（机械电子工程专业论文）面向绿色制造的产品生命周期评价及其关键技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着全球环境问题的n 益严重，绿色制造及其相关问题的研究越来越引起人们的 重视。而产品生命周期评价( p l c a ) 作为绿色制造的一个重要的组成部分，在绿色 制造战略的实施过程巾将起到至关暄要的作用。 首先，本文介绍了课题研究的背景和意义，分析了绿色制造羽i , + 品生命周期评价 之间的关系，阐述了研究j “品! i ! 命川期评价的意义，概述了绿色制造和产。锗生命周期 评价的国内外研究现状。 然后，详细地论述了产品生命周期评价的概念及其发展。分析国际标准化组织 ( i s o ) 提出的产品生命周期评价的定义和技术框架，介绍产品生命周期评价的发展 历程，深入地探讨产r 铺牛命周期评价的方法论，总结产品生命周期评价方法的主要应 用，并指出存在的问题。 接着，研究了产品q i 命周期评价的关键技术。( 1 ) 研究了产品系统的建模：从产 品的全生命周期和功能角度，研究产- u i 系统的概念，定义产品系统的概念模型；利用 统一建模语言( u m i 。) 对产，口l 系统进行分析，建立产品系统的结构模型、功能模型和 信息模型；同时，给f “产品牛命周期巾某一个阶段的建模过程。( 2 ) 研究了系统的清 译分析：给出清单分析的一般步骤，提m 基于单元过程的清币分析汁算方法；j t ：l t l 据 高斯消元法原理，实现清单分析算法。( 3 ) 研究了系统的影响评价：确定影响评价指 标体系建直的一般性原则，并建立较完整的影响评价指标体系；给山影| 1 评价的一般 步骤，提出= i f = 实现影响评价的i ：t 算方法。( 4 ) 研究了系统集成：提p l c a 与p d m 系统集成框架，从集成方式和集成数据两个方面分析集成的可行 ，i ：。 i 1 者，详细地介绍了自：】l ：发的原) 诅系统pl c a l 0 。给系统的总 小纠i 车勾、系 统的特点、系统的功能。研究系统的核心技术：提出“c h e c k ”系统的功能，给 叫个图形建模工具的 发过程及其流程图，设计系统的三个支撑数据席，并给出关系 h 。介绍pl c a l 0 系统实现的完整产品生命周期评价过程。 最后，以4 1 3 5 g 型柴油发动机为例，进行厂完整的p l c a 研究。确定研究的i ：1 的和范围，提出一系列的假设条件。基于假没条件，进行清币分析和影响评价，并对 评价结果进行了适当n 0 解释平i | 分析。 关键词：绿色制造产u e l ，7 一- 命周期评价原型系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si nt h ew o r l db e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s ，t h e r e s e a r c ho ng r e e nm a n u f a c t u r i n g ( g m ) a n di t sr e l e v a n tp r o b l e m sh a sb e e ni n c r e a s i n g l y p a i d a t t e n t i o nt o a sa n i m p o r t a n tp a r t o fg r e e n m a n u f a c t u r i n g ，p r o d u c t l i f e c y c l e a s s e s s m e n t ( p l c a ) w i l lp l a ya ne s s e n t i a lr o l eo ni m p l e m e n t i n gg r e e nm a n u f a c t u r i n g a tf i r s t ，t h eb a c k g r o u n da n dm e a n i n go ft h er e s e a r c hw e r ei n t r o d u c e d t h er e l a t i o n b e t w e e np l e aa n dg mw a sa n m y z e d t h eg o a lo ls m d y i n gp l c aw a sp o i n t e do u t a n d t h es t a t e o f - a r to fg ma n dp l c aw a s e x p o u n d e d t h e n ，t h ec o n c e p t a n d d e v e l o p m e n t o fp l c aw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l i t s t e c h n o l o g i c a l f r a m ef r o mi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d o r g a n i z a t i o no s o ) w a sa n a l y z e d i t s m e t h o d o l o g y w a sd e e pd e b a t e da b o u t ，a n di t sm a i nu s ea n de x i s t i n gp r o b l e mw e r ep o i n t e d o u t 。 a n d t h e n ，s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sa b o u tp l c a w e r es t u d i e d ( 1 ) t h em o d e l i n go ft h e p r o d u c ts y s t e mw a sp r o p o s e d i nt e r m so ft h ew h o l e l i f ec y c l eo ft h ep r o d u c t ，t h ec o n c e p t a n dm o d e lo ft h ep r o d u c ts y s t e mw e r ed e f i n e d a n dt h es t r u c t u r em o d e l ，f u n c t i o nm o d e l a n di n f o r m a t i o nm o d e lo ft h ep r o d u c ts y s t e mw e r es e tu pu s i n gu n i f i e dm o d e ll a n g u a g e ( u m l ) m e a n w h i l e ，t h em o d e l i n gp r o c e s sa t ac e r t a i n s t a g eo ft h ep r o d u c ts y s t e mw a s d e s c r i b e d ( 2 ) t h ei n v e n t o r ya n a l y s i s w a sp r o p o s e d t h e g e n e r a lp r o c e s s a b o u tt h e i n v e n t o r ya n a l y s i sw a sb r o u g h to u t t h ei n v e n t o r ya n a l y s i sb a s e do nu n i tm o d u l ew a sp u t f o r w a r d ，w h i c hw a sr e a l i z e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fg a u s se l i m i n a t i o n s ( 3 ) t h c i m p a c t a s s e s s m e n tw a sp r o p o s e d t h eg e n e r a lr u l ea n dc o n t e n to fi m p a c ta s s e s s m e n t s i n d e xs y s t e mw e r ec o n f i r m e d t h eg e n e r a l p r o c e s s a b o u tt h e i m p a c t a s s e s s m e n tw a s b r o u g h to u t ，a n di t sc o m p u t e dm e t h o da b o u ti m p a c ta s s e s s m e n tw a sp u tf o r w a r d ( 4 ) t h e s y s t e mi n t e g r a t i o nw a sp r o p o s e d t h ei n t e g r a t i o nf r a m eb e t w e e np l c a a n dp d m s y s t e m w a sb r o u g h tf o r w a r d a n dt h e f e a s i b i l i t y o ft h e i r i n t e g r a t i o n f r o m w a ya n d d a t aw a s a n a l y z e d 华中科技大学硕士学位论文 m o r e o v e r , t h ed e v e l o p e dp r o t o t y p es y s t e mp l c a l 0w a si n t r o d u c e dm i n u t e l y , t h e a r c h i t e c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c ，f u n c t i o no fp l c a l 0w a sd i s c u s s e d t h ek e yt e c h n o l o g i e so f t h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ef u n c t i o no f ”c h e c k ”，t h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo ff o u rf i g u r e m o d e l i n g t o o l sa n dt h r e ed a t a b a s e st os u p p o r tt h es y s t e m ，w e r ed i s c u s s e d a ni n t a c tp r o d u c t l i f ec y c l ea s s e s s m e n tw a s f i n a l l yd e m o n s t r a t e dt h r o u g hp l c a l 0 a tl a s t ，a sa n e x a m p l eo ft h e4 1 3 5 gd i e s e le n g i n e ，a n i n t a c tp l c ar e s e a r c hw a s e n f o r c e d t h eg o a la n d s c o p ed e f i n i t i o nw e r ec o n f i r m e d ，a n d as e r i e so ft h ea s s u m e d c o n d i t i o n sw a s p u tf o r w a r d o nt h eb a s i so f t h ea s s u m e dc o n d i t i o n s ，t h ei n v e n t o r ya n a l y s i s a n di m p a c ta s s e s s m e n tw e r e i m p l e m e n t e d a n dt h ep r o p e ri n t e r p r e t a t i o na n da n a l y s i so ft h e r e s u l tw e r ec a r r i e do u t k e y w o r d s ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g p r o d u c tl i f ec y c l ea s s e s s m e n t p r o t o t y p es y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：冥罕 日期：年9 c 月；0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：吴军 日期：沙驴年争月_ ；口日 指导教师签名： 日期：枷尹年 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 1绪论 1 1 1 环境和资源问题 随着全球经济的快速发展，人类的物质文明达到了前所未有的高度。但由于长期 忽视人类活动对环境和资源的影响，环境恶化和资源匮乏等问题已经越来越严重，正 在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。 据统计每年全球向大气排放5 0 亿吨的c 0 2 是导致温室效益的直接原因，过度 使用的氟利昂造成南极上空的臭氧空洞；酸雨、水质污染、大气污染等引发大量疾病， 给人类健康造成严重的危害。此外，每年有2 4 0 0 万辆汽车被报废和2 0 0 0 万台计算机 被淘汰，而利用现有的固体废弃物掩埋、焚烧和堆放技术全部处理完这些废弃物需要 耗费上百年的时间；石油、天然气等矿物性燃料的消耗量已到达相当于2 0 0 亿吨煤， 如果按照目前的消耗水平和方式，则到2 5 0 0 年地球上的所有主要的工业原料将被消 耗殆尽。 目前，环境和资源问题已经引起了国际社会的普遍重视。许多国家纷纷推出各种 法律和政策，以引导企业保护环境和充分利用资源，进行可持续发展；学术界也每年 都召开各种各样的环境会议，以探讨环境保护的途径和方法。近年来的研究和实践表 明环境问题决非是孤立存在的，它和资源问题有着根本性的内在联系。资源问题不仅 涉及人类世界有限的资源如何利用，而且又是产生环境问题的主要根源。于是，一个 新的概念被提出来：最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物，是当前世界上环境 问题的治本之道。 1 1 2 绿色制造的兴起 制造业【1 】f 3 】是将可用资源( 包含能源) 通过制造过程，转化为可供人们使用和利 用的工业品或生活消费品的产业。它涉及到国民经济的大量行业，如机械、电子、化 工、食品、军工等。制造业是创造人类财富的支柱产业。然而，制造业在将资源转变 为产品的制造过程中以及产品的使用和处理过程中，同时也产生废弃物，即资源中未 被利用的部份。废弃物是制造业对环境污染的主要根源。由于制造业量大面广，它对 环境的总体影响很大。据不完全统计，目前大约7 0 以上的环境污染都来源于制造业， 华中科技大学硕士学位论文 它每年向地球排放出约5 亿吨无害废物和7 亿吨有害废物。可以说，制造业一方面是 创造人类财富的支柱产业，另一方面又是当前环境污染的主要源头。 如何解决制造业所产生的环境污染问题呢? 专家们普遍的看法是必须从源头丁f ： 始，实施绿色制造战略。绿色制造i2 1 是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造 模式。其目标是在不牺牲产品功能、质量和成本的前提条件下，使产品从躞计、生产、 包装、运输、使用到报废后的回收和处理的整个产品生命周期中对环境的不利影响最 小和资源利用效率最高，其体系结构( 图1 1 ) 1 3 】。 烊魄供护柙辩潍优化州，1 1 ；产品生命周期l i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一_ 一一一一一j 图1 1 绿色制造的体系结构 本课题得到了“教育部留学回国人员科研启动基金”项目的资助。本文主要针对 绿色制造中的关键技术产品生命周期评价进行一些研究，是作者近两年来研究实 践的心得和成果的总结。 1 2 课题研究的意义 1 2 1产品生命周期评价是绿色制造的重要组成部分 产品生命周期评价( p r o d u c tl i f ec y c l e a s s e s s m e n t ，p l c a ) 是对产品从开始的原 材料开采到最后的废物处理，进行全过程跟踪、定性分析和定量评价，其目标是评估 能量和物质利用，以及废物排放对环境的影响，寻求改善环境影响的机会以及如何利 用这种机会1 4 1 。由此可见，在某种意义上，产品生命周期评价和绿色制造的目的不谋 而合。 而如果没有评价方法和体系的支撑，绿色制造将无法实施下去，因为很难发现产 品在设计、制造等过程中对环境影响最小、资源利用最高的环节和因素。产品生命周 期评价作为一种先进的评价手段和方法，可以利用它来对产品全生命周期的资源消耗 和潜在的环境影响进行辨识、量化和评价，辅助绿色制造的实施。因此，产品生命周 期评价系统可以作为绿色制造的环境影响评估系统。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 研究产品生命周期评价的必要性 随着我国加入w t o ，许多被动的关税壁垒被取消，但是一些发达国家却利用其 技术等方面的优势，为保护自身利益设立了许多非关税壁垒，如要求进口产品必须进 行绿色性认证，即“绿色壁垒”。实施绿色制造战略和应用产品生命周期评价一方面 可以增强企业的环境保护意识，提高产品的绿色性，打破绿色贸易的壁垒，另一方面 也可以促进企业节约能源和资源，调整生产机制，设计开发绿色产品。 再者，产品生命周期评价的研究将有利于推行清洁生产、产品环境标志计划以及 实施环境管理体系。目前各国政策重点已经从末端治理转向控制污染源、进行总量控 制，这在一定程度上反映了现有法规制度无法单独承担对环境和公共卫生造成的危 机，从另一侧面也反映了产品生命周期评价将成为未来制定环境问题长期政策的基 础。从某一角度看，产品生命周期评价反映了现有环境管理已转向各类污染源最小化 一排放最小化一负面影响最小化的管理模式，这对实现可持续发展战略具有深远的意 义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1绿色制造的研究现状2 】【5 】嘲 随着环境问题越来越引起人们的重视，绿色制造及其相关问题的研究近年来也越 来越活跃，特别是在美国、加拿大、西欧等一些发达国家。 在国外，美国许多国家重点实验室、高校、科研机构和企业已经对绿色制造及其 相关问题进行了大量的研究。如美国制造工程师学会( s o c i e t yo fm a n u f a c t u r i n g e n g i n e e r s ，s m e ) 于1 9 9 6 年发表了绿色制造的蓝皮书( ( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 和绿色 制造发展趋势的主题报告，系统地论述了绿色制造研究的重要性、概念、内涵和主要 内容等。b e r k e l e y 大学成立了专门的绿色设计与制造联盟，对工业生产中的环境管理、 面向环境设计和污染预防等问题进行了多学科交叉的研究，取得了不少成果，如开发 了绿色制造外壳、绿色制造规划者等软件。卡奈基美隆大学等成立了绿色设计研究所 从事绿色设计、管理、制造、法规制定等的研究和教育工作，并与政府、企业、基金 会等广泛合作，如与i b m 公司联合主办了”e h s 信息技术解决方案的标准化”专题讨 论会等。美国a t & t 公司在企业技术学报上发表了不少关于绿色制造的研究论文。同 时，美国国家科学基金会( n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ，n s f ) 也对绿色制造的研究 给予了高度重视和支持，如美国n s f 的1 9 9 9 年资助课题报告会( n s fd e s i g n 华中科技大学硕士学位论文 m a n u f a c t u r i n gg r a n t e e sc o n f e r e n c e ) 所报告的与绿色制造相关的研究课题就有十余项。 此外，加拿大的w i n d s o r 大学建立了环境意识设计和制造实验室( e c d ml a b ) ， 发行了环境意识设计与制造的国际杂志：对环境意识制造巾的环境性设计、生命周期 分析等进行了深入的研究，并于1 9 9 5 年开发了一套有关环境性设计的设计软件e d i t 。 欧洲国际生产工学会( i n t e r n a t i o n a li n s t i t u t i o nf o rp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n 2r e s e a r c h ， c i r p ) 每年均有不少论文对环境意识制造、多生命周期工程等与绿色制造本质一致的 问题进行了研究【1 3 】。英国c f s d ( t h ec e n t e rf o rs u s t a i n a b l ed e s i g n ) 对生态设计、可 持续性产品设计等进行了集中研究，并开展了有关的教育工作。 在国内，近几年来绿色制造得到了不少高校和科研机构等的关注，在绿色制造的 理论体系、专题技术等方面进行了大量的研究。如重庆大学作为国内最早从事绿色制 造研究的单位，主要研究可持续发展c i m s ( s - - c i m s ) 的体系结构研究、清洁化生产 系统和体系结构及实施策略、清洁化生产管理信息系统等。清华大学与美国t e x a s t e c hu n i v e r s i t y 先进制造实验室建立了关于绿色设计技术研究的国际合作关系，对 全生命周期建模等绿色设计理论和方法进行系统研究。上海交通大学针对汽车开展可 回收性绿色设计技术的研究，与f o r d 公司合作，研究中国轿车的回收工程问题，与 法国柏林工业大学i w f 研究所建立了合作关系，在废弃工业品回收方面展开了研究工 作。国家自然科学基金和国家8 6 3 c i m s 主题也均支持了一定数量的绿色制造方面的 研究课题，并取得了不少研究成果。国家8 6 3 c i m s 主题在中国现代集成制造系统网 络( h t t p ：w w w c i m s e d u c n ) 上开辟了绿色制造专题，综合介绍国内外绿色制造研究 情况和指导国内的绿色制造研究。一些企业通过与高校开展合作的形式也参与到绿色 制造的研究中来，如至卓飞高线路板( 深圳) 有限公司和清华大学合作成立清华至卓 绿色制造研发中心，积极推进绿色设计和制造技术的研究和应用。国家环保局于1 9 9 6 年批准成立了国家环保总局华夏环境管理体系审核中心，专门负责i s 0 1 4 0 0 0 系列标 准的在我国的实施、培训工作以及同国际有关机构的交流，并建立了专门的网站中国 环境管理体系认证信息网。 目前，国内外关于绿色制造的研究主要体现在三个方面：1 ) 研究绿色制造涉及 的政府行为，绿色制造的概念理论体系及并行运行模式等战略性问题和总体技术；2 ) 针对某一应用，研究绿色设计、绿色材料、绿色生产过程、绿色包装、绿色处理等专 题技术；3 ) 研究绿色制造的技术支撑系统、应用支撑系统以及社会支撑系统等等。 1 3 2 产品生命周期评价的研究现状v l a l 9 1 1 1 l 近几年，随着世界各国对产品生命周期评价的研究与实践的不断深入，产品生命 华中科技大学硕士学位论文 周期评价已成为当前国际产业界和学术界关注的焦点和研究热点。 在国外，研究产品生命周期评价比较深入和权威的组织有国际标准化组织 ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o ns o c i e t yf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，i s o ) 、国际环境毒理学和化学 学会( t h e s o c i e t y o fe n v i r o n m e n t a l t o x i c o l o g ya n dc h e m i s t r y ，s e t a c ) 和欧洲环境署 ( e u r o p e a ne n v i r o n m e n ta g e n c y ，e e a ) 等。目前! 产品生命周期评价已被国际标准 化组织1 s o 的t c 2 0 7 技术委员会列入i s 0 1 4 0 0 0 环境管理标准体系，已公布了生命周 期评价的原理和框架( i s 0 1 4 0 4 0 ) 、清单分析( 1 s 0 1 4 0 4 1 ) 、影响评价( i s 0 1 4 0 4 2 ) 和解释与改进( i s 0 1 4 0 4 3 ) 等标准。美国国家环境保护局e p a 、欧洲和美国专家共同 成立的国际环境毒理学和化学学会s e t a c 、荷兰l e i d e n 大学的环境科学研究中心 c m l 、日本通产省的j e m a i 等国家政府机构和研究机构正致力于发展标准化的、通 用的综合l c a 方法和工具，如美国e p a 一直在进行l c as t r e a m l i n i n g 方法研究和 g l o b a ll c i d i r e c t o r y 实现，2 0 0 1 年终于完成l c a a c c e s s 数据库为各行业合作提供 产品生命周期数据；“国际生命周期评价发展促进会( t h es o c i e t yf o rp r o m o t i o no f l i f e c y c l e a s s e s s m e n td e v e l o p m e n t ，s p o l d ) ”开发了一种数据交换格式，定义了l c i 数据的逻辑结构，并可在网络上运行，为数据的自由流动提供了技术前提( s p o l d ， 1 9 9 6 ) ；瑞典的s p i n e 咨询中心提出了一个标准化的数据模型和关系型数据库结构， 可以处理、构造和存储l c a 数据的所有相关信息；荷兰的p r 6c o n s u l t a n t s 咨询公司 研究开发的s i m a p r o5 0 、e c o - i t2 0 等l c a 实用工具能帮助提高产品或服务的环境 性能：德国p ep r o d u c te n g i n e e r i n gg m b h 公司开发的g a b i3 0 能够集成技术、经济和 环境性能来支持公司的产品系统设计、优化及市场决策；日本的j e m a i 在2 0 0 0 年推 出了n i r e l c a 3 ，0 ，东芝电器和n e c 也分别开发了“e a s yl c a ”和“l c a s u p p o r t ”。 此外，同本于1 9 9 8 年启动了一个五年的国家研究计划“产品生命周期评价技术 开发”，并已成功地召开了四界大型l c a 国际研讨会。 再者，一些国际著名的跨国企业也积极地参与到产品生命周期评价的研究和应 用，并逐步成为国际产业界产品生命周期评价的先驱，如p e 、i b m 、a t & t 、德国西 门子等一方面开展产品生命周期评价方法的研究，另一方面也积极对其产品作生命周 期评价。德国大众汽车公司于1 9 9 6 年完成了全球第一个对汽车整车进行的清单分析。 目前，产品生命周期评价已在能源、交通、化工、核技术、金属、合成业、造纸、纺 织、环保、电子等工业中得到了初步应用。 在国内，产品生命周期评价的研究起步时间比较晚，学术界于1 9 9 7 年才真正地 开始关注它。近几年，随着绿色制造、清洁生产的兴起，许多高校、科研单位对产品 生命周期评价进行了大量的研究，但总体上还处于消化吸收阶段。如中科院生态环境 研究中心作为国内最早开展生命周期评价研究的单位，对该方法进行了系统地研究， 5 华中科技大学硕士学位论文 针对中国资源与环境现状，建立了一套系统评价中国产品生命周期环境影响的方法和 模型，并针对国内轿车进行了生命周期评价研究。清华大学至卓绿色制造研究中心将 产品生命周期评价作为一个重要的研究领域，积极地开展了绿色数据库、决策支撑工 具和系统的开发。此外，合肥工业大学、华中科技大学等围绕产品生命周期评价的概 念、框架体系等进行了一些研究。同时，企业界也开始涉足产品生命周期评价领域， 如摩托罗拉( 中国) 电子公司对其手机外壳开展了生命周期评价研究等。 1 4 本文的主要工作 产品生命周期评价的研究已经有近半个世纪，国外学术界和企业界对它的发展投 入了大量的关注，各种新的研究方法和思想层出不穷。但是，国内由于条件的限制， 对它的研究仍停留在概念研究阶段，鲜有企业运用的研究报道。 本文力求在跟踪国外最新研究进展的前提下，结合国内企业的实际情况，对产品 生命周期评价进行一些有益的研究，为产品生命周期评价在我国的运用打下坚实的基 础。为此，本文在如下几个方面进行了探讨： 1 ) 研究了产品生命周期评价的定义和技术框架，探讨了它的方法论，并介绍了 它的应用前景以及存在的问题等。 2 ) 研究了面向全生命周期的产品系统建模。建立了产品系统的概念模型、结构 模型、功能模型、信息模型，并给出了产品生命周期中某一个阶段的建模过 程等。 ， 3 ) 研究了产品系统的清单分析和计算。给出了清单分析的一般步骤，并设计了 一种清单分析的算法等。 4 ) 研究了产品系统的影响评价。建立了影响评价的指标体系，并设计了种影 响评价的算法等； 5 ) 分析了产品生命周期评价工具与现有的企业信息化系统进行集成的意义和可 行性，并提出了一个集成框架等； 6 ) 设计开发了用于产品生命周期评价的原型系统pl c a l 0 ，并完成了系统建 模、系统清单分析和系统影响评价等工作； 7 ) 以4 1 3 5 g 型柴油发动机为例，对其进行生命周期评价应用研究。 围绕着上述几方面的工作，本文章节安排如下： 第一章详细地论述了课题研究的背景、意义，并介绍了国内外研究现状等； 第二章论述了产品生命周期评价的定义、技术框架、方法论、主要应用以及未 来发展； 6 华中科技大学硕士学位论文 第三章论述了产品生命周期评价的若干关键技术，包括系统建模、清单分析、 影响评价和系统集成等： 第四章详细地论述了自主开发的生命周期评价原型系统，包括系统的总体结构、 系统功能、系统的特点、系统的关键技术，并给出了系统进行生命周期评 价的完整过程： 第五章对4 1 3 5 g 柴油发动机进行了完整的生命周期评价，包括确定目标和范围， 清单分析( 原材料开采过程、制造过程、使用过程和废弃回收等) ，影响 评价以及评价结果的解释和分析： 第六章对全文进行了总结和展望。 全文的组织结构，如图l 一2 所示： i 牡童产擀蜘晰 i l 第i 章产赫生命蒯船评价 l的盏键控求甜f 究 i l 第州章产赫生删劓忡倚 l的艨蟹j i i 娩州擞 i l 旃“黛4 1 3 5 g 型繁袖发动机 l的生命j f | i 期评廿r 图1 2 全文组织结构图 7 华中科技大学硕士学位论文 2 产品生命周期评价概述 产品生命周期评价( p r o d u c tl i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，p l c a ) 作为一个环境管理工 具，经过近半个世纪的发展，已经逐渐被国外学术界、企业界和政府部门所认可，发 展迅速；但在我国该方法的研究和应用才刚刚起步。 本章将对产品生命周期评价( p l c a ) 进行详细地介绍，包括其定义和技术框架、 发展历程、具体方法的论述、主要应用以及存在问题。 2 1 产品生命周期评价的定义和技术框架 2 1 1 定义 根据国际标准化组织( i s o ) 的定义【1 3 l ：“产品生命周期评价是对一个产品系统的 生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价”。它包括编制与研究系统相 关的输入，输出数据清单；量化评价那些输入，输出伴随的潜在的环境影响；联系研究 目的，解释清单分析和影响评价的结果。 作为一种新的环境管理工具和预防性的环境保护手段，p l c a 的主要目标在于 通过确定和定量化研究能量和物质利用及废弃物的环境排放来评估一种产品、工序和 生产活动造成的环境负载；评价能源、材料利用和废弃物排放的影响以及评价环境改 善的方法。其需要考虑的环境因素一般包括资源利用、人体健康和生态后果等三个大 类。 2 1 2 技术框架 1 9 9 7 年，国际标准化组织颁布了1 s 0 1 4 0 4 0 ( 环境管理一生命周期评价一原则和 框架) 标准。该标准将p l c a 的实施步骤分为确定目标和范围、清单分析、影响评价 和解释四个部分。如图2 - 1 所示，它们有机地组织在一起构成了p l c a 的技术框架1 1 6 】。 8 华中科技大学硕士学位论文 图2 - - 1 p l c a 的技术框1 羁( 1 s 0 1 4 0 4 0 ：1 9 9 7 ) 图2 1 中，各个阶段问的双箭头表明p l c a 是一个不断反复的过程，比如当进 行影响评价时，可能发现某种影响评价信息没有给出或者没有什么意义，则可能需要 更新清单分析：当结果的解释不能满足实际需要时，可能需要修订原来的评价目标和 范围等。 2 2 产品生命周期评价的发展历程【4 】 产品生命周期评价( p l c a ) 1 1 7 + i 最早出现于2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，当时 称为资源与环境状况分析。当时，随着能源矛盾越来越突出，美国开展了一系列针对 包装品的能源利用率和原材料消耗问题的研究，如1 9 6 9 年可口可乐公司委托美国中 西部研究所对其不同的饮料容器生命周期的资源消耗和环境排放进行了比较研究；7 0 年代早期美国自然科学基金资助的“国家需求研究”项目对玻璃瓶、聚丙烯和聚氧乙烯 瓶的比较研究。此外，欧洲也从事了一些类似的研究工作，如1 9 7 2 年英国的b o u s t e a d 1 等人对不同材质的饮料容器生命周期总的资源消耗进行了核算。总之，产品生命周 期评价研究早期的工作，主要关注于包装的可替代方案的资源和环境影响。 2 0 世纪7 0 年代中到8 0 年代末，由于全球石油危机、能源问题的逐步消退，人们 对产品生命周期评价的兴趣逐步下降，但美国和欧洲的一些研究和咨询机构依据生命 周期评价的思想发展了有关废弃物管理的一系列方法论，更深入地研究环境排放和资 源消耗的潜在影响。特别是，1 9 8 4 年瑞士联邦材料测试与研究实验室采用了健康标准 评估系统对有关包装材料进行了一系列的研究，同时建立了一个详细的清单数据库， 包括一些重要工业部门的生产工艺数据和能源利用数据，并于1 9 9 1 年开发出了一个 商业化的应用软件。这些研究为生命周期评价方法的发展奠定了重要的基础。总之， 在该段时期中，产品生命周期评价发展缓慢，案例研究明显减少，但人，| f l j l ：始思考产 9 华中科技大学硕士学位论文 品生命周期评价方法论本身的一些问题。 2 0 世纪9 0 年代以后，随着全球环境问题的日益严重以及人们环境保护意识的加 强，可持续发展理论的提出，清洁生产和绿色制造的兴起，产品生命周期评价得到了 广泛的关注，发展迅速起来。 国际环境毒理学与化学学会( s e t a c ) 是第一个意识到产品生命周期评价潜在价 值的国际组织。1 9 9 0 年s e t a c 首次主持召开了有关产品生命周期评价的国际研讨会。 在该会议上首次提出了“生命周期评价”的概念。在随后的几年里，s e t a c 又主持和召 开了多次学术研讨会，对产品生命周期评价方法的理论和方法进行了广泛的研究。特 别是，1 9 9 3 年s e t a c 根据在葡萄牙的一次学术会议的主要结论，出版了一本纲领性 的报告：“生命周期评价纲要：实用指南【1 4 1 。”该报告为生命周期评价方法提供了一个 基本技术框架，成为了产品生命周期评价方法论研究起步的一个里程碑。 国际标准化组织( i s o ) 一直关注于产品生命周期评价的标准化工作【1 8 】。1 9 9 3 年 国际标准化组织( i s o ) 开始起草i s 0 1 4 0 0 0 国际标准，正式将生命周期评价纳入该体 系，成立专门的技术委员会( i s o ? r c 2 0 7 s c5 ) 来负责完成与生命周期评价相关的国 际标准，并为其预留了1 0 个标准号，即1 s 0 1 4 0 4 0 1 s 0 1 4 0 4 9 。目前已经颁布了 l s 0 1 4 0 4 0 1 s 0 1 4 0 4 3 等四个标准。 一些国际上著名的大企业集团分别针对其产品开展了生命周期评价研究，成为国 际产业界生命周期评价的先驱( 见表2 1 ) 。 表2 - - 1 开展生命周期评价研究与应用的一些国际公司【”i f 2 1 公司名称国家主要磷究内容 惠普公司美国有关打印机和微机的能源效率和废弃物研究 爱立信公司瑞典无线电系统生命周期评价示范研究 b a n g & o l u f e e n 丹麦生命周期方法论，机电设备、电冰箱、彩色电视机等产品的生 电器公司命周期评价研究 美国电报电话美国生命周期评价方法研究、商业电话生命周期评价示范研究 公司 菲利特集团意大利汽车发动机生命周期评价示范研究 奔驰汽车公司德国生命周期评价方法研究、空气清洁器生命周期评价示范研究 此外，随着计算机技术的推广和普及，计算机在产品生命周期评价的发展过程中 逐步成为一个至关重要的角色。目前国际上有关产品生命周期评价的软件发展非常迅 速，除了一些企业或研究机构开发的内部软件外，相当数量的商业化软件也已经开发 出来( 见表2 2 ) 。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 一= ：；= = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = ；= = = ；= 表2 2 几种主要的商业化软件【2 1 软件g 称开发商软件特点 b o u s t e a d 4 2 b o u s t e a d 咨询公司包括能源、燃料生产和运输的数据模块以及单个和组 合工艺和完整产品的数据。数据库包含英国、欧洲和 美国、日本、中国等超过3 0 0 0 个单元操作的信息。每 个工艺约有2 4 个排放物类别。 s i m p r 0 5 0 荷兰p r e 咨询公司包括大部分t 业生产工艺数据。主要数据以欧洲或荷 兰的数据为基础。已内置了1 0 种t 业原料的生态指 标。 g a b i 4 0p e 软件公司和德永远非常详细的废弃物处理与再利用数据库，共有8 0 0 国斯图加特大学种不同能源和原材料的工艺数据和4 0 0 种丁业工艺数 据，并将其按照一定的层次结构( 1 0 种工艺过程) 进 行组织 k c l e c 0 2 1 芬兰p u l p & p a p e r 包括基于芬兰和欧洲的纸和纸浆及相关工业的模块。 研究机构一个单元操作的输入与输出之间的关系是由一组线形 方程及功能单元来确定的。 t e a m 2 5法国e c o b i l a n模型含有1 0 个类别，每个类别有2 1 6 个产晶、材料生 g r o u p 产、能源和运输的单一数据夹。程序显示了数据来源 和数据的质量。 ， 总之，在2 0 世纪9 0 年代以后，产品生命周期评价越来越引起人们的浓厚的研究 兴趣，得到相当广泛地应用。随着其方法论的不断完善和发展，它必将成为2 1 世纪 最有发展前途的环境管理工具之一。 2 3 产品生命周期评价的方法 2 3 1确定目标和范围的方法 目标和范围的确定【矧即明确评估分析的目的、被分析的产品( 或服务) 及其功能。 确定的目标要清楚地说明开展此项生命周期评价的目的和意图，研究结果的可能应用 领域；研究范围的确定要足以保证研究的广度、深度与要求的目标一致，主要包括： 定义所研究的产品系统、确定产品系统边界、明确功能单元等。 1 ) 定义产品系统 产品系统是由确定功能的中间产品流联系起来的单元过程的集合。通常，对产品 1 1 华中科技大学硕士学位论文 系统的描述包括单元过程、通过系统边界的基本流和产品流、系统内部的中间产品流 等。产品系统是产品生命周期评价的研究对象。 产品系统作为一个整体，描述了产品从最初的原材料开采到最终的使用后废物处 理整个过程。它可以被划分为一系列相互联系的子系统，这些子系统存在产品系统的 不同层次上，由不同的单元过程组成。 2 ) 确定产品系统边界 产品系统边界将产品系统与其环境分开。产品系统环境为产品系统输入提供束 源，并接受产品系统的所有输出。确定产品系统边界的原则是既要满足评价目标的要 求，又要使生命周期评价的模型尽量简单。 产品系统边界通常包括：技术圈边界，即确定当前数据收集的技术水平；生物圈 边界，即确定系统考虑的环境介质范围；生命周期圈边界，即确定系统包括的产品生 命周期阶段( 见图2 2 ) 。 图2 2 产品系统边界 3 ) 功能单元 功能单元是量度产品系统功能时采用的单位，可以是一定数量的产品或某种服 务。如功能单元可以是“一台柴油发动机”、“货物运输的l k m t ”等。获得的所有清 单数据都必须以功能单元为基础。从某种意义上而言，功能单元的确定是整个产品生 命周期评价的基石。 确定功能单元的主要目的是为有关的输入和输出数据提供一个参照标准，以保证 评价结果的可比性，如对不同的产品系统进行比较，只有采用相同的功能单元，6 会 有可比性。通常在确定功能单元时需要考虑产品的效率、使用期和质量标准等。 2 。3 2 清单分析的方法 p l c a 的清单分析【2 3 l ，即对系统范围内的所有过程对资源的消耗及其环境排放物 进行以数据为基