第八章 绿色设计.doc

第8章 绿色设计8.1绿色设计概述资源、环境、人口是当今人类社会面临的三大主要问题，特别是环境问题，正对人类社会生存与发展造成严重威胁。20世纪70年代以来，工业污染所导致的全球性环境恶化达到了前所未有的程度，日益严重的生态危机要求全世界共同采取行动来加强环境保护。进入90年代以来，各国的环保战略开始经历一场新的转折，全球性的产业结构调整出现了新的绿色战略趋势，这就是向资源利用合理化、废物产生减量化及对环境无污染或少污染的方向发展。在这种“绿色浪潮”的冲击下，绿色产品逐渐兴起，相应的绿色产品设计方法就成为目前的研究热点。8.1.1绿色设计的基本概念图8-1绿色设计示意图绿色设计（Green Design）也称为生态设计(Ecological Design)，绿色设计的示意图如图8-1所示。绿色设计基本设计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中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求资源利用合理化、废物产生少量化，对环境无污染或少污染。绿色设计是以环境保护为核心的设计过程，它要求在产品的整个生命周期内，着重考虑产品的环境属性（自然资源的利用、环境影响及可拆卸性、可重复利用性等），并将其作为设计的目标，在满足环境目标要求的同时，满足产品应有的功能、使用寿命、经济性和质量等。绿色设计是一种综合了面向对象技术、并行工程、寿命周期设计等设计方法，包含了产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、再用及处理的各个阶段，即涉及到产品的整个生命周期。传统设计主要是根据用户提出的功能、质量和成本来设计的，图1-1为传统设计流程示意图。这种设计方法很少考虑能源、资源再生利用以及对生态环境的影响。制造出来的产品没有有效的管理、处置和再生利用的方法，结果造成了严重的资源污染和环境污染。这种粗放型传统设计对自然资源的可持续利用和人类生存构成了极大的威胁。绿色设计在产品整个生命周期中都把产品的绿色程度作为设计目标，在设计过程中，充分考虑产品在原材料获取、生产制造、运输销售、使用及回收处理对环境的各种影响。绿色设计是可以在不同层次上进行的动态设计过程，通常可分为三个层次：第一层为治理技术与产品的设计，其目标是简化或取消产品废弃后的处理处置过程及减少处理处置费用；第二层为清洁预防技术与产品的设计，其目的是减少生命周期中各个阶段的污染；第三层是为价值而设计，目的在于提高产品的总价值。掌握绿色设计知识的人员是绿色设计的主体和关键。实践证明，绿色设计优于传统设计，更趋于理性化的设计。如果我们在设计思想中充分融入绿色理念，那么在节能、降耗和提高效益方面就会得到成倍的效果。比如，一种使用液化石油气和乙烯气为燃料的绿色汽车，其尾气中碳氢物可减少72%，CO减少97%，NOX减少30%，噪声可降低40%，并且不含苯和铝，其百公里耗气24.25立方米，汽车的使用寿命也可延长很多等等。绿色设计的应用为资源的综合利用和新技术的开发提供了很好的范例。绿色设计具有以下特点：(1) 环境保护绿色产品从生产到使用乃至废弃、回收处理的各个环节都对环境无害或危害甚小。企业在生产过程中选用清洁的原料和工艺过程，生产出清洁的产品；用户在使用产品时不产生环境污染或只有微小的污染；报废的产品在回收处理过程中产生的废弃物也很少。(2) 最大限度地利用材料资源绿色产品应尽量减少材料使用量，减少使用材料的种类，特别是稀有昂贵材料及有毒、有害材料。这就要求在设计产品时，在满足产品基本功能的条件下，尽量简化产品结构，合理使用材料，并使产品中零件材料能最大限度地再利用。(3) 最大限度地节约能源 绿色产品在其生命周期的各个环节所消耗的能源应最少，使物资和能源被有效地利用。8.1.2 绿色设计发展历程与未来趋势(1) 绿色设计是绿色消费的产物 在传统的消费理念中，生产企业以创造流行为成功目标，新产品层出不穷，而消费者跟着流行走，这导致产品的使用寿命越来越短。这种粗放型消费方式一方面导致产品的生产消耗了大量的原料和能量，另一方面被淘汰下来的废弃物如何处理也成为人类面临的新的难题和挑战，同时对人体健康和生态环境造成了严重危害。因此，为了适应社会和经济发展的需要，必须用一种新的消费方式绿色消费，取代旧有的消费模式。从资源、环境、生态等不同角度来讲，所谓绿色消费就是要做到对自然资源的适度利用和综合利用，满足人类社会活动无害于环境，符合生态系统物质和能量流通的规律。绿色消费在20世纪80年代后期逐渐形成，是通过实行绿色产品制度来得以传播和扩展的。前联邦德国在1978年最早实行了绿色产品制度，由国家权威部门审查评定绿色产品，贴上绿色标志后供消费者使用。绿色产品是由绿色技术加工制造出来的，于是，绿色技术便以星火燎原之势发展开来。(2) 绿色设计是可持续发展的必然选择 靠自然资源和劳动力为主要投入手段的粗放型经济增长方式，不仅大量地消耗、浪费了地球的不可再生资源，而且资源消耗和工业废弃物造成的环境污染会破坏人类生态系统，造成生态系统失衡，直接威胁人类的生存。因此人们提出了一种新型的发展模式可持续发展。可持续发展是生态、经济、社会三位一体的协调发展。生态可持续发展是指在发展的同时，必须保护环境，包括控制环境污染和改善环境质量，保护生物多样性和地球生态的完整性，保证以可持续发展的方式使用可再生资源，使人类的发展保持在地球承载能力之内。经济可持续发展鼓励经济增长，以体现国家实力和社会财富。经济可持续发展不仅重视增长数量，更追求改善质量、提高效益、节约能源、减少废物，改变传统的生产和消费模式，实施清洁生产和文明消费。社会可持续发展是以改善和提高人民生活质量为目的，与社会进步相适应。这其中，生态持续发展是基础，经济持续发展是条件，社会持续发展是目的，三者不可分割。人类共同追求的是生态经济社会复合系统的持续、稳定、健康发展。绿色设计把可持续发展思想融入到了产品设计过程当中。首先，绿色设计以节约资源为目标。资源、能源的过度开采与消耗是造成经济不能持续发展的主要原因，而绿色设计则是通过各种技术手段和管理手段减少资源和能源的使用，提高其利用效率或采用可再生资源与能源，因而可以实现经济的持续发展。其次，绿色设计以保护环境为准则。采用绿色设计，节约了资源和能源，也从另一方面减少了废弃物的产生，有利于保护环境，维持生态平衡。因此，绿色设计是人类可持续发展的必然选择。 (3) 绿色设计的国内外现状目前，绿色设计与绿色制造的研究已经受到各国政府、科研机构、高校、乃至企业的日益重视，成为可持续发展的最佳途径，也是先进制造技术领域的研究热点之一。绿色设计与绿色制造是近几年重要国际会议探讨的主要内容。对绿色设计与绿色制造技术研究的较早且成果较显著的，当属以美国和日本为代表的发达国家。美国国际贸易及工业部工业科学技术代理处机械工程实验室的Inoue与Sato对工业产品环境问题进行了研究，并在该实验室开始着手“生态工厂技术”的协作项目，该项目的主要范围包括产品技术、生产技术、拆卸技术及回收技术，并且已经确定了每一范围的具体研究对象。此外，麻省理工学院和Berkeley加州大学也在进行此项技术的研究。Berkeley加州大学专门设立了关于环境意识设计和制造的研究机构，在国际互联网上建立了可系统查询的绿色设计与绿色制造专门网页Greenmfg。美国的克莱斯勒、通用和福特三大汽车公司共同创立了汽车回收开发中心，对新车进行拆卸研究，以便于学会如何改进汽车设计，使拆卸更容易。Ps公司更进一步地以面向环境设计手册的形式，将绿色设计思想具体化，用于指导电子产品的开发。美国的IBM公司正在研究开发绿色电脑。日本通产省从1992年开始实施了一项“生态工厂”的10年计划，对生产系统工厂和恢复系统工厂进行研究。通产省还与日本家电制造商联合投资50亿日元研究开发家电处理集成系统。日本丰田公司也于1995年宣布了一份汽车拆卸回收工艺，并详细阐述了汽车拆卸程序。日本尼桑公司正在开发绿色汽车。富士公司研究出了一种可即拍的绿色相机。我国也对绿色设计和绿色制造进行了一些研究，国家自然科学基金和863高技术研究项目也资助了绿色设计和绿色制造、资源优化等几个科研项目，并在一些绿色产品的设计中得到了应用。但相比发达国家在绿色设计与绿色制造领域的异军突起，国内在此方面的研究还处于萌芽阶段，与国外发展水平差距甚远。我国工业发展至今还没有完全走出高能耗、高投入的粗放型发展模式，单位能耗比发达国家高出许多，“三废”排放量大，污染严重，严重影响了国产产品的国际市场竞争力。WTO规则中的“绿色壁垒”虽有一些大国为限制发展中国家贸易借口的因素，但其积极意义不言而喻，我国的机械行业要在世界贸易中站住脚，“绿色”水平的高低至关重要。因此，能否在绿色设计与制造方面有所作为，不再是一个间接的或长远的效益问题，而是一个直接的效益问题。必须加强对企业的“绿色”教育，完善政府部门对企业绿色制造的监督机制，加强立法和行政规定以及相关的经济政策。建立较为系统的绿色制造理论和方法体系，促进和指导绿色设计和制造技术的深入研究和学科发展。(4) 绿色设计与绿色制造的发展趋势绿色设计与制造技术趋向全球化、社会化、集成化、并行化、智能化、产业化方向发展。人们提出了绿色设计发展体系，其中关键是绿色产品设计评价体系的完善，对产品从设汁、制造、包装、运输、报废等整个生命周期中每一个环节对环境影响作出评价，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。研究开发适合绿色设计和制造需要的数据库和信息系统，例如，材料数据库、制造数据库，开发绿色产品设计和实施绿色制造的支撑软件。8.2绿色设计的内容与方法8.2.1绿色设计的内容绿色设计的主要内容包括绿色设计的材料选择，面向可拆卸性设计、回收性设计，面向制造和装配设计，产品的成本分析，寿命周期评估等。(1) 绿色设计的材料选择（Design for Materials，简称DFMS）材料选择是绿色设计不可缺少的组成部分，是产品开发过程中的最早最重要的设计决策，同时又是一种重要的绿色设计手段。选择合适的满足绿色设计要求的材料可以使产品对环境的影响最少。因此，绿色设计要求选材时不仅要考虑产品的使用要求和性能，更要优先考虑产品的环境性能，优先考虑在本身制备过程中低能耗、少污染，产品报废后便于回收再生重用或易于降解，具有良好环境协调性的绿色材料。具体的措施包括选用可回收再生的材料、节能型材料、可降解材料、环境友善型元件，减少产品中使用的材料的品种等。(2) 面向可拆卸性设计（ Design for Disasse mbly，简称DFD）传统的设计方法一般只考虑零部件的装配性，很少考虑产品的拆卸性。而绿色设计则要求把可拆卸性作为产品结构设计的一项评价准则，使产品在报废以后其零部件可重新利用或进行材料循环再生，达到既节省材料又保护环境的目的。因此，面向拆卸性设计成为绿色设计的重要内容之一，引起了许多研究人员的重视，并进行了深入的研究。近来，面向拆卸性设计的研究集中在以下几个方面：总的设计原则的建立；面向拆卸性设计的软件工具的开发；拆卸和再循环的经济性和环境后果分析；拆卸深度的研究；拆卸顺序的优化及其与经济效益最大化的关系分析；起源于面向装配设计分析的再设计建议与可拆卸性设计的兼容性分析等。由于产品的品种千差万别，不同的产品必须采用不同的拆卸性设计方法。概括地说，可拆卸性设计地的一般原则如下：1)减少拆卸的工作量 明确应该拆卸的零部件，将多个零件的功能集中到一个零件；2)预测产品构造 避免相互影响的材料组合，避免零件的污损；3)易于拆卸；4)易于分离；5)采用标准化的零部件，制造方法的标准化，减少零件的多样性。(3) 回收性设计（Design for Recycling & Recovery，简称DFR）回收性设计是指在进行产品设计时充分考虑产品的各种材料组份的回收再用的可能性、回收处理方法（再生、降解等）、回收费用等与产品回收有关的一系列问题，从而达到节约材料、减少浪费，对环境污染最小的目的。回收性设计的研究主要集中在以下几个方面：1)可回收材料的识别及标志；2)回收处理方法的研究；3)DFD的设计原则；4)可回收性的结构设计；5)回收的经济分析。回收性设计的主要原则可以归纳如下：1)避免使用有害于环境及人体的材料；2)减少产品所使用的材料种类；3)避免使用与标准循环利用过程不相兼容的材料或零件；4)使用便于重复使用的材料；5)按兼容性组织生产产品的材料；6)允许使用重用的零部件；7)鼓励用户进行循环利用。(4) 面向制造和装配的设计（Design for Manufacturing & Asse mbly，简称DFMA）DFMA是一种使产品更容易制造和装配的设计方法。DFMA提供了一种从装配和制造的观点分析设计方案的系统化方法，能使产品更简化，装配和制造费用更少。DFMA是在产品的设计阶段就尽早地考虑与产品制造和装配有关的约束（如可制造性、可装配性），全面评价产品和工艺设计，同时提供改进的设计反馈信息，在设计过程中完成可制造性和可装配性检测，使产品结构合理、制造简单、装配性好，从而缩短产品的开发周期，取得最大的经济效益。(5) 产品的成本分析在产品设计的初期，就考虑产品的回收、再利用等性能。因此在进行成本分析时，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，也会形成企业间产品成本的差异。(6) 生命周期评估（life cycle Assess ment，简称LCA）原材料及燃料产品制造产品装配产品销售产品使用产品报废部件重用零件重用用材料回收废物处理环 境他用重用循环图8-2 产品全生命周期生命周期评估是绿色设计的一项重要的内容之一（图8-2）。LCA能够量化一个产品贯穿其整个产品生命周期的对环境的影响，并提供改进的指导原则，因此，LCA被认为是支持绿色产品设计的核心工具。LCA对一个特定产品的分析包括以下四个方面的内容。1)定义目标和范围 包括定义LCA的目标，建立所研究产品的功能单元，设定LCA的边界等；2)详细目录 包括确定产品各个生命周期阶段的全部输入（能源、原材料）和全部输出（产品、副产品、废弃物等）的基础数据，并进行量化；3)影响因素评价 对量化的基础数据进行分析，将其转换成对环境有关的测量数据；4)结果评价 对各影响因素造成最严重的环境问题的结果进行评估，并提出改进设计的策略。8.2.2绿色设计的方法绿色设计方法在涉及的知识领域、涉及方法及涉及过程与传统的设计相比，均要复杂。绿色设计方法是一种集突变论、信息论、离散论、模糊论、系统论、智能论、控制论、优化论、对应论、功能论、艺术论于一身的现代设计方法的集成，是理性的设计方法，典型的绿色设计方法主要有以下几种。(1) 生命周期设计方法即综合考虑调研、设计、制造、销售、使用、回收、处理等生命周期中各环节对环境及产品影响的设计方法。是对一种产品从加工制造到废弃分解的全过程进行全面的环境分析和评估，并试图找出改善途径的设计方法。(2) 并行工程设计方法即利用并行工程技术，综合考虑产品绿色设计中的各因素，在设计过程中随时在各环节间进行信息交流和反馈，实现多因素、多目标、闭环设计过场的全局最优化。(3) 模块化设计方法模块化设计是产品结构设计的一种有效方法，也是绿色设计中确定产品结构方案的常见方法。模块化设计就是在一定范围内，在对不同功能、不同性能、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，以满足不同的市场需求。(4) 长寿命设计方法长寿命设计方法的主要目的是确保产品能长期、安全的使用。对于一些关键设备，特别是大型和重型机械，一旦出现事故，就会长时间停产，造成的损失很大，对这些设备进行长寿命设计就很有必要。长寿命设计方法的关键就是要使得工作应力小于零件的疲劳强度。8.2.3绿色设计的关键技术(1) 面向材料的设计技术面向材料的设计技术是以材料为对象，在产品的整个寿命周期（设计、制造、使用、废弃）中的每一个阶段，以材料对环境的影响和有效利用作为控制目标，在实现产品功能要求的同时，使其对环境污染最小和资源消耗最少的绿色设计技术。面向材料设计技术的核心是为产品设计选择绿色材料，从根本上减少环境污染，降低资源和能源消耗。面向材料的设计技术，一方面是以产品技术性能、经济性能和环境性能为设计目标，选择综合性能优良的绿色材料；另一方面则要考虑绿色材料的使用对产品设计、工艺及制造带来的影响。面向材料设计的关键技术有以下几个方面：1)新材料的开发和研制技术；2)材料实用化设计技术；3)现有材料的环境性能改进技术；4)材料的回收、处理和再利用技术；5)绿色材料的数据库管理技术；6)绿色材料的评价技术；7)基于材料选择的CAD技术。(2) 面向环境的设计技术面向环境的设计是在世界“绿色浪潮”中诞生的一种新型产品设计概念。面向环境设计是以面向环境的技术为原则所进行的产品设计。面向环境的设计是一种系统化的设计方法，即在产品的整个生命周期内，以系统集成的观点考虑产品环境属性（可拆性、可回收性、可维护性、可重复利用性和人身健康及安全性等）和基本属性，并将其作为设计目标，使产品在满足环境目标要求的同时保证应有的基本性能、使用寿命和质量等。面向环境设计的关键技术主要有以下几方面：1)绿色产品的描述与建模；2)绿色产品评价体系和方法的研究；3)绿色产品集成设计理论与方法的研究；4)适合绿色产品设计的环境指标的建立及其规则化和量化；5)绿色产品设计的材料数据及数据库的建立；6)面向回收的产品可拆卸性设计及评价方法和评价指标体系的建立；7)可拆卸结构的模块划分和接口设计；8)可回收零件及材料的识别与分类系统；9)开发针对具体产品的系统设计工具平台。(3) 面向能源的设计技术面向能源的设计技术是指用对环境影响最小和能源消耗最少的能源供给方式支持产品的整个生命周期，并以最少的代价获得能源的可靠回收和重新利用。产品设计是影响能源消耗最关键的环节。在产品功能和基本要素确定的情况下，产品的结构布局、材料选择、加工工艺、可制造性、可装卸性和可重复利用性等影响能源消耗的主要因素都是在设计阶段确定的。因此，分析产品设计对能源消耗的影响因素，并从系统的角度研究面向能源优化利用的产品设计方法，对提高能源利用率，改善能源危机的状况有重要意义。面向能源设计技术应用的最终目标是控制能源消耗和无效排放，从而达到节约能源和保护环境的目的。面向能源设计的关键技术有以下几个方面。1)新能源基础理论和技术实现的可行性研究；2)新能源技术经济性分析和成本控制技术研究；3)主能源结合辅助能源的相关性和成本控制研究；4)产品能源消耗关系模型研究；5)减少能源消耗环节直接驱动机理和应用研究；6)能源回收机理的基础性研究；7)能源回收重用转换机制和结构体系的研究；8)能源回收利用的经济性研究；9)能源使用最佳控制方式研究；10)能源先进控制技术的标准化研究。8.2.4绿色设计工具及绿色设计的原则绿色设计涉及很多学科领域的知识，这些知识不是简单地组合或叠加，而是有机地融合。首先，利用常规的分析方法、计算方法和设计工具，是无法满足绿色设计要求的；其次，绿色设计所涉及的知识、数据等多呈现出一定的动态性和不确定性，用常规方法很难做出正确的决策判断；最后，只能要求产品设计人员在设计过程中具有一定的环境基础知识和环境保护意识，而不能要求他们成为出色的环保专家。因此，绿色设计工具即绿色产品的计算机辅助设计GCAD成为目前绿色设计的研究热点和重点之一。开发绿色设计工具的目的就是通过应用现代信息技术手段，在产品设计的初级阶段，考虑产品生命周期所有阶段的生态需求，为产品设计人员提供可供遵循的设计准则和易于操作的设计工具，使绿色设计高效、有序地进行。绿色设计工具主要包括绿色设计的需求分析和目标确定、生命周期过程阶段描述与设计、设计评价、设计模拟及系统信息模型等。(1) 需求分析和目标确定需求分析和目标确定就是根据所设计产品的功能、结构特点及环境特征等确定具体设计目标，并合理协调目标之间的关系。比如，某一产品的设计目标是竞争力和绿色程度，与这两个目标有关的需求涉及诸多内容，对竞争力而言，需要考虑产品成本、可制造性（包括拆卸性）、产品功能需求等；而对产品的绿色程度来讲，需要考虑产品能耗、可处理性、绿色材料的选用、产品零部件的可重用性及回收材料的使用需求等。同时，为了让这两个目标取得协调，与其有关的需求之间也需要相应的协调。(2) 生命周期过程阶段描述与设计描述产品生命周期各阶段