綠色設計的理論初探

景華榮　徐亞勇

摘 要：綠色設計著重考慮產品環境屬性（能耗低、污染小、可拆卸回收、可重復利用性等），并將其作為設計目標，在滿足環境目標要求的同時，保證產品應有的功能、使用壽命、質量等。綠色設計的關鍵技術包括綠色材料選擇、回收性設計、可拆卸性設計、生命周期評價等。

關鍵詞：綠色設計；綠色材料選擇；回收性設計；可拆卸性設計；生命周期評價

收稿日期：2009-03-03

作者簡介：景華榮（1969—），男，江蘇江都人，江都職業教育中心校教師，揚州大學2007級工程碩士研究生，主要研究方向為機械設計理論與教學。

中圖分類號：TU201 文獻標識碼：A 文章編號：1005-569X(2009)03-0048-03

1 綠色設計概念及特點

1.1 概 念

綠色設計(GD：Green Design)，也稱為生態設計(ED：Ecological Design)、環境設計(DFE：Design for Environment)、生命周期設計(LCD：Life Cycle Design)。

綠色設計不同于傳統設計，綠色設計包含產品從概念形成到生產制造、使用乃至廢棄后的回收、重用及處理處置的各個階段，即涉及產品整個生命周期，是從搖籃到再現的過程。也就是說，要從根本上防止環境污染，節約資源和能源，首先決定于設計，要在設計過程中考慮到產品及工藝對環境產生的負作用，并將其控制在最小范圍之內或最終消除，這就是綠色設計的基本思想。

圖1為一種基于層次的綠色產品設計體系。該體系包含目標層、設計內容層、主要階段層、設計因素層4個層次^［1］。

綠色設計與傳統設計的根本區別在于，綠色設計要求設計人員在設計構思階段，就要把降低能

耗、易于拆卸、再生利用和保護生態環境與保證產品的性能、質量、壽命、成本的要求列為同等的設計目標，并保證在生產過程中能夠順利實施。

綠色設計是生產綠色產品的保障，在實施綠色制造過程中，綠色設計是關鍵。研究表明：產品性能的70%～80%是由設計階段決定的，而設計本身的成本僅為產品總成本的10%^［2］。因此，只有在設計階段按照綠色產品的特點進行規劃、設計，即進行綠色產品設計，才能保證產品最終的綠色特性。

1.2 特 點

由綠色設計的定義可以看出，綠色設計的主要特點包括以下幾個方面：

①擴大了產品的生命周期；②綠色設計從源頭上減少了廢棄物的產生，有利于保護環境，維護生態系統平衡；③綠色設計可以防止地球上礦物資源財富的枯竭；④綠色設計將減少廢棄物的數量及其處理的棘手問題，避免通常垃圾處理采用的填埋、焚燒法所造成的二次污染。

1.3 方法及工具開發

綠色設計是一種綜合了面向對象技術、并行工程、壽命周期設計的一種發展中的系統設計方法，是集產品的質量、功能和環境為一體的設計系統。綠色設計的方法主要有：生命周期設計法、并行工程法、模塊化設計法。

綠色設計工具的開發研究是綠色設計的重要內容，國內外的研究部門和企業都進行了很多研究，主要側重于材料選擇、拆卸分析、環境影響評價等方面，目前已開發或正在開發的典型綠色設計工具有：Boustead數據庫、DFA/DFD（計算機輔助拆卸分析）、Ecomanager、LCAiT、Simapro5、Green Assessent、Cummpan、CALA等^［3］。

2綠色設計的材料選擇

2.1 綠色材料的概念

綠色材料(Green Material：GM)，又稱環境協調性材料 (Envionmental Conscious Materials：ECM)或生態材料(Ecomaterials)，是指那些具有良好使用性能或功能，并對資源和能源消耗少，對生態與環境污染小，有利于人類健康，再生利用率高或可降解循環利用，在制備、使用、廢棄直至再生循環利用的整個過程中，與環境協調共存的一大類材料。

綠色材料是綠色設計的基礎，綠色材料對綠色產品的綠色程度有著重要作用。因此，綠色設計的材料選擇必須建立在綠色材料的基礎之上。綠色材料不僅包括直接具有凈化環境、修復等功能的高新技術材料的開發，也包括對使用量大而面廣的傳統材料及其產品的改造。隨著產品對環境性能要求的不斷提高，傳統產品設計中材料選擇有明顯不足之處。主要表現在：

(1)所用材料種類繁多；

(2)選材很少考慮材料的加工過程及其環境的影響；

(3)所用材料很少考慮報廢后的回收處理問題；

(4)沒有考慮所用材料本身的生產過程。

由此可見，傳統的材料選擇方法已不能適應綠色產品及綠色設計的要求，必須從更廣泛的角度考慮材料的選擇，不僅應考慮基本性能要求，更應著重考慮材料的環境屬性。

2.2 綠色設計材料選擇的準則

綠色產品設計首先應要求構成產品的材料具有綠色特性，具體來說，在材料選擇時，應符合以下要求：

（1）具有良好的使用性能。

（2）所用材料應是低能耗、低成本、少污染的材料。

（3）盡量不用或少用短缺的或能耗大的原材料，多用廢料或再生循環材料作為原料。

（4）盡量不用或少用有毒有害的原材料。

（5）所用材料應是易回收、易處理、可降解材料，且具有最大的再生利用率。

（6）所用材料應是易加工且加工中無污染或污染最小。

（7）材料在整個生命周期的全過程對生態環境無副作用，而不僅是某一生產過程具有低的環境負荷值。

2.3 綠色材料的評價

產品設計中所選材料的綠色程度有多大，所選材料是否是綠色材料，這對材料比較和選擇具有重要作用。這種材料的選擇決策也就是綠色材料評價。開展對材料、產品及其生產、使用直至廢棄全生命周期或某個環節的環境協調性評價研究，是綠色設計評價的基礎性工作。

3 產品的可拆卸性設計

3.1 拆卸設計的概念

所謂拆卸就是從產品或部件上有規律地拆下可用零部件的過程，同時保證不因拆卸過程而造成該零部件的損傷。面向拆卸的設計（Design for Disassembly，DFD）是一種使產品最容易拆卸并能從材料回收和零件重新使用中獲得最高利潤的設計方法學，它研究如何設計產品才能高效率、低成本地進行組件、零件的拆卸以及材料的分類拆卸，以便重新使用及回收。產品的可拆卸性是產品回收再生的前提，直接影響產品的可回收再生性^［3］。

3.2 拆卸設計準則

可拆卸性要求在產品設計的初期就將可拆卸性作為結構設計的一個評價準則，使所設計的結構易于拆卸，維護方便，并可在產品報廢后可重用部分能充分有效地回收和重用，以達到節約資源和能源、保護環境的目的。拆卸設計應遵循以下基本準則：①拆卸工作量最少準則；②易于拆卸準則；③易于分離準則；④產品結構的可預測性準則。

3.3 拆卸設計評價

拆卸評價是對設計方案進行評價—修改—再評價—再修改直至滿足設計要求的動態過程。評價的內容、指標、標準是評價的關鍵。提出一套完整的拆卸性評價指標體系，建立嚴格的評價標準是評價系統的基礎。

4 產品的可回收性設計

4.1 回收設計的基本概念

回收設計（Design for Recycling，DFR）就是在進行產品設計初期，充分考慮產品零部件及材料的回收可能性、回收價值大小、回收處理方法、回收處理結構工藝性等與可回收有關的一系列問題，以達到零部件及材料資源和能源的充分有效利用，并在回收過程中對環境污染為最小的一種設計思想和方法。

產品可回收性設計的內容包括產品零部件的回收性能分析、可回收材料及其標志、回收工藝與方法、回收性經濟評價、可回收性產品結構工藝性等幾個方面。

4.2 回收設計的特點及經濟性分析

從回收設計的定義可以看出，回收設計與傳統設計有很大的不同。回收設計在產品的設計初期就考慮消除或減少廢棄物的產生，并在產品廢棄淘汰時，對其進行經濟有效的回收或使廢舊產品的零部件得到重用、移用。回收設計主要有以下特點：

(1)回收設計可使材料資源得到最大限度地利用；

(2)回收設計可減少環境污染，保護生態環境；

(3)回收設計有利于持續發展戰略的實施；

(4)物流的閉合性。

對回收經濟性進行分析應根據產品類型、生產方式、材料種類等，收集整理各有關數據資料并參考現行的成本預算方法，目前所采用的參數通常為回收的費用收益比和凈收益兩種，其表達式為：

費用收益比=總回收收益/總回收費用

凈收益=總回收收益－總回收費用

4.3 產品回收的基本原則

回收設計是產品在使用壽命終結時獲得重新利用的基礎，從廢舊產品中不斷的拆卸與回收零部件，其回收價值如圖2所示。圖中的極值點是經濟回收的極限點，在高價值零部件優先回收的前提下，該點表示拆卸的過程或步驟開始進入負價值拆卸。在這種情況下，就限制了產品的進一步拆卸與回收，因此，在廢舊產品的回收過程中，主要有以下基本原則可供遵循：

（1）若零件的回收價值加上不回收該零件所需的處理費用大于拆卸費用，則回收該零件；

（2）若零件的回收價值小于拆卸費用，而兩者之差又小于處理該零件的費用，則回收該零件；

（3）若零件的回收價值小于拆卸費用，而兩者之差又大于處理該零件的費用，則不回收該零件，除非為了獲得剩余部分中其他更有價值的零件材料而必須拆卸；

（4）對所有不予回收的零件都需進行處理。

回收的零件及材料的價值應從高到低，當回收效益為零或負值時，則停止拆卸。

4.4 回收設計準則

在回收設計中，應遵循以下設計準則：

①設計的結構易于拆卸，減少拆卸的工作量；②可重用零部件材料要易于識別分類；③結構設計應有利于維修調整；④限制材料種類，采用系列化、模塊化的產品結構；⑤盡可能利用回收零部件或材料；⑥應便于分離拆卸不同的材料組合；⑦采用相容性好的材料。

5 綠色設計評價

5.1 概 述

綠色產品設計的最重要的環節就是研究開發對產品整個生命周期進行評價的方法和工具。綠色設計評價可以利用各種工具，以支持生命周期各個階段設計過程的進行，其中最為有效的方法為生命周期評價。

5.2 生命周期評價的概念

生命周期評價(LCA：Life Cycle Assessment)，或稱“環境協調性評價”。LCA是對產品系統在整個生命周期中的環境影響、物質和能源的投入產出和潛在的環境影響進行定量分析和評價的一種方法，是對綠色產品進行認證的最有效方法。

5.3 LCA的技術框架

根據1997年的ISO14040標準的定義，LCA技術框架如圖3所示，它包含了目標和范圍定義、編目分析、環境影響評估、環境解釋4個組成部分。

參考文獻：

［1］ 張崢嶸，袁清珂.21世紀制造業的特點及其關鍵技術［J］.機械工程師,1999(1)：1~3.

［2］ 劉飛.21世紀制造的綠色變革與創新［J］.機械工程學報,2000(1)：7~13.

［3］ 薛風英，張軍濤.討論綠色設計與環境保護［J］.河北科技大學學報,1999(1)：57~60.

工作研究 2009年第3期