环境化设计综述

环境化设计综述1、 自然观自然观要回答的问题是，自然是什么？这是一个纯哲学问题。对这个问题历史上存在着三种观点，即古代朴素自然观、近代机械自然观和现代辩证自然观。古希腊最早对“自然”作哲学思考的是泰勒斯、阿那克西曼德和阿那克西美尼三位哲学家，他们试着探寻事物是由什么构成的。此外柏拉图、赫拉克利特等哲学家都对于自然有着自己的观点，总的说来，希腊人认为，人始终是自然界的一部分，人的最高目的和理想不是去控制自然，而是作为自然的一员，深入到自然中去，领悟自然的奥秘和创造生机。同样，我国古代易经的思想、老子的道家思想和印度佛教的自然观也都认为自然是充满内在活力和生机的整体。老子的思想中始终贯穿着一条主线，即“自然”，其“天人合一”的“一”就是“自然”。 孙甜甜.寻找失落的精神家园老子“天人合一”思想的现代启示J.黑龙江科技信息.2008（27） 在十六到十七世纪，一种新的机械论的自然观逐渐占据主导地位，其经典表述是笛卡尔的二元论。笛卡尔认为，自然中同时存在着两个实体心灵和物质，它们是自然存在的区分，是自然的最高抽象，只有上帝才算得上实体，物质和心灵都依赖于上帝。斯宾诺莎、莱布尼茨等人曾力图克服机械论自然观的缺陷，但最终都以失败告终。直到以牛顿力学的诞生为标志的近代科学体系的确立，机械自然论的地位才完全确立下来，但是它有一个致命缺陷，就是无法合理解释自然界中的生命现象，为此一些极端主义者，如拉美特利提出，不仅动物是机器，人也是机器。这种观点具有简单化倾向，并有着极强的形而上学性，在十九世纪受到来自生物学的挑战。 陈剑澜等. 西方传统自然观的演变与影响J.中国人口.资源与环境.2000(04)十八到十九世纪中叶，自然科学的各个领域都得到迅速发展，自然界各种事物之间的联系、事物的形成与变化都渐次进入科学的视野，机械的自然论受到极大的冲击，唯物的辩证自然观的形成具备了丰厚的科学基础。马克思恩格斯科学地总结和概括了当时自然科学技术发展的最新成就，批判地继承了哲学史上宝贵遗产和文明史中有价值的成果，特别是批判继承了黑格尔哲学中包含的辩证法的合理因素，建立了辩证唯物主义的世界观和方法论。 许为民主编.当代自然辩证法M.浙江大学出版社，13-26马克思主义认为，世界既是统一的又是多样的，人与自然是对立统一的关系。自然界是物质的，物质是第一性的，人生于自然并改造自然，正确处理好人与自然的关系对于人类社会和自然的协调发展有着重要的意义。2、 近现代工业的发展十八世纪六十年代，“珍妮机”等一系列工业机器的发明和应用标志着第一次工业革命的开始。瓦特改良蒸汽机后，人类社会进入“蒸汽时代”。这一时期，新的生产力迅速代替旧的生产力，物质生产急速膨胀，资本主义开始接管世界。由于新的机器需要新的能源，所以煤、石油等资源被大量使用，新兴的资本主义国家为了快速占有世界市场，不顾一切地对外扩张、掠夺资源。十九世纪七十年代，爆发了第二次工业革命，科学技术的发展突飞猛进，各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应用于工业生产，大大促进了经济的发展。主要表现在三个方面，即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明。第三次科技革命是人类文明史上继蒸汽技术革命和电力技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃。它以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。这次科技革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革，而且也影响了人类生活方式和思维方式，使人类社会生活和人的现代化向更高境界发展。 百度百科. .然而科学是一柄双刃剑，由于利用方式不当，以及对物质的盲目崇拜，先进的科学技术及快速发展的工业在不断提高人民生活水平的同时，也带来越来越多的问题。3、 环境问题的出现随着工业、经济的发展，越来越多的社会问题涌现出来，在各方面制约着社会向前发展。在近代工业开端，由于环境意识淡薄，资本主义国家丝毫没有考虑到工业发展带来环境问题而盲目地发展，导致大量的固体废弃物污染、大量的温室气体排入空气中。工业发展进入现代，各大发达国家纷纷在海外拓展生产，将国内的生产转移到劳动力廉价的国家，利用发展中国家的人口、资源赚取大量财富，并且将污染直接排在当地，导致广大发展中国家的环境境况尤其严峻。资源、环境和人口是当今世界面临的三大主要问题。地球的资源是有限的，工业发展的几百年里，大量的不可再生的化石燃料被无节制地消耗掉，导致现在资源极度匮乏，大力使用风能、太阳能、核能等新型能源势在必行。严重的环境污染带来的后果也是显而易见的，水污染、空气污染随时威胁着广大人民的生命，世界十大污染事件让人闻之色变，水土流失、河流污染、沙漠化扩大等问题越来越严重，由于生态危机导致的自然灾害及其造成的物质和精神损失也越来越大。世界上几乎所有的临海城市，以及很多岛国都受着温室效应的威胁，加大保护环境的力度也是所有国家都要努力践行的。当今世界人口已经突破七十亿，不断膨胀的人口导致对物质的需求不断增大，地球的负荷也在不断增大，如何利用有限的资源满足全世界人口的物质需求是摆在所有国家面前的难题。4、 可持续发展的提出在宏观层次上，“可持续发展”一词是在1980年发表的世界自然保护大纲中首次作为术语而提出来的，1987年，世界环境和发展委员会（WCED）第一次科学诠释了可持续发展的概念 WCED，Our Common Future，Oxford University Press，Oxford，UK，1987，其基本观点是：一是人类要发展，尤其是穷人要发展；二是发展要有限度，不能危及后代人的发展。此后林达尔、穆拉辛格、普朗克和哈克、世界银行、皮尔斯和沃福德、叶文虎以及其他著名的可持续发展研究学者对可持续发展的定义进行了深入和扩展。综合来说，所有的定义和表述不尽相同，但是核心目标都是，既要使人类的各种需要得到满足，个人得到充分发展，又要保护资源和生态环境，不对后代人的生存与发展构成威胁。至此世界各国也逐渐认识到，走一条“不危害子孙后代生存发展”的可持续发展道路是唯一的选择。德国在1977年开展了名为“蓝色天使”项目，成为世界上首个实施国家生态标志项目的国家。随后，瑞典、挪威、芬兰、丹麦以及冰岛提出了名为“北欧天鹅”的环境标志活动。美国提出“智能垃圾”、“绿色灯光”和“能源之星”等活动，日本印度提出“生态分数”运动，我国也公布绿色GDP并且提出可持续发展的战略和转变经济发展方式的重大举措。为了应对全球变暖带来的威胁，各国开始在不同领域进行低碳规划。表1是低碳经济发展中的重大事件。表1 低碳经济发展中的重要事件 洪军. 高端装备低碳设计内涵与策略的探讨. 面向高端装备的低碳制造会议.2010.101997200320082009京都议定书签署，为各国的二氧化碳排放量规定了标准。英国在 我们能源的未来-创造低碳经济能源白皮书中首次提出“低碳经济”概念。UNDP（联合国开发计划署）2007-2008人类发展报告，提出低碳发展指数。丹麦哥本哈根召开世界气候大会，商讨京都议定书一期承诺到期后的后续方案。在对可持续发展的具体实践的探索中，学者们找到了一条环境化设计的道路。环境化设计把可持续发展思想融入到产品设计过程中，将生态环境与经济发展联结为一个互为因果的有机整体，认为经济发展要考虑到自然生态环境的长期承载能力，使环境和资源既能满足经济发展的需要，又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要，从而形成一个综合性的发展战略，可以使资源、能源得到有效利用，并使环境污染降低到最低程度。因此，环境化设计是人类社会可持续发展的需要，是可持续发展的一个组成部分，而且是一个极其重要的组成部分。5、 环境化设计研究现状环境化设计思路和方法是在20世纪90年代初才提出的，经过10年多的发展已在世界范围内形成了共识，同时也得到了快速发展。它顺应并促进了可持续发展的潮流，力图实现产品在生产、分配、使用和报废处理整个生命周期中对环境的危害最小，并合理有效地利用各种资源。环境化设计，也叫绿色设计、生态设计等，根据福克斯等1989年的表述，环境化设计是指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及人性化的要求。传统设计是环境化设计的基础。没有传统设计，环境化设计也就无从谈起。因为，任何产品都首先必须具有所要求的功能、质量、寿命和经济性，否则绿色程度再高的产品也是没有实际意义的。环境化设计是对传统设计的补充和完善，传统设计只有在原有设计目标的基础上将环境属性也作为产品的设计目标之一，才能使所设计的产品满足绿色性能要求，具有市场竞争力。最早进行环境化设计方面研究的主要是欧洲国家，其中丹麦是世界上最先使用环境化设计这个术语，并在这个领域做研究和项目的国家之一。丹麦工业大学成立了绿色产品生命周期中心，主要从事三个领域的研究，即：环境及资源技术、工艺及生产工程和生命周期策略、经济及控制。德国、加拿大、英国等在拆卸技术及方法，回收工艺及方法等方面已展开了大量的研究。美国也开始着手“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个范围的具体研究对象。日本从环境和商业的角度出发，已经对加工的浪费和产品对环境的冲击加以严肃认真的考虑。表2是环境化设计的四个阶段。表2 环境化设计的4个阶段 Abele，Eberhard； Anderl，Reiner； Birkhofer，Herbert (Eds.)，Environmentally-Friendly Product Development Methods and Tools，2005 王立端. 奇思妙想可望变现实 生态设计倡导新环保生活. http：/. 2007-12-201产品改善（1990年前）产品再设计（1990年起）产品/功能创新（2000年起）系统创新（20?年开始）方法主要从防止污染保护环境出发，逐步改善产品性能；考虑过程，如利用过滤器减少排放物依据环境标准对现有产品进行再设计，如采用环境友好材料、零部件的变更、生命周期里能源使用量的最小化等改变产品的概念，不断革新开发产品功能的方法，使一件产品具有更为合理的功能，融合了更高的生态效率和广为人知的产品功能，如：旋风真空吸尘器（Dyson）在现有经济体系中界定“绿色”企业；要求有政府层面干涉；要求有“绿色”市场动力和文化变迁，革新社会系统，追求结构和组织的变更，例如根据信息技术来改变组织、运输和劳动等系统边界有害物质对环境的影响单一的生产过程和供货方整个产品生命周期，明确包括使用阶段和寿终阶段整个产品生命周期，明确包括整体的全球环境交互作用考虑因素排放物、有害物质加上：能源消耗加上：过程加上：服务西方发达国家在环境化设计领域已逐步迈入第三阶段，推行环境化设计早已成为西方国家政府、企业、商家、民众的共识；而我国在整体上还处于第一阶段，与此同时，国内的发展也处于不平衡状态，部分东部沿海地区进入了第二阶段，少数西部地区至今还被挡在第一阶段门外。近年来，绿色技术迅速发展，在防治污染、回收资源、节约能源三大方面形成一个庞大的市场，包括产品开发、信息服务和工程承包等。为了在竞争上获得优势，美、日、欧等国更多地在绿色产业中应用生物技术、计算机技术和新材料，使其变为一个高科技行业。德国以其特有先进的技术设备和良好的社会服务在国际环保市场上站稳了脚根。荷兰、意大利、澳大利亚在一些环保技术上也拥有优势，目前也正在盯住这块“大蛋糕”以图分享其中的一块。表3是美国、加拿大、欧洲、日本等各国对绿色制造、LCA、环境化设计等相关领域进行的研究情况。表4则是环境化设计方面比较重要的低碳制造部分的研究现状。表3 国外环境化设计相关领域的研究状况国家研究机构主要研究内容美国Berkeley加州大学，环境意识设计和制造的研究机构环境化设计和制造，建立了可系统查询的绿色制造专门网页Greenmfg。美国卡耐基梅隆大学，绿色设计研究所从事环境化设计、制造、管理、法规制定等研究和教育工作，并与政府、企业、基金会等广泛合作。加拿大Windsor大学，环境意识设计和制造实验室（ECDM lab）基于WWW的网上信息库，发行了International Journal of Environmentally Conscious Design and Manufacturing杂志；对环境意识制造中的环境性设计、LCA等进行了深入的研究；开发了有关环境性设计软件EDIT。欧洲国际生产工程学会（CIRP）研究环境意识制造和多生命周期工程等绿色制造本质问题。英国CfSD（the center for sustainable design）对环境化设计、可持续性产品设计等进行了几种研究，并开展了有关的教育工作，发行了The Journal of Sustainable Product Design等杂志。表4 制造系统低碳运行优化的研究现状 邵新宇. 离散车间制造系统高效低碳运行优化理论与关键技术. 面向高端装备的低碳制造会议.2010.10作者成果Gutowski教授团队（麻省理工学院）研究制造加工过程中的能源和资源消耗及环境影响Pfefferkorn教授团队（威斯康星大学麦迪逊分校）研究热辅助机械加工工艺的能量特性 Verl教授团队（德国斯图加特大学）基于仿真对制造过程的能量消耗进行建模、预评估能量消耗Sheng P S教授团队（加州大学伯克利分校）研究机械加工过程能耗状态Herrmann（德国不伦瑞克理工大学）通过过程链仿真的方法提高制造过程中的能量效率Mohammed（英国诺森比亚大学）研究锯齿机加工工艺的切削能耗特性大森整（日本理化学研究所）基于ELID技术的稳定、可控、低耗磨削国内对环境化设计的研究与应用工作也非常重视，经过10多年的发展，已经初步具备了一定的研究力量，形成了一些研究群体，为环境化设计的发展与应用起到了重要的推动作用。合肥工业大学从1994年开始开展绿色设计的研究，是国内较早从事这一领域研究的单位。1997年得到国家自然科学基金在该领域的第一个项目资助，此后连续多年获得国家自然科学基金及安徽省自然科学基金的资助，并且与多家企业合作，建立了多个重点研究实验室，对绿色设计的概念及内涵、绿色设计方法与工具、绿色设计的评价指标体系与评价方法、绿色设计的关键技术等进行了广泛系统的研究，因此合肥工业大学在环境化设计领域处于国内领先水平。此外，清华大学，浙江大学，上海交大，重庆大学，华中科大，以及中国台湾成功大学等高校也进行着相应的研究。图5是国内环境化设计研究工作及获得的成果。表5 国内主要研究单位在环境化设计领域中的研究工作与取得的成果研究单位研究方向主要研究成果合肥工业大学绿色设计、家电/机电产品拆卸与回收 建立了绿色产品开发集成模型 基于UGIS开发“绿色设计统一集成开发平台” 基于层次概率模糊认知图的产品拆卸序列生成 绿色产品评估方法与家电产品绿色设计评估平台 基于三维CAD平台的拆卸与回收工艺规划 超临界COZ流体技术在印制电路板回收中的应用 废旧家电产品回收工艺规划与分析系统 出版绿色设计，绿色制造等专著清华大学绿色设计、线路板回收 机电产品的生命周期评价和绿色特性评估 绿色工艺规划与评价 开发了电子元器件的拆卸工艺 印制线路板再资源化工艺和装备研发装甲兵工程学院再制造 构建了装备产品的再制造工程体系 发动机废旧零部件剩余疲劳寿命的评估方法 产品再制造性的评价模型结构 再制造零部件涂层热残余应力的理论模型重庆大学绿色制造 制造系统产品物料资源消耗状况的分析模型 绿色工艺规划的决策模型与应用支持系统 机械加工系统能最特性研究山东大学绿色设计、模块化设计 低凝点切磨液 低温供液系统样机 绿色产品模块化设计 材料绿色数据库构架华中科技大学生命周期分析与生命周期设计 机电产品全生命周期分析与设计方法上海交通大学汽车相关零部件的拆卸与回收分析 生命周期分析方法 汽车回收、拆卸性与回收性分析机械科学研究院绿色设计 绿色包装的选择与评估浙江大学环境化设计与制造 针对服装企业开展低碳制造信息化技术的研究，开发了“服装碳排放协同计算和管理系统（著作权登记号2010SR）”。 与英国诺丁汉大学合作，成立了“中英低碳制造联盟”（The Sino-UK Low Carbon Manufacturing Consortium），联盟成员包括剑桥大学、清华大学等中英顶尖大学。在环境化设计的应用方面，美国、欧盟等国家处于绝对领先地位。美国的苹果公司、戴尔公司、IBM、福特汽车等公司对于绿色设计和制造已经有了很好的实践；德国西门子建立节能环保产业链，ABB公司大力开发低碳技术；日本佳能公司利用LCA技术进行碳评价、索尼公司全球规划“环境零负荷” 索尼逐步告别传统制造模式：瞄准绿色竞争.华强电子网. 2011-07-05。而且，美国和欧盟近几年来积极出台法规，对发展中国家实行“绿色壁垒”，使得我国的出口面临着巨大的挑战。在国内，环境化设计的研究主要集中在高校中，只有少量的企业与高校合作或者独立进行着相关的研究工作。海尔集团积极采取环境化设计和制造的战略，美菱集团与合肥工大合作进行环境化的研究与实践，远大集团则在绿色理念的支撑下，积极开展绿色设计的工作。由于我国经济发展的速度快，很多企业不愿意进行环境化方面的实践，当然，随着绿色壁垒越来越严重，这个情况将有改善。6、 环境化设计综合理论、方法环境化设计经过二十多年的发展，已经发展出一套综合的方法和理论。包括，生命周期设计方法、并行环境化设计方法、全寿命成本设计方法、节能服务和合同能源管理和环境化设计理论。生命周期设计（Life Cycle Design）实质上也是环境化设计。它是从产品性能、环境保护、经济可行性的角度，考虑产品开发全生命周期（包括产品设计、原材料的提取、产品的制造、包装、销售和使用、用后的回收与处置全过程）的污染预防要求，多级使用资源与能源，以降低产品生产和消费过程对环境的影响，使其与地球的承载能力相一致，以确保满足产品的绿色属性要求。一个产品的生命周期包括以下各个环节：市场需求分析、设计开发、生产制造、销售、使用及淘汰废弃后的回收处理。 产品全生命周期设计. 百度百科. 2011-07-13，.并行环境化设计是将并行工程与环境化设计结合起来的方法，环境化设计与并行工程关系紧密，为了追求提高质量，降低成本，缩短开发周期，开发资源、能源利用率最高、环境污染最小的绿色产品的设计目标，并行工程的方法对环境化设计的实施有着重要的支撑作用。全寿命成本设计方法(LCC)就是在产品设计期间，考虑在产品全生命周期所产生的成本，根据总成本来进行决策的设计方法。 李 涛，马 薇，黄晓蓓. 基于全寿命周期成本理论的变电设备管理J. 电网技术. 2008，32 （11）:51-53 徐翀，全寿命周期成本管理在电力设备管理中的应用探讨J. 中国电力2010(43) Makarand Hastak. A Framework for Life-Cycle Cost Assessment of ComPosites Constructionj.Journal of Reinforced plastics and Com Posites，2003，22(12):357358一个著名的案例就是美国尿布事件。我国引进LCC管理理念始于20世纪80年代，由海军起头，空军和二炮都积极推广和应用，并组建了LCC委员会，多年来，LCC委员会做了大量工作。节能服务是指由专业的第三方机构（能源管理机构）帮助自身机构解决节能运营改造的技术和执行问题的服务。其服务对象是一般是企业机构。 百度百科.http:合同能源管理是指节能服务公司与客户签订节能服务合同，双方确认节能量和节能效益。节能项目完工后，节能服务公司从节能经济效益中收回投资和合理的利润；客户在合同期内获得部分节能经济效益，合同期结束后获得全部节能经济效益。有些客户与节能服务公司签订长期的节能服务合同，保证客户的能源需求。 发展改革委、财政部、人民银行、税务总局关于加快推行合同能源管理促进节能服务产业发展