定了产品的性能、质量和成本。因此,为了满足当前环境下对空调产品提出的绿色设计要求,本文研究了空调产品的绿色设计方法。

1 空调产品的绿色设计框架

绿色设计(Green Design)是为了应对产品的绿色需求而产生的设计方法,即在产品生命周期内,着重考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、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,并行地考虑并保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求[1]。国内外多名学者在产品的绿色设计理论及方法方面进行了研究。Velden等提出在智能纺织品产品的早期设计阶段就要考虑工程材料的选择,以支持环境的改善[2]。王瑞昌等提出了船舶动力系统全生命周期绿色设计的评价方法[3]。Kong等提出了一种在概念设计阶段考虑环境因素的产品生命周期集成模型,以支持获得有效的生态设计方案[4]。Kamalakkannan等提出了一种参数生命周期评估方法,用于在早期设计阶段进行生态设计优化和决策[5]。Belucio等提出了一种新颖的决策支持方法来评估早期设计阶段的环境影响和成本,旨在为设计师、制造商和决策者提供明智的建议[6]。王黎明等提出绿色特征的概念,并基于绿色特征和质量功能展开(Quality Function Deployment,QFD)技术实现机电产品绿色性能的优化[7]。张雷等基于数据挖掘技术,提出了一种在绿色设计过程中从客户需求向工程特性的转化方法[8]。Roithner等提出了一种基于设计阶段的信息进行可回收性评估的方法[9]。Aguiar等提出了一种基于BOM信息进行产品可回收性评估的诊断工具[10]。

针对空调产品的绿色设计,一些学者也进行了研究及实践。朱斌祥等分析了制冷空调绿色设计中的主要因素,提出了制冷空调绿色设计的主要内容包括绿色产品建模、绿色材料选择、可拆卸性设计、可回收性设计、节能设计等[11]。陶仙文提出了面向机电产品的绿色设计方法,利用产品评价指标体系和熵权AHP评价方法对空调进行绿色度评价,并针对评价结果提出改进意见[12]。邱海涛等针对空调的可持续发展需求,提出了一个全新绿色空调的开发过程[13]。Uchiyama等开发了一种用于空调器拆卸的切割位置检测系统[14]。李攀提出了节能减排下制冷空调的绿色设计内容,并制订合理化的空调绿色设计管理方案[15]。

尽管当前针对绿色设计以及空调产品的绿色设计已经有很多研究,但当前缺少针对空调产品早期设计阶段的研究,尤其是如何在空调产品的早期设计阶段体现绿色设计要求,并将这些绿色设计要求体现到实际的设计研发过程中。因此,本文研究空调产品的绿色设计方法,具体的研究思路如图1所示。

图1 研究思路

(1)采用调查问卷、专业人员访谈、网络评论调查等方法获取空调产品的绿色需求,将这些需求进一步整理为需求层次结构树,并采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)确定绿色需求的权重。

(2)采用质量功能展开方法,将空调产品的绿色需求转化为产品的技术特性,基于质量屋中的相互关系矩阵,计算出各技术特性的权重;基于质量屋中的自相关矩阵,明确出具有相互冲突的技术特性。

(3)对于具有冲突的产品技术特性,基于TRIZ创新理论,从40个发明原理中找出解决技术矛盾的思路与方法,并提出具体的产品结构设计方案。

2 基于AHP的绿色需求获取与分析

2.1 用户需求的获取

本文主要通过调查问卷、专业人员访谈、网络评论调查三种方式来获取用户需求。

(1)调查问卷:向不同年龄、不同职业、不同收入、不同家庭情况的人群发放调查问卷,问卷中涉及空调常用功能的重要度排序、目前使用空调过程中存在的问题、期望空调改进的功能等。因为本文的研究中不考虑市场细分,因此直接将所有调查问卷的结果进行统一汇总。

(2)专业人员访谈:向空调的设计研发人员、销售人员、维修人员等进行调研访谈,了解当前空调产品的优势/劣势、技术前沿、发展趋势、竞品情况、存在问题等。

(3)网络评论调查:通过八爪鱼、网络爬虫等获取空调产品销售网站上的用户评论,了解用户对当前空调产品以及产品属性的满意度情况。

对以上获取的信息进行汇总、整理、分类后,形成用户的需求层次结构树,如图2所示。第一层目标层是空调产品的用户总需求(A),第二层指标层是将总需求分解为主要功能(A1)、辅助功能(A2)、经济性(A3)、人因工程(A4)、安全可靠性(A5)和绿色(A6)六个部分,第三层方案层将指标层进一步细化分解。

图2 用户需求层次结构树

(1)主要功能(A1):包括制冷/热速度快和除湿功能。这二者属于用户对空调产品的基本需求。

(2)辅助功能(A2):包括无风感和净化空气。无风感是将空调吹出的强风散变为柔风,从而提高用户的舒适性。净化空气能够实现对空气的过滤、清洁和杀菌,符合人们当前对空气健康问题的关注。这二者也属于用户对空调产品的基本需求。

(3)经济性(A3):用户对于产品经济性的要求,一方面体现在购买产品时的价格适中,另一方面体现在后期使用阶段中的维修费用低。

(4)人因工程(A4):包括便于拆卸组装以及外观协调。更好的可拆卸性能够方便后期产品的维修保养、报废回收等操作,避免产生额外的操作及费用。外观协调指产品外观要与房间的整体风格匹配。

(5)安全可靠性(A5):包括使用寿命长以及产品的故障率低。

(6)绿色(A6):包括可维修性、低噪声、可回收、用材环保、节能省电几个方面。较高的可维修性不但能够提高维修质量和效率,也减少了产品故障导致的损耗。低噪声的需求更符合人的心理和生理特征。可回收性、用材环保能够减轻对环境的危害,节能省电也是当前家电行业的重要发展趋势。

2.2 基于AHP的需求权重计算

在构建出用户的需求层次结构树之后,运用AHP法计算各个需求的权重。AHP法是美国运筹学家和数学家T.L.Saaty在1970年提出的一种层次权重决策分析法。具体步骤如下:

采用专家打分法,对指标层的6个指标对目标层的重要程度进行两两比较,形成判断矩阵。比较的衡量尺度采用1-3-5-7-9比较量表,如表1所示。

表1 比较量表

构造出指标层的判断矩阵如表2所示:

表2 指标层的判断矩阵

依据表2构造的判断矩阵,计算特征根为6.34,归一化后的特征向量为[0.283,0.135,0.060,0.066,0.197,0.259]。一致性检验指标为0.05<0.1,通过了一致性检验。因此,指标层的权重为表3所示。

表3 指标层的权重

运用同样的方法,依次得到方案层相对于各指标的权重为表3所示。最后,将所有的方案层权重进行归一化处理,得到方案层的权重如表3所示。

3 空调产品质量屋的构建

质量功能展开是将客户需求转化为工程特性的有效工具,美国供应商协会(American Supplier Institute,ASI)提出的QFD的ASI模式应用最为广泛,其中的关键在于质量屋的构建,它包含屋顶、天花板、左墙、房间、右墙、地下室六个部分(如图3所示)。其中需求(左墙)已经通过第2节所描述的方法进行了获取和分析。

图3 质量屋模型

接下来质量屋的构建步骤如下:

(1)确定技术特性。基于前期对空调产品的需求分析,随即从技术的角度出发,对空调公司的技术人员进行走访,了解空调的主要技术特性,总结得到与图2所示的需求对应的18个技术特性:除湿率、制冷量、制热量、风机风量、舒适性、过滤性、成本、可拆卸性、体积形状、颜色、老化率、故障发生率、可维修率、噪声量、可回收率、环保材料比例、制冷消耗功率、制热消耗功率。

(2)确定需求与技术特性之间的相关关系。客户需求和技术特性之间的关联关系可分成三个类别:强关联性、中度关联性和弱关联性,分别以◎、、△符号代表,并用9、3、1对着三种相关程度进行赋值。客户需求与空调技术特性之间的关系见图4。

对医院来说，人才是立院之本、发展之基。齐鲁医院副院长陈玉国表示，通过三年住培，培养出了基本功扎实、达到主治医师水平的临床医师，为医院提供了真正“好用”的临床医师，缩短了用人单位与医师的“磨合期”，充实与壮大了医院医疗力量，为医院的人才梯队建设和学科发展提供了优良储备，也为医疗服务质量提供了根本和长远保障。“作为承担住培任务的基地医院，教学相长使其保有优良的教学氛围，提升医院带教医师的能力水平，获得可持续发展、追求卓越的强劲动力。”

图4 技术特性自相关矩阵质量屋

(3)计算技术特性的权重。分析完需求与各技术特性之间的关系,随后确定各技术特性权重,即各个技术特性的重要性,计算公式如下:

通过分析可见,制冷消耗功率、制热消耗功率的权重最大,表明其对于实现客户的绿色需求的贡献程度最大。而除湿率、制冷量、制热量、风机风量的权重也较大,这些技术特性主要满足了用户对于空调产品的基本需求。在接下来的设计研发过程中,需要对这些技术特性重点关注。

(4)技术特性间的自相关矩阵。自相关矩阵描述了技术特性之间的相关关系。一般地,一个技术特性的改变会影响到另一个技术特性。其中,技术特性之间的正相关关系用符号来表示,负相关关系用×符号表示。例如,风机风量越大,它的制冷量就会越大,所以风机风量、制冷量这两个技术特性是正相关的关系,但会导致噪声增大,所以风机风量、噪声量这两个技术特性是负相关。

通过自相关矩阵的分析,发现有几个技术特性之间存在负相关关系,即是相互矛盾的。针对这些冲突,将在下一节利用TRIZ的理论进行消除。

4 基于TRIZ理论的绿色冲突消解

在QFD分析中通过空调产品技术特性的自相关分析得出三个技术冲突,分别是风机风量—制冷(热)消耗功率的技术冲突、风机风量—运行噪声的技术冲突、可拆卸性—运行噪声的技术冲突。

4.1 风机风量—制冷(热)消耗功率的技术冲突

为了能够实现制冷/热速度快的需求,需要增大风机风量,而风机旋转时产生的风量与内部风叶的速度成正比,即需要提高风叶速度。为了能够实现节能省电的需求,需要降低制冷/热消耗的功率,但制冷/热消耗的功率与内部风叶的速度的立方差呈正比例,所以需要降低风叶的速度。因此二者具有一定的矛盾。

4.2 风机风量—运行噪声的技术冲突

为了能够实现制冷/热速度快的需求,需要增大风机风量,且风机风量与风叶的速度成正比。但如果空调机循环风速过大,则必然会导致风机噪声的增大,难以实现低噪声的需求。因此,二者具有一定的矛盾。

4.3 可拆卸性—运行噪声的技术冲突

为了满足便于拆卸组装的需求,空调需要具有较高的可拆卸性,但具有可拆卸性的空调产品可能会因为零部件之间连接松动而产生噪声。例如,空调产品内的机芯、过滤器等组件极易藏污纳垢,需要进行拆卸、清洗。一般空调设计中的机芯是难以取出的,但如果机芯和外部轮廓可拆卸分离,则空调在运行过程中可能会产生噪声。因此,二者具有一定的矛盾。

图5 TRIZ理论解决技术冲突步骤

Step 1:将技术特性转化为相应的工程参数。

(1)“制冷(热)消耗功率”的工程参数为21号“功率”“风机风量”对应的工程参数为27号“可靠性”。

(2)“运行噪声”的工程参数为31号“物体产生的有害因素”“风机风量”对应的工程参数为27号“可靠性”。

(3)“运行噪声”的工程参数为31号“物体产生的有害因素”“可拆卸性”对应的工程参数为13号“结构稳定性”。

Step 2:找到对应的发明原理代号。

(1)针对风机风量—制冷(热)消耗功率的技术冲突:对应19周期性动作原理、24中介物原理、26复制原理、31多孔材料原理。

(2)针对风机风量—运行噪声的技术冲突:对应35参数变化原理、2分离原理、40复合材料原理、26复制原理。

(3)针对可拆卸性—运行噪声的技术冲突:对应35参数变化原理、29气压和液压结构原理、40复合材料原理、28机械系统替代原理。

Step 3:选择相应发明原理解决问题。

通过利用矛盾矩阵找到解决冲突的发明原理序号可以得到解决方法,见表4。

表4 技术冲突解决表

(1)针对风机风量—制冷(热)消耗功率的技术冲突,通过安装变频器实现冲突消解。

(2)对于风机风量—运行噪声的技术冲突,想要通过提升风机风量而保持较低转速来降低噪声。针对这种情况,采用增加外部风扇的直径和长度来实现此目的。设计时参照1.25P空调外机进行设计,外机机箱通用尺寸为(长×宽×高):674mm×470mm×300mm,风扇直径为320mm,压缩机及管路部分占长度为220mm,即风扇安装位置与机箱上下间隔距离75mm,左右间隔距离67mm。在不改变箱体尺寸以及保证安全的情况下,尽量扩大扇叶的尺寸,由原本半径160mm扩大到207mm,以此来达到高风量低噪声的效果。具体尺寸简化图见图6、图7。

(a)改善前的外部风扇 (b)改善后的外部风扇

图7 风机扇叶设计图

(3)针对可拆卸性—运行噪声的技术冲突。家用空调随着使用时间的增长,内部各零件很容易藏污纳垢从而滋生细菌,但由于内部的机芯部分不可拆卸,只能对过滤网进行清洗。因此尝试将空调机芯与外部轮廓相分离,从而便于空调内部的清洗。但零件的连接就难免导致空调运行时产生噪声,即可拆卸性—运行噪声之间的技术冲突,通过使用机械系统替代的原理,设计一种卡扣装置,既方便拆卸又能减少噪声,以来消除此冲突。

卡扣连接十分普遍,具有成本低、使用方便、噪声较低等优点。通过调研发现空调机芯与打印机硒鼓的外观形状较相似,呈长圆柱状,因此考虑参照打印机硒鼓的连接方式。空调机芯采用这种插入式齿轮卡扣,将母座与空调外轮廓相连接,把机芯一侧安装插入装置,在机芯安装时将插入装置沿着母座的导轨插入,随即自动固定。从而达到快速方便安装,减少噪声的效果,如图8所示。

图8 机芯连接结构

结语

在中国制造业“绿色浪潮”的背景下,消费者对空调产品提出了更多绿色要求。因此,实现空调产品的绿色设计,尤其是在空调产品的早期设计阶段实现绿色设计具有重要意义。因此,本文提出一种基于QFD和TRIZ的空调产品的绿色设计方法:在广泛搜集、获取用户绿色需求的基础上,通过QFD将绿色需求转化为技术特性,明确了在接下来的产品研发流程中需要重点关注的技术特性,同时分析出了具有相互冲突关系的技术特性;通过TRIZ理论,分析明确了解决这些相互矛盾的技术特性的方法。这套空调产品的绿色设计方法,不仅能满足产品的绿色需求,也能最大限度地提高空调产品的设计质量,它为设计者在产品开发早期提供了有效的设计方法和支撑工具。