基于LCA的電器電子產品生態設計策略研究

李　蕓　張明順

(北京建筑大學環境與能源工程學院/北京應對氣候變化研究和人才培養基地/

北京電子廢物資源化國際科技合作基地，北京　100044)

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基于LCA的電器電子產品生態設計策略研究

李蕓張明順

(北京建筑大學環境與能源工程學院/北京應對氣候變化研究和人才培養基地/

北京電子廢物資源化國際科技合作基地，北京100044)

【摘要】本文首先從生命周期評價概念入手，分析生命周期評價技術框架的四個組成部分：目標定義和范圍界定、清單分析、生命周期影響評價和改善評價；然后從生命周期評價的角度闡述電器電子產品生態設計的概念；并對傳統產品設計與基于LCA的電器電子產品生態設計進行比較分析；最后從四方面探討基于LCA的電器電子產品生態設計具體策略，包括電器電子產品系統的生態辨識與診斷、電器電子產品系統環境影響評價與比較、新電器電子產品的生態設計與開發、電器電子產品系統再循環工藝設計。

【關鍵詞】生命周期評價；電器電子產品；產品生態設計

引言

隨著現代科學技術和工業設計的高度發展，電器電子產品更新換代的周期越來越短，中國是全球最大的電器電子產品生產和消費國之一，每年電器電子產品的制造與使用耗費大量的能源與材料，其擁有量和電子廢物產生量的迅速增長，加劇了全球生態環境的惡化、危害了人類的身體健康。自2003年以來，我國廢棄電器電子產品每年會產生5億多噸的危險有毒有害物質，成為巨大的污染源。因此，如何減少我國電器電子產品全過程的能源與(初級)材料消耗和降低環境影響，是電器電子產品設計行業面臨的嚴峻問題。同時為追求可持續發展，實現循環經濟的健康發展，產品生態設計成為設計界的一大趨勢。為實現對產品全生命周期過程的資源消耗和環境影響的全面優化設計，基于生命周期評價(Life-Cycle Assessment)的電器電子產品生態設計是國際上普遍認同的有效途徑。

1生命周期評價

1.1生命周期評價的定義

生命周期評價(LCA)是一種面向產品系統的環境管理工具，興起于90年代，已被很多政府和企業廣泛應用。生命周期評價(LCA)是一種評價產品、工藝或者活動從原材料采集，到產品生產、運輸、銷售、使用、回收、維護和最終處置(產品系統)整個生命周期階段有關的環境負荷的過程，并對整個過程進行跟蹤、定量分析與定性評價。首先辨別和量化整個生命周期階段中能源和材料的消耗以及環境排放，然后分析評價消耗和排放對生態環境的影響，最后識別出能有效減少環境影響的機會與措施。生命周期評價(LCA)的基本思想框架如圖1所示。目前，已經有很多組織對其進行了定義，最有權威性的是國際標準化組織(ISO)和國際環境毒理學和化學學會(SETAC)[1，2]。

圖1　生命周期評價的基本思想[2]

1990年環境毒理學與化學學會(SETAC)對生命周期評價的定義是：生命周期評價是一種對產品、生產工藝以及活動對環境的壓力進行評價的客觀過程，它是通過對能量和物質利用以及由此造成的環境廢物排放進行辨識和量化來進行的。其目的在于評估能量和物質的利用以及廢物排放對環境的影響，尋求改善環境影響的機會以及如何利用這種機會。這種評價貫穿于產品、工藝和活動的整個生命周期，包括原材料提取與加工；產品制造、運輸以及銷售；產品的使用、再利用和維護；廢物循環和最終廢物棄置[3，4]。

1.2生命周期評價的技術框架

1993年環境毒理學與化學學會(SETAC)在《生命周期評價綱要：實用指南》中將生命周期評價的基本結構歸納為4個有機聯系的部分：定義目標與確定范圍(Goal Definition and Scoping)、清單分析(Inventory Analysis)、影響分析(Impact Assessment)和改善評價(Improvement Assessment)[4]。

1.2.1目標定義和范圍界定

這是LCA的第一步，對整個評價工作程序和最終的研究結論具有直接影響，是最關鍵的部分。主要包括：確定研究目標和范圍、建立功能單位、建立保證研究質量的程序等。研究目標確定，首先要明確完成LCA的原因和目的，以及研究結果的預期使用目的。研究范圍的界定包括定義所研究的系統、系統邊界、功能單位、環境影響類型，并說明數據要求和數據分配程序，指出假設條件、限制條件和原始數據質量要求。研究范圍的界定要保證研究的廣度、深度和詳盡程度與目標要求的一致性，使所研究產品、活動或技術工藝的生命周期的各個環節都包含在系統的邊界內[5-8]。

1.2.2清單分析

是對一種產品、工藝過程或活動在其整個生命周期內的能量與物質需求量以及對環境的釋放進行的以數據為基礎的客觀量化過程。這個客觀評價過程貫穿于產品整個生命周期，包括：原材料的提取、制造、銷售、使用和廢棄處理。要對其各個階段的能源投入和資源消耗以及排放的各種環境負荷物質進行數據收集。清單分析的簡化程序如圖2所示。

1.2.3影響分析

影響評價是生命周期評價的核心內容，主要是對清單分析中辨別出的污染物環境負荷影響進行定量和(或)定性分析。主要由影響分類、特征化和量化三部分組成，這也是ISO、SETAC和英國EPA都認可的影響評價“三步走”模型，如圖3所示。目前，按照環境影響項目進行分類，通常包括三大類：資源耗竭、生態影響和人類健康，然后評價每個類別的影響程度，國際上對溫室效應、酸化效應、臭氧層破壞、生態毒性、光化學煙霧形成、人體健康損害等環境影響類別、參數、污染物和作用范圍基本形成一致。特征化即按照影響類型建立清單數據模型。特征化是分析與定量中的一步。量化即加權，是確定不同環境影響類型的權重，以此得到總的環境影響水平的過程[9-11]。

圖3　生命周期影響評價概念化框架[2]

1.2.4改善評價

改善評價是系統地評估產品在整個生命周期內減少能源、原材料使用以及環境釋放的需求與機會的分析以及定量、定性的改進措施。為了保證每個功能單位的環境性能都能得到改善，對產品和過程的物質與能量投入以及輸出的廢物對環境的污染都要進行評價。改善的成果依據于清單分析與影響評價的二者結合。我們不能忽略對改善機會的評估，以便保證不產生額外的負面影響而削弱提高的機會。對于改善評價的研究目前仍處于發展最不足的階段，而且其理論與方法的研究較少[2，6，12，13]。

2基于LCA的電器電子產品生態設計的概念

2.1生態設計的概念

“生態設計”又稱為“綠色設計”(Green Design)或“面向環境的設計”(Design for Environment)都強調將環境影響降低到最小程度的設計。狹義上的生態設計是指將工業生產過程比擬為一個自然生態系統，對系統的輸入(能源與原材料)、輸出(產品與廢物)與環境影響進行綜合平衡。而廣義上的生態設計是指任何與生態過程相協調，盡量使其對環境的破壞影響達到最小的設計形式[14，15]。

2.2產品生態設計

產品生態設計是指在產品的全生命周期內，重視與充分考慮將環境因素融入到產品設計中，努力降低產品在每個生命周期階段的環境影響，旨在改善產品整個生命周期的環境性能[16]。

2.3基于LCA的電器電子產品生態設計概念

電器電子產品生態設計是指在可持續發展的大環境下，按照全生命周期的理念，在電器電子產品的設計意識、設計定位及設計方法等問題上將生態意識、環境因素融入到整個設計理念中，即在電器電子產品生命周期內(設計、制造、運輸、銷售、使用或消費、廢棄處理)，優先考慮產品的資源環境屬性(可拆卸性、可回收性、可維護性、可重復利用性等)，通過改進設計將電器電子產品的環境影響減少到最低程度，力求最大限度降低資源消耗、盡可能少用或不用含有毒有害物質的原材料，減少污染物的產生和排放，從而實現環境保護的活動，并切實考慮到環境、人類健康和安全，最終引導產生一個更具有可持續性的生產和消費系統[17，18]。生態設計是改變“先污染后治理”的發展方式、實現污染防治的重要措施，是落實生產者責任延伸制度的要求。

3傳統產品設計與基于生命周期評價的產品生態設計對比

基于生命周期評價的產品生態設計與傳統的產品設計存在很大的不同。基于全生命周期的產品生態設計不僅僅注重產品的性能、質量、市場要求、成本、安全要求，更加強調產品對環境的影響、對人體健康的影響以及產品本體、組件、材料與能源的多級循環利用，實現閉合循環的供應鏈系統[19-21]，發展循環經濟體系。兩者之間的區別如表1所示。

表1　基于生命周期評價的產品生態設計與傳統產品設計的比較

4基于LCA的電器電子產品生態設計具體策略

LCA作為一種評價、管理和設計產品、工藝或整個生命周期環境影響的分析工具與設計原則。它起源于企業內部，最先在企業部門得到廣泛應用，世界級跨國公司惠普、貝爾、飛利浦、西門子等很早就開始了生命周期評價的方法論研究，并對其產品進行生命周期評價。目前該理論廣泛應用于工業部門中，不僅包括產品，還有工藝與技術、農業與服務業；環境管理，包括廢物管理、與清潔生產審核相結合；作為環境標志的評價方法；環境工程中的應用；LCA相關軟件、數據庫的開發以及其他領域等。LCA在工業部門的主要應用領域可歸結為4個方面：產品的生態辨識與診斷、產品環境影響評價與比較、生態產品設計與新產品開發、再循環工藝設計。因此，基于生命周期評價的電器電子產品生態設計將從這四個方面進行展開，應用于產品生態設計的各個階段[6，22-24]。

4.1電器電子產品系統的生態辨識與診斷

基于電器電子產品全生命周期過程的分析與評價，不同產品、不同的生命周期階段的環境影響是不同的，即它們的能耗與碳足跡在產品的生產、分配、使用等階段的比例是不同的，其主要取決于電器電子產品的類型[25]。對于高效節能電器電子產品的開發，其間接生產和使用階段的能耗、碳足跡與產品生命周期的直接使用階段的能耗、碳足跡之間存在此消彼長的關系。一般高效節能產品在直接使用階段的能耗低，那么它在材料選取和生產階段的間接生產能耗和間接使用能耗比重就會高，反之亦然。對于某些電器電子產品來說，如熱水器或者照明相關產品在使用階段的總能耗比占產品總能耗(產品直接能耗和間接能耗相加)90%[26]，在間接生產和間接使用階段的能耗只占了10%；像小型電子設備，如電動鉆、手機或者數碼相機在生產階段的能耗、物耗、碳足跡占主導地位。電器電子產品的環境生命周期影響是趨向于“使用型主導”還是趨向于“材料與生產型主導”主要取決于五個因素：制造過程中所使用的大量材料、電子元件的比例、功率需量、使用頻率、產品壽命。我們可以通過這五個因素對電器電子產品系統進行生態辨識，并診斷出需要改善的環節，針對性地解決產品系統存在的問題，實現低能耗、低物耗、低影響、多級回收利用的綠色電器電子產品。

4.2電器電子產品系統環境影響評價與比較

基于電器電子產品系統的全生命周期過程對不同設計方案或者替代產品設計(或工藝)進行評價與分析比較，選擇環境影響最小的設計方法。不僅要對產品的生產、分配和使用階段進行能耗、物耗和碳足跡的評估，同時也要對產品生命周期末端的處置以及回收再利用方式進行評價比較。例如：惠普的“閉環式”墨盒回收計劃與傳統工藝設計的墨盒相比較。惠普通過閉合材料的循環供應鏈、利用廢物管理的設計和提供服務模型，以“閉環式”供應鏈代替線性的生命周期。“閉環”就是指在新的惠普原裝墨盒生產過程中，可以使用惠普原裝墨盒的回收材料和其他來源的RPET塑料，如廢棄塑料瓶等。到目前為止，11年間，惠普共使用了1.08億磅的來自大約3.82億個惠普墨盒和收集的30億個塑料瓶的回收塑料生產新的惠普原裝墨盒，極大地減少了塑料垃圾填埋的數量。其環境影響遠遠低于傳統工藝設計的墨盒。

4.3新電器電子產品的生態設計與開發

LCA可直接應用于新產品的設計與開發中，例如，最新發布的《舊手機回收價值調研報告》對現有的大部分手機進行了產品的全生命周期評價，發現用戶更換手機周期已經縮短到18個月，用戶淘汰的廢舊手機量越來越多。如中國，截止到2014年2月，每年產生的廢棄手機大約有1億部，超過6000多噸電子廢棄物。廢舊手機主要由塑料外殼、鋰電池、線路板、顯示器等幾部分組成。這些部件中含有鉛、鉻、汞等有毒有害物質，在后期處理階段如果處置不當或隨意拋棄將會嚴重污染土壤和地下水，對人類的身體健康構成巨大威脅。而且廢舊手機中含有少量有價金屬，特別是貴金屬，具有再利用價值。當前，谷歌推出了模塊化手機項目(Project Ara)[27]。模塊手機(Phoneblocks)是由荷蘭設計師Dave Hakkens提出的模塊化智能手機設計概念，它允許消費者自由組裝、替換或者移除任何的零部件，包括處理器、屏幕、鍵盤、電池及其他等等手機常見的零部件，并且按照個人需求與喜好組裝自己的手機，這樣可以方便消費者替換存在故障或過時需升級的零部件，或者將手機功能擴展到一個特定的方向，例如喜歡攝影的用戶，可以安裝強大的攝像頭功能[28，29]。模塊化手機項目在資源效率方面，其最大的優勢就是從源頭上最大限度地減少電子垃圾的產生量和延長產品的生命周期，實現了資源利用效率最大化，將環境影響降到最小。

圖4　生命周期末期產品首次丟棄后處理策略的環境優先級[28]

4.4電器電子產品系統再循環工藝設計

對大量電器電子產品的生命周期評價結果表明，產品生命周期末端的處理存在嚴重的問題。其根本問題就是資源沒有得到有效的回收循環再利用，沒有對電子廢物進行多級回收再利用。因此，要解決電器電子產品退出服務階段的廢物管理問題，第一要堅持“為可循環而設計”，具體辦法包括：易于拆解；產品上有拆解說明；拆解時沒必要翻轉電器；盡量使用較少種類的不同物質；部件上有物質說明；使用簡單的材料；不要混合材料；不要使用膠水或可溶解性膠水；標準化；使用彈簧扣；讓組成物質可見；通過組合減少零部件、使用螺母螺栓連接；使部件一體化；不要油漆，保留其本來顏色。第二要堅持“為可拆解而設計”，盡可能少地使用連接材料，要容易拆解與處理；產品物料組成中，避免使用不環保的元素；極少使用阻燃劑；避免在塑料中添加鹵素，可以降低剩余部分焚燒成本；特別注意(無鉛)焊接中的鉍；避免使用鎘、汞電池；避免用鎳、錫、鋅電鍍，增加再生物的價值。第三是能夠將材料分類回收、返修，便于用戶進行資源分類與回收；建立完善的回收系統，促使資源回收、循環再生、多級回收再利用(如圖4)[30-36]。

5結語

基于全生命周期的電器電子產品生態設計是滿足產品環境要求，實現可持續發展的重要工具，也是環境保護政策的重要組成部分，也將為產業生態學的發展帶來新的生產與消費模式。目前，LCA在產品生態設計上的研究，大部分還是以研究機構和學校為主導，還沒有廣泛應用于企業或工業部門，所以，產品生命周期的生態設計的推廣還要依靠政府和工業部門的通力合作。將其應用于新產品開發與現有產品的升級換代，開展產品生命周期評價，深入推廣產品生態設計。

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Research on Strategies of Electrical and Electronic Equipment

Eco-design Based on the LCA Theory

LI YunZHANG Mingshun

(School of Environment and Energy Engineering/Beijing International Cooperation Base for Science and Technology of Electronic

Waste Resource Recovery，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

Abstract：The paper starts with the concept of life cycle assessment. The methodological framework of life cycle assessment consists of four parts：definition of goal and scope，inventory analysis，impact assessment and improvement. Then from the perspective of life cycle assessment this paper explains the concept of electrical and electronic equipment Eco-design and analyzes the differences between traditional product design and electrical and electronic equipment eco-design based on LCA. Finally，this paper discusses the strategies of electrical and electronic equipment eco-design，including electrical and electronic equipment identification and diagnosis，assessment and comparison of electrical and electronic equipment environment impact，electrical and electronic equipment design and development and recycle process design.

Keywords：Life Cycle Assessment；Electrical and Electronic Equipment；Product Eco-design

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)01-0090-05

作者簡介：李蕓，碩士，主要研究方向為歐盟環境規劃與管理；張明順，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為環境規劃與管理、電子廢棄物資源化利用等

項目資助：(1)歐盟“采用廢物跟蹤系統，提高電子廢物資源利用和環境保護水平”項目；(2)北京建筑大學“城鄉建設與管理”產學研聯合研究生培養基地項目

引用文獻格式：李蕓等.基于LCA的電器電子產品生態設計策略研究[J].環境與可持續發展，2016，41(1)：90-94.