復雜工業產品制造階段生命周期清單數據獲取方法：以轎車為例

王壽兵(復旦大學環境科學與工程系,上海 200433)

復雜工業產品制造階段生命周期清單數據獲取方法：以轎車為例

王壽兵*(復旦大學環境科學與工程系,上海 200433)

準確可靠的工藝單元數據是開展產品生命周期清單分析和影響評價最重要的基礎.目前開展的相關研究,由于數據獲得性的問題,大多集中在結構或成分較為簡單的工業產品.而利用相關數據庫開展的生命周期清單分析,不能很好地滿足對外公開的對比性評價或商業性應用需要.本文以國產轎車為例,研究提出了其制造階段生命周期清單分析數據的獲取方法,并通過理論研究和實踐完善,設計出了一套系統化的數據收集表格,可用于機動車及類似復雜工業產品制造階段生命周期清單數據獲取.

復雜產品；生命周期清單；數據獲取；方法；實例

生命周期評價(LCA)是“對一種產品或服務生命周期系統中輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價”.其技術框架包括“目標和范圍的界定、清單分析、影響評價和結果解釋”等4個部分.其中,“生命周期清單分析”是LCA中對所研究產品整個生命周期中輸入和輸出進行匯編和量化的階段,也是開展下一步的影響評價的基礎[1].

目前,有關生命周期清單分析方法的一般性論述已有許多[2-3],但從實際應用看,這些論述要么過于理論化,要么僅能滿足于結構較為簡單,材質較為單純的產品,如金屬建材[4-8]、紙品、包裝[9-12]、油品[13-15]、水泥[16-23]、電力[24-27]等, 但對結構極為復雜的大型工業產品,如汽車、高鐵、飛機、輪船等則難以滿足要求.在 LCA研究中,產品制造階段清單分析數據往往是最難獲得的,對于結構極為復雜的工業產品而言更是如此.目前有關生命周期清單數據的時間獨立性、不確定性分析等開展了一些研究[28-31].而有關機動車方面的研究則多關注某些工藝、報廢處置和新能源替代等方面[32-36].為此,本文以某型轎車為例,重點研究其制造階段生命周期清單分析數據的獲取方法.

本文所稱復雜工業產品, 是指其組成零部件數量較多,涉及生產工藝環節和生產廠家也較多的一類工業產品.經理論研究和實證分析,復雜工業產品制造階段生命周期清單分析數據的獲取方法大體上包括以下六個方面：一是工作人員

安排;二是確定產品系統邊界;三是面向數據收集的產品結構劃分;四是設計數據調查收集表格;五是數據調查收集方法;六是數據處理方法等.下文予以分別論述并提出切實可行的數據調查收集表格.

1 人員安排

制造階段所涉及到的能源、資源消耗和環境排放數據幾乎全部是產品制造廠家所特有的,不能用全國或全行業平均數據來進行粗略估計,因此,要進行制造階段的清單分析,就必須要有生產廠家的實際生產數據.顯然,像轎車這樣技術含量高、結構復雜、數據保密性強的產品,如果沒有生產廠家參加研究,是根本不可能完成的.鑒于此,在人員安排上,除了負責開展本項研究的LCA專家和技術人員外,還需要有轎車生產廠家(一般為集團公司)內具有重大決策權的一位高層領導和廠內專門負責環境保護、技術、管理、采購和銷售等方面的多位工程師參與數據的收集和合作研究.參與研究的集團公司高層領導必須具有對下屬子公司或分廠足夠的領導權或行政權力,否則難以從下屬子公司或分廠收集到相關清單數據.

2 確定產品系統邊界

應根據研究的目標和所能獲得的時間與人力資源情況,確定納入分析的產品系統邊界、數據范圍及質量要求、假定條件和數據分配原則等.

2.1 確定需要考慮消耗的原材料種類

轎車生產所用原材料種類較多,可根據研究的需要,對其中最主要的原材料種類加以考慮.如筆者在研究某型轎車的過程中,僅考慮了鋼材、鑄鐵、銅、鋁、塑料、橡膠和車窗玻璃等七大類原材料和煤、石油兩種一次性能源的消耗.

2.2 確定需要考慮的零部件和工藝過程

組成一輛轎車的零部件有成千上萬個,涉及的生產工藝單元或單元過程數量巨大,顯然,要得到每一個零部件制造過程具體的工藝數據是不現實的.必須根據研究目標和對實際生產過程的初步分析做出一定的取舍.如筆者在研究過程中,僅考慮了轎車整車的組裝過程及其一級配套件的制造或組裝過程(一級配套件指直接用于整車裝配的零件、分總成或總成等).二級配套件中(為一級配套件配套的零部件)僅考慮發動機、變速箱和駕駛室(車身)的零部件制造過程.所有零部件的質量邊界為不小于 50g,即質量小于 50g的零部件未納入考慮范圍.

2.3 確定需要收集的數據及質量要求

清單分析中一般需要收集物料、能源消耗以及環境排放等三大類數據,但每一大類數據下又包括有許多具體的種類,這需要在綜合考慮研究目標和數據的可得性等因素后決定具體的種類.在數據質量方面,涉及到具體零部件生產過程的數據,應直接來源于具體的生產廠家,對數據質量要求較高.其他數據則可采用全國或行業平均數據,文獻數據等,對數據質量要求相對可降低.

如筆者在研究過程中,轎車零部件重量、材料組成以及轎車制造過程的物料消耗(僅限于鋼、鑄鐵、鋁合金、銅、橡膠、塑料、玻璃、油漆8種原材料)、能源消耗、廢水排放(CODcr、BOD5、固體懸浮物、石油類)、廢氣(SO2、鍋爐煙塵)、固體廢物排放數據均直接來自生產廠家,具有較高的數據質量.其他廢氣成分(如 CO2、CO、N2O、HC、3,4-苯并芘、CH4、HCHO等)和廢水污染物(如重金屬)數據則均根據全國平均水平能耗數據及廢水排放量并結合相應的全國行業平均排污系數(來自文獻)得到.數據質量較前者低.

2.4 其他假定條件

對數據收集過程中遇到的難題,可根據實際需要做一些簡化處理.如由于難以收集到具體原材料生產過程中的數據,筆者在研究中假定所有用到的鋼材(不論牌號)均為普通鋼材.所有鋁合金均當做普通鋁材看待.銅材、橡膠、塑料、玻璃、油漆也一樣,不分牌號和品種,均以總量計.還假定公司購買的配套件與本廠生產的同類零件有相同的平均工藝系數等.在能耗方面,由于我國電能中火電占主要部分,所以假定所有電能均為火電.發電能耗、物耗均為全國當年平均水平.

在物料的循環利用方面,則假定邊角料和固

體廢物在工廠外的回收利用(開環循環)經濟價值所占比例不高,可忽略.

2.5 數據分配原則

對汽車工業而言,由于很少有廠家僅生產一種產品(而且產品材質也可能不同),也很少單獨有某條生產線或某個零部件生產所需的原材料投入或環境排放數據,因此,多數情況下會涉及數據的分攤問題.筆者在研究過程中,選取了“產值比例”作為分攤的比例,即產值越大的產品,其分擔額就大.并把零件的價格看作是單個零件的產值.這種選取方式是基于以下幾點考慮：

對汽車這種產品而言,其零部件結構相當復雜,材料組成多種多樣.因此,很難根據零部件的重量來進行數據分配.而即使該零部件材質均一,但由于很難得知其它連帶產品的重量和材質信息,所以也很難按重量進行數據分配.

顯然,按體積、摩爾質量等物理關系進行分配也是不可能的.

對一個有多種產品的生產廠家而言,如果一種產品生產消耗的原材料多、能耗多、排污大,而產品價格反而低,這種情況是少見的,即使有也可能只是暫時的,廠家遲早也要將這種產品淘汰.因此,采用產值進行分配,被認為是基本合理的.

3 面向數據收集的轎車結構劃分

這是轎車這種復雜產品數據收集過程中要解決的難點之一.如果研究人員把一輛轎車人為拆解,然后針對拆解下來的零部件(包括總成、分總成等)去收集相關清單數據,則會發現,有的零部件根本找不到對應的生產廠家,而有的一個零部件就會涉及到數個甚至上十個生產廠家.這種方法顯然難以實施.可行的方法應該是按照實際生產狀況進行轎車結構的劃分,這樣才能從實際生產廠家獲得清單數據.

圖1 面向生命周期清單數據收集的轎車結構劃分Fig.1 The partition of car structure oriented to data acquisition for LCI

筆者在研究某轎車的過程中,發現該型轎車最初是1980年代從日本引進的,當時是從日本進口散件,然后到國內組裝.這種轎車生產方式叫CKD(completely knocked down).從CKD名細表可知,當時該轎車共拆分為1080個零件,其中113個屬于變速箱,193個屬于發動機,其它627個直

接屬于整車.

目前,該轎車已基本實現國產化,并且除極少一部分零件由外面的工廠提供外,絕大部分由集團公司下屬的各分公司生產.但現在的零部件并不是完全按當時的CKD狀態來生產的,有許多小的零部件重新組合后由一個生產廠家來生產,也有的零部件重新分成更小的部件后由不同的廠家來生產.因此,要想獲得現有各零部件的生產數據,僅依據原有的CKD明細表進行調查是不可能的.顯然,如果僅按常規的轎車結構劃分,也有可能出現實際生產中這個零件并不存在的情況.

因此,要調查轎車制造的工藝數據,保證所獲數據既不遺漏,也不重復,就必須對現有的生產組織狀態有一個全面的了解.為此,必須會同公司有關的生產和技術專家,聯系當前的實際生產狀態對轎車結構進行重新劃分.

圖1為該轎車結構劃分圖.其中每一部分更細的劃分由于篇幅所限,這里不再列出.

4 設計數據調查收集表格

4.1 轎車制造特點、難點分析

轎車制造的最大特點是廠與廠之間的互相協作較多.一個與轎車整車或發動機直接配套的零部件或總成、分總成一般很少由一個廠家獨立完成.經常發生的情況有如：第一,由自己生產主要部分,然后再購進一些小的配套件(對整車而言為二級配套)安裝上去;第二,從外面購買毛坯件來自己加工;第三,自己制造毛坯件,再送到別的協作廠家加工后再送回來;第四,自己制造一小部分,大部分從外面購進后組裝等;第五,上述4種方式的混合.

因此,即使要得到其中某一個零部件制造過程的清單分析數據都不是一件容易的事.這也是國內外此類研究尚不多見的原因之一.對于含有協作成分的零部件(在轎車中占多數),很難從一個廠家直接得到制造該零部件總的原材料、能源消耗和環境排放數據.而如果要使所有輸入、輸出都是基本流的話,會將生產廠家追溯到很遠,有的廠家可能在數千里之外,致使研究無法完成.這也就是在研究之前要確定系統邊界的原因之一.

轎車制造的另一個特點是所用原材料種類繁多,而且一個零部件中往往含有多種材質,如變速箱、發電機、發動機等就含有多種金屬材料和非金屬材料,這也為數據的收集增加了難度.

LCI同時涉及到產品的物料消耗、能源消耗和環境排放.因此,數據調查會同時涉及同一生產廠家的多個技術部門,這也增加了數據調查難度.

4.2 數據調查表格設計方法

從前面的分析可以看到,能否設計出一套既能滿足各類生產廠家、各類零部件的生產,又能滿足生命周期清單分析要求的數據調查表格是決定研究能否成功的重要因素.這是一項難度極大的工作.為此,筆者采取的方法和步驟是：

第一步：到一些典型生產廠家實地考察轎車和零部件的生產過程;

第二步：會同總公司熟悉轎車結構和熟悉各廠生產狀態的多名專家一起討論、分析,讓課題組成員熟悉情況.

第三步：由研究人員根據LCA所需要的數據要求初步設計出一套表格,之后召集公司負責能源、物資、銷售、環保等部門的干部和前面提到的專家一起對表格進行討論,提出修改意見,再由研究人員進行修改.這一步需反復進行,直到基本滿意為止.

第四步：選擇一個典型生產廠家進行表格試填.由課題組成員和總公司負責人和專家一同到生產廠家,先將該廠負責各部門的干部召集到一起,由研究人員介紹情況之后,將表格發給他們,不對表格內容作任何口頭解釋.由他們負責填寫各自主管的那部分內容.若填寫無任何困難或疑問,說明這一部分表格設計已達到要求.若有對方看不懂或不明白的地方,說明此處尚需進一步改正.

第五步：根據試填結果,再對表格進行修改,以便適合于工廠填寫.再重復第四步工作,直到滿意為止.

第六步：表格設計好以后,由總公司負責,以“紅頭文件”的形式寄送各分廠,要求各廠廠長派專人負責表格的填寫工作.并要求在限定的期

限內寄回到總公司項目負責人.

4.3 設計出的表格

經過反復研究、試填、修改完善,共得到表格一套共11張(表1-1～表5-3),可適合于轎車制造各類生產廠家和不同類型產品數據的調查,各表對應的調查范圍和對象如圖2所示.各張表格可獨立填寫,但加起來又具有嚴密的邏輯性,保證生命周期清單分析所需要的數據都能得到.主要涉及產品(零件)名稱、產量、產值、重量、配套關系、生產該產品的原料、輔料消耗、配套件(名稱、數量、重量、價格、原材料)、生產廠家全廠能源、廢氣、廢水、固體廢物排放等內容.在每一張表格下面都對表格所填內容作詳細的解釋,力求語義明確,簡潔易懂.

附件 轎車制造階段生命周期清單分析數據調查表

圖2 各數據調查表對應的調查范圍和對象Fig.2 The scope and objects of data collection forms

5 數據調查收集方法

數據調查表設計好之后,需要發放到各生產廠家(總公司和分廠)進行填寫.為保證數據填寫質量和及時回收調查表格,原則上應按以下方法進行.

第一,以總公司“紅頭文件”的形式將調查表格發放到各分廠廠長,并說明調查表回寄期限和地址、聯系人等.第二,收到返回的調查表后,會同總公司專家逐項檢查,發現疑點后,由總公司項目負責人打電話或親自到分廠核實.

第三,將調查結果輸入數據庫,并對所獲數據進行衡算檢查.如首先對零部件重量進行初步統計分析,然后將結果與整備質量進行比較,看還差多少,如果誤差在允許的數據質量范圍之內,則認為已基本達到要求,否則,還應作補充調查.如果有超出整備質量的情況,說明數據有誤,需進行仔細核實檢查,看是否有重復計量的零部件或所填寫的重量是否正確.如果重量不足,查明原因.最后實在沒有辦法,再由有關的技術專家進行估計.

6 數據處理方法

調查表中的數據只是清單分析所需要的原始數據,并不是按功能單位給出的.所以必須進行一些計算,如數據的分配等,以轉化為清單分析數據.

6.1 材料組成

對材質均一的零件,其重量即作為該材質的重量.材質多樣的零件(如發電機),若可得到組成配套件材質和重量信息,即可據此進行分類匯總.若無具體結構組成等相關信息,則根據文獻資料或由專家進行估計,總的原則是以主要構成材料

為主.

6.2 物料消耗

完全由廠家自己生產的產品,如果廠家提供了生產該零件的總物料消耗,那只需除以該類零件的個數,即可得到生產單個該零件的物料消耗.物料消耗除以零件重量就是物料消耗系數.若零件中只有部分(其重量等于零件總重減去配套件重)是廠家自己生產的,而廠家又提供了這部分總的物料消耗,則可用同樣的方法獲得該部分的物料消耗.而其余由其他廠家提供的部分,則根據其材質特點(如塑料件的原料利用效率一般高于金屬制品),用自身重量乘以其他有物料系數的同類材質的平均物料系數得到.如筆者得到某轎車不同材質零部件生產的平均物料系數如表1所示.

表1 某轎車不同材質的零件生產平均物料系數Table 1 The average coefficient of raw materials consumption for components manufacture of a car

6.3 能源、水資源消耗

能耗和水耗數據,往往會涉及數據分配問題.具體采取的方法為：如果只生產一種產品,并且完全由自己生產,則只需將總的能耗除以產品產量即可得到單位產品的能耗、水耗.如果只生產一種產品,而該種產品有一部分是從外邊購買的,則用前面的除法所得到的數據只是自己制造那一部分和產品組裝過程所需要的能耗和水耗.在這種情況下,外購部分的能耗和水耗可根據其在該產品價值中所占的比例進行計算,即認為外購部分的價值是自己生產那部分價值的幾倍,則其能耗和水耗也就是其幾倍.對于同時有多種產品產出的廠家,如果所有產品都由自己制造,則按產品產值進行分配.這種情況下,如果產品功用、結構比較一致,則結果將更為真實.如果有的產品全部由自己制造,而另一部分產品含有外購配套件,或者兼而有之,在這種情況下,分配結果的真實程度將取決于工廠產品間的對比關系.如外購件所占的重量、產值等.總之,這種情況下分配結果的真實性是很難確定的.這是需要最后特別注意的問題.

6.4 三廢排放

廢水和固體廢物排放根據產品產值進行分配,這里的情形與能源和水消耗有類似之處.大氣污染物中SO2、鍋爐煙塵排放量也根據廠家提供的數據,按產值進行分配.而其它污染物如CO2、CH4、N2O、NOx等則可根據其耗煤量、耗油量與平均排污系數來計算.平均排污系數可根據各公司工業鍋爐平均規模和爐型,然后根據國家公布的相關排污系數進行選取確定.

7 結論

LCA方法雖然在國內外已有廣泛應用,但針對諸如轎車等結構復雜的產品開展的研究還不多見.主要原因之一是其制造階段涉及的工藝環節和零部件太多,生命周期清單數據難以獲得.本文以國產某型轎車為例,重點研究并提出了其制造階段生命周期清單分析數據的獲取方法,主要包括數據收集的人員安排、產品系統邊界確定、轎車結構劃分、數據調查收集表格設計、數據調查收集方法、數據處理方法等.通過理論研究和實地檢驗完善,設計出了一套系統化的數據收集表格,可用于機動車制造階段生命周期清單數據

獲取,同時也可供其他復雜工業產品開展LCA研究參考.

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附件：

The methods of data acquisition during manufacture stage for life cycle inventory of products with complex structure: Taking a car for example.

WANG Shou-bing*(Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433). China Environmental Science, 2016,36(11)：3508～3520

The accurate and reliable process unit data is the most important bases for the life cycle inventory (LCI) and impact assessment of products. Up to now, the related studies, due to the difficulties of data acquisition, mainly have been focused on the products with simple structure or chemical composition. The LCI studies conducted, based on the related databases, are difficult to meet the requirement for comparative assessment or commercial purposes. In this paper, taking a car for example, the acquisition method of process unit data during manufacture stage for LCI was systematically investigated and proposed. A set of tables for data survey and gathering was designed and proposed through theoretical studies, field tests and further improving, which can be used for LCI of vehicles and other similar products with complex structure.

products with complex structure；life cycle inventory；data acquisition；methods；cases

表1-1 給某型轎車配套的產品xx年生產情況Table 1-1 Survey on the products (assemblies and components) manufactured for a car in xx year

表2-1 給某型轎車配套的各產品自制部分xx年物料消耗情況Table 2-1 Survey on the raw materials consumption for the self-made parts from products(assemblies and components) manufactured for a car in xx year

1填表說明1.1 本表和后面的表2-2、2-3、2-4、2-5是針對同一種產品的一套表.本表目的是要弄清本廠給某轎車整車、發動機或變速箱配套的每種產品自制部分的生產xx年全年所耗物料的情況.因此,有多少種產品就應填寫多少張表格.如果本廠只有所有產品(或數種產品)總的物料消耗數據而又無法分開時,就請填寫這些總的物耗量,但必須在表中注明是哪些產品所耗用的物料量. 1.2 表頭“產品名稱”就是本廠給某轎車整車、發動機或變速箱配套的一種產品名稱. 第1欄“物料名稱”中,鋼材請按牌號分類填寫,銅材、合金、塑料、橡膠請填寫出具體的產品名稱,請用文字填寫(如聚乙烯、聚苯烯等),不要用代號、代碼或英文縮寫等.第3欄的“單價”是指單位重量、體積或面積的這種物料進廠時的價格.計價時要注意與第2欄中消耗量的單位保持一致,即用元/噸或元/米等.第4欄的“供貨廠家”若有多家的,請填距離最近的一家的全稱,以便聯系. 2 注意事項 同表1.填表人： 所在部門： 填表日期：年 月 日

表2-2 給某轎車配套的各產品的生產xx年輔料消耗情況Table 2-2 Survey on the auxiliary materials consumption for the products(assembly and components) manufactured for a car in xx year

表2-3 給某轎車配套的各產品毛坯件使用情況Table 2-3 Survey on the blanks or semi-finished parts for the products (assemblies and components) manufactured for a car

表2-4 給某轎車配套的各產品所使用的協作配套情況Table 2-4 Survey on the outsourced parts for the products (assemblies and components) manufactured for a car

表2-5 給某轎車配套的各產品工藝協作情況Table 2-5 Survey on the outsourced processes for the products (assemblies and components) manufactured for a car

表3 xx年全廠下角料再循環利用情況Table 3 Survey on the recycling of scrap materials from manufacturers in xx year

表4 xx年全廠能耗情況調查Table 4 Survey on the consumption of energy from manufacturers in xx year

表5-1 xx年全廠廢氣排放情況Table 5-1 Survey on the exhaust emissions from manufacturers in xx year

氟化氫(HF) mg/m3(乙)醛 mg/m3油脂 mg/m3鉛 mg/m3汞 mg/m3鋅 mg/m3錫 mg/m3鍋爐煙塵 mg/m3工業粉塵 mg/m3mg/m3其他mg/m3mg/m31填表說明1.1 “廢氣排放總量”指本廠全廠區內產品生產、管理等活動過程中xx年全年排放的所有廢氣的總量.注意不包括廠區內職工生活排放的廢氣. 1.2 “成分濃度”指本廠排放的廢氣中所監測成分的濃度.具體數據以本廠xx年度的監測結果為準,有幾項就填寫幾項.若沒有xx年監測數據,請以最近一次的監測結果為準,但要注明時間.若沒有數據,請略作說明.若有的監測項目在表中未列出,請填入“其他”項,若本年度共監測了數次,則填上幾次監測所得的平均值. 2 注意事項同表1.填表人： 所在部門： 填表日期：年 月 日

表5-2 xx年全廠廢水排放情況Table 5-2 Survey on the wastewater discharge from manufacturers in xx year

mg/L 1填表說明1.1 “廢水排放總量”指本廠全廠區內產品生產、管理等活動過程中xx年全年排放的所有廢水的總量.注意不包括廠區內職工居住區排放的廢水. 1.2 “成分濃度”指本廠排放的廢水中所監測成分的濃度.具體數據以本廠xx年度的監測結果為準,有幾項就填寫幾項.若沒有xx年監測數據,請以最近一次的監測結果為準,但要注明時間.若沒有檢測數據,請略作說明.若有的監測項目在表中未列出,請填入“其它”項,若本年度共監測了數次,則填上幾次監測所得的平均值. 2 注意事項要求統一用碳素鋼筆填寫.字跡工整,不潦草.數據準確、可靠.小數點后保留兩位有效數字.注意所填數值大小要和數據單位一致.填表人： 年所在部門： 填表日期： 月 日

X82

A

1000-6923(2016)11-3508-13

王壽兵(1970-),男,四川富順人,教授,博士,主要研究方向為產業生態學和湖泊生態修復.發表論文70余篇.

2016-04-20

國家自然科學基金資助項目(70871025)

* 責任作者, 教授, sbwang@fudan.edu.cn