淺談船舶綠色設計

通過與傳統的船舶設計方法比較，闡述了船舶的綠色設計對環境保護的意義和應用前景，及其對材料和工藝的原則要求。

20世紀70年代以來，工業污染所導致的全球性環境惡化達到了前所未有的程度，迫使人們不得不重視這種現實。日益嚴重的生態危機要求全世界采取共同行動來加強環境保護，以拯救人類生存的地球，確保人類的生活質量和經濟持續健康發展。進入20世紀90年代以來，各國的環保戰略開始經歷一場新的轉折，全球性的產業結構調整呈現出新的綠色戰略趨勢。這就是向資源利用合理化，廢棄物產生少量化，對環境無污染或少污染的方向發展。在這種“綠色浪潮”的沖擊下，綠色產品逐漸興起，相應的綠色產品設計方法就成為目前的研究熱點。

?藎可持續設計思想

所謂可持續設計思想，就是在生態學的指導下，將設計納入“人-機-環境”系統，在實現社會價值的同時強調保護自然價值，促進人與自然的共同繁榮。可持續發展，是人們應該遵循的一種全新的價值觀。其本質在于充分利用現代科技，大力開發綠色資源，不斷改善和優化生態環境，促使人與自然的和諧發展，人口、資源和環境相互協調，相互促進。

可持續發展思想的產生，促成了設計理念的根本變革，從而更為深刻地闡明了設計對于認識世界、改造世界的重大意義。人們在轉變傳統發展模式、實行可持續發展戰略的時候，必須糾正過去那種單純靠增加投入加大消耗實現發展的模式和以犧牲環境來增加產出的錯誤做法，從而使經濟發展更少地依賴地球上有限的資源，而更多地與地球的承載能力達到有機的協調。

要實現可持續發展，就要求企業改變傳統的生產方式和經營觀念，走可持續生產之路，為了增加市場競爭力，做到生產成本低、生產周期短、產品質量高的同時，還要重視提高產品的制造技術水平以及不影響生態環境，即進行綠色設計，這是實現可持續發展的關鍵。

?藎綠色設計方法

1、綠色設計方法簡介

綠色設計，是指在保證產品功能、質量、成本的前提下綜合考慮環境影響和資源效率，使產品從設計、制造、使用到報廢整個產品生命周期中不產生或使環境污染最小化，符合環境保護要求，對生態環境無害或危害極小，節約資源和能源，對資源利用率最高，能源消耗最低的設計技術，通常也稱為生態設計，在這一周期內著重考慮產品環境屬性，即可拆卸性、可回收性、可維護性、可重復利用性等。

按照綠色設計技術的思維方式，要求從選材開始到產品報廢整個生命周期中的每一個環節的輸入和輸出要對環境影響和資源效率給予充分的考慮。與傳統設計技術所考慮的設計方案，即原料—工業生產—產品使用—報廢—棄入環境的開環系統那種只追求產品屬性（功能、質量、成本）而不考慮或很少考慮環境屬性的做法不同的是，綠色設計技術考慮的設計方案是一個閉環系統，即原料—工業生產—產品使用—報廢—二次原料投資，從設計、制造、使用一直到產品報廢回收整個生命周期對環境影響最小、資源效率最高，也就是說要在產品整個生命周期內，以系統集成的觀點考慮產品環境屬性（可拆卸性、可回收性、可維護性、可重復利用性、人身健康及安全性等）和產品基本屬性，使產品在滿足環境目標要求的同時，并保證應有的功能、質量、成本、壽命等。

綠色設計的最終體現是綠色產品，它是產品綠色程度的載體。作為綠色產品，需要能合理使用材料，以最貼近自然的、對人體無害的、節省能源的材料滿足產品功能的需要。就船舶來說，它在為人類交通運輸業做出巨大貢獻的同時，也能給人類環境造成巨大破壞。目前，航運業和造船業正在全球范圍內發起一場新的“綠色革命”。中國在跨入世界造船業第一方陣之后，也正加速船舶產品結構調整與優化升級，瞄準綠色安全這一船舶未來發展方向，促進船舶從建造到運營、拆解全壽命周期的綠色環保。積極研制開發“綠色”航運工具便成為可持續設計思想引導下的必然趨勢。

2、“綠色船舶”

綠色船舶，是指在其全壽命周期中(包括設計、制造、營運、報廢拆解) ， 通過采用先進技術，能經濟地滿足用戶功能和使用性能的要求， 并節省資源和能源， 減少或消除環境污染， 且對勞動者(生產者和使用者) 具有良好保護的產品。

開展綠色船舶，首先要求設計者靈活運用可持續設計意識，即在開發設計過程中，每一個環節都要充分考慮到環境效益，盡量減少對環境的破壞，這包括盡量減少能量消耗，提高能源使用效率，廣泛使用綠色新材料，充分考慮加工制造過程中的材料利用率，以降低物質消耗，考慮船舶在使用過程中的能源消耗，同時還必須考慮船舶產品在營運壽命終止后，報廢、拆解不對環境造成負面影響，以及部分材料、零部件和設備能夠再生利用。

3、船舶的綠色設計

船舶的綠色設計是從產品需求、設計、制造、營運到回收再生整個壽命周期一起考慮的， 把產品、環境與人類一起， 并行考慮壽命周期內每一階段的相互影響。

材料的選擇。材料的綠色特性對船舶的綠色性能具有重要的影響，在材料選擇時應注意以下幾點：選用廢棄后能自然分解并為自然界吸收的材料；選用無毒無害材料， 避免生產過程對人體造成危害和對環境造成污染；選用可再生的材料；選用較少種類的材料， 簡化設計。盡可能少用復合材料；選用工藝性能優良的材料， 以降低零件加工的難度與廢品率， 節約加工過程的能源消耗。

能源的利用。近年來，國內外在新能源開發和利用方面，將風力發電、太陽能電池和燃料電池等作為當前電氣工程重要的研究領域和發展方向，并取得了重要的成果，而船舶可利用的環保能源主要是指太陽能、核能、氫能和液壓天然氣。將來利用太陽能制氫，再利用氫氧化還原反應產生能量的系統有可能成為一種綠色新型船舶能源系統。

標準化、模塊化設計。隨著科學技術的進步， 世界各國對海洋保護意識的日益提高， 對船舶結構、性能提出了更高的要求。由此， 船舶更新換代的周期越來越短。為了避免由此造成的不良后果， 船舶在設計時， 有必要采用標準化、模塊化的設計。

并行設計。根據并行工程的思想， 由設計者、制造者和環保工程師參與船舶的初步設計、詳細設計和生產設計整個過程，通過相互協調，綜合考慮船舶由初步設計到報廢拆解的整個壽命周期中影響資源利用與環境污染的所有因素，優化各個設計環節，減少產品生產的往復過程，提高整個制造系統的資源利用率，降低廢品率，節約資源。另外，還應綜合考慮產品的結構設計、材料選擇、制造環境設計、工藝設計、回收處理設計等各個方面， 實現并行式綠色制造設計。

?藎CFD在可持續設計中的應用

近年來，越來越多的進行可持續設計嘗試的工程實例表明：計算機系統在可持續設計中的廣泛、深入的應用已成為不可逆轉的潮流，并且在很大程度上影響了可持續設計的最終水準。當人們設計和構造復雜系統的時候，需要制造一個模型來進行各種試驗，利用計算機，人們可以建立各種數學模型，在特定的虛擬環境中，計算機模擬經過反復試驗，幫助人們了解系統的性能，檢驗預想的假設，進行系統的分析、設計、預測或評估。

CFD，即計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)，是一種重要的計算機模擬技術，它是流體力學、數值計算方法以及計算機圖形學三者相互結合的產物。傳統船舶設計研究方法需要進行大量的模型試驗， 耗費大量的人力、財力， 周期長。過去十幾年來對船舶水動力學數值方法的不斷探索和研究， 計算機硬件、網絡和數據庫的顯著發展，使得分析船舶及其附體的性能和流動細節的CFD軟件的功能越來越強，CFD方法在計算能力和實用化方面都發生了深刻的變化， 雖然現在還不能達到拖曳水池的精度（但已達到實用的最低精度）， 但是它的誘人前景（高經濟效益和豐富的流場信息）和迅猛有效的發展態勢，受到國際造船界的高度重視。

CFD技術具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同工況等獨特的優點，在可持續設計中大有用武之地。利用CFD方法可以對處于流場中的設計船周圍的流體波形， 興波阻力， 尾流局部流動， 粘性阻力等進行模擬和預報，從而可以得到各種物理量的詳細分布情況，獲得直觀、科學、可靠的決策依據，真正提高可持續設計的有效性。這對于保證所設計船舶具有良好的水動力性能，提高設計效率，減少模型試驗能耗及材料消耗都有著重要的指導意義。

?藎結語

我國是一個發展中國家，同時也是一個人口眾多、資源相對匱乏、工業基礎比較薄弱的大國，在發展中所面臨的環境壓力特別巨大。這種嚴峻的形勢，使我國加快進行可持續設計的研究迫在眉睫。然而，目前我國的可持續設計的理論和實踐都處在初級階段，發展速度也不盡人意，究其原因，主要是人們的環保意識相對薄弱，不了解國情，不了解環境，缺乏危機感，同時也與設計手段的相對滯后不無關系。改變這種狀況需要政府、學術界和每一個有責任感的設計人員一齊行動起來，樹立可持續設計觀念，努力提高自己的知識水平，使得以CFD為代表的計算機應用技術早日成為提高我國可持續發展水平的有力工具，積極參與到中國乃至世界的“綠色行動”中去。

（作者單位：安徽省皖江船舶檢驗局）