（机械电子工程专业论文）产品节能设计中能量设计因子及其应用研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求口 答辩委员会签名：( - r 作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 辱寺 弘 自蔓盎 司嫦 合肥工业犬学教授 巾电：二十八所教授级商工 合肥工业大学副教授 会肥工业火学剐教授 合j j 巴美菱股份柯限公司高级工程师 会肥工业大学教授 独创性声明 本人声明所呈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。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金起王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 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。 学位论文作者签字：孝云 签字日期：知年午月- ) 尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金胆王业太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：存看 导师签名： 签字日期：如f f 年彳月坪e l签字e l 期参 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：香端硪砀肴艮彳司 通讯地址：喇毛硝垆鹏f i 区办镇新街彬 电话：励7 5 多髫咖7 邮编：z , + o o o 产品节能设计中能量设计因子及其应用研究 摘要 随着全球资源不断减少，人们逐渐认识到节约能源和资源的重要性。节能 设计是绿色设计的重要研究内容之一，它不仅可以实现资源和能源的节约，还 可以保证产品的经济属性达到最优。因此，开展节能设计研究十分重要。 本文提出“能量设计因子 的概念，并以此为主线，进行节能设计研究。 通过对产品全生命周期各个阶段能耗的分析，建立了产品全生命周期能量信息 模型，为能量设计因子的识别和提取打下基础；提出了能量因素和能量设计因 子的概念，通过分析产品能量相关信息、进行能量因素的识别、能量设计因子 的提取这三个步骤得到能量设计因子，分析能量设计因子之间的关系，进行能 量设计因子的量化，并对能量设计因子进行表达；提出了重要能量设计因子的 概念，针对得到的全部能量设计因子，采用层次分析法进行重要度的分析和评 价，根据评价结果提供反馈信息，进行产品设计方案的改进。最后，以洗碗机 为实例，对面向产品节能设计的理论和方法进行了验证，并在此基础上提出了 洗碗机产品设计的改进方案。 关键词：节能；全生命周期能量信息模型；能量设计因子；重要度评价；层次 分析法 r e s e a r c ho ne n e r g yd e s i g nf a c t o ra n di t sa p p l i c a t i o ni ne n e r g y s a v i n gd e s i g no fp r o d u c t s a b s t r a c t w i t ht h ed e c r e a s i n go fg l o b a lr e s o u r c e ，p e o p l eh a v ec o g n i z a n c eo f s i g n i f i c a n c e o fe n e r g ya n dr e s o u r c e e n e r g ys a v i n gd e s i g ni so n eo ft h em a i nc o n t e n to fg r e e n d e s i g n ，i tn o to n l yc a ns a v ee n e r g ya n dr e s o u r c e ，b u ta l s oc a na c h i e v eo p t i m a l e c o n o m yp r o p e r t yo ft h ep r o d u c t s o ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ee n e r g ys a v i n g d e s i g n 。 e n e r g ys a v i n g d e s i g ni s o nt h eb a s e o fp r e s e n t e dc o n c e p tc a l l e d e n e r g y d e s i g nf a c t o r ”f i r s t ，a n a l y z i n gp r o d u c te n e r g yc o n s u m p t i o ni ne a c hl i f ec y c l e p h a s e ，t h i sa i m sa tc r e a t i n ge n e r g yi n f o r m a t i o nm o d e li np r o d u c tl i f ec y c l e ，w h i c h i st h eb a s eo f e n e r g yd e s i g n f a c t o ri d e n t i f i c a t i o na n d e x t r a c t i o n s e c o n d ， i n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to fe n e r g yf a c t o ra n de n e r g yd e s i g nf a c t o r , t h ep r o c e s so f e x t r a c t i n ge n e r g yd e s i g n f a c t o ro fp r o d u c tc a n s e p a r a t ei n t ot h r e ec o u r s e s ， a n a l y z i n ge n e r g yi n f o r m a t i o n ，i d e n t i l y i n ge n e r g yf a c t o ra n de x t r a c t i n ge n e r g y d e s i g nf a c t o r ，t h e na n a l y z i n gt h er e l a t i o no fa l lt h ee n e r g yd e s i g nf a c t o r s ，g i v i n gt h e q 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 yd e s i g nf a c t o r , e x p o u n d i n gt h ee n e r g yd e s i g n f a c t o r t h i r d ，g i v i n gt h ec o n c e p to fi m p o r t a n te n e r g yd e s i g nf a c t o r , a n a l y z i n ga n d e v a l u a t i n gt h es i g n i f i c a n c eo fe n e r g yd e s i g nf a c t o rw i t ha n a l y t i c a lh i e r a r c h y p r o c e s s ( a h p ) ，i nt h ee n d ，i m p r o v i n gt h ep r o d u c td e s i g np r o j e c t ，w h i c hi sb a s e do n f e e d b a c ki n f o r m a t i o nf r o me v a l u a t er e s u l t s t h ed i s h w a s h e ra st h ec a s ec e r t i f i c a t e t h e o r ya n dm e t h o do ft h i se n e r g ys a v i n g d e s i g nf o rp r o d u c t ，s o m ei m p r o v e m e n t sa r e g i v e nf o rt h ec a s e k e y w o r d s ：e n e r g ys a v i n g ；e n e r g yi n f o r m a t i o nm o d e li np r o d u c tl i f ec y c l e ；e n e r g y d e s i g nf a c t o r ； s i g n i f i c a n c ee v a l u a t i o n ；a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) 致谢 在此论文完成之际，首先感谢我尊敬的导师刘志峰教授! 刘老师学识渊博、 视野开阔、治学态度严谨，为我树立了为人和治学的榜样。同时，在三年的研 究生学习生涯中，刘老师给予了我大量的指导，还给我创造了良好的科研条件， 使我在学习理论知识与科研方法的同时，还获得了无数的实践机会。我深感自 己所取得的每一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 刘老师致以最崇高的敬意和衷心的感谢! 衷心地感谢刘光复教授、宋守许副教授、张雷老师和黄海鸿老师，三年来 各位老师在学习和生活上给予了我很大的关心和帮助；特别感谢张雷老师和鲍 宏博士，他们在学习和课题研究中给予了我很多指导，在本论文的选题和撰写 方面也做出了贡献! 感谢胡迪、顾国刚、湛阳、张磊、施英莹、刘琳、凌波、王进京、张敬东、 朱立红等博士和硕士在我研究生生活和学业中给予我的支持和帮助，感谢他们 在科研和完成论文的过程中所提供的支持和宝贵意见! 感谢我的父亲、母亲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，没有他们的关怀和帮助，我不可能完成我的学业，在此表达我对他们由 衷的感谢和祝福! 最后，感谢所有给予我关心、支持和帮助的人们! 作者：蒋云 2 0 11 年4 月2 4 日 目录 第一章绪论1 1 1 节能设计研究的背景1 1 1 1 资源与能源的挑战1 1 1 2 能源法律法规1 1 1 3 国内外节能现状2 1 1 4 开展节能设计研究的必要性3 1 2 节能设计研究综述4 1 2 1 节能应用k 4 1 2 2 节能设计国内外研究概况5 1 3 论文主要研究内容与论文结构6 1 3 1 论文的选题和研究目标6 1 3 2 论文的主要研究内容7 1 3 3 论文的组织结构8 第二章全生命周期能量消耗信息模型9 2 1 产品信息模型研究9 2 2 全生命周期能量消耗分析1 0 2 2 1 原材料采集耗能：1 1 2 2 2 产品制造加工阶段耗能1 2 2 2 3 产品装配阶段耗能1 3 2 2 4 产品使用阶段耗能- 1 3 2 2 5 产品维修阶段耗能1 3 2 2 6 产品回收再处理阶段耗能1 4 2 2 7 产品运输阶段耗能1 4 2 3 产品全生命周期能量消耗信息模型1 5 2 4 本章小结1 9 第三章能量设计因子识别与提取2 0 3 1 能量因素与能量设计因子2 0 3 1 1 能量因素概念2 0 3 1 2 能量设计因子概念2 0 3 1 3 能量因素与能量设计因子之间的映射关系2 0 3 2 能量设计因子信息分析2 1 3 2 1 静态分析2 l 3 2 2 动态分析2 2 3 3 能量设计因子识别2 2 3 3 1 能量设计因子识别原则2 2 3 3 2 能量设计因子识别方法2 3 3 4 能量设计因子提取2 4 3 4 1 能量设计因子提取2 5 3 4 2 能量设计因子提取步骤2 5 3 5 能量设计因子关系分析2 7 3 6 能量设计因子量化和表达2 8 3 7 本章小结一2 9 第四章能量设计因子重要度评价。3 0 4 1 重要能量设计因子3 0 4 2 设计评价3 0 4 2 1 设计评价定义j 3 0 4 2 2 设计评价分类3 0 4 3 能量设计因子评价3 2 4 3 1 评价指标体系的建立3 3 4 3 2 评价标准的建立3 6 4 3 3 评价方法的选择3 6 4 3 4 重要能量设计因子评价及其结果分析4 2 4 4 本章小结4 4 第五章洗碗机实例研究4 5 5 1 洗碗机产品介绍4 5 5 1 1 洗碗机分类：4 5 5 1 2 洗碗机能耗研究现状4 6 5 1 3 洗碗机工作原理和结构4 6 5 2 洗碗机全生命周期能量信息模型一5 1 5 2 1 原材料采集阶段能量信息。5 l 5 2 2 制造加工阶段能量信息5 1 5 2 3 装配阶段能量信息5 1 5 2 4 使用阶段能量信息5 2 5 2 5 维修阶段能量信息5 3 5 2 6 回收再处理阶段能量信息5 3 5 2 7 运输阶段能量信息5 3 5 3 洗碗机能量设计因子识别与提取5 3 5 3 1 洗碗机全生命周期阶段能耗分析5 3 5 3 2 洗碗机使用阶段能量因素识别5 3 5 3 3 洗碗机能量设计因子提取5 6 5 3 4 洗碗机能量设计因子关系分析5 7 5 4 洗碗机能量设计因子重要度评价一5 7 5 5 洗碗机能量设计因子优化6 0 5 6 本章小结6 0 第六章总结和展望。6 l 6 1 总结6 l 6 2 展望6 2 参考文献6 3 插图目录 图2 1 产品能量流模型1 1 图2 2 国内外通用设备能效比较1 3 图2 3 产品回收程序图14 图2 - 4 国内外几种资源回收再利用1 4 图2 5f b a s 框架模型1 6 图2 6 全生命周期信息模型广度和粒度表达17 图2 7 产品信息粒度描述1 8 图3 1 能量因素集合和能量设计因子集合映射关系2 1 图3 2 能量设计因子识别j 2 2 图3 3 冰箱使用阶段能量输入输出情况2 4 图3 4 能量因子的提取策略2 4 图3 5 能量设计因子的提取步骤2 5 图3 6 能量设计因子的量化表达过程2 8 图3 7 能量设计因子表达图2 9 图4 1 评价分类3 1 图4 2 能量设计因子评价流程3 2 图4 3 能量设计因子评价指标选择比较3 3 图4 4 综合性评价指标体系结构3 5 图4 5 树型结构指标体系：3 5 图4 6 丛型结构指标体系3 5 图4 7 层次分析法结构示意图3 9 图4 8 层次总排序结构图4 l 图4 9 能量设计因子层次结构图4 1 图4 1 0 能量设计因子评价结果分析过程4 3 图4 1 l 产品能耗原因分析4 3 图4 1 2 产品设计方案改进分析和反馈分析4 4 图5 1 洗碗机工作原理图4 7 图5 2 水杯：4 8 图5 3 内胆4 9 图5 4 呼吸器剖面图4 9 图5 5 软水器工作原理图5 0 图5 - 6 上下喷臂5 0 图5 7 压力开关工作原理示意图5 0 图5 8 洗碗机能量设计因子5 7 图5 - 9 洗碗机能量设计因子重要度评价层次结构模型一5 8 图5 1 0 水温改变对外壁温度影响图6 0 图5 一1 1 壁厚改变对外壁温度影响图6 0 表1 1 表1 2 表2 1 表2 2 表2 3 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表格清单 各国单位g d p 能耗比较2 建筑能耗组成5 产品全生命周期模型1 0 不同工艺的单位能耗和材料利用率比较1 2 产品全生命周期能量信息1 8 能量因素与能量关系分类2 0 矩阵结构指标体系3 6 比较尺度3 9 不同阶数矩阵对应的随即一致性指标4 1 层次总排序4 2 洗碗机零部件描述4 7 洗碗机材料5 1 制造加工过程能耗5 l 装配过程一5 2 使用阶段能耗5 2 洗碗机全生命周期能耗5 3 准则层各元素对目标层影响5 8 方案层总排序5 9 第一章绪论 1 1 节能设计研究的背景 1 1 1 资源与能源的挑战 能源作为国民经济的基础，在中国的经济发展进程中处于优先地位。全 球经济随着社会生产力的极大提高正在飞速发展，人类对能源的需求也正在迅 速上升。因此，对于中国的经济和社会的发展，能源是必不可少的条件。然而， 我国能源发展长期面临着能源利用率偏低、能源消耗偏高，可以利用的能源增 长率远远不能满足于需求的问题。根据有关数据统计，制造业是最大的能源资 源使用者，我国产品制造业能耗占一次总能耗的6 2 ，其中，一些单位产品的 能耗高出国际水平2 0 左右，有的甚至高出了3 0 。面对这种情况，我国必须 采用新的能源战略取代原有的传统能源战略，主要表现为调整能源结构和提高 能源效率。 我国虽然能源资源丰富，但由于人口众多，导致人均占有量很少。 煤炭我国煤炭资源十分丰富，储量很大，可以满足国家长期需要。据 统计，我国累计煤炭储量居世界第3 位。根据预测，埋深1 0 0 0 米以内的煤炭资 源量超过2 万亿吨，2 0 0 0 米以内的煤炭资源量更多，可见我国煤炭资源潜力很 大，但是我国煤炭人均资源只及世界人均水平的5 5 。 石油我国的石油资源储量比较丰富，但人均占有量仅为世界人均水平 的1 1 。根据最新资料预测，我国石油累计探明地质储量为3 1 2 8 亿吨，剩余 可采储量3 1 4 亿吨，同时，我国目前石油需求量以每年5 6 的速度增长。如 果按照年产1 亿吨水平计算，剩余储量仅可开采3 0 年。 天然气目前我国天然气储采比相对较高，这说明我国天然气产量高速 增长具有良好的储量基础。据勘探，我国天然气远景储量在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。虽然我国天然气储量很大，但是我故人均占有量为世界人均水平的4 。 我国能源结构以使用煤炭能源为主，在总能源中占6 8 4 ，其次分别为石 油，达l6 4 ；水力电力，达7 8 ；燃气，达6 3 ；核能，达1 1 【2 1 。中国 的这种能源资源特点决定了我国能源结构在短期内不会得到改变，所以导致我 国在近几十年内仍然要以传统能源( 煤炭和石油) 为主，又因为在众多可以利 用的能源之中，煤炭利用率最低，所以我们要以节约能源、提高能源利用效率 作为新能源战略的重点。 1 1 2 能源法律法规 能源作为必须消耗的物质资源，在任何一个社会生产中，甚至人们的生活 中，各个行业都离不开能源。为了促进合理开发利用能源，降低能源消耗，推 进技术进步，保护生态环境，提高经济效益，保证国民经济持续、稳定、协调 的发展，世界不同地区及国家出台了很多相关的法律法规。例如欧盟颁布的e u p 指令( e c o d e s i g ne n e r g y u s i n gp r o d u c t s ，e u p ) ，该指令在产品整个生命周期 过程都强调要节约能源。除此之外，各个国家也颁布了相关法律法规，如美国 颁布了节能法和电力税收改革法，利用价格、税收优惠等手段加强和提 升电网等能源基础设施，促进可再生能源的开发利用等【3 】。日本颁布了节能 设计标准和能源使用合理化法律 4 1 ，建立了完善的能源管理系统。德国 颁布了能源技术指导文件国家能源计划和节能管理措施，制定了具体的 节能措施，并计划到2 0 2 0 年把初级能源需求减少2 0 pj 。针对具体行业，各国 也制定了众多的节能法律法规，如新建筑物的能耗标准、汽车耗能标准、 发电法、节约燃料法规等。其中最具有代表性的是美国出台的“能源之 星计划，对绿色照明、小型企业、办公设备、变压器以及照明灯等都制定了 相应的方案【6 】。这些法律法规都要求产品节能应从设计入手，考虑节约能源和 资源，提高能源利用率，同时考虑到环境保护，使能源建设和环境保护同步进 行。 在我国国内，国务院和相关部门也制定和颁布了类似的法律法规3 0 0 多个， 如节约能源法和节约能源管理暂行条例，这些法律法规的出台有利于我 国开展节能工作，在建设低投入、低排放，提高能源使用效率，增加经济效益， 以尽可能少的能源创造更多财富，促进我国经济平稳、健康发展的道路上指明 了方向，同时这也对保护环境、建立环境友好型社会起到了积极作用。 1 1 3 国内外节能现状 目前，能源问题显得日益严峻，节能理念深入人心。无论是发达国家，还 是发展中国家，都颁布了相关的法律法规，国际上认可的节能标准也越来越严 格。同时，随着市场上对产品能耗等级的重视，许多产品制造企业都争先恐后 的步入节能行列，在这种紧张激烈的竞争氛围中，越来越多的节能产品相继出 现，使企业在能源利用率和经济效益方面都得到了很大的提高。 能源的使用效率一般可以通过每单位g d p 的能耗指标来表示的。单位g d p 能耗是反映能源消费水平和节能降耗状况的主要指标，可以说明一个国家经济 活动中对能源的利用程度，反映经济结构和能源利用效率的变化。如表1 1 所 示，通过汇率折算和p p p 折算( 购买力平价的方式折算) 对各国单位g d p 能 耗进行比较，发现我国能源的使用效率低于国际水平，我国能源使用效率只相 当于美国的1 5 ，日本的1 1 0 ，德国的1 6 。 表1 1 各国单位g d p 能耗比较【7 】 中国印度韩国英国美国德国法国日本 汇率折算 1 0 01 0 23 61 42 01 71 81 2 p p p 折算 1 0 09 21 0 27 31 0 37 57 96 9 2 2 0 0 0 年，我国消耗超过1 0 的世界能源，却只能产出3 4 的g d p ；美国 消耗2 0 的世界能源产出了3 5 的g d p 。中国平均消耗万元g d p 所消耗的能 源是世界平均水平的2 倍多。 我国现在正处于工业化发展时期，制造业在g d p 里面所占的比重较高。我 国制造业可以分为3 块：第一块是轻工业、纺织工业和日用品的制造，这大概 占制造业的2 8 6 4 ；第二块是资源加工行业，包括石油加工、橡胶、非金属、 金属冶炼，大概占制造业的3 l ；第三块是机械、电子类制造业，这稍微多一 点，大概占制造业的3 7 。在能源消耗比例方面，工业能耗占总能耗的4 3 ， 家居能耗占3 6 ，运输业能耗占1 0 ，三者能耗总量占中国总能耗的8 9 。中 国是制造大国，同时也是能源消耗大国。据了解，2 0 0 6 年我国用煤量为16 5 亿吨，其中制造业用去6 2 亿吨，占我国的3 7 5 ；原油用量为3 2 5 亿吨，制 造业用掉2 8 6 亿吨，占我国的8 8 ；天然气用量为3 3 9 亿立方米，制造业消耗 1 7 5 亿立方米，占我国的5 1 6 。同时，我国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 6 、1 0 、2 4 、1 8 、 2 5 。我国制造业资源利用率低，目前我国废纸回收率约为3 0 1 ，低于世界 平均水平的7 0 ；矿产资源总回收率约为3 4 ，相比国外发达国家回收率大约 低18 个百分点；木材综合利用率约为6 3 ，还不到国外发达国家木材综合利 用率的7 8 。 我国在节能领域起步较晚，和发达国家相比，相关的能源法律法规的制定 也不够完善，尚未形成一个完整健全的节能体系。我国很多企业和公民在节能 方面的意识不强，导致节能工作始终未见多大成效，特别是我国很多小型工厂 和个体经营者，他们很难把节能融入产品设计中，这就导致节能在我国将会是 艰辛之路。中国政府在“十一五”规划中曾提出单位g d p 能耗下降2 0 左右 的目标，实际只完成了1 9 1 。“十二五”规划要求非化石能源占一次能源消费 比重提高到1 1 4 ，单位国内生产总值能耗和二氧化碳排放分别降低1 6 和 17 ，主要污染物排放总量减少8 10 ，总目标要求国内生产总值能耗降低 达到1 6 的目标。 1 1 4 开展节能设计研究的必要性 目前我国制造业正以迅猛的速度发展，但是目前我国能耗高、能源利用率 低的现状导致我国制造业达不到理想的发展速度。据统计，我国能源利用率只 达到3 3 ，单位产品的能源利用率比发达国家少十几个百分点【2 】。过去，我国 快速增长的经济是建立在高投入、高消耗的基础上取得的，但是这个代价很大， 导致我国环境日益破坏、资源能源的供应不足成为了经济增长的瓶颈。面对这 种形势，近几年，国家对节能减排也得到逐渐重视，出台了一系列节能政策。 “十二五规划纲要明确提出要把节能减排作为国家发展经济的一项长远战略 方针，要落实“节约能源，保护资源 这个基本国策，这将是我国未来得以实 现可持续发展的保证和手段【8 】。目前市场上很多产品对节能要求也越来越严格， 各行各业也越来越熟悉到节能的重大意义，因此企业必须转变原来的战略方针， 向节能设计转变，只有这样提高产品的节能性能，才可以满足市场需求，适应 市场的激烈竞争。 节能即节省能源消耗，其目的是从能源开发开始，到能源的最终利用为止， 从技术上讲就是在产品生命周期的各个环节中采取高效的节能技术，即在产品 的能源开采、加工、装配、使用、维修、回收处理以及运输上减少损失和浪费。 从经济上讲就是通过科学治理、合理利用、技术改造等降低产品的能源消耗， 提高能源使用效率，增加经济效益。从环境上讲就是要求对环境污染达到最小 甚至无污染，使环境效益也达到最大化。 节能设计是一个基础工作。节能设计应从产品设计入手，其中在机电产品 的设计阶段影响产品能源利用率的因素有很多，如产品设计、工艺规划、加工 方法、装配方案、使用性能、回收再利用性能等。而且设计阶段的成本相对其 他影响能源利用率的阶段而言，其成本仅占总成本的1 0 ，因此要从根本上解 决能耗问题，应着重考虑产品设计阶段的能源利用率，在产品设计需求中融入 能耗要求，这样对改善能源利用效率，减少产品总成本具有深远意义。 1 2 节能设计研究综述 1 2 1 节能应用 ( 1 ) 汽车节能 在市场经济模式的刺激下，我国汽车增长速度已经位居“世界第一 的宝 座，随之带来的是交通拥挤、环境污染和能源危机等一系列重大问题。目前我 国大部分汽车仍然以石油为其动力燃料，相对于世界石油消费平均水平，虽然 我国略低一筹，但自2 0 0 3 年起，我国已经逐渐成为石油消耗大国，仅仅低于美 国，位居世界第二。我国汽车节能技术相对发达国家比较落后，因此我国汽车 油耗较大，由此导致的石油缺乏在我国已经成为尤为关键的问题【9 】。因此我国 除了需要颁布制定法律法规之外，还需要在结构和技术上施行很多控制油耗的 措施，设法提高汽车内部的能量转化以及能量传递效率。目前国内外对汽车节 能技术的研究主要包括：改进发动机结构、研制高效发动机，替代能源汽车以 及汽车使用节能技术等。现在大多数国家都致力于开发新能源汽车，这将是一 种新型的节能、环保交通工具，已经逐渐成为未来汽车的发展趋势。 ( 2 ) 家电节能 随着我国经济的发展与科技的进步，工业现代化步伐逐渐加快，中国已经 成为世界家电产品的消费和生产大国。但相对于家电能耗水平先进的国家，我 国家电产品的能源效率还很低，因此需要采用更加严格的标准来激励节能的潜 4 力。目前，我国在空调和冰箱等产品的节能上迈出了第一步，并有了起效，如 变频空调现已成为中国空调市场的主流产品。 ( 3 ) 建筑节能 顺应我国大力发展城镇建设的国策，城镇建筑如雨后春笋，这就导致建筑 能耗在总能耗中所占比例逐渐呈现上升趋势，其中建筑运行能耗在建筑使用过 程中约占建筑总能耗的8 0 t 1 0 】。如表1 1 所示，建筑运行能耗从低到高分别为 照明、家用电器、冷热水供应、空调和建筑采暖等方面。因此建筑节能的重点 是减少建筑运行能耗。我国对建筑能耗的节能主要集中在对新建建筑的节能和 建筑节能的改造上。现在形成的技术主要包括：建筑维护结构保温隔热技术、 提高集中供热系统效率的相关技术、热泵技术等。通过施行建筑节能工程，建 立了一套高效的建筑节能体系，使我国建筑业也走上了节能之路。这样不仅使 温室气体排放环境问题得以改善，还带动了与建筑业相关的其他高效节能产业 和新设备的发展，使我国经济结构发生改变。 表1 2 建筑能耗组成 l 建筑能耗组成建筑采暖空调冷热水供应家用电器照明 所占比例 3 0 3 5 1 5 1 4 6 1 2 2 节能设计国内外研究现状分析 目前，国内外对节能设计的相关研究大致包括两个方面，一是在产品生命 周期某个阶段进行能源消耗建模，另外是对产品进行局部改进设计。能源消耗 建模在材料领域得以最先应用，文献【ll 】中提出节材涉及诸多因素，包含材料的 开采和供给、生产和应用等，贯穿在产品的整个生命周期中，是一个综合性的 系统工程，文中对节材途径也进行了相关分析。文献 1 2 】则以材料消耗为主线， 在产品全生命周期过程中建立了物质流模型。p e d e re f i t c h 等【l3 】提出在材料选 择过程中进行生命周期能量消耗分析的方法，并以汽车保险杠为例对汽车零部 件的选材进行了评估，给出了生命周期各阶段能量消耗定义，并将该方法和其 他能源消耗分析方法进行了比较。文献【1 4 。15 】建立了全生命周期能量消耗模型， 并分析了全生命周期各个阶段的能量消耗影响因素，给出了各个阶段能量消耗 的量化公式。文献【l6 】介绍了制造系统中若干典型工艺的资源消耗模型，并根据 该模型对企业的制造资源消耗情况进行了分析和计算，从而达到控制资源消耗 的目的。文献【l7 】利用产品自身的基本信息和加工制造过程中包含的信息，建立 了对产品制造过程的能耗进行合理预测的模型。文献【l8 】提出产品在产品全生命 周期各个阶段中使用过程实际消耗的能量最大，并将使用阶段消耗的能量定义 为产品能量属性的范围。 针对一些产量多并且使用能耗高的产品，也出现了相应的产品能源消耗建 5 模分析。如家电行业，文献【l 弘2 l 】中，分别采用神经网络方法、随机马尔科夫链 方法等建立了空调能源消耗模型，研究空调能耗与外界温度和湿度之间的关系。 文献 2 2 - 2 3 分析了室内空气设计参数( 室内空气温度和相对湿度) 对空调系统能 耗的影响，并比较了温湿度独立控制空调系统和常规空调系统的节能效果，得 到温湿度独立控制空调系统节能率可以达到2 0 3 0 。c h a l k l e y a m 【2 4 】等认为 家电产品在其最佳生命周期能耗最小，并以洗碗机为例，通过计算产品的能耗 来推算其最佳生命周期。文献5 j 研究了变频压缩机对冰箱的节能效果。在汽车 行业中，文献【2 6 】中，针对汽车的能量模型，对汽车的机械能和热能进行模拟， 从而有效减少了汽车冷却系统的热量负荷和辐射。文献【27 】对混合动力电动汽车 进行建模仿真，研究辅助能量系统在车辆行驶过程中的能量流变化。文献【2 8 】 对并联式p l u g i n 混合动力汽车在不同电能消耗续驶里程下的能量管理策略进 行了优化设计研究。文献【29 】对铅酸电池与超级电容之间采用两象限d c d c 转 换器控制的复合储能方式进行研究，通过实验结果表明复合储能器能量回收率 远高于单个储能器回收的能量值，并且复合储能系统的使用有利于制动能量回 收与利用的优化管理。文献 3o 】着重分析了动力电池( 包括铅酸电池、镍金属电 池，锂离子蓄电池和纳氯化镍( z e b r a ) 电池等) 技术现状以及优缺点。铅 酸电池比能量低，镍金属电池，特别是m h n i 电池，比能量和比功率较高，实 现了商品化，目前已经作为铅酸电池的可替代动力电池。针对机械行业，文献 【3 l j 中提出了机械压力机节能型气压式制动系统，并建立了节能型气压式制动过 程的数学模型。文献【3 2 3 3 】对比了串联和并联混合动力单独驱动进出口独立调节 电驱回转系统在工程机械中的节能效果，提出采用并联混合动力单独驱动系统 是目前比较切实可行的开发方案，并以液压挖掘机为例，通过仿真和实验结果 证明了混合动力技术在节能中的必要性和可行性。 目前在一些新兴的领域方面，也涉及到了能源消耗的研究。如新材料的研 究【3 4 刁5 1 ，产品生命周期能耗研究【36 。弱】，控制摩擦技术、计算机模拟技术减少资 源消耗【”。4 0 1 ，以及机械加工过程中环境影响分析【4 1 1 。 1 3 论文主要研究内容与论文结构 1 3 1 论文的选题和研究目标 本论文的选题来源于国家自然科学基金资助项目“面向能量优化基于设计 元的机电产品创新设计理论与方法研究 ( 5 0 7 7 5 0 6 1 ) 。 随着能源消耗问题日益严重，很多国内外专家都把目光转向产品的设计过 程，但这些研究绝大多数都是针对具体行业和产品或针对产品进行局部能量优 化，仍然存在着很多不足的地方，主要表现在： ( 1 ) 对具体产品或者某个行业的局部改进占大多数，目前还没有形成机电 产品节能设计研究的理论体系。 6 ( 2 ) 关于产品能量模型的建立方法还不成熟，在提取产品能耗影响因素的 过程中，对产品使用过程中存在的能量传递或者转换效率的计算缺乏理论指导。 ( 3 ) 产品节能设计仍然处于初级阶段，主要集中在对产品进行技术改造， 缺乏对产品设计阶段影响能耗因素的定量控制研究。 针对这些问题，在对产品进行节能设计研究的过程中，需要着重分析产品 在其使用阶段的能量消耗，提出能量设计因子的概念，具体研究能量设计因子 的识别和提取，以及对能量设计因子重要度评价等关键问题，形成一个具体的 产品节能设计理论和方法体系，其中以洗碗机为实例，验证所提出的理论和方 法的正确性。 1 3 2 论文的主要研究内容 本文通过对产品能耗进行分析，建立产品全生命周期能量信息模型；研究 设计信息与产品能耗的关系；提出能量设计因子的概念；建立能量设计因子集； 对产品能量设计因子重要度进行评价；最后以洗碗机为实例对所提方法进行验 证。 ( 1 ) 产品全生命周期能耗分析 产品全生命周期能耗分析是分析产品生命周期各阶段的能量消耗情况。根 据能量在产品生命周期过程中的流动图，对产品全生命周期各阶段的能量进行 详细分析，得到对产品生命周期各阶段能量产生影响的因素。 ( 2 ) 建立产品全生命周期能量信息模型 在产品原有信息的基础上，分析产品的生命周期能量信息，建立产品能量 信息模型。分析产品全生命周期信息模型的特点以及建立产品全生命周期信息 模型需要满足哪些要求。以功能一行为原理一支撑一载体( f b a s ) 框架模型 为原理框架，分析建立产品全生命周期信息模型需要哪些信息支持，并分析对 产品全生命周期能量信息模型中的信息可以从广度、粒度和深度进行描述。 ( 3 ) 能量设计因子识别与提取 提出能量因素和能量设计因子的概念，分析能量因素和能量设计因子之间 的映射关系，建立映射模型。从产品自身静态信息以及产品全生命周期各个阶 段的动态信息对能量设计因子的识别、能量设计因子的提取以及能量设计因子 的量化、表达等进行分析，提出能量设计因子的识别原则和方法，能量设计因 子的提取步骤、能量设计因子的量化分析过程。分析总结能量设计因子的关系。 ( 4 ) 能量设计因子重要度分析 给出重要能量设计因子的定义，并针对如何评价判断出重要能量设计因子， 提出评价的定义和分类。通过两个不同的判断原则，分析提取重要能量设计因 子的评价流程：收集评价资料、选择评价指标、建立评价指标体系、获取评价 标准和选择评价方法，通过对各评价方法之间进行对比，重点分析适合能量设 7 计因子评价的层次分析法。 ( 5 ) 对提出的方法进行实例验证 文章以洗碗机为例，从生命周期角度，分析洗碗机各阶段能量消耗情况并 加以量化，得出使用阶段为洗碗机能量消耗最大的阶段，最后针对洗碗机使用 阶段分析，得到洗碗机的能量设计因子，验证提出的基于能量设计因子的面向 产品节能设计方法的可行性。 1 3 3 论文的组织结构 根据文章的研究目标和研究内容，论文的章节组成如下： 第一章绪论。概述国内外节能设计研究的背景和研究现状，给出节能 设计研究的必要性。 第二章全生命周期能量信息模型。通过对产品全生命周期各个阶段的能 量消耗分析，根据信