（机械电子工程专业论文）基于回收元的回收设计方法研究.pdf

摘要 回收设计是绿色设计的一个重要组成部分，它在设计阶段充分考虑产品在使用寿命结 束后的处理问题，以提高产品回收利用效率，实现产品物料流的闭环循环为目标，通过设 计手段提高产品资源利用率，降低产品带来的环境影响。在资源短缺严重和生态环境日益 恶化的今天，回收设计正越来越受到人们的重视。本文在总结目前回收设计方法研究现状 的基础上，对回收设计方法、产品回收应用信息模型、产品回收工艺规划和产品同收性能 评估等问题进行了较深入的研究。 产品回收应用信息模型是研究回收设计与对产品进行回收分析的基础。本文在课题组 研究工作的基础上，针对产品回收应用的特点，提出了回收元的概念，作为产品回收设计 与产品同收分析的基础：在给出回收元的信息模型的基础上给出了基于回收元的产品回收 应用信息模型，为产品回收设计与同收分析奠定了基础。 根据产品回收设计的目标和回收元的概念，提出了基于回收元的产品回收设计方法。 基于产品的初步设计方案，给出了基本回收元的设计方法，包括基本同收元的形成、材料 选择和基本回收元的回收级别设计：基于提出的回收相容性的概念，给出了组合回收元的 设计方法，进一步扩大回收元的粒度；以降低拆卸难度为目标，分析了回收元的接口设计 问题 设计的结果是基于回收元的产品设计方案集。 产品回收工艺分析为产品设计方案的评估提供信息，并且具有很大的现实意义。在基 于回收元的产品回收应用信息模型的基础上，对产品回收过程中的拆卸问题和混合回收元 处理问题进行了分析。重点是混合回收元的处理技术的研究，基于特征理论和a g e n t 思想 提出了混合回收元的回收工艺规划方法，在给出回收工艺评估指标体系的基础上，选用 t o p s i s 方法实现混合回收元回收工艺的优选。提出了产品回收方案树模型来表示产品的回 收过程。 为了实现产品回收设计方案的优选，提出了具有动态意义的产品回收性能概念，该概 念涵盖了产品回收的经济效益和环境效益，并充分考虑了不确定性因素的影响。根据产品 回收性能的概念，给出了产品回收性能的评估模型，基于产品的回收应用信息模型和产品 同收方案树的信息实现了产品回收设计方案的优选。 论文最后介绍了课题组基于上述思想开发的回收设计支持系统d f r s ，并以电热水壶 的设计为例进行了验证。 关键词：回收设计 回收元产品回收应用信息模型回收分析回收性能 a b s t r a c t d e s i g nf o rr e c y c l a b i l i t y ( d f r ) i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a n so fg r e e nd e s i g n ( o d ) d f r t a k e st h et r e a t m e n to fe n d ，o f _ l i f ep r o d u c t si n t oc o n s i d e r a t i o na tt h es t a g eo fd e s i g n ，i m p r o v e st h e r e s o u r c eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo f p r o d u c t sa n dr e d u c e st h ee n v i r o n m e n t a li n f l u e n c er e s u l t e df r o m p r o d u c t sw i t ht h ea i mo f i m p r o v i n g t h er e c y c l i n ga n d r e u s i n ge f f i c i e n c yo f p r o d u c t sa n dr e a l i z i n g t h ec l o s e d l o o pm a t e r i a l sf l o w w i t ht h ee x c e s sc o n s u m p t i o no f r e s o u r c e sa n dt h ed e t e r i o r a t i o no f t h ee n v i r o n m e n t ，d f ri sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e s e a r c h s t a t u si nq u oo fd f r ，t h i sd i s s e r t a t i o nd o e ss o m ed e e p e rr e s e a r c hw o r ki n c l u d i n gd f rm e t h o d ， p r o d u c t r e c y c l i n ga p p l i c a t i o n i n f o r m a t i o n m o d e l ( p r a r m ) ，p r o d u c tr e c y c l i n g p r o c e s s p l a n n i n g ( p l y , p ) ，a s s e s s m e n to f p r o d u c tr e c y c l a b i l i t ya n d s oo n t h ep r a i mi st h eb a s i so fr e s e a r c h e so nd f ra n dt h ea n a l y s i so fp r o d u c tr e c y c l i n gp r o c e s s b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hw o r ko fo u rw o r kt e a ma n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c y c l i n g a p p l i c a t i o n ，t h e d i s s e r t a t i o n p u t s f o r w a r dt h ec o n c e p to fr e c y c l i n ge l e m e n t ( r e ) t h a ti s c o n s i d e r e da st h eb a s i cu n i to fd f ra n dp r o d u c t sr e c y c l i n ga n a l y s i sw i l ht h es u p p o go f i n f o r m a t i o nm o d e lo ft h er e c y c l i n ge l e m e n t ，t h ep r a i mb a s e do nr e c y c l i n ge l e m e n t si sg i v e na s t h eb a s i sf o rd f ra n dp r p p l a c c o r d i n gt ot h et a r g e to fd f r a n dt h ec o n c e p to fr e ，t h ed f rm e t h o db a s e do nr ei sp u t f o r w a r d b a s e do nt h ep r i m a r yd e s i g np l a no ft h ep r o d u c t ，t h ed e s i g nm e t h o do fb a s i ce l e m e n t s ( b e ) i sg i v e n ，i n c l u d i n gt h ef o r m a t i o no f b e ，m a t e r i a l s s e l e c t i o na n dt h ed e s i g no f b e r e c y c l i n g l e v e l w i t ht h ec o n c e p to f r e c y c l i n g c o m p a t i b i l i t y , t h ed e s i g nm e t h o d o f c o m b i n e de l e m e n t s ( c e ) i sg i v e nt oe x t e n dt h eg r a n u l a r i t yo f r e a i m e da tr e d u c i n gt h ed i s a s s e m b l yd i f f i c u l t y , t h ed e s i g n o f i n t e r f a c eb e t w e e nr e si sa n a l y z e d t h ed e s i g nr e s u l ti sas e to f p r o d u c td e s i g np l a n sb a s e do n r e t h e p r o d u c tr e c y c l i n gp r o c e s sa n a l y s i sp r o v i d e si n f o r m a t i o nf o r t h ea s s e s s m e n to f p r o d u c t d e s i g n p l a n s ，w h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e w i t h t h ep r a i mb a s e do nr e ，t h ei s s u e so f d i s a s s e m b l ya n dt r e a t m e n t s o fm u l t ir e c y c l i n ge l e m e n t st m e ) i nt h e r e c y c l i n gp r o c e s s o f p r o d u c t si s r e s e a r c h e da n dt h ee m p h a s i si s p u to nt h el a t t e r w i t ht h e f e a t u r et h e o r ya n dt h e t h o u g h to fa g e n t ，t h e m e t h o do fm er e c y c l i n gp r o c e s s p l a n n i n g i s g i v e n b a s e do nt h e e s t a b l i s h m e n to fa s s e s s m e n ti n d i c e s s y s t e mo fr e c y c l i n gp r o c e s s e s ，t h e t o p s i sm e t h o di s a d o p t e dt os e l e c tt h eo p t i m u mr e c y c l i n gp r o c e s sf o rm e t h ep r o d u c tr e c y c l i n gs c h e m et r e e ( p r s t lm o d e li sp u tf o r w a r dt od e s c r i b et h er e c y c l i n gp r o c e s so f p r o d u c t s t os e l e c tt h eo p t i m u m d e s i g np l a n ，t h ec o n c e p to f p r o d u c tr e c y c l a b i l i t yw i t hd y n a m i cm e a n i n g s i s p u t f o r w a r d t h e c o n c e p t i n c l u d e st h ee c o n o m i cb e n e f i ta n dt h ee n v i r o n m e n t a lb e n e f i t c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c e s o fu n c e r t a i n t yf a c t o r sf u l l y t h ea s s e s s m e n tm o d e lo ft h ep r o d u c t r e c y c l a b i l i t yi sg i v e n b a s e do nt h ec o n c e p to f p r o d u c tr e e y c l a b i l i t y w i t ht h ei n f o r m a t i o nf r o mt h e p r a i ma n dt h ep r s t , t h es e l e c t i o no ft h eo p t i m u md e s i g np l a ni sr e a l i z e d a tl a s t ，t h ed f r ss o f t w a r es y s t e mi si n t r o d u c e dw h i c hi sd e v e l o p e db yo u rw o r kt e a mw i t ht h e t h o u g h ti nt h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l y a n dt h ee l e c t r i ck e t t l ei s t a k e na sa ne x a m p l et ov e r i f yt h e t h e o r ya n d m e t h o d p r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：d e s i g nf o rr e c y c t a b i l i t y ( d f r ) ；r e c y c l i n ge l e m e n t ( r e ) ；p r o d u c tr e c y c l i n g a p p l i c a t i o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( p r a i m ) ；r e c y c l i n ga n a l y s i s ；r e c y c l a b i l i t y 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 学博士学位论文质量要求。 导师 答辩委员会签名 襁宅 教授 教授 教授 教授 教授 教授 ，吐 l 彩 、_ 彩 陟 席 员 主 委 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f 进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别如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，也不包含为获得 盒胆互些盔堂或其他教育机构的学位或证- 辟而使 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。 学位论文作者签名 多瑶啦签字日期：弘9 体加月降日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥妲些塞堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 g b 王些太堂可以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) 学位论文作者签- s ： 互暾舡 签字日期：如叶年，口月件日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：珈 签字日期：”f “年 电话： 邮编： 、 日 致谢 本文是在尊敬的导师刘光复教授的精心指导下完成的。在我研究生学习期间，先生对我 言传身教、关心入微、爱护备至。先生渊博的学识、开l 浏的视野、敏锐的洞察力、严谨的 治学态度、求实创新的工作作风，永远是我学习的榜样，也将始终引导和激励着学生在科 学技术的殿堂里探索前进。先生令人敬佩的人格品质、平易近人的处世方式也为学生树立 了为人的榜样。学生所取得的每一点点成绩和每一次的进步，无不凝聚着先生大量的心血， 在此成文之际，谨向先生致以最崇高的敬意和衷心的感谢。 衷心感谢刘志峰教授。刘老师无论在学习上，还是在生活上都给予我精心的指导和无 微不至的关怀。刘老师全面活跃的思维方式、一丝不苟的治学态度和勤奋务实的工作作风 给我留下深刻的印象，并将使我受益终生。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。 感谢林巨广老师、江吉彬老师、朱华炳老师、宋守许老师、刘明周老师给予我的关心 和帮助，感谢他们给予我科学的思维方式和团结合作工作精神的熏陶。 感谢学院郑学慧老师和陈进老师给予我的关怀和支持，感谢他们多年来给予我的关注， 并使我在宽松的环境中完成学业。 感谢潘晓勇、黄海鸿、郭伟祥、潘君齐、戚赞徽等博士，潘春霞、曹跃颖、刘蕾、唐 涛、倪楠、张良、吕义等硕士在生活和学业上给予我的支持与帮助，感谢他们在我科研和 完成此文的过程中所提供的支持和宝贵意见。 感谢毕传兴、鲍珊、郑任、段刚、杨俊芳、潘永强，高先圣、何俊明等同学，是他们 使我的求学生活充满了欢声笑语，他们将是我永远的挚友。在此也为他们深深地祝福。 感谢我的父亲、哥哥和舅舅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，衷心感谢他们。 感谢所有给予我支持和帮助的老师、同学和亲友。 谨以此文献给我的母亲! 王淑旺 合肥工业大学博士学位论文 1 第一章绪论 1 1 回收设计提出的背景 回收设计是绿色设计的一个重要分支，已得到了人们的广泛重视。回收设 计可以有效地降低制造业对生态环境的负面影响，提高资源能源的利用率，并 可以使制造企业满足相关法律法规的要求，提高产品的市场竞争力。回收设计 主要是在如下因素的推动下产生并得到发展。 1 1 1 生态环境的恶化 在过去的半个多世纪中，人类的生产实践给地球带来了翻天覆地的变化。 一方面，人类的生产活动刨造了巨大的物质财富和精神财富，使人类的生活水 平不断提高，并且前进的步伐也越来越快；另一方面，生产规模的不断扩大和 经济的迅速增长，追使人类不得不对生态系统“寅吃卯粮”，大量的攫取生态资 源，并同时大量地产生并向环境排放各种废水、废气、废渣、噪音、电磁等污 染物质，使得人类的健康和生存空间受到了严重威胁。主要表现为： 1 ) 全球气候变暖 全球气候变暖应归咎于人类生产活动排放的诸如c 0 ：一类的物质，这类物 质阻碍热量从地球表面以及大气层中散失，形成“温室效应”。据统计，自1 8 0 0 年以来，人类仅燃料一项，向大气中排放的二氧化碳就超过了1 8 0 0 亿吨，大气 中二氧化碳浓度比工业化前提高了2 5 而且目前还以每年0 5 的速度递增。 根据对1o o 多份全球变化资料的系统分析，发现全球平均温度已升高o 3 o 6 摄氏度。其中1 1 个最暖的年份发生在8 0 年代中期以后，因而全球变暖是一个 毋庸置疑的事实。全球变暖将带来非常严重的后果，如冰川消退、海平面上升、 荒漠化，还给生态系统、农业生产带来严重影响( 2 】。 2 ) 臭氧层破坏 在大气层的第二层一一平流层中有一层臭氧层，其浓度为1 0 ，厚度为3 0 公里，能大量吸收来自宇宙的辐射，其中9 9 太阳紫外线被它吸收，从而使地 球上的生物免受伤害。被誉为“人类的保护伞”的臭氧层一旦被破坏，不仅会 出现对生物的伤害，人类同样难逃厄运”3 。科学家指出，受紫外线侵害可能诱 发麻疹、水痘、疱疹、真菌病等，但最主要的结果是诱发皮肤癌。然而近二十 年的科学研究和大气观测发现；每年春季南极大气中的臭氧层一直在变薄，事 实上在极地大气中存在一个臭氧“洞”。而臭氧层洞的形成就是囡为人类使用大 量的氧氟烃化台物造成的。 2第一章绪论 3 ) 大气污染 据统计，现在每年排入大气的硫氧化物、碳氢化合物、氢氧化物、一氧化 碳和二氧化碳等有害气体多达1 0 亿吨以上，排入大气中的吸附着许多有毒有害 金属、无机物和有机物的成分复杂的颗粒物质也高达5 亿吨以上。我国的大气 环境污染以煤烟型为主，主要污染物为总悬浮颗粒物和二氧化硫，污染程度居 高不下。酸雨、二二氧化硫和烟尘危害最为严重，污染程度逐年加重。在全国的 6 0 0 多个城市中，大气环境质量符合国家级标准的城市不到1 目前已有6 2 3 的城市环境s 0 2 年平均浓度超过国家环境空气质量二级标准，日平均浓度超 过了三级标准。一些大城市的颗粒物和二氧化疏浓度己经超过世界卫生组织及 国家标准的2 5 倍。 4 ) 水体污染 1 9 9 9 年9 月联合国环境规划署发表的2 0 0 0 年全球环境展望指出2 1 世 纪水资源短缺和污染将给人类带来前所未有的压力。目前全球约2 0 的人难以 获得安全饮用水，而到2 0 2 5 年，全球三分之二的人口将面临缺水问题。无法获 得安全饮用水的人将从今天的1 4 亿增加到2 3 亿。另据联合国的统计数据，目 前世界上每八秒就有一名儿童死于与不洁净水有关的疾病，每年因饮用水不安 全而造成3 3 5 亿起病例和5 3 0 万起死亡事件发生，有2 0 的淡水鱼类囡水污染 而濒临灭绝。我国的水污染也相当严重，据1 9 9 8 年统计，工业废水排放量为 2 0 0 5 亿吨，占全国废水排放量的5 0 7 。国内的河流湖泊不同程度地受到污染， 其中以太湖、巢湖、滇池和淮河等最为严重。由于工业生产所产生的大多数液 体废物和周体废物都最终汇入海洋，因此海洋也受到了严重污染，海洋生物大 量减少，不少鱼、贝类濒临绝迹。 5 ) 生物多样性丧失 温室效应、大气污染、水体污染和固体污染物的存在以及他们带来的恶劣 的环境效应使动植物的生存条件日益恶化；同时，人类活动空间的不断扩大， 森林植被的减少，海洋的污染以及冰川i 融化是动植物的生存空间越来越小。因 此，生物多样性正以骇人的速度丧失，在己被科学家列入编目的物种中，至少 有5 4 0 0 种动物和4 0 0 0 种植物面临灭绝的危机。目前全球1 2 的鸟类和四分之 的哺乳动物濒临灭绝，而过度捕捞己导致三分之一的鱼类资源枯竭。据联合 国预测，未来2 0 至3 0 年内2 5 的物种将有灭绝的危险，其中热带森林生物在 今后3 0 年内将有5 1 0 可能消失。 6 ) 资源枯竭 人类社会的发展和人类财富的积累是建立在对自然资源的无限制攫取的基 础之上。人类欲望的不断扩张和工业系统的低效率运行使自然资源的消耗急剧 增加，资源的相对匮乏已经成为制约世界可持续发展的关键因素。不可再生资 源的枯竭，水资源的匮乏和能源危机等因素已经不仅仅是简单的环境问题，而 合肥工业大学博士学位论文 3 且已经成为影响世界和平拉展的因素。 生态环境的恶化使人们反思自己的行为，可持续发展理念的提出就是这种 反思的结果。19 9 2 年在巴西召开的联合国环境与发展大会将可持续发展定义为 。既满足当代人的需要又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展”，标志 着人类社会对丁发展与环境关系深层次的理性思考。 制造业是通过制造过程将可用资源( 包括能源) ，转化为可供人们使用和利 用的工业产品或生活消费品的产业，涉及国民经济的许多行业。制造业是创造 财富的重要产业，是国民经济和国家安全的支柱产业。制造业的发展可以有力 地促进社会经济的发展，极大地丰富人类的物质文明与精神文明，但是也造成 了大量不可逆转的负面影响，如资源、能源的过快消耗，环境污染的加剧，等 等。人类对环境问题的反思和可持续发展思想的兴起使制造业承担的责任越来 越大，人们通过法律法规和市场准则来约束制造业的行为，使其环境友好化。 1 1 2 法律法规 社会对环境问题的关注以及绿色问题进入政治领域，导致世界各国纷纷制 定约束企业经营行为的国际、国内环境标准和法律法规。到9 0 年代初，有关环 境的国际性条约、公约和协定已有1 0 0 多项，如海洋法公约、蒙特利尔关 于臭氧层空洞化备忘录、气候变化框架公约等。其中，1 9 9 1 年4 月，国际 商会( i c c ) 通过了可持续发展商务宪章，明确地对企业提出了1 6 条环境 管理要求，在国际上产生了重要影响。而各国和地区间制定的诸如环境保护 法等各种环境和社会立法更是不计其数，如欧盟仅1 9 8 9 年制定的环境法规就 达2 9 项之多。企业必须按照这些法律法规从事，才能获得持续发展。 近年来，针对工业污染严重，废弃产品增多而同时资源匮乏严重的现实， 针对制造商和废j b 产品的环保立法越来越多。德国于1 9 9 6 年公布的“循环经济 法”( 全称为促进废物闭合循环管理及确保与环境相容的废物处置法) 是世 界上第一部促使废物综合利用与环境保护相结合的法规。日本于2 0 0 0 年5 月， 制定发布了推进形成循环型社会基本法。这个法也是一个基本框架法，共包 括7 个法律。具体为：废物管理和公共清洁法( 已修订) ，促进资源有效利 用法( 正在组织拟定中) ，容器和包装再循环法( 已经制定) ，家电再循环 法( 已制定) ，建筑工程材料再资源化法( 新制定) ，食品再生利用循环法 ( 新制定) 和促进绿色购买法( 新制定) 。为了推进废旧家电的回收和再商品 化r 使再生资源得到充分利用，实现废物减量化，保护环境，促进经济健康发 展，日本国会通过了日本特定家用电器回收和再商品化法，该法于2 0 0 1 年 4 月1 日起生效。欧盟制订实施的w e e e 指令和r o h s 指令针对电子电器产品对 制造商和使用者的义务进行了规定，并限制了部分材料的使用。 我国于1 9 8 9 年1 2 月颁布实施了中华人民共和国环境保护法，于1 9 9 4 4第一章绪论 年我国在世界上率先制定了中国2 1 世纪议程一中国人口、环境与发展白皮 书，推动我国的可持续发展战略。针对我国废旧产品日益增多，固体废物污染 日益严重的现实，国家有关部门制定了相关的法律法规，1 9 9 5 年1 0 月中华 人民共和国固体废物污染环境防治法颁布实施。2 0 0 2 年5 月国家经贸委拟定 关于建立家用电器回收利用体系工作方案，牵头成立了废旧家用电器回收利 用体系工作协调小组。并成立立法起草小组，着手制定废旧家用电器回收利 用管理办法。 这些法律法规对企业的行为进行了约束，并要求制造商对产品在其全生命 周期内产生的环境影响进行负责，这就要求制造者必需从源头和过程两个方面 来控制产品的环境属性，实施绿色设计是有效的途径，同时，法律法规的山台 在一定程度上引导市场产生了新的竞争因素。 1 1 3 市场竞争 环境的恶化、资源的匮乏、能源危机和相关法律法规的出现使产品的竞争 不再仅仅是质量和成本的竞争，与环境相关的属性正成为市场竞争的新的焦点。 环保认证和节能认证已经成为企业有力的竞争工具。企业通过提高产品的资源 能源的利用率、优化产品的环境属性，不仅可以降低产品的成本，而且可以成 为吸引消费的有力竞争优势。 另一方面，不同区域的环保法律法规的不同标准已经形成“绿色贸易壁垒”， 虽然经济全球化受制于市场驱动，但是一切经济活动都不能摆脱各国政府政策 和法律的控制。经济全球化使国际市场的竞争更加尖锐，各国政府在认真制定 公平竞争规则的同时，也将充分考虑到本国的经济和环境利益。发达国家出于 贸易的不平衡和内政外交的需要，可能会利用其在技术上的领先地位，对进口 产品制定高于国际公认或绝大多数国家难以接受的环境标准，限制发展中国家 产品进入发达国家市场，这就是以保护环境为旗帜的新的贸易壁垒。最初各国 以保护环境为宗旨设立的环境标志，在许多情况下也成为一种贸易壁垒。一些 国家规定，凡是无环境标志的外国产品，在进口时将受到数量和价格的限制 有的还规定产品生产的特定生产技术和生产过程。由于达到这些环境标志的标 准需要付出高额成本，发展中国家很难满足要求，因而使一些产品失去国际竞 争力。目前，环境标志已使发展中国家的造纸制浆业、制鞋业和纺织业处于困 境。随着环境标志种类的增加和标准的提高，环境标志对国际贸易的潜在影响 会更加明显地暴露出来 ”。 综合来看，传统的制造模式正面临着资源匮乏及环境恶化的双重压力，如 何高效地利用资源并有效的降低环境影响是制造业面临的巨大挑战。回收设计 是制造业迎接这一挑战的有利武器。 合肥工业大学博士学位论文 1 2 回收设计及相关技术综述 从2 0 世纪9 0 年代初开始，在法律法规和市场需求的推动下，关于产品环 境意识设计、产品可回收设计以及产品回收技术的研究已经取得了一定的成果。 这里从绿色设计和产品回收技术两个角度进行综述。 1 2 1 绿色设计 绿色设计g d ( g r e e nd e s i g n ) ，也称为生态设计e d ( e c o l o g i c a ld e s i g n ) 或环境意识设计e c d ( e n v i r o n m e n t a lc o n s c i o u sd e s i g n ) 。其基本思想是在设计 阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品 设计目标和出发点，力求产品对环境的影响为最小。一般可以认为绿色设计是 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( 自然资源的 利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等) ，并将其作为设计目 标，在实现产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等基础上，同时使 产品满足生态环境目标要求【6 。绿色设计主要解决两个问题：一个是处理设计 方案的环境相容性评价问题，一般通过一系列的评价指标和评价方法来实现； 另一个是处理设计决策和绿色评价指标关系的问题，即分析设计决策如何影响 产品的环境相容性，然后利用这些信息来完善设计【”。因此，绿色设计的研究 体系结构可以用图l 一1 来表示。 一一一一一一一一_ 一一一一一一一- 一一一一一一一- 一一一一_ 一一一一一一一一一一一_ 一一一一一一 图i - 1 绿色设计的研究体系 第一章绪论 1 2 1 1 环境相容性评价 比较完各的环境相容性评价是产品的生命周期评价，但由于生命周期评价 的复杂性和高成本，以及具体研究的需要，针对产品生命周期某一阶段或产品 某一属性的环境相容- 胜评价也大量存在，例如产品可拆卸性评价、可回收性评 价等。 ( 1 ) 生命周期评价。产品的生命周期评价的核心思想是通过对产品生命 周期的环境影响进行分析与评价，基于分析的结果进行诊断分析来改善产品的 环境性能。s e t a c ( 国际环境毒物学和化学学会) 给出的生命周期评价的定义为： 生命周期评价是一种对产品生产工艺以及活动对环境压力进行评价的客观过 程，它是通过对能量和物质利用以及由此造成的环境废物排放进行辨识和进行 量化的过程。其目的在于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。评价贯穿于产品、工艺和活 动的整个生命周期，包括原材料提取与加工、产品制造、运输以及销售；产品 的使用、再利用和维护；废物循环和最终废物处理”1 。生命周期评价的一般实 施步骤为：目标定义与范围确定、清单分析、影响评价和改进评价”1 。最早的 生命周期评价应用可以追溯到1 9 6 9 美国可口可乐公司对不同饮料容器的资源 消耗和环境释放所做的特征分析，该公司在考虑是否以一次性塑料瓶替代可回 收玻璃瓶时，比较了两种方案的环境友好情况，并肯定了前者的优越性0 】。从 此，生命周期评价逐渐被人们所接受，相关的研究和应用逐渐多起来】。 由于产品生命周期评价的实施涉及多领域的大量数据，冈此关于生命周期 评价的研究和应用大多由一些政j l 专机构或大型研究机构来推动。荷兰的s i m a p r o 软件系统是目前应用最为广泛的生命周期评价软件，它是以环境损害的思想建 立了材料生命周期环境影响的基础数据库，为实施复杂的生命周期分析奠定了 基础“。瑞典的e p s ( e n v i r o n m e n t a lp r i o f i t ys t r a t e g ie s ) 也是基于s e t a c - l c a 方法的较为完善的生命周期评价体系”。另外，美国的e 1 0 一l c a 、德国的g a b i 、 法国的t e a m 、芬兰的k c l e c 0 “”等也正处在不断的发展之中。 我国产品生命周期评价的研究与应用还非常的不j 1 泛。一方面，我国对产 品生命周期评价的需求较弱，我国政府和企业对此的重视程度还不够；另一方 面，我国在生命周期评价方法和基本数据的收集方面还有很大的欠缺，即使借 用国外的数据和方法，在本土化方面也做的不够。因此，在我国实施生命周期 评价还有许多工作要做。 ( 2 ) 绿色度评价。由于l c a 方法的复杂性，简化的l c a 方法以及针对产 品的部分绿色属性进行评价的方法就成为研究的焦点之一，主要包括简化l c a 方法、可拆卸性评价以及可回收性评价等，这里统称为产品绿色度评价。 丹麦工业大学的l a l t i n g 等采用l c a 方法对三种丁业产品( 电冰箱、电 视机和泵) 的环境性能进行分析，给出了如何进行绿色产品开发的有关准则”j 。 合肥工业大学博士学位论文 a a z a p a g i c 等将线性规划方法l p ( l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 、多目标优化方法与 l c a 方法相结合，用于分析和管理与产品有关的环境问题，既解决了l c a 中 清单分析阶段环境负担的分配问题，也可使产品系统的环境性能最优化 【”。1 ”。s k o n g 等以打印机为例，提出了一种半定量化的产品生命周期预评 价工具，采用此种方法可以快速且方便地评价复杂产品的环境影响【j 。j o s e p h s a r k i s 采用网络分析方法a n p ( a n a l y t i c a ln e t w o r kp r o c e s s ) 和数据包络分析法 d e a ( d a t a e n v e l o p m e n ta n a l y s i s ) 相结合的分析方法评价绿色制造规划过程， 其中涉及绿色产品设计中的材料选择和拆卸性分析【2 。m r j o h n s o n 等从 产品的同收、再制造和重用的角度，讨论了如何将成本分析方法考虑在绿色产 品设计过程中 2 h 。y p n u e l i 等对达到生命周期的产品利用所提出的一种新的 算法，以量化的评价方法分析了产品的价值，并可找出设计中的缺陷，反馈建 议与c a d 系统相集成可以指导产品的再设计，提高产品的绿色性能1 2 2 1 。 h u a k a ic h i o u 等1 2 3 】采用灰色关系模型建立的模糊评价方法对绿色工程的实施 过程进行评价，对其评价过程进行了详细的分析。y u ey u 等 2 4 1 根据绿色设计 中环境目标的模糊性和受专家控制的特点，采用模糊逻辑理论解决评价中的多 目标问题。刘志峰教授等【2 副建立了绿色产品评价的指标体系，采用模糊层次分 析法和参照标准的概念进行产品绿色度评价。王跃进等 2 6 1 采用多级模糊评价方 法解决了总合考虑产品生命周期或多生命周期内从设计、制造、使用及回收利 用等方面众多因素的影响下的评价问题。另外，刘红旗、芮延年和向东 2 7 - 3 0 1 等对绿色产品评价指标，评价方法，基于l c a 的评价体系进行了探讨。 对产品的绿色度而言，产品的可拆卸性和可回收性是重要的衡量指标，因 此针对产品这两个属性的评价研究也是一个研究的热点。 产品的可拆卸性是对产品拆卸难易程度的评价。s a n c h o yk d a s 等人” 综合考虑时间、工具、夹具、可达性、指导需求( i n s t r u c t i o n ) 、毒害性和力量 需求六个因素建立了产品的可拆卸评价指标d e i ( d j s a s s e m b i ye f f o r ti n d e x ) 。 a s k i n e rg u n g o r $ 1 s u r e n d r am g u p t a ”“认为拆卸总时间是衡量产品可拆性和拆 卸工艺的有效指标，并建立了基于特定拆卸工艺的拆卸时间的计算算法。e h u d k r o l l 和s c o t tm c g l o t h l i n 等人【”。4 1 采用拆卸零件个数、可达性、拆卸工具、拆 卸力等指标对产品的可拆卸性进行打分综合评价。江吉彬博士1 35 1 建立了基于最 小零件数、拆卸时间和拆卸成本三个度量标准的可拆卸性评价算法模型。潘晓 勇博士口6 1 建立了包括技术性( 拆卸时间、紧固件比例、相容性、可达性和标准 化程度) 、经济性( 拆卸费用) 和环境影响( 噪声和废气) 的可拆卸性评价指 标体系，并采用可拆卸度来表示可拆卸评价的结果。由此可见，产品的可拆卸 性主要是通过产品拆卸的拆卸时间和拆卸成本来衡量，目前还没有一个统一的 评价指标和评价方法。 产品的可回收性是对产品的回收利用程度以及回收过程的经济性和环境影 第一章绪论 响的综合评价。与产品可拆卸性类似，目前还没有统一的衡量标准，不同的文 献提出了不同的评价方法，但主要是从产品的重量同收百分比、回收经济性和 回收过程的环境影响三个方面来评估。y h i r o s h i g e 等开发了基于回收成本的评 价系统r e m ( r e c y c l a b i l i l y e v a l u a t i o nm e t h o d ) ” 。n o y a s a t o 等介绍了一种 基于拆卸单元中材料相容性的产品回收性能评价工具，并考虑了产品使用过程 中材料老化对产品同收性能的影响”。t a k a ob a m b a 和n i a l lm u r t a g h 在论文 中介绍了基于拆卸难度、回收率、回收成本和环境影响的产品的回收性能的系 统，并作为d f e 系统的模块 3 9 】。t a k a y u k in i s h i 等人把产品的可回收性定义为 回收率( 再生率) ，即可回收再利用部分占产品整体的质量比，并对电视机的可 回收性进行了分析 4 。r o s y w e tc h e n 给出了一个关丁回收的经济性分析模型， 并给出了一些提高回收效益的措施，主要从材料回收与结构设计两个方面进行 h ”。f a b r i c em a t h i e u x 等人通过t r i 、e r i 和e c o r i 三个指标作为产品的再生性评 价指标m 。j h u i s m a n 等人认为以材料回收为基础的可回收评价是不充分的， 应该考虑产品回收过程中的环境收益，并建立了基于环境收益的产品回收评价 模型h ”。k i mj a n s s e n s r l a bs t e v e l s 介绍了它们对电视机可回收性的研究成果， 它们从拆卸难度、为用户和回收者提供的信息量、回收部分的纯度和化学成分 四个方面来评估电视机的可回收性 4 4 1 。由此看来，产品的可回收性不仅仅与产 品本身有关，与回收技术及相关的信息共享和供应链有一定的联系。 产品环境相容性评价的目的在于分析产品的环境友好性能，通过分析产品 的环境相容性，可以建立产品设计参数与产品环境相容性的内在关系，从而可 以通过设计手段来改善产品的环境相容性。 1 2 1 2 绿色设计方法研究 绿色设计是面向产品全生命周期的设计。美国技术评估办公室( o f f i c eo f t e c h n o l o g ya s s e s s m e n t ，o t a ) 认为绿色设计应该解决的问题可以从面向产品 的绿色设计和面向产品系统的绿色设计两个层次来理解 4 5 1 ： 面向产品的绿色设计应该解决以下问题： 1 ) 源于不同加工制造过程的废物流是什么? 2 ) 有毒有害成分是否有替代物? 3 ) 产品废弃后如何处理? 4 ) 设计如何影响产品的可回收性? 5 ) 零件材料的环境影响如何? 6 ) 消费者如何使用产品? 面向产品系统的绿色设计应该关注以下问题： 1 ) 新的供应商和用户关系对产品材料的生命周期管理会产生何种影响； 2 ) 如何以更绿色的方式满足消费者的需求： 3 ) 如何将其他公司的废物作为原料； 舍肥工业大学博士学位论文 9 4 ) 如何通过产品设计的改变来使废物流变为其它工业过程的原料。 同绕这些问题( 这里考虑面向产品的绿色设计) ，产生了面向环境设计、 生命周期设计、可拆卸性设计、可回收设计等研究分支。 ( 1 ) 面向环境设计( d e s i g n f o r e n v i r o n m e n t ，d f e ) 。f i k s e l 和w a p m a n 将 面向环境设计定义为“在新产品和工艺的开发过程中，对产品全生命周期过程 中与环境安全和健康相关的设计问题的系统考虑”1 。因此r 面向环境设计 涉及的范围包括环境管理、产品安全、职业健康与安全、污染防治、资源保护 和废弃物管理等。h o r v a t h 等人建立了面向环境最计的三个主要目标：( 1 ) 减 少不可再生资源的使用；( 2 ) 有效的使用可再生资源；( 3 ) 减少向环境的有害 排放 47 】。t a m u r a h i r o s h i 等人给出了面向环境的产品设计准0 ，主要包括”： 1 ) 设计长寿命产品： 2 ) 设计高能效产品； 3 )设计资源高教利用产品： 4 ) 选择适当的材料和零件； 5 ) 回收和处置设计； 6 ) 选择加工和装配方法。 除此之外开发支持面向环境设计的支持工具也是一个研究的热点。r e i n e r a