（机械电子工程专业论文）面向能源节约的产品绿色设计理论与方法研究.pdf

摘要 随蔫经济的高造增长，人类不得不开始面对越来越严重的资源短缺和环境污染问题。人 们逐渐认识鲥只有实行绿色设计才能从穰本上解决制造业中的环境阿题。能鬟节约设计是绿 色设计中的重要问题，它不仅具有能源节约的属性，还能通过环境影响和成本分析体现绿色 满性和经济属性，具有重要的磷究价域。 在综合国内外现有的研究的基础上，从设计方法学和系统的角度，提出并描述了f b a s 设计框架。通过对产品全生命周划能量消耗的分毒厅，建立有效描述和表达机电产品中能整消 耗的效用模型，找出机电产品能量属性及其与设计过程和设计信息的内在联系。提出“能量 设计因子”和“设计元”概念，建立了基于设计元的面向能源节约的产品设计模型。 建立能量园子的提取应鹰桃裁。蓠先，建立能量因子效用映射模型，将能量因子提敬过 程模型分为：能量网素识别、能量因子提取、能鬣因子应用三个阶段。定义能量因素与重要 能量因素。对产品信息进行了能量聚类，母# 为能鬃因素识别豹基礁。详细阐述了量因素静 识别原则，提出了能量因素三维识别模型。建立麓要能量因素提取的工作机制和判定原则， 给出了能鬣因子的量化分析过程。并对能量因子的表达和与设计元之闸的关系进行了阐述。 产品全生命周期能量消耗量化模型是能量因子提取的基础。在现有能量消耗研究的基础 上，将产品能量分析扩展到糕个产品生命周期；提出串行状态变化过程的能量函数。针对产 品全生命周期及各个主要阶段懿能量游耗，分剐迸行详细的分析，建立量鬃化公式，并给 产品生命周期出各阶段的最离层能量因子。 将能餐因子| 勺表达方式分为西囱单一因素和多因素两个方面。针对产品全生翕周期搦点 这一单一阁素，分析了能量拐点优化的影响因素。分别从主观寿命和客观寿命两个方面考虑 影响产品使用寿鼢的因素。绘出产品生命周期能篷拐点优化和能量优化寿命的概念，及其对 产品设汁、回收等阶段的影响。对产晶生命周期能耗动态性和不确定性能进行模拟，提出r 基于产品生命周期动态能量消耗( l u d e ) 时间两数，给出豳数的普通公式、简化公式和特殊 情况。 针对产品结构的组合发计这一多因素问题，分析了多个设计元组合结构相关的能量因素。 从材料相餐性、装溅与拆卸、经j - j 过稳能量转递、零件寿命、回收处理等个方西对设计元结 构的能鬃关联度进行分析和量化，并将功能和物理关联度作为约束。运用模块化思想，采用 聚类分析方法进行产品结构进行组合优化，提出了产品结构组合的能量聚类优化模型和方法。 本文中戬家电产品电泳褡为铆贯穿始终，对基于漫计元雏面向能源节约的绿色设计模型 及其关键投术进行了验证，并在此基础上提出了改进建议。 关键词：能量节约，设计模型，能量设计因子，设计元，能量拐点，结构组合设计 发计优化 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ge c o n o m yp e o p l eh a v et of a c et h em o r ea n dm o r es e r i o u sp r o b l e m so f e n v i r o n m e n ta n dr e s o l l r c e i nt h ep a s td e c a d e s ，p e o p l eh a v ed o n eal o to fw o r k ，s u c ha sp o l l u t i o n t r e a t m e n ta n dc l e a np r o d u c t i o n ，a n dm a d es o m ea c h i e v e m e n t s h o w e v e rt h e s et e r m i n a l - t y p e m e t h o d sc a n n o ts o l v et h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m su l t i m a t e l yb e c a u s et h eb a s i cp r o p e r t i e sh a v eb e e n d e t e r m i n e di nt h ed e s i g np h u s ea n dw i l lp r o d u c ea l lk i n d so f e n v i r o n m e n t a le f f e c t si nt h ep r o d u c tl i f e c y c l e m a n yp e o p l eh a v er e a l i z e dt h a tg r e e nd e s i g ni sak e yt ot h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si n m a n u f a c t u r i n gi nm o s ts t u d i e so f g r e e nd e s i g nh a v eb e e ne m p h a s i z e dw i t ha t t e n t i o nb e i n gg i v e nt o t h ee n e r g y - s a v i n gd e s i g nw h i c hh a st h ee n e r g y s a v i n gp r o p e r t y , a l s oe m b o d i e st h ea f f e c t e d e n v i r o n m e n ta n dt h ea f f e c t e dc o s tb yt h eg r e e np r o p e r t ya n dt h ee c o n o m y p r o p e r t y i n f o r m e db yt h er e c e n tr e s e a r c h ，w i t ht h ed e s i g nm e t h o da n dt h es y s t e ma p p r o a c h ，f b a s d e s i g nf r a m e w o r ki sp r o p o s e d a n a l y z i n gp r o d u c t se n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h el i f ec y c l e ，t h i sa r t i c l e a i m sa tc r e a t i n gu f i l i t ym o d e lw h i c hc o u l dv a l i d l yd e s c r i b e st h et o n s u r e p t i o no fe n e r g yi nt h e p r o d u c t sa n dd e t e c t i n gt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h ee n e r g y - p r o p e r t y , t h ed e s i g np r o c e s sa n dt h e d e s i g ni n f o r m a t i o n t h i ss t u d yf u r t h e re s t a b l i s h e sag r e e nd e s i g nm o d e lf o re n e r g ys a v i n go nt h e b a s eo f t w op r e s e n t e dc o n c e p t sc a l l e d “e n e r g y - d e s i g nf a c t o r ”a n d d e s i g nu n i o n ” t h ee x t r a c t i o no ft h ee n e r g y - d e s i g nf a c t o ri se s t a b l i s h e d f i r s t ，t h e “e n e r g ya s p e c t a n dt h e “h n p o r t a n te n e r g ya s p e c t ”a r ed e f i n e da f t e ra n a l y z i n gt h ep r o d u c te n e r g y - f l o ws y s t e m t h ee n e r g y f a c t o ru t i l i t ym o d e lm a pi se s t a b l i s h e d ，w h i c hs e p a r a t e st h ee x t r a c t i n gp r o c e s so f t h ee n e r g yf a c t o r i n t ot h r e ec o u r s e s ( i d e n t i f i c a t i o n , e x t r a c t i o na n da p p l i c a t i o n ) s e c o n d ，t h ep r o d u c ti n f o r m a t i o ni s c l a s s i f i e d ，w h i c hi st h eb a s eo ft h ee n e r g ya s p e c ti d e n t i f i c a t i o n t h i r d ，t h ei d e n t i f i e de n e r g ya s p e c t p r i n c i p l e sa r ef o r m u l a t e da n dt h ee n e r g ya s p e c tt r i d i m e n s i o n a l - i d e n t i f y i n gm o d e li sg i v e n f o t a t h ， t h em e c h a n i s ma n dt h ed e c i s i o np r i n c i p l e sf o re x t r a c t i n gt h ei m p o r t a n te n e r g ya s p e c ta r ec r e a t e d a n dt h eq u a n t i z e d - a n a l y s i sp r o c e s sf o re n e r g ya s p e c ti sg i v e n t h er e l a t i o nb e t w e e nt h er e p r e s e n to f e n e r g yf a c t o ra n dt h ed e s i g nu n i o ni se x p o u n d e di nt h ee n d l i f ec y c l i ce n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e li sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s eo ft h ee x t r a c t i o no ft h e e n e r g yf a c t o r w i t hr e c e n ts t u d yo fc o n s u m p t i o no fe n e r g y , t h ea n a l y s i so ft h ee n e r g yc o n s m a a p t i o n i se x t e n d e dt ot h ew h o l el i f ec y c l i c ，a n dt h ee n e r g y - f u n c t i o ni nt h es e r i a ls t a t ev a r i a t i o ni sd e f i n e d t h ep r o d u c te n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ee a c hl i f ec y c l i cp h a s ei se x p o u n d e da n dt h ec o r r e s p o n d i n g q u a n f i z e de n e r g yf o r m u l a sa r ee s t a b l i s h e d t h e nt h et o pe n e r g yf a c t o r si ne a c hs t e po f t h ew h o l el i f e c y c l i ca r eo b t a i n e d t h er e p r e s e n t so ft h ee n e r g yf a c t o ri sm a r k e dt w op a r t s ：s i n g l e a s p e c ta n dm u l t i p l e - a s p e c t a i ma tt h ei n f l e x i o no f t h el i f ec y c l i c ( s i n g l e a s p e c t ) ，t h ea f f e c t i n gf a c t o r so f t h ee n e r g yi n f l e x i o ni s a n a l y z e d t h ea f f e c t i n gf a c t o r so fp r o d u c tl i f ea r ed i v i d e dt ot o wp a r t s ( s u b j e c t i v el i f ea n do b j e c t i v e l i f e ) t h eo p t i m i z a t i o no f t h ei n f l e x i o n i nt h el i f ec y c l i ca n de n e r g yo p t i m i z e dl i f ea r er e p r e s e n t e da n d t h e i ri n f l u e n c e si n d e s i g np h a s e a n d r e c y c l ep h a s e t h el i f e c y c l e u n c e r t a i nd y n a m i c e n e r g y c o n s u m e ( l u d e ) t i m ef u n c t i o n i s g i v e n ，f o l l o w e db ys e v e r a lf o r m u l a s ( r e g u l a r o n e s ， s i m p l i f i e do n e sa n dt h eo n ei ns p e c i a lc a s e ) a i ma tt h ep r o d u c ts t r u c t u r a lc o m b i n a t i o nd e s i g n ，t h ee n e r g yp r o p e r t yo fm u l t i p l ed e s i g nu n i o n s i sa n a l y z e d ，w h i c hc o r r e s p o n d st ot h em u l t i p l e a s p e c t t h e n ，e n e r g yr e l a t i o ni ns e v e r a la s p e c t sa r e a n a l y z e da n dq u a n t i z e d ，s u c ha s t h em a t e r i a l sc o m p a t i b i l i t y , t h ea s s e m b l ya n dd i s a s s e m b l y , t h e e n e r g yt r a n s m i s s i o ni nu s ep h a s e ，t h ep a r t sl i f e ，e o la n d e t c t h e nt h ef u n c t i o na n dt h ep h y s i c s r e l a t i o n s h i pi sr e g a r da st h er e s t r a i n t s f i n a l l y , a p p l y i n gt h em o d u l ed e s i g n ，t h ee n e r g yc l u s t e r i n g o p t i m u mm o d e la n dt h em e t h o df o r s t r u c t u r a lc o m b i n a t i o ni sr e p r e s e n tb yc l u s t e r i n ga n a l y s i s m e t h o d t h er e f r i g e r a t o ra st h ec a s er u nt h r o u g tt h ew h o l ep a p e r , w h i c hi sc e r t i f i c a t et h i sg r e e nd e s i g n f o re n e r g y s a v i n gm o d e la n di t sk e ym e t h o d sb a s e do nd e s i g nu n i o n t h e n ，s o m ei m p r o v e m e n t s a r eg i v e s nf o r t h ec a s e k e y w o r d s ：e n e r g ys a v i n g ；d e s i g nm o d e l ；e n e r g y i n f l e x i o n ； s t r u c t u r a lc o m b i n a t i o nd e s i g n ； d e s i g nf a c t o r ；d e s i g nu n i o n ； e n e r g y d e s i g no p t i m i z a t i o n 插图清单 幽1 1x 层与d f x 的对应关系5 篱0 ，1f b a s 穰槊的设诗进程模戮2 0 潮2 - 2f b a s 捱絮的a n d o r 辫2 0 闰2 - 3 设计元的屡次藤开结构2 2 濑冬4 电球禧设计元艨没结构鬻，搿 潮2 - 5 产晶生龠周期2 5 阉2 t 6 不同屡次惯息裔下两上佟递过稳2 8 凿2 7 麓量灏予在渡嚣元中躲佟嗣，嚣 圈2 - 8 能量因子垮产晶殴计方寰生成关系3 2 潮2 * 9 瑟鑫麓潺节勰豹绿色设莹中摸受 瑟3 一l 产品蚕绫燮( 麓) 漉浚穰溪醛 圈3 - 2 能量园子靛厢跃射模型 戮3 - 3 能最暖子教屠避程模型。3 9 搿3 - 4 麓量因子辩提敢策路3 9 翻3 - 5 信意聚樊辘翻4 0 蕊3 - 6 量匿素兰维谖釜模型4 4 豳3 7 技术系统的转换圈形式， 豳3 。8 重要麓霪瓣素撵敬薛f 修枣剿4 8 熬3 - 9 t h e m o s to ft h em o s t “潦裂瀛程。骋 酗3 w i o 能量翻_ 子瀚羹纯表达过樱一5 4 躅3 + l 平援设计中蕊予硬度的能爨比较湖匿。，甾 鞠4 + 产品全生裔周期麓量秘攀 淡凝强稻 謦4 。2 事行敬淼燮仡建疆鹜6 耀4 0 废螭冰箱懿型熊理工艺7 3 阉5 。l 产品生命嗣期骈有者轮凰一7 9 图5 - 2 回收过程模型 图5 。3 产品生命周期拐点对回收处理等级的影响 图5 - 4 产品运行质量与维护关系 图5 - 51 9 9 0 2 0 2 0 年我国吨钢能耗及规划拟合函数曲线 图5 - 61 9 8 5 2 0 0 2 年度冰箱的出厂能耗拟合函数 幽5 7 冰箱的使用能耗变化函数值曲线 目5 - 8 冰箱的使用能耗增长百分比 8 3 8 3 8 6 9 9 1 0 i 1 0 2 1 0 3 图6 - 1 产品结构组合能量优化设计1 1 3 图6 - 2 搭扣连接示意图1 1 6 图6 3 冰箱结构要素组合聚类图 表格清单 表l - 12 0 0 0 年各国单位g d p 能耗比较2 表2 - 1 绿色设计涉及豹信怠分类，2 6 表2 - 2 产品设计的信息矩阵2 7 表2 ，3b i 、s i 、e i 信息与p 之作用的关系2 8 表3 - i 没毒避程中能爨与功麓关系4 5 表3 - 2 技术系统中基本物理变爆4 6 表3 - 3 备静黎器的藕尧属性5 6 表4 。l 各种念属加工方法能量消耗的比较6 3 表4 - 2 冰箱结构初始嚣件的物理结构描述7 l 表4 - 3 耪粒全生螽瘸戆齄量档关数据7 2 表4 - 4 方案全生命周期能量消耗数据7 4 表4 - 5 方案全生命周期能量消耗结果7 4 表5 - l 影响瓣索对产菇生磅 用甥的各除段能量性麓影响的定性接述9 2 表5 - 2 冰箱的材料组成9 8 表5 - 3 电球綮产菇中瓣材辩岔鬟9 s 表5 - 41 9 8 5 - 2 0 0 2 年度茭国冰箱的出厂熊糕值1 0 1 表5 - 5 不同年份能量优化寿命 表6 - 1 嚣年申系绞方窦设 卡的e e 较。1 1 1 表6 - 2 常用丁程塑料回收的相容性 表6 - 3 可运瞧和定位髓关联度表11 7 表6 - 4 产品结构要素阐交互性作用含义t 1 9 表6 5 冰箱结构要素的组合准则及权重，1 2 5 表6 - 6 材辩褪容娃关联度爨较矩瘁，。1 2 5 表6 7 零件拆卸动作能最( a ) 表6 - 8 零件拆卸动作能照( b ) 1 2 6 表6 - 9 冰箱结构要素的综合关联度矩阵r 表6 1 0 冰箱结构要素的最小的模糊等价矩阵r 1 6 1 2 7 独创性声明 本人声明所基交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所鲡，酴了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获缛 金g 塾厶堂或其德教育枫构的学位或证书谁往用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 溯蝴一：众蜜文鳓s 籼舢曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥壁王丝盔堂有关保留、使用学位论文的趣定，有权傈留并 向国家有关部门或机构遴交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒g b 些盍鐾可阻将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 扫描等复箭手段镰存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 姗签名：赢暌；k 学位论文作者毕业去向： 二 作单位 通讽遣蝰 导师签名 签字日期： 电话 自g 编 西弼 2 曲6 年1 2 爿1 7 日 致谢 昔目题榜八年登，霜染青丝额上纹。廿载寒窗图壁破，牢记恩情踏征程。 在此论文完成之际，首先感谢我尊敬的导师刘光复教授! 先生渊博的学识、开阔的视野、 敏锐豹漏察力、严灌的、洽学态痊、求实创新的工作作风，为我树立了为人和治学的耪捶。我 深感自己所取得的每+ 点点成绩和每一次的进步无不凝聚着导师大量的心血，在此向导师致 戳最崇高盼敬意和衷心斡感谢l 感谢刘志峰教授! 从我本科的毕业设计到博士沦文完成，刘老师在学习和生活上都给予 了我精心盼指导帮无镦不至的关怀。刘老f 希平易近人的晶痰帮勤奁务实豹下作态度始终是我 学习的楷模。本文的完成也得益于刘老师的悉心指导和帮助，在此向刘老师表示衷心的感谢! 感谦美i 簪德克萨斯理工大学辨张淇潮教授，在谍题研究过程中给我的指导。 感谢宋守许副教授、林巨广“教授、朱华炳副教授、王淑旺副教授、黄海鸿和张雷等机电 教研室老师，给予我的关心和帮助以及袍们在本论文檑关领域所作贡献! 感酣潘晓勇、郭伟祥、潘君齐、李卫兵、张怀、白连社、三e 举勇、陈鹏、柯庆镝等搏士， 刘蕾、唐涛、张醴、蘸艳平、是义、薛蜂、庄旭、祷海龙、德楠、胡蓓栋、闰窦才、王贤虎、 杜刚、周厚贵、熊巨涛、刘红、陈言东、李冰冰、尚洋、胡迪等硕士在我研究生生活和学业 中给予我的支持与帮助，感谢他f f ：j 在萃车研和完成此文的过程中所提供的支持和宝贵意见l 感谢郑学慧、李军鹏等老师在我大学备阶段在我生活、学习中给我的指导和帮助! 感谢我的父亲、露亲和女友及亲人们多年以来在精神上和经济上给予我的无私的支持， 没有他们的支持，我不可能完成我的学业。并在此表达我对他们由衷的感谢和祝榻。 最后，感谢所有给予我芙心、支持和帮助的人们! 作者：戒蛰徽 2 0 0 6 9 2 0 第一章绪遗 1 1 研突鹜景及基本概念 第一章绪论 “十一五”规划纲要明确提出，要落实节约资源的基本国黄，建设低投入、低排放、低 消耗、高效率、能循环、可持续静国滗经济体系和资源节约型、邵境友好麓社会，辨尽可麓 少的资源、能源消耗，创造相同、甚至更多的财富，最大限度地利用各种可用资源。这是具 有垒岗往和战赂性静燕大决繁。 1 1 。1 我国的靛源资瓣现状 中国是一个能源资源比较丰富的国家f ”。煤的探明储髓达6 0 0 0 亿吨以上，居世界第三位； 承力资源理论蕴藏量为6 8 亿千瓦，居擞雾第一位；石0 瀵襄天然气熬理论鼹量也缀丰富。毽 由于中国人口众多，平均每人每年的能源消费量仍处于较低水平。我国自然资源及其利用的 基本特征是瓷源总量丰富但人均少，资源利用率低且浪费严重。 中国最大的比较优势是入口众多，最大的劣姆是资源不足。我国资源疑然总量丰富，但 人均占有量不足，仅为世界人均水平的5 8 ，冀中占有的媒、油、天然气人均资源只及世界 人均承平的5 5 、1 1 和4 。中国经济近年来商速增长，同时从1 9 9 0 年到2 0 0 1 年1 0 年间， 中圉缸油消费量增达1 0 0 ，天然气增艮9 2 。我国的能源资源中属于不可更新资源的主要 有煤、石油和天然气蒋。总的求看，这臻能源还疑比较丰富的，倦入均占商量不多，尤其是 石汕资源更显得不足，供求关系紧张，满足迅速发展的国嫩经济需爱将有一定的困难。煤炭、 石油、天然气这些一次性麓源秘前是我黼最现实豹能源。我国能添探明储量串，煤炭占9 4 、 石油占5 4 ，天然气占o 6 ，这种富煤贫油少气的能源资源特点决定了我国能源生产以煤为 主酌格羁长j | j 不会改变。嚣蓠，我国麓灏嗣矮的疆获是，一次经髓源浇铡蠢大，替霞能源较 少，煤炭在我国一次能源的消费中占7 0 左右。7 5 的工业燃料和动力、8 5 的城市民用燃料 都麦煤炭提供，在霹懿颈冕静来来较长瓣期疼，潆凌在霪疑经济孛的篷位不可替代。 煤炭我国煤淡资源十分丰富，储量很大，可以满足国家长期需要。据统计，全国己 累诗攘爨睡鬣9 0 0 0 亿睫，鲍占世爨探甓鼹量翦 您，屠整爨第3 位。摄据l 燹溯，埋渫1 0 0 0 桊 以内的资源鬣超过2 万亿吨，2 0 0 0 米以内的资源餐更多，可见，我国煤炭资源潜力很大。 看浊我国豹石油资滚健量比较丰富，攫攮最裁资料预测，我国石濑赛漂鬟在8 0 0 亿吨左右。目前已累计探明储量1 3 0 多亿吨，剩余储量还有3 0 多亿吨，按年产l 亿吨水平计 算，如果不增掬勰的探明锗量，这些储鬟的可粟期为3 0 年。中国髫蘑日需量是7 0 0 万塌，啦 每年5 到6 的速度增加。 天然气我国天然气资源丰富，据勘掾，我匡天然气远景健曩在4 0 万亿m 3 左右。 最近我国油气勘探有重大进展，在内陆大型盆地和东部近海都发现有良好的油气远景。目前 2 台# 0 丁韭大学博论文 己探明储量1 4 3 万亿m 3 ，还不到远景储壁的5 ，说明潜力很大，也表明我翻天然气勘探程 度低，还未楚潜在瓷潦变为攘鹗储最。 国际能源髫公布的数据显示，2 0 0 3 年的中国成为全球仅次于美国的第二大原油消耗国。 霹鞋，我蓬已成为仅次子荚匡、疆本、德国熬纂霆大汽车生产零与滔赞国。2 0 0 3 年，我霾蒙 油进口达到了创纪录的9 1 0 0 万吨，比2 0 0 2 年激增3 1 。石油日消耗掇达5 4 6 万桶，超过世 器第二：经济搭爨本5 4 3 万攥游指繇。“中国惩经藏为全球矗淫嚣求增长瓣主要驱动力”成为公 认的现实，对能源的迫切需求将导效我国的对内对外政策发生一系列变化。而2 0 0 0 年，我国 的石溜避口仅占嚣求量驰3 5 。立珏果我整数人均能源潢费达裂美国霞翦瓣承乎，那么我圉的 能源消赞将超过世界目前所能生产的能源总和。预测到2 0 3 0 年，我国的石油净进口将达到每 日1 0 0 0 万捅，遮意味着髑时我国搿需原油将有八成以上来自深受国际政治、军事、经漭影睫 的国际石油市场。 1 1 ，2 然源溃耗与经济发袋 能源的使用效率一般是通过每单位g d p 的能耗指标来表示的。通过这一指标的国际比较， 可良看爨中国畿源馥使磷效率低予强际承乎。泻翻等8 谰汇率辑算哥囊p p p 辑算( 购买力平徐的 方式折辣) 对2 0 0 0 年各困单位g d p 能耗进行了比较，见表1 - 1 。按现行汇率计算，我国资源 生产率( 单位资滚匏产盛承平) ，哭辐墨予美国麴1 5 ，基本黔1 1 1 0 ，穗磊豹1 6 。 表1 - 12 0 0 0 年备国单位g d p 能耗比较 数据来源；k t 奉熊源经济毪圩究所( i e e ) 2 0 0 0 年我爨瀵耗了超过1 0 的髓赛熊濮，却仅产出3 ，4 躲g d p ，露霹鲮美国游耧2 0 的世界能源产m 了3 5 的g d p 。巾豳平均万元g d p 所消耗的能源是世界各国平均值的2 倍多。 中国所耗的s 源楚日本鲍 5 倍，对世界鲍g d p 贡献却只有e 本的2 3 ，德国蛉5 7 。8 ，英 国的7 6 4 ，法国的8 4 0 。 全嗣政协副主靡、中嘲工程院院& 徐匡遮曾就制造业进行了细分弗分析了备产业情提。 指出，我们现在正处于工业化的中期，所阻制造业在g d p 里面所占的眈蘑一壹都是比较高的。 制造业，特别是装备制造业始终是离于g d p 的速度在增长，它已经成为我国最大的产业和国 民经济萋要的组成部分。我们国家制造韭酌构成分为兰块，一装是1 7 个行韭，有5 个行娩是 轻工业、纺织工业和日用品的制造，这人概占制造业的3 0 2 4 ；第一：块也是5 个行业，主要 是资源加上，包捂石油讫下、橡藏、非金属、金藏冶炼，占天概3 3 ；第三是机械、电子类 制造业，这稍微多一点，比三分之多一点火概是3 5 。在能源消耗比例方面，工业能耗占 慧能耗的4 鹳，家屠能耗占3 8 ，运输盟i 瓶占”1 0 ，三者麓耩总量占中蓐惑清耗翦8 9 。 第一章绪论 3 张彦仲在中国工程院举行的第六次“工程前沿”研讨会上，我国工程技术领域的知名专 家溪绕“节鳃型摹l 造辩技蘸溪”震开璎量萼露撂出：“中国楚蕊l 造大潮，丽嚣搴也是漂涟糕大国”。 从瓣提供的数据，清晰表明了我国制造舭占能源的消耗比例。2 0 0 3 年，全国总能耗为1 7 亿吨， 建绞、监耗羧是9 3 亿睫，占全謇兹5 4 7 ；其中，全黧耀煤炭1 6 3 亿睫，嚣喜g 遥渡裁弱去 5 8 亿吨，占全国的3 5 5 ；垒国的原油总量为2 4 9 亿吨，制造业用掉2 0 7 亿吨，占全国的 8 3 全国天然气总羹为3 3 9 亿立方米，其中螽l 造业消裁1 7 5 亿立方米，占全国魄5 1 。6 。麓 时，制造业的单位能耗偏高。我国的火电、钢铁、乙烯、合成氨、水泥与世界先进水平相差 1 8 、1 1 、2 7 、1 9 、2 9 。我国制造业资源剥用率低，甚翦的矿产资源总回收翠约3 0 ， 比圈外先进水平低2 0 个百分点；术材综合利用率约6 0 ，低于豳外先进水平的8 0 ：工业 固体废弃物综合利用枣为5 5 8 ，固体堆积物多；废纸回收率2 8 7 ，低于世界的7 0 。 节约型制造的奋王 一目标是，力争到2 0 1 0 年，我国消耗每吨能源、铁矿石、有色衾属、菲 金属矿等1 5 种重要资源产出的g d p 比2 0 0 3 年提高2 5 左右；矿产资源总网收率和拭伴生矿 综合利用率分剐提高5 个百分点；工煦固体瘦物综合秘鞠率提高捌6 0 戳上，再生铜、铝、 铅占产量的比重分别达到3 5 、2 5 、3 0 ；主要再生资源回收利用量提高6 5 以上；_ 业固 葶奉纛甥堆存和处置量羧裁在4 5 亿吨左右；藏帝生活垃圾增长率控铡在5 左表。 1 1 3 能量相关的基本概念 能源为人类的生产和生活提供各种能力和动力的物质资源，是国民缀济的重露物质基 礁。能源静静发霸有效利用程度以及人均瀵费鬟是生产技术和生淫承乎斡羹要标志。能源按 期形态、特性或转换和利用的屡次进行分类。世界能源委员会推介分类：阐体燃料、液体燃 越、气体燃料、水能搜能、电熊、太阳黪、生物餍能、风黢、海洋娩和地热能。 能量物体具有怍功的能力称为物体的能量。能量是物质的属性，任何物质都具有能量， 即使物质处于静l e 状态也有能爨，但一般馕况下只有当物质的静l f s 量转化为动能释放出来 时才能作功。虽然任何物质都具有静j t 麓量，偿不同的物质其静电能量转化为动能的难易程 度及转化的数量差别怒很大的。比较集中而又较易转化的物质和可以直接利熠的能量资源( 如 太阳能) 才能蠲作能源。 能量形式能量有备种形式，各种形式的能蠼之间可以相互转化。能量的形式谢以下几 类：( ) 襁被姥。包描动能和势雅，是人粪最早认汉静能鼙；( 2 ) 热能；0 ) 魄能；( 4 ) 辐射能； ( 5 ) 化学能；( 6 ) 核能；( 7 ) 生物能。 麓量转纯荐辩馥滚形式可以互穗转纯，在一次戆瀛中，风、承、洋流和波渡等蹩班机械 能( 动能和位熊) 的形式提供的，可阻利用各种风力机械( 如风力机) 和水力机械( 如水轮机) 转换为动力或瞧力。潆、石濑葶 | 天然气等掌翘琵滚一般莛遴遭燃浇将燃浇诧攀篷转纯为热麓。 热能可以直接利用，但大量的越将热能通过各种类型的热力机械( 如内燃机、汽轮机和燃气 转搬笛) 转按沟囊力，带秀各炎撬摄帮交逶运辕l 其工馋；线是繁劝发奄撬送出电力，潢是 4合肥工业大学博士论文 人们生活和t 农业生产的需要。 繁麓节施静中心懑恕是采取技零上可葶亍、经济上合理 冀及环境帮箍会霹接受豹麓麓。来 更有效地利用能源资源。为了达至媳一目的，需蒙从能源资源的开发到终端利用，更好地进 行科学管理和技术殴造，以达到高的能源利用效率和降低单位产晶的能源消费。由于常规能 源资源寄限，露世努辘源靛惑消费攮则睫着工农攮熏产懿发展秽人民生活水平躲提赢越来越 太，墩器各国十分羹视节能技术静研究( 特剐是节麴常蕊能源中的煤、石渣和天然气，匿为 这些溉是宝贵的化工原料；尤其是石油，它的世界贮量相对很少) ，千方百计地寻求代用能源， 开发利用新能源。 鼗滚滚耗与糍豢演耗两者意义攘近，毽有搿囊_ 鬟。燕源淫籍：体现宏蕊，辍捶产晶整体 和部件，产品全生命周期或某一显瓣阶段等。能量消耗：体现微观，涉及单个零部件和单个 零部件之间，产品全生命周期某一个阶段等。两者消耗的研究是能嫁节约的根本解决手段。 1 2 缳龟没诗露癌努繇究综述 当今社会，环境和资源问题曰懿突出，可持续发展的理念已经深入人心。与此同时，相 关的法令、法规、国际标准也越来趟严格和系统。制造业量大瑶广，是造成环境污染和资源 溥耗静最重要淫头，糖统诗，造藏环境污染静粥以上静箨放镌来鑫露g 造盟，宅# j 每年终产 生5 5 亿吨无害废物剩7 亿吨有害废物。周时，由子消费品的大量普及，产品生命阁期的缩短， 废弃产品的数量也在急剧增长。整个人类的生存环境面i 临着日盏增长的机电产鼎废弃淘汰的 压力。鲻年全琏有2 4 0 0 万辆汽车缀废，2 0 0 0 年金琢蠢2 0 0 0 万会计算祝被淘汰 _ ；【j 。嚣l 造业产 品在制造、使用、废弃整个生命周期内都对环境产筌三了巨大的影响。传统的环境治理方法是 末端治理全球日益瓣化的现实证明这种治理方法不能从根本上实现对环境的保护。因此， 从污染的源头抓起，爨施可持续制造，是侍4 造业发展的必由之路，也是人类社会发展的必然 要求。绿色设计璺可掩续剿造的关键秘棱心技末，有关酶究叠上畿鳃9 0 年钱开始，己经取褥 重要进展，并且日趋活跃，各种理论、方法和应肖i 工具的研究也逐渐趋于系统化和实用化。 本节重点对当前l 捌内外绿色设计理论方法的研究和应用现状进行了总结，并指出有关领 域礤究鲍发餍动囱帮可能鲍发展趋势。 绿色设计( g r e e nd e s i g n ) ，又称生态漫计( e e o - d e s i g n ) 、瑟囱环境的设计( d e s i g nf o r e n v i r o n m e n t ) ，考虑环境的设计( e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u sd e s i g n ) 游，是指利用产晶全生命周 期过程相若的各类信患( 技术信息、环境信息、经济信息) ，采用并行没计等各种先进的设计理 论蟊方法，经谩诗凄翁产品豫了满遥功藐、曩基、戏本等一觳要激辨，还痰该具有慰环壤豹 负面影响小、资源利用率高等良好的环境协调特性”。 国内外与绿色设计和制造研究相关的概念主要有面向环境的设计( d f e ：d e s i g nf o r e n v i r o n m e n t ) ，巧境意浚斡设计与到建( e c d ：e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u sd e s i g n ) 、全生命周襄 设计( l c d ：l i f ec y c l ed e s i g n ) 翻、污染预防( p o l l u t i o np r e v e n t i o n ) 、生态设；j - ( e c o - d e s i g n ) 、可 第一章缝论 持续设计( s u s t a i n a b i ed e s i g n ) 、生命周期评价( l c a ：l i f ec y c l ea s s e s e m e n t ) 、生态工业 ( e c o 。i n d u s 扫y 。1 等。 近年来，有关研究迸一步拓展了绿色设计的研究范畴，表现在产品进行绿色设计过程中， 放时闻楚度考虑产熟多生鑫瘸絮”1 h ”l ，放空阕角度，考虑多静产品和多家痿l 造态熬复杂供成 链问题l j 。 1 , 2 。1 蠢蠢霹持续裁遗静d f x 轿究 在绿色设计领域中还出现了很多面向对象的设计方法1 ”1 ( d f x 方法) ，如图l - l 所示。在 设计层，x 代表产晶生命擒斓成其中某一个环节，如：装配、加工、使用、壤修和阐收报废等； 在评价层，x 代表产晶全生命周期某一阶段产品的竞争力或者决定产品竞争力的因素。例如， 性能、质量、对闫、藏本、可箍性等。 图1 一i x 层与d f x 的对应关系 露向回