陳世杰， 劉志峰， 蔣建平

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.浙江省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，浙江 杭州 310006）

基于生命周期評(píng)價(jià)的生態(tài)設(shè)計(jì)方法

陳世杰1， 劉志峰1， 蔣建平2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.浙江省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，浙江 杭州 310006）

文章主要針對QFDE的三、四階段方法的不足進(jìn)行改進(jìn)，從生命周期評(píng)價(jià)方法中的環(huán)境影響類型出發(fā)，突破傳統(tǒng)QFDE只注重定性和權(quán)重分配的思維模式，尋找改善產(chǎn)品環(huán)保特性的途徑。該方法采用了環(huán)境因素的定量化與產(chǎn)品的自身特性及生產(chǎn)流程特點(diǎn)的定性化相結(jié)合的思路，可以有效地改善產(chǎn)品的環(huán)保特性，達(dá)到相應(yīng)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種符合邏輯的生態(tài)設(shè)計(jì)方法，實(shí)例證明了其有效性。

生態(tài)設(shè)計(jì)；QFDE方法；生命周期評(píng)價(jià)；環(huán)境因素

0 引 言

近年來，國際社會(huì)不斷地提高低碳、節(jié)能的環(huán)保要求，企業(yè)面臨的是如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的環(huán)保特性又能降低成本這一雙重問題，這一問題的解決主要依賴于產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段生態(tài)特性和經(jīng)濟(jì)性的權(quán)衡和優(yōu)化。

本文主要從生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果中的環(huán)境影響因素方面，對 QFDE［1－3］方法的不足進(jìn)行改進(jìn)。該方法分為4個(gè)階段，第1、第2階段與通用的質(zhì)量機(jī)能展開QFD方法［4－7］的前2階段模式相同；第3階段通過權(quán)重分配，確定環(huán)境影響最大的零部件后，構(gòu)建與工藝特征相關(guān)的質(zhì)量屋，完成產(chǎn)品的零部件和工藝流程設(shè)計(jì)，再將產(chǎn)品制造過程資源環(huán)境特性評(píng)價(jià)方法引入到QFDE第3階段，用以選取其中環(huán)境影響最大的工藝特征，并導(dǎo)入第4階段進(jìn)行生產(chǎn)過程控制的質(zhì)量展開，以保證在整個(gè)產(chǎn)品制造過程中都考慮到環(huán)境要求，如圖1所示。

上述生態(tài)設(shè)計(jì)方法中存在著一定的不足，環(huán)境影響最大的零部件以及關(guān)鍵工藝的環(huán)境影響評(píng)價(jià)不能簡單地通過權(quán)重分配來確定，僅僅通過權(quán)重分配是達(dá)不到預(yù)期的環(huán)境目標(biāo)值的。

本文通過對產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果中環(huán)境影響因素的定性和定量分析，尋求產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的生態(tài)特性改進(jìn)方法，如圖2所示。

圖1 QFDE流程圖

圖2 基于生命周期評(píng)價(jià)的生態(tài)設(shè)計(jì)

1 生命周期評(píng)價(jià)步驟

目前，國際上普遍認(rèn)可的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)是基于生命周期評(píng)價(jià)方法［8］（LCA）建立起來的。該方法首先確定研究目的與研究界限范圍；其次建立系統(tǒng)物質(zhì)流和能量流的清單，清單的主要任務(wù)就是搜集相關(guān)數(shù)據(jù)，這是LCA的基礎(chǔ)；最后進(jìn)行影響評(píng)價(jià)，包括將清單分析中得到的數(shù)據(jù)劃歸到不同的影響類型，并進(jìn)行特征化描述，以及量化、標(biāo)準(zhǔn)化，確定不同環(huán)境影響類型的權(quán)重，最終得到環(huán)境影響負(fù)荷大小和資源消耗系數(shù)，如圖3所示。

圖3 生命周期評(píng)價(jià)的一般步驟

根據(jù)不同生命周期評(píng)價(jià)指標(biāo)，如EI99、CML2001、EDIP 97等，可以建立起相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境因素，如全球變暖、臭氧層破壞、酸化潛力及富營養(yǎng)化等，而且還能得出相應(yīng)環(huán)境因素的影響值。

2 基于生命周期評(píng)價(jià)的生態(tài)設(shè)計(jì)方法

節(jié)能降耗往往都有一定的指標(biāo)參數(shù)，對于一個(gè)已經(jīng)批量化生產(chǎn)的產(chǎn)品和成熟的工藝流程，如何減少能耗對于企業(yè)來說是個(gè)難題。本文從生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果出發(fā)，對產(chǎn)品自身的特性和生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)研究，從而優(yōu)化產(chǎn)品，使產(chǎn)品更加符合環(huán)保要求。

目前，產(chǎn)品的生態(tài)環(huán)境影響值（LCA評(píng)價(jià)結(jié)果）可以利用軟件（如GaBi等）計(jì)算得到。根據(jù)節(jié)能降耗的具體指標(biāo)，對產(chǎn)品的特性和生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)進(jìn)行分析，找出可以改善產(chǎn)品環(huán)保特性的最佳路徑。

2.1 產(chǎn)品特性

從環(huán)保方面來說，產(chǎn)品的特性可以歸結(jié)到產(chǎn)品的材料和體積2個(gè)方面。材料是組成產(chǎn)品的基礎(chǔ)，從生命周期角度出發(fā)，各種原材料經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)工藝過程，形成最終產(chǎn)品，而每種原材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸過程對環(huán)境產(chǎn)生的影響大小也不同。為了達(dá)到環(huán)保指標(biāo)，可以從對環(huán)境影響較大的原材料種類考慮，通過減少原材料用量、改進(jìn)原材料的成分配比或者用相對環(huán)保材料代替等方法，達(dá)到產(chǎn)品的環(huán)保要求。例如，國際上近年來越來越多采用鋁芯作為電線電纜的導(dǎo)體，鋁芯生產(chǎn)工藝比銅芯生產(chǎn)工藝簡單，能耗和污染排放少，而且鋁資源比銅資源豐富、價(jià)格便宜，這就是利用材料代替的方法達(dá)到環(huán)保要求。

體積的改變方法主要是通過形狀改變及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。形狀改變主要是減少原材料的使用量，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是減少材料種類以及方便產(chǎn)品的拆卸和維修。

例如，大多數(shù)液晶顯示器的外殼采用的是卡殼連接，而不是以往的螺栓連接，既減少了材料種類又方便拆卸，從而通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到環(huán)保要求。

2.2 生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)

在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，涉及環(huán)境影響的主要有“三耗”、材料轉(zhuǎn)化率及廢料的回收利用。

“三耗”通常指的是耗電、耗液、耗氣，企業(yè)可以通過技術(shù)手段改進(jìn)和設(shè)備更新達(dá)到降低“三耗”要求。例如，通過實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某節(jié)能燈生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)流程中耗電量最大的環(huán)節(jié)是老化檢測階段。檢測時(shí)間一般是在0.5h以上，按1只燈泡功率10W計(jì)算，每次檢測200個(gè)，1次檢測的耗電量大約為1kW·h，1條檢測流水線1d大約要耗費(fèi)10kW·h電左右，已超過了其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)。該企業(yè)為了節(jié)能降耗，正在改進(jìn)電壓沖擊手段，使節(jié)能燈的老化檢測在保證質(zhì)量的前提下，短時(shí)間內(nèi)就能完成。

材料轉(zhuǎn)化率從側(cè)面反映出工藝水平的高低，理想狀態(tài)是1∶1，但實(shí)際生產(chǎn)總是投入大于產(chǎn)出，投入產(chǎn)出比越大表明材料的浪費(fèi)程度越嚴(yán)重，這與生產(chǎn)技術(shù)手段和設(shè)備效率相關(guān)。對于企業(yè)而言，提高原材料的轉(zhuǎn)化率，不僅可以降低浪費(fèi)程度，又可以節(jié)約成本。

“三廢”是指廢液、廢氣、廢料。很多企業(yè)為了節(jié)約成本，沒有采取相關(guān)回收處理裝置，直接將其排放到外界環(huán)境中，不僅污染環(huán)境，也嚴(yán)重影響員工的人身安全。正確的做法應(yīng)該是一方面減少“三廢”的排放量，另一方面加強(qiáng)對“三廢”的回收集中處理。

2.3 設(shè)計(jì)步驟

（1）針對擬定的具體指標(biāo)對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)結(jié)果分別歸到產(chǎn)品特性和生產(chǎn)工藝2個(gè)大類。

（2）找出產(chǎn)品特性和生產(chǎn)工藝中對環(huán)境指標(biāo)具有顯著影響的方面。產(chǎn)品特性可以從原材料和體積兩方面進(jìn)行考慮；生產(chǎn)工藝可以從“三耗”、材料轉(zhuǎn)化率、“三廢”方面考慮。

（3）找出產(chǎn)品中對環(huán)境指標(biāo)影響較大的材料。在不改變產(chǎn)品特性的前提下，首先考慮能否降低其使用量；其次考慮能否通過某種物理或化學(xué)途徑改善該材料的自身性能，降低其對環(huán)境的污染（如有毒、有害物質(zhì)的替代）；最后嘗試用某種更加環(huán)保的材料替代，該材料的環(huán)境影響值也由LCA方法計(jì)算得出。

（4）針對環(huán)境影響較大的材料，可以考慮如何減小其體積（即減少材料的使用量）而不改變產(chǎn)品的性能；對產(chǎn)品進(jìn)行可拆卸性分析，盡量優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，能夠方便回收產(chǎn)品中的有用部分。

（5）綜合步驟（3）和步驟（4），選出幾組備案，對每組備案進(jìn)行生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)分析。

（6）生產(chǎn)過程中“三耗”的大小、材料轉(zhuǎn)化率的高低、“三廢”排放的多少基本是由非人為因素和人為因素決定的。對于非人為因素，首先考慮如何改進(jìn)制作工藝；其次淘汰舊設(shè)備，采用效率高、能耗小的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)；最后增加一些密閉裝置回收“三廢”。對于人為因素，則要對員工的操作技能進(jìn)行培訓(xùn)，加大環(huán)保知識(shí)的宣傳。

（7）將每組備案的最終環(huán)境影響值和環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行比對，并結(jié)合價(jià)格、工廠實(shí)際情況等因素，選出最佳方案。

（8）如果步驟（5）無法實(shí)現(xiàn)，則對原產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)，按步驟（6）進(jìn)行分析，通過改進(jìn)原產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)達(dá)到環(huán)保指標(biāo)。

3 實(shí)例驗(yàn)證

某試點(diǎn)電線電纜企業(yè)擬降低碳排放量35%，以此作為環(huán)保指標(biāo)，其他環(huán)境因素如酸化影響、臭氧消耗、光化學(xué)污染等作為輔助參考，并以CO2作為計(jì)算當(dāng)量因子，選取銅芯交聯(lián)聚乙烯電纜為改進(jìn)對象。

選擇YJV22－8.7／10kV、3×70mm2作為研究對象，具體結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

按照生態(tài)設(shè)計(jì)方法，首先考慮該型號(hào)電纜的自身特性，主要結(jié)構(gòu)為銅芯導(dǎo)體、交聯(lián)聚乙烯絕緣層、聚乙烯護(hù)套。其中，銅芯制造全過程中碳排放量為8 627kg，交聯(lián)聚乙烯制造全過程碳排放量為3 824.5kg，聚乙烯制造全過程碳排放量為1 706.5kg。由于電線電纜的截面尺寸是有國家標(biāo)準(zhǔn)的，因此采用減少原材料使用量途徑不可取，故利用原材料替代方法。

目前，電線電纜常用的導(dǎo)體線芯材料有銅芯、鋁芯、貴金屬銀及合金材料，考慮成本和電阻率，最后選擇與原銅芯電纜具有相近載流量的鋁芯作為導(dǎo)體（截面積3×120mm2），比銅芯電纜截面積大2個(gè)規(guī)格，符合實(shí)際生產(chǎn)情況，見表1所列。

選擇乙丙橡膠絕緣層作為代替方案，各性能參數(shù)與原型號(hào)交聯(lián)聚乙烯參數(shù)相近。碳排放及其他環(huán)境影響參數(shù)見表2所列。

表1 銅、鋁線芯相同截面積載流量

表2 2種方案環(huán)境污染排放參數(shù)

由表2可以看出，與碳排放相比，酸化物質(zhì)、臭氧消耗和光化學(xué)污染的排放量很小，而且國家目前關(guān)注更多的是減少碳排放，因此選取碳排放作為主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［9］，方案2比方案1碳排放量降低了56.4%，決定采納方案2。

由于確定采用鋁芯導(dǎo)體，考慮用實(shí)心代替絞合制成線芯，省去了拉線、絞線等工序，省工、省料，導(dǎo)體外徑最小，與絕緣的結(jié)合較好。另外，從實(shí)際調(diào)研情況來看，絕緣層和護(hù)套的擠出工序中存在原材料浪費(fèi)嚴(yán)重現(xiàn)象，這是因?yàn)樵牧弦灶w粒形式被吸入到擠出設(shè)備中，而存放原材料顆粒的容器（鐵桶）是開放式的，吸管也是直接插入容器中，員工在加料過程中很容易散落原料顆粒，設(shè)備停止后取出吸管時(shí)，殘留在吸管內(nèi)的原料顆粒也容易滑落吸管外。

考慮將容器入口處做成漏斗狀，擴(kuò)大入口面積；在容器底部將吸管和容器做成可拆式連接，設(shè)備停止時(shí)可以不用將吸管取出，這2種做法都可以減少原料顆粒的外泄，降低投入產(chǎn)出比。此外，絕緣層和護(hù)套層擠出時(shí)會(huì)有少量廢氣（H2S、HCL、Cl2）排出，因此可以加裝通風(fēng)裝置，將廢氣收集統(tǒng)一處理。碳排放參數(shù)見表3所列。

由表3可知，方案1碳排放量合計(jì)7 308kg，方案2碳排放量合計(jì)5 664.1kg，改進(jìn)后的方案2比方案1碳排放量降低了22.5%，采納方案2。

企業(yè)通過產(chǎn)品和工藝流程的改進(jìn)后，對新產(chǎn)品和原產(chǎn)品的碳排放量進(jìn)行比較，見表4所列。由表4可知，碳排放減少了45.67%。

表3 2種方案工藝特性碳排放參數(shù)

表4 新、舊產(chǎn)品碳排放量比較 kg

由上述結(jié)果可知，企業(yè)擬定的碳排放量指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到，但是這并不代表鋁芯電纜可以完全代替銅芯電纜，鋁的熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、延展性、柔韌度、相同截面積的載流量以及抗腐蝕性能都不如銅，所以，在某些特殊場合還應(yīng)使用銅芯電纜（如高溫、礦井中等）；對于電力電纜，大部分情況下，可以用鋁芯電纜代替銅芯電纜，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)QFDE生態(tài)設(shè)計(jì)方法上，提出了基于生命周期評(píng)價(jià)的生態(tài)設(shè)計(jì)方法。針對具體的節(jié)能減排指標(biāo)，通過分析產(chǎn)品特性和生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)找出最佳改進(jìn)方案，使其達(dá)到節(jié)能減排指標(biāo)。本文更側(cè)重于對已知產(chǎn)品進(jìn)行生態(tài)特性的改進(jìn)，該方法可以有效地幫助設(shè)計(jì)人員通過定性和定量化的分析解決環(huán)保問題。

［1］李牧之，吳永明.面向環(huán)境質(zhì)量機(jī)能展開的生態(tài)設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（12）：86－88.

［2］陳 清，劉志峰，張 雷，等.基于環(huán)境質(zhì)量功能配置的綠色產(chǎn)品規(guī)劃模型［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2009，28（1）：36－40.

［3］劉彥賓，莫新波，李永廣.基于QFDE和TRIZ的綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電子質(zhì)量，2009（3）：3－5.

［4］Utne I B.Improving the environmental performance of the fishing fleet by use of Quality Function Deployment（QFD）［J］.Journal of Cleaner Production，2009，17 （8）：724－731.

［5］Kuo T C，Wu H H，Shieh J I.Integration of environmental considerations in quality function deployment by using fuzzy logic［J］.Expert Systems with Applications，2009，36（3）：7148－7156.

［6］侯 智，陳世平.綠色質(zhì)量功能展開及其應(yīng)用研究［J］.機(jī)床與液壓，2005（11）：35－36，116.

［7］熊 偉.質(zhì)量機(jī)能展開［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：71－93.

［8］楊建新，徐 成，王如松.產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用［M］.北京：氣象出版社，2002：51－78.

［9］劉志峰，孫 博.基于LCIA的多目標(biāo)環(huán)境影響評(píng)價(jià)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，34（1）：1－5.

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

陳世杰（1987－），男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

劉志峰（1963－），男，陜西寶雞人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 呂 杰）