（机械设计及理论专业论文）基于物质和能量的产品环境影响评价方法研究.pdf

摘要 摘要 产品生命周期评价l c a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 是对某一产品系统全生 命周期的输入、输出及潜在环境影响进行评价的过程。目前，我国产品生命周 期环境影响评价理论还不成熟，评价方法还处于初步阶段。而国外的很多评价 方法由于地域、政治、经济、文化和环境政策的差异对我国也不适用。本文通 过深入研究绿色设计理论及产品生命周期影响评价理论方法，在对所有环境问 题研究的基础上，发现所有环境问题的本质都是由于物质和能量的改变引起的； 然后对以物质和能量为指标体系建立产品生命周期评价指标体系的可行性及其 和以往评价指标体系相比的优势做出分析，并介绍了以物质和能量为指标体系 建立产品生命周期评价指标体系的理论方法；最后针对我国当前国情，探讨了 以物质和能量为指标体系建立适合我国国情的产品生命周期影响评价的方法。 该方法首先分析了中国当前所关注的环境问题及其本质，然后介绍了以物质和 能量建立指标体系的方法，并对最底层指标体系所需污染物排放量数据的计算 方法进行了介绍，接着对常用评价方法进行了分析探讨，并对基于生命周期的 模糊层次评价法的适用性进行了探讨，重点对以该指标体系建立模糊层次评价 模型的可行性及使用方法做了分析研究，最后用实例对该指标体系使用方法做 了验证，结果证明该指标体系是可行的。 关键词：绿色设计；产品生命周期评价；物质；能量；指标体系 a b s t r a c t a b s t r a c t “f cc y d ea s s e s s m e n t ( l c a ) i st h ep r o c e s so fe v a l u a t i n gt h ei n o u ta n d p o t e n t i a le n v i r o n m e n ti m p a c to f t h et o t a ll i f ec y c l eo fap r o d u c ts y s t e m t h et h e o r yo f l i f e c y c l ei m p a c t a s s e s s m e n ti nc h i n ai si n p r e l i m i n a r ys t a g e n o s u i t a b l e c h i n a - o r i e n t e dl i f ec y d ea s s e s s m e n tm e t h o dh a sb e e nw o r k e do u tb e c a u s eo fd i f f e r e n t p o l i t i c a l ，e c o n o m i c a l ，c u l t u r a la n de n v i r o n m e n t a lp o l i c i e s t h i sa r t i c l ei sw a n t e dt o s o l v et h r e e p o i n t st h i si s s u e f i r s t ，b a s e d o ng r e e nd e s i g nt h e o r ya n dc u r r e n t e n v i r o n m e n tp o l i c yi nc h i n aa n dd i f f e r e n te n v i r o n m e n ti s s u e s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e a l t e r a t i o no fs u b s t a n c ea n de n e r g yi st h ee s s e n c eo fe n v i r o n m e n ti m p a c t s e c o n d ，t h e f e a s i b i l i t ya n dm e r i to fa ne c o i n d i c a t o rw i t hs u b s t a n c ea n de n e r g yi sa n a l y z e d a tt h e s a m et i m e ，t h et h e o r yo fh o wt os e tu pt h ee c o - i n d i c a t o rw i t hs u b s t a n c ea n de n e r g yi s i n t r o d u c e d f i n a l l y , a i m e da tt h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r y , i td i s c u s s e dt h em e t h o do f c 0 0 - i n d i c a t o rw i t hs u b s t a n c ea n de n e r g yw h i c hi ss u i t a b l eo ft h es i t u a t i o no fo u r c o u n t r y i nt h i sm e t h o d ，i ta n a l y z e dt h ee s s e n c eo fe n v i r o n m e n ti s s u ei nc h i n a ，a n d t h e n ，t h em e t h o do fh o wt os e tu pa ne c o - i n d i c a t o rw i t hs u b s t a n c ea n de n e r g ya n d h o wt oc a l c u l a t et h ea m o u n to ft h on e e d e dc o n t a m i n a t i o na r ei n t r o d u c e d s u b s e q u e n t l y , i ta n a l y z e d t h ea s s e s s m e n tm e t h o d si nc o m m o nu s ea n dt h e a p p l i c a b i l i t yo ft h e m e t h o do fl c i ao fp r o d u c ts y s t e mb a s e do ns u b s t a n c ea n d e n e r g y t h ee m p h a s e sa r et h ef e a s i b i l i t ya n dt h eu s em e a s u r eo ft h ef u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h y a s s e s s m e n tm o d e lw i t hs u b s t a n c ea n de n e r g y i nt h ee n d ，t h ee x a m p l ei su s e dt o v a l i d a t et h i sm e t h o d ，a n dt h er e s u l tp r o v e dt h i sm e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：g r e e nd e s i g n ，l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，s u b s t a n c e ，e n e r g y , e c o - i n d i c a t o r 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：盍碧1 复 z 0 0 6 年3 月7 0 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：盘碧霞 凹g 6 年3 月加日 第1 章引言 1 1 选题背景 第1 章引言 绿色设计是在产品的整个生命周期内，着重考虑产品环境属性，并将其作 为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、 质量等。绿色设计的核心部分是产品生命周期评价。绿色设计的发展体系，其 中关键是绿色产品设计评价体系的完善，对产品从设计、制造、包装、运输、 报废整个生命周期中每一个环节对环境影响做出评价，并且要在整个生命周期 中、集成环境下建立绿色产品的评价体系。同时，要研究开发先进制造技术， 以及与之相匹配的先进制造模式，大力开发低污染、低能耗、无公害的生产工 艺与最终产品。目前我国相应的评价理论还不够完善，评价方法也是处于起步 阶段，还需要做深入的探讨和研究“3 。 1 2 文献综述 1 2 1 绿色设计的国内外发展现状“。1 为了适应“绿色消费浪潮”的发展，国外广泛开展了绿色产品的设计探索， 提出了环境意识设计与制造e c d m ( 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 m a n u f a c t u r e ) 的新概念，并围绕这一主题开展了大量的研究工作，取得了一定 的研究成果。我国绿色产品的发展和世界发达国家相比，无论是范围还是数量 上都存在很大的差距，而绿色产品设计方法的研究仅处于起步阶段。绿色产品 目前仅限于食品、轻工产品等少数几种。这主要因为，一方面传统产品设计形 成的思维定式使产品设计人员的环境保护意识不强，对机电产品的绿色设计认 识不足；另一方面产品自主开发能力不强，缺乏创新意识：其次，缺乏系统的 绿色产品设计理论和设计原则，没有适宜的绿色产品设计支持工具。不过，绿 色设计的研究已经得到国内各方面的广泛重视，在国家自然科学基金、“8 6 3 ” c i m s 主题等研究项目中，与绿色设计有关的内容不断增加；研究单位也不断增 多，目前已有清华大学、合肥工业大学、重庆大学、华中理工大学、上海交通 第1 章引言 大学、浙江大学等科研院所在从事这方面的研究工作；从总体研究现状来看， 在理论研究方面，能够跟踪国外的研究水平，但在实际应用方面，与国外相比 还存在很大的距离，尤其是缺乏系统的绿色设计理论、设计方法和绿色设计计 算机辅助支持工具。因此，加大投入，避免重复研究，选择具有典型示范作用 的企业和产品，组织精干的产学研队伍，结合我国国情开展绿色设计研究是非 常必要的。 目前的绿色设计研究主要集中在能源、原材料等资源的合理利用；废旧产 品的回收利用和拆卸；安全健康问题等方面。并产生了相应的理论方法，比如 资源选择方面所用的c a m p s ( 计算机辅助材料与工艺选择) 、成对比较法( p a i r w i s ec o m p a r i s o na p p r o a c h ) ；拆卸回收方面的原则：简化机械拆卸、材料使 用标准化、避免材料间发生自污染结合等；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 ) 、生命周期工程l c e ( l i f ec y c l ee n g i n e e r i n g ) 和生命周期评估 l c a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 等方法。 1 2 2 绿色设计的国内外发展趋势”，7 3 综观目前的绿色设计的研究，虽然取得了许多进展，但是还有许多方面需 要进一步改进和完善，主要表现在： 1 难以满足企业和社会的要求：可持续发展的战略和当前企业信息化的需 要强烈要求提供适用、有效的面向绿色设计的产品生命周期环境影响分析管理 工具，而当前仍然缺乏综合性的可以辅助进行产品绿色设计的系统； 2 缺少系统性的理论和方法支持：绿色设计和绿色制造的研究大多还处于 探索和尝试阶段，理论和方法体系结构还不够系统： 3 生命周期影响评价模型与建模方法和现有设计工具之间缺乏一致性： l c a 作为一个重要的概念已经形成国际标准，但研究表明，目前的l c a 框架与现 有设计方法和工具存在一定脱节，缺乏对绿色设计过程的有效支持：而各种模 块化工具与l c a 框架也存在严重脱节。其后果是，各种工具从某个侧面对绿色 设计和绿色制造给以支持，却不能整合在一起。因此，迫切需要利用系统论方 法，开发综合性的设计支持平台系统，这一方面需要开发面向绿色设计的行之 有效的环境影响评估模型和工具，另一方面需要开发可以有效融合的各种模块 化的模型和设计工具； 2 第1 章引言 4 各种模块化设计工具尚需进一步完善，满足实际需要：尤其是拆卸回收 分析系统作为绿色设计的一项关键技术，目前的研究尚难于实用化，这已经成 为产品进行绿色设计和可拆卸性回收性设计的瓶颈环节； 5 综合性评价系统的开发：急需完善和开发绿色设计多目标综合评价系 统，对产品的技术性能、环境性能和经济性做出综合评价，其中，环境性和考 虑产品全生命周期成本的经济性评价是研究的重点和难点： 6 产品系统集成模型需要深入研究：支持全生命周期管理技术的产品系统 集成信息模型的迫切需要深入研究和进一步完善，并建立合理的网络数据协同、 共享机制； 7 绿色设计必须与并行工程和现有设计方法及其工具集成：各种d x f 工具 需要进一步与三维c a d 等设计建模工具进行集成，使绿色设计能够为产品设计 和决策者所应用； 8 基础数据和知识的积累：绿色设计数据库和知识库的进一步扩充和完 善，是绿色设计走向实用的必要基础。数据库和知识库的建立必须满足信息的 共享性、可转换性、集成性、冗余性等要求。 1 3 研究的目的和意义 针对当前我国还缺少比较成熟的产品生命周期环境影响评价方法及其应 用，本文建立了一套适合我国国情的产品生命周期评价指标体系，以达到简化 评价指标数目，使评价适用性更强的目的。结果证明该指标体系对我国产品生 命周期评价方法的研究具有参考意义和指导意义。 1 4 课题研究方法及论文结构安排 1 4 1 课题研究方法 本文深入研究绿色设计理论及方法、绿色设计评价方法以及绿色产品生命 周期影响评价方法，对以物质和能量为指标体系建立产品生命周期评价方法的 可行性和优势做出分析，并介绍了以该指标建立产品生命周期评价指标体系的 方法，在此基础上，综合考虑我国环境政策，揭示不同环境问题的本质，分类 第1 章引言 不同环境问题所对应的产品类别，建立了适合我国国情的产品生命周期评价指 标体系方法。 1 4 2 论文结构安排 针对当前国外的产品生命周期影响评价方法主要考虑的是其所属地域的环 境政策及文化，对于我国产品生命周期环境影响评价方法还不是很适用，影响 评价指标主要集中在环境属性指标、资源属性指标、能源属性指标及经济属性 指标四个方面。为了简化评价指标数目，使评价适用性更强，以促进我国绿色 设计理论及产品生命周期评价方法的发展，结合2 0 0 4 年北京市教委科技发展计 划项目及2 0 0 5 年教育部科学技术研究重点项目“产品系统及服务的环境影响评 价研究及应用”，本文将做以下几方面的研究： 1 研究绿色设计理论方法以及产品生命周期评价理论方法。 2 深入研究以物质和能量为指标体系的产品生命周期评价理论可行性及 指标体系的建立方法。 3 深入探讨以物质和能量为指标体系的产品生命周期评价的方法，并以实 例证明该方法的可行性。 4 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 2 1 绿色设计理论方法 2 1 1 绿色设计的内涵 产品能否达到绿色标准要求，其决定因素是该产品在设计时是否采用绿色 设计。传统设计在设计过程中，设计人员通常主要是根据产品基本属性( 功能、 质量、寿命、成本) 指标进行设计，其设计指导原则是：只要产品易于制造并 满足所要求的功能、性能，而较少或基本没有考虑资源再生利用以及产品对生 态环境的影响。这样设计生产制造出来的产品，在其使用寿命结束后回收利用 率低，资源、能源浪费严重，特别是其中的有毒有害物质，会严重污染生态环 境，影响生产发展的持续性。 绿色设计就是以绿色技术为原则所进行的产品设计。所谓绿色技术( g r e e n t e c h n o l o s v g t ) 或西方称之为“环境友善技术”( e n v i r o n m e n t a ls o u n d t e c h n o l o g y e s t ) ，是减轻环境污染或减少原材料、自然资源使用的技术、 工艺或产品的总称。绿色设计的目的是克服传统设计的不足，使所设计的产品 满足绿色产品的要求。它包含产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的 回收、重用及处理处置的各个阶段，即涉及产品整个生命周期，是从摇篮到再 现的整个过程。也就是说，要从根本上防止污染，节约资源和能源，关键在于 设计与制造，不能等产品产生了不良的环境后果再采取防治措施( 现行的末端 处理( e n d - t o p i p e ) 即是如此) ，要预先设法防止产品及工艺对环境产生的负 作用，然后再制造。这就是绿色设计的基本思想。概括起来，绿色设计是这样 一种设计，即在产品整个生命周期内，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，保证产品应有的基本功能、使用寿命、质量等。绿色设计要求， 在设计产品时必须按环境保护的指标选用合理的原材料、结构和工艺，在制造 和使用过程中降低能耗、不产生毒副作用，其产品易于拆卸和回收，回收的材 料可用于再生产。 5 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 2 1 2 绿色设计研究的主要内容 绿色设计研究的主要内容包括：绿色产品的描述与建模，绿色设计的材料 选择与管理，产品的可拆卸性设计，产品的可回收性设计，绿色产品的成本分 析，绿色设计数据库等。 1 绿色产品的描述与建模 准确全面地描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型是绿色设计的关 键。例如针对冰箱产品，已提出了绿色产品的评价指标体系、评价标准制定原 则，利用模糊评价法对冰箱的“绿色程度”进行了评价，并开发了相应的评价 工具。 2 绿色设计的材料选择与管理 绿色设计要求产品设计人员改变传统的选材程序和步骤，选材时不仅要考 虑产品的使用条件和性能，而且应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环 境的影响，选用无毒、无污染材料及易回收、可重用、易降解材料。绿色设计 对材料的要求也为材料科学的发展提出了新的挑战，即能提供或生产出适合绿 色产品设计的绿色材料。除合理选材外，同时还应加强材料管理。绿色产品设 计的材料管理包括两方面内容：方面不能把含有有害成分与无害成分的材料 混放在一起；另一方面，达到寿命周期的产品，有用部分要充分回收利用，不 可用部分要采用一定的工艺方法进行处理，使其对环境的影响降低到最低限度。 3 产品的可回收性设计 可回收性设计是指：在产品设计初期充分考虑其零件材料的回收可能性、 回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列 问题，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染为最小的一种 设计思想和方法。可回收性设计包括以下几方面的主要内容：可回收材料及 其标志；可回收工艺与方法；可回收性经济评价；可回收性结构设计。 4 产品的可拆卸性设计 现代机电产品往往使用着多种不同材料，因厩其拆卸就成为目前绿色设计 研究的主要热点。因为不可拆卸不仅会造成大量可重复利用零部件材料的浪费， 而且因废弃物不好处置，还会严重污染环境。拆卸在现代生产良性发展中起着 重要的作用，已成为机械设计的重要内容。可拆卸性是绿色产品设计的主要内 容之一，它要求在产品设计的初级阶段就将可拆卸性作为结构设计的一个评价 准则，使所设计的结构易于拆卸、维护方便，并在产品报废后可重用部分能充 6 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 分有效地回收和重用，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。可拆卸性要 求在产品结构设计时改变传统的联接方式，代之以易于拆卸的联接方式。可拆 卸结构设计有两种类型：一种是基于成熟结构的“案例”法；另一种则是基于 计算机的自动设计方法。国家自然科学基金“面向拆卸的绿色产品设计理论和 方法的研究”中，已经提出了系统的可拆卸性评价指标体系、评价方法、拆卸 结构设计准则，并开发了相应的评价软件。 5 绿色产品的成本分析 绿色产品的成本分析与传统的成本分析不同。由于在产品设计初期，就必 须考虑产品的回收、再利用等性能，因此成本分析肘，就必须考虑污染物的替 代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。对企业来说，是 否支出环保费用，也会形成产品成本上的差异；同样的环境项目，在各国或地 区间的实际费用，也会形成企业间成本的差异。因此，在每一设计决策时都应 进行绿色产品成本分析，以便设计出的产品“绿色程度”高且总体成本低。 6 绿色设计数据库 绿色设计数据库是一个庞大复杂的数据库。该数据库对绿色产品的设计过 程起着举足轻重的作用。它应包括产品寿命周期中与环境、经济等有关的一切 数据，如材料成分、各种材料对环境的影响值、材料自然降解周期、人工降解 时间、费用，制造、装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及对环境的 影响值，环境评估准则所需的各种判断标准等。 2 1 3 绿色设计方法。 为了满足绿色产品技术、环境协调性和经济特性的需求，绿色设计涉及机 械制造学科、材料学科、环境学科、社会学科、管理学科等多种学科。绿色设 计的方法也必须是多种现代方法的集成。一般多采用的绿色设计方法有系统论 的设计方法、生命周期设计方法、并行工程方法、模块化设计方法。 l - 系统论设计方法 系统论设计思想的核心就是把绿色设计对象以及有关的设计问题作为一个 整体，视它们为一个系统，然后运用系统论和系统分析方法加以处理和解决。 把系统论应用在绿色设计中就是要在技术与艺术、功能与形式、环境与经济、 环境与社会等联系之中寻求一种最适宣的平衡和优化，而不是片面的研究某一 7 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 个侧面。 绿色设计的系统论方法就是系统地分析产品整个生命周期的各个阶段及产 品绿色属性的不同方面，进行综合协调，使产品达到综合“绿色化”。 2 生命周期设计方法 产品生命周期设计是在设计产品时综合考虑产品整个生命周期各环节。产 品生命周期环节具体包括：市场需求分析、设计开发、生产制造、销售、使用 及废弃后的回收处理。在设计过程中，是以产品的基本属性、环境属性、劳动 保护、资源有效利用、可制造性、企业策略和生命周期成本等因素来选择设计 方案。 进行产品生命周期设计时，首先是对产品进行环境需求分析，明确设计所 要达到的目标及技术要点，再进行具体设计。 3 并行工程方法 并行工程是集成和并行地设计产品及相关过程的系统化方法，它要求产品 开发人员从设计一开始即考虑产品生命周期中的各种因素。它通过组成多学科 产品开发队伍、改进产品开发流程、利用各种计算机辅助工具等手段，使产品 开发的早期阶段能及早考虑下游的各种因素，达到缩短产品开发周期、提高产 品质量、降低产品成本、实现产品的绿色特性，增强企业的竞争能力的目的。 4 模块化设计方法 模块化设计就是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性质、不同规 格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的 选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。 2 1 4 绿色设计的原则”。 绿色设计的目的就是利用并行设计的思想，综合考虑在产品生命周期中的 技术、环境以及经济性等因素的影响，使所设计的产品对社会的贡献最大，对 制造商、用户以及环境负面影响最小。绿色设计的设计原则如下： 1 技术先进性原则 技术先进性是绿色设计的前提。绿色设计强调在产品生命周期中采用先进的 技术，从技术上保证安全、可靠、经济地实现产品的各项功能和性能，保证产品 生命周期全过程具有很好的环境协调性。它主要包括：技术创新性原则、功能先 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 进实用原则。 2 环境协调性原则 绿色设计强调在设计中通过在产品生命周期的各个阶段中应用各种先进的 绿色技术和措施使得所设计的产品具有节能降耗、保护环境和人体健康等特性， 因此要真正实现绿色设计必须遵守下列原则：资源最佳利用原则、能量最佳利 用原则、污染极小化原则、安全宜人性原则。 3 综合效益最佳原则 经济合理性是绿色设计中必须考虑的因素之一。一个设计方案或产品若不 具备用户可接受的价格，就不可能走向市场。与传统设计不同，绿色设计中不 仅要考虑企业自身的经济效益，而且还要从可持续发展观点出发，考虑产品全 生命周期的环境行为对生态环境和社会所造成的影响，即考虑设计所带来的生 态效益和社会效益。以最低的成本费用收到最大的经济效益、生态效益和社会 效益。 2 1 5 绿色设计的关键技术。7 1 与现有设计理论和方法相对照，绿色设计从研究视角上说，关注的是产品 全生命周期环境影响和资源利用问题。如何有效地对产品全生命周期中的环境 和资源问题进行综合分析、评价，进而指导设计，得到技术、经济和环境性能 综合最优的产品是绿色设计所面临的挑战和需要解决的关键问题。 绿色设计的关键技术主要集中在以下几个方面： 1 面向产品生命周期的绿色设计基础理论和方法的研究； 2 综合利用现有技术和工具建立产品系统模型，解决绿色设计和现有设计 方法及其工具的融合问题； 3 建立合适的绿色设计综合评价模型，对产品全生命周期特性进行环境影 响分析和技术、经济和环境属性的综合评价；其中， ( 1 ) 产品环境影响的评价技术是绿色设计必须解决的重点和难点问题： ( 2 ) 产品系统全生命周期特性数据的获取以及组织管理和其他产品系统 模型信息视图的映射、共享和互操作机制的建立； 4 如何体现绿色设计对产品开发的指导作用，为设计者提供辅助决策支持 工具。 9 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 2 2 绿色设计评价方法。“” 2 2 1 评价指标体系的制定原则 经过国内外多年的研究，已经初步建立了一些绿色设计的理论方法，但是 如何把这些理论融入实际设计以产生真正的绿色产品，如何确定设计出的产品 是绿色产品，解决这些问题还存在很多困难。绿色设计评价就显得尤为重要。 我们知道，绿色产品的“绿色”程度涉及到产品的整个生命周期，绿色产 品的评价涉及到多学科的内容，为了将多层次、多因素的复杂评价问题用科学 的方法进行量化处理，这就必须要首先建立绿色产品的评价指标体系。 要建立正确客观的评价指标体系，需要分析影响产品绿色程度的各种因素 和其特征，在评价指标的建立过程中，必须遵循科学性和实用性、完整性和可 操作性、不相容性和系统性、定性指标和定量指标、静态指标和动态指标相统 一等原则。具体体现在以下几个方面： 1 综合性原则 指标体系应能够全面反映被评价产品绿色程度的综合情况，应能够从技术、 经济、生态三个方面进行评价，充分利用多学科知识、学科间的交叉和综合知 识，以保证综合评价的全面性和可信度。 2 科学性原则 力求评价指标可以客观、真实、准确地反映被评价产品的绿色属性。 3 系统性原则 要有反映产品资源属性、能源属性、经济属性和环境属性的各自指标，并 能够反映各指标之间的协调一致性。 4 动态指标与静态指标相结合原则 在产品评价中，所建立的指标既要考虑到产品的现有状况，也要考虑到未 来的发展。 5 定性指标与定量指标相结合原则 绿色产品的评价指标要尽可能量化，但对某些指标如果量化难度较大，也 可采用定性指标来描述，以便从质和量的角度科学评价产品。 6 可操作性原则 绿色产品的评价指标应有明确的含义，具有一定的现实统计作为基础，因 1 0 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 而可以根据数据进行计算分析，同时指标项目要适量，内容应简洁在满足有效 性的前提下，尽可能评价简便，易于操作。 7 不相容性原则 绿色产品的评价指标项目众多，应尽可能避免相同或相近的变量重复出现， 做到简明、概括，并具有代表性。 8 层次性原则 由于使用对象的不同，应该在不同层次采用不同的指标以满足各类人员的 需要。 2 2 2 绿色设计的评价指标体系 绿色设计评价是绿色设计的一个重要环节。产品的绿色程度如何，只有通 过对产品进行绿色度评价才可以判别出来。由于产品类型繁多，各种类型产品 对环境的影响程度、范围也有着很大的差别。因此必须遵循科学性和实用性、 完整性和可操作性、不相容性和系统性、定性指标和定量指标、静态指标和动 态指标相统一的原则制定绿色设计的评价指标体系。 大水固噪材 气污体声料 污染废污资 染弃染源 物 行 染 图2 1 绿色设计评价指标体系 目前的评价指标体系一般分为环境属性指标、资源属性指标、能源属性指 社会成本用户成本生产成本 回收处理所需能耗再生能源使用比例 能源消耗 能源利用率 能源类型其他资源信息资源人力资源设备资源 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 标及经济属性指标四个方面，如图2 1 所示。不同的分类也有，如国家自然科 学基金重点项目“机电产品绿色设计理论与方法”中把绿色设计评价方法分为 技术属性、经济属性和环境属性三大基本指标体系。两者在分类上的主要差异 是后者把能源划分在环境属性之中，但是在本质上两者是相通的，都采用的是 从上到下的不断细化分类进行指标体系的确定的。 2 3 产品生命周期评价方法。，。8 。耵 2 3 1 生命周期评价( l c a ) 的定义 产品全生命周期是指产品从原材料获取、产品设计、加工制造、包装运输、 流通销售、使用维护，一直到报废，回收处理、处置的整个过程。在产品的整 个生命周期过程中，产品作为一个整体系统，不断从外界获取原材料、能量等， 输出产品或副产品，同时对周围的环境也产生相应的影响。 产品生命周期评价的定义有很多不同的提法，如国标g b t 2 4 0 4 0 1 9 9 9 ( i s o 1 4 0 4 0 - 1 9 9 7 ) 定义为：对一个产品系统得生命中输入、输出及其潜在环境影响的 汇编和评价。s e t a c 定义为：产品全生命周期评价是在确定和量化某个产品及其 过程或相关活动的材料、能源、排放等环境负荷基础上，评价其对环境的影响， 并进而找出和确定改善环境影响的方法和机会。 综合这些概念，生命周期评价可以表述为：对一种产品及其包装物、生产 工艺、原材料、能源或其他某种人类活动行为的全过程，包括原材料的采集、 加工、生产、包装、运输、消费和回收以及最终处理等，进行资源和环境影响 的分析和评价。 2 3 2 生命周期评价的基本原则 产品生命周期评价应当遵循以下原则： 1 评价应当系统而又充分地考虑产品系统从原材料获取直至最终处置全 部过程中的环境因素。 2 研究的时间跨度和深度在很大程度上取决于所确定的目的和范围。 3 研究的范围、假定、数据质量描述、方法和结果应具有透明性。 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 4 l c a 研究应讨论并记载数据来源，并给予明确、适当的交流。 5 l c a 研究的应用意图规定了保密和保护产权的要求， 方法学上要保证其 开放性，以便能兼容新的科学发现与最新技术发展。 6 在生命周期评价的具体过程中，由于被分析系统的生命周期的各个阶段 存在着折中的因素和具体处理的复杂性，因而将l c a 的结果简化为单一的综合 得分或数字尚不具备科学依据。 7 在进行l c a 评价时并不存在统一的模式，在组织上应保持灵活性。 2 3 3 生命周期评价的总体框架 1 9 9 3 年，环境毒理学与化学学会( s e t a c ) 在“生命周期评价纲要实用 指南”中将生命周期评价的基本结构归纳为四个有机联系的部分( 如图2 2 所 示) ：定义目的与确定范围( g o a la n ds c o p ed e f i n i t i o n ) 、清单分析( i n v e n t o r y a n a l y s i s ) 、影响评价( i m p a c ta s s e s s m e n t ) 和结果解释( i n t e r p r e t a t i o n ) 。目 前，i s o 对l c a 进行了规范，i s 0 1 4 0 4 0 确立了l c a 的原则和框架，i s 0 1 4 0 4 1 规 范了l c a 的目的和范围的确立以及清单分析，i s 0 1 4 0 4 2 规范了影响评价， i s 0 1 4 0 4 3 确立了解释的内容和步骤 图2 2l c a 的阶段 2 3 3 1 定义目的与确定范围 目的和范围，包括研究范围的确定应保证能满足研究目的，包括定义所研 究的系统、确定系统边界、说明数据要求、指出重要假设和限制等。目的和范 围设定要适，过小或过大对结论或后边三步的工作量有影响，达不到所期待的 结果。在很多情况下，进行后边三个步骤时，一般很有必要对已经设定的目的 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 和范围进行反复修改。 2 3 3 2 清单分析 生命周期清单分析包括为实现特定目的收集所需数据，它是一份所研究系 统输入和输出数据的清单。通过清单分析，可以帮助组织综合地认识相互关联 的产品系统，确定研究目的和范围，界定待分析的系统并建立系统模型，收集 数据并就清单分析结果编制报告，通过量化待分析产品系统( 分解为单元过程 的整个系统) 的能流、原材料流和向空气、水体和土地的排放( 环境输入输出 数据) ，建立该系统中哪些能量和原材料消耗最多、排放最突出的单元过程，以 进行有目标的改进，提供用来帮助确定生态标志准则的数据，帮助制定备选政 策方案。 对目的产品进行生命周期分析，也称之为盘查。这是种定性描述系统内 外物质流和能量流的方法。主要包括下列几个主要方面：数据收集、细化系统 边界、计算、数据检验、数据与特定系统关联和分配。它是一种对产品从生产、 使用到废弃整个生命过程中，通过大量的数据，建立一个输入输出系统，输入 一个工业系统的能量和物质的水平和类型，到输出产品和环境释放物，如图2 3 。 输入 陌砷 输出 i 原材t 4l 卓 一污水 一大气污染物f 能量 i 学 一固体废弃物l 一使用维护b _ 一其他环境释放物l 氢 _ 一可用产品 图2 3 产品生命周期清单分析 所投入的所有原材料和能源作为输入，而在这个过程中排出的所有释放到 环境中的物质( 包括废气、废水、固体废弃物及其他环境释放物) 作为输出， 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 即可列出系统内外物质流和能量流输入和输出的清单。对生命周期各阶段要继 续细分，如加工装配过程细分为原材料加工、产品生产、组合及加工等，对于 细分后得到的清单要详细列表记录，按统一制定的单位标准将输入、输出一一 列入清单中，一般输入包括各种资源、过程中间投加的物料、能源、从大气、 水、土壤等获得的自然资源等，输出为过程的各阶段排放的气体、液体、固体 废物、各种微量有毒害作用的物质、过程中间或最后产生的主副产品。 生命周期评价的范围通过定义后，接下来要进行的就是所需数据的获取。 生命周期清单分析通常涉及到数据的收集和计算程序，一般由四个步骤构成： 1 数据收集的准备 研究的范围确定后，单元过程和有关的数据类型也就初步确定了，数据的 获取工作通常是从建模开始的，需要绘制详细目录流程图解，用以描绘所有需 要建立模型的单元过程和它们之间的相互关系；详细表述每一个单元过程，并 列出与之相关的数据类型；编制计量单位清单：针对每种数据类型，进行数据 收集技术和计算技术的表述。确保以最小的资源投入和最低的环境成本，取得 所需要的发展成果，这一思想应贯穿于整个生命周期评价阶段、所有的物质和 能量输入物和输出物全过程。 2 过程和产品预算 材料预算的目的之一就是为了加工过程。当系统的边界确定后，就可以建 立过程流程图，确定平衡方程，计算出整体效率。 3 分配 工业设备通常可以通过使用资源的整体输入流和产生废弃物流的整体输出 的方法，在一条生产线上可以生产出多种产品。问题是大气的、水的和固体废 弃物对环境的冲击力应该如何分配在产品a 和产品b 的生命周期中。相对简单 的方法是根据相应的产品的质量来完成分配。另外一种方法是把经济效益和对 环境的冲击力联系起来，在相应的价值，而不是相应的质量的基础上进行分配。 4 功能单元 功能单元的选择需要从产品性能、材料成分、服务及使用方法、现行的满 意的功能等方面进行考虑。一个好的选择能支持一个有用的生命周期评价的成 果，相反，一个不好的选择可能致使所取得生命周期评价结果毫无意义。 2 3 3 3 影响评价 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 i s o 定义的生命周期影响评价框架如下：生命周期影响评价框架及其程序必 须透明，并且提供其广泛应用范围的适用性和可操作性；同时，影响评价对所 用的成本和资源来说是有效的。 影响评价是将l c a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 得到的各种排放物对现实环 境影响进行定性定量的评价，它是l c a 最重要的阶段，也是最困难的阶段。影 响评价是对清单阶段所识别的环境影响压力进行定量或定性的表征评价，即确 定产品系统的物质、能量交换对其外部环境的影响，这种评价应考虑对生态系 统、人体健康及其他方面的影响。 一般可将影响评价分为三个阶段：分类、特征化和评价，下面对其进行说 明： 1 分类 分类属于定性工作，是将对环境有一致或类似影响的排放物分成一类，一 般按照对人体健康的影响、对生态环境的影响和对资源( 特别是枯竭资源) 的 影响分成三大类，并冠以不同的影响因子。通过分类可以探明各影响因子对环 境造成影响的途径，掌握一种产品在多大范围内对环境产生影响，确定下一步 分析评价的对象。分类从原始数据开始，这些数据来自于对物质和能量流动的 清单分析，给定数据后分类步骤由确认环境问题组成，问题由清单分析提出。 例如：造纸业的生产过程会产生含有b o d 、c o d 等物质的污水，对水体产生污染， 引起人类中毒等症状。分类的时候就首先要指出水污染，其次是人类健康等。 2 特征化 特征化是把各影响因子对环境影响的强度和程度定量化。由于多数影响因 素其影响的程度随环境条件发生的时间变化很大，而且往往又是非线性的，至 于几种因素共同造成的复杂污染，更难以看作各污染效果的简单叠加，常常是 复杂的非线性组合，对这些因素进行数据分析和整理要耗费大量的人力和时间， 所以目前尚缺乏致的适宜的方法。 3 评价 评价是将以上分类并定量化的各种影响因子统一归结为一个指标，重要的 因素分派给不同的影响种类的过程，作为该产品对环境影响的综合评价指标， 通常以社会一致意见确定的相对重要性为基础。对各种影响因子进行统一时， 要使用等价变换值，即把不同的影响因子定量地变成统的值，在进行特征化 分析时尽量采用传统的环境影响评价方法。 第2 章绿色设计理论方法及产品生命周期评价理论 2 3 3 4 结果解释 生命周期解释的目的是根据l e a 前几个阶段或l c i 的研究发现，以透明的 方式来分析结果、形成结论、解释局限性、提出建议并报告生命周期解释的结 果。理想化的解释是在前三步完成后进行的，表现为两种形式：事前性的环境 设计( d f e ) 和事后性的污染控制。 生命周期解释阶段包括三个要素，即识别、评估和报告。识别主要是基于 l e a 中l c i ( l i f ec y c l ei m p a c t ) 和l c i a ( l i f ec y c l ei m p a c ta s s e s s m e n t ) 阶段 的结果识别重大问题；评估主要是对整个生命周期评价过程中的完整性、敏感 性和一致性进行检察；报告主要是形成结论，提出建议。 2 4 当前产品生命周期评价所存在的问题 目前的生命周期评价在评价范围、分析方法和数据分析上还存在着很多局 限性，不能够真正达到客观、准确地评价产品的环境影响。产品生命周期评价 方法也多是采用国外的一些评价方法，而这些方法主要考虑的是其所属地域的 环境政策及文化，对于我国产品生命周期环境影响评价方法还不是很适用。针 对当前我国还缺少比较成熟的产品生命周期环境影响评价方法及其应用，建立 适合我国国情的产品生命周期评价理论方法在我国进行产品生命周期评价方法 研究有着重要的意义。 2 5 小结 本章主要从绿色设计的内涵、主要内容、设计方法、设计原则及绿色设计 的关键技术等方面对绿色设计及其理论方法做了分析，然后对绿色设计评价原 则和评价指标体系的制定原则做了简要叙述，最后对产品生命周期评价理论方 法做了探讨。 第3 章以物质和能量为指标体系的产品l c i a 理论研究 第3 章以物质和能量为指标体系的产品l c i a 理论研究 3 1 产品生命周期评价的局限性。3 3 1 1 生命周期评价在范围上的局限性 产品生命周期评价针对的是产品系统，很少涉及到社会、经济、文化以及 企业生产中涉及到的经济成本、劳动力成本等因素，所以产品生命周期评价在 应用范围上有着局限性。 同样，在评价范围上，产品生命周期评价也有局限性。比如系统边界的确 定，可能具有主观性，在某一时间、地域内所做的l c a 结论可能存在时间、地 域上的局限性。 3 1 2 生命周期评价在分析方法上的局限性 l c a 的实旖要依赖于l c a 标准，同时也依赖于具体执行实施者对方法的理解 和对评价对象的认识对象的认识程度，以及实施者自身的经验和技术背景。在 分析方法上的局限性，主要表现为以下三个方面： 1 量化模型的