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基于生命周期評價的生態設計方法

節能降耗往往都有一定的指標參數，對于一個已經批量化生產的產品和成熟的工藝流程，如何減少能耗對于企業來說是個難題。本文從生命周期評價結果出發，對產品自身的特性和生產工藝流程特點進行生態研究，從而優化產品，使產品更加符合環保要求。目前，產品的生態環境影響值（LCA評價結果）可以利用軟件（如GaBi等）計算得到。根據節能降耗的具體指標，對產品的特性和生產工藝流程特點進行分析，找出可以改善產品環保特性的最佳路徑。

1產品特性

從環保方面來說，產品的特性可以歸結到產品的材料和體積2個方面。材料是組成產品的基礎，從生命周期角度出發，各種原材料經過一系列的物理、化學工藝過程，形成最終產品，而每種原材料的生產、運輸過程對環境產生的影響大小也不同。為了達到環保指標，可以從對環境影響較大的原材料種類考慮，通過減少原材料用量、改進原材料的成分配比或者用相對環保材料代替等方法，達到產品的環保要求。例如，國際上近年來越來越多采用鋁芯作為電線電纜的導體，鋁芯生產工藝比銅芯生產工藝簡單，能耗和污染排放少，而且鋁資源比銅資源豐富、價格便宜，這就是利用材料代替的方法達到環保要求。體積的改變方法主要是通過形狀改變及結構優化。形狀改變主要是減少原材料的使用量，結構的優化是減少材料種類以及方便產品的拆卸和維修。例如，大多數液晶顯示器的外殼采用的是卡殼連接，而不是以往的螺栓連接，既減少了材料種類又方便拆卸，從而通過結構優化達到環保要求。

2生產工藝流程特點

在產品生產過程中，涉及環境影響的主要有“三耗”、材料轉化率及廢料的回收利用。“三耗”通常指的是耗電、耗液、耗氣，企業可以通過技術手段改進和設備更新達到降低“三耗”要求。例如，通過實際調研發現，某節能燈生產企業生產流程中耗電量最大的環節是老化檢測階段。檢測時間一般是在0．5h以上，按1只燈泡功率10W計算，每次檢測200個，1次檢測的耗電量大約為1kW•h，1條檢測流水線1d大約要耗費10kW•h電左右，已超過了其他生產環節。該企業為了節能降耗，正在改進電壓沖擊手段，使節能燈的老化檢測在保證質量的前提下，短時間內就能完成。

材料轉化率從側面反映出工藝水平的高低，理想狀態是1∶1，但實際生產總是投入大于產出，投入產出比越大表明材料的浪費程度越嚴重，這與生產技術手段和設備效率相關。對于企業而言，提高原材料的轉化率，不僅可以降低浪費程度，又可以節約成本?！叭龔U”是指廢液、廢氣、廢料。很多企業為了節約成本，沒有采取相關回收處理裝置，直接將其排放到外界環境中，不僅污染環境，也嚴重影響員工的人身安全。正確的做法應該是一方面減少“三廢”的排放量，另一方面加強對“三廢”的回收集中處理。

3設計步驟

（1）針對擬定的具體指標對現有產品進行全生命周期評價，將評價結果分別歸到產品特性和生產工藝2個大類。

（2）找出產品特性和生產工藝中對環境指標具有顯著影響的方面。產品特性可以從原材料和體積兩方面進行考慮；生產工藝可以從“三耗”、材料轉化率、“三廢”方面考慮。

（3）找出產品中對環境指標影響較大的材料。在不改變產品特性的前提下，首先考慮能否降低其使用量；其次考慮能否通過某種物理或化學途徑改善該材料的自身性能，降低其對環境的污染（如有毒、有害物質的替代）；最后嘗試用某種更加環保的材料替代，該材料的環境影響值也由LCA方法計算得出。

（4）針對環境影響較大的材料，可以考慮如何減小其體積（即減少材料的使用量）而不改變產品的性能；對產品進行可拆卸性分析，盡量優化產品結構，能夠方便回收產品中的有用部分。

（5）綜合步驟（3）和步驟（4），選出幾組備案，對每組備案進行生產工藝流程特點分析。

（6）生產過程中“三耗”的大小、材料轉化率的高低、“三廢”排放的多少基本是由非人為因素和人為因素決定的。對于非人為因素，首先考慮如何改進制作工藝；其次淘汰舊設備，采用效率高、能耗小的設備進行生產；最后增加一些密閉裝置回收“三廢”。對于人為因素，則要對員工的操作技能進行培訓，加大環保知識的宣傳。

（7）將每組備案的最終環境影響值和環保指標進行比對，并結合價格、工廠實際情況等因素，選出最佳方案。

（8）如果步驟（5）無法實現，則對原產品的生產工藝流程特點，按步驟（6）進行分析，通過改進原產品的工藝特點達到環保指標。

實例驗證

某試點電線電纜企業擬降低碳排放量35％，以此作為環保指標，其他環境因素如酸化影響、臭氧消耗、光化學污染等作為輔助參考，并以CO2作為計算當量因子，選取銅芯交聯聚乙烯電纜為改進對象。選擇YJV22－8．7／10kV、3×70mm2作為研究對象，具體結構示意如圖4所示。圖4電纜結構示意圖按照生態設計方法，首先考慮該型號電纜的自身特性，主要結構為銅芯導體、交聯聚乙烯絕緣層、聚乙烯護套。其中，銅芯制造全過程中碳排放量為8627kg，交聯聚乙烯制造全過程碳排放量為3824．5kg，聚乙烯制造全過程碳排放量為1706．5kg。由于電線電纜的截面尺寸是有國家標準的，因此采用減少原材料使用量途徑不可取，故利用原材料替代方法。

目前，電線電纜常用的導體線芯材料有銅芯、鋁芯、貴金屬銀及合金材料，考慮成本和電阻率，最后選擇與原銅芯電纜具有相近載流量的鋁芯作為導體（截面積3×120mm2），比銅芯電纜截面積大2個規格，符合實際生產情況，見表1所列。選擇乙丙橡膠絕緣層作為代替方案，各性能參數與原型號交聯聚乙烯參數相近。碳排放及其他環境影響參數見表2所列。由表2可以看出，與碳排放相比，酸化物質、臭氧消耗和光化學污染的排放量很小，而且國家目前關注更多的是減少碳排放，因此選取碳排放作為主要評價標準，方案2比方案1碳排放量降低了56．4％，決定采納方案2。

由于確定采用鋁芯導體，考慮用實心代替絞合制成線芯，省去了拉線、絞線等工序，省工、省料，導體外徑最小，與絕緣的結合較好。另外，從實際調研情況來看，絕緣層和護套的擠出工序中存在原材料浪費嚴重現象，這是因為原材料以顆粒形式被吸入到擠出設備中，而存放原材料顆粒的容器（鐵桶）是開放式的，吸管也是直接插入容器中，員工在加料過程中很容易散落原料顆粒，設備停止后取出吸管時，殘留在吸管內的原料顆粒也容易滑落吸管外?？紤]將容器入口處做成漏斗狀，擴大入口面積；在容器底部將吸管和容器做成可拆式連接，設備停止時可以不用將吸管取出，這2種做法都可以減少原料顆粒的外泄，降低投入產出比。此外，絕緣層和護套層擠出時會有少量廢氣（H2S、HCL、Cl2）排出，因此可以加裝通風裝置，將廢氣收集統一處理。碳排放參數見表3所列。由表3可知，方案1碳排放量合計7308kg，方案2碳排放量合計5664．1kg，改進后的方案2比方案1碳排放量降低了22．5％，采納方案2。

企業通過產品和工藝流程的改進后，對新產品和原產品的碳排放量進行比較，見表4所列。由表4可知，碳排放減少了45．67％。由上述結果可知，企業擬定的碳排放量指標已經達到，但是這并不代表鋁芯電纜可以完全代替銅芯電纜，鋁的熔點、抗拉強度、彈性模量、延展性、柔韌度、相同截面積的載流量以及抗腐蝕性能都不如銅，所以，在某些特殊場合還應使用銅芯電纜（如高溫、礦井中等）；對于電力電纜，大部分情況下，可以用鋁芯電纜代替銅芯電纜，從而達到節能減排的目的。

結束語

本文在傳統QFDE生態設計方法上，提出了基于生命周期評價的生態設計方法。針對具體的節能減排指標，通過分析產品特性和生產工藝流程特點找出最佳改進方案，使其達到節能減排指標。本文更側重于對已知產品進行生態特性的改進，該方法可以有效地幫助設計人員通過定性和定量化的分析解決環保問題。

作者：陳世杰劉志峰蔣建平單位：合肥工業大學機械與汽車工程學院浙江省標準化研究院