再制造產品服務系統生命周期評價建模及應用

鄭漢東 陳 意 李恩重 史佩京 徐濱士

1.合肥工業大學管理學院，合肥，230009 2.陸軍裝甲兵學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京，100072 3.河北京津冀再制造產業技術研究院，河間，062450

0 引言

再制造是將廢舊產品恢復到質量和性能同新品一樣的過程。通過實施再制造，企業可以最大限度地利用廢舊產品中蘊含的資源，緩解資源短缺與產品需求之間的矛盾，減少報廢產品對環境的危害。相比新品，再制造產品的成本降低50%，同時能耗和材料消耗分別減少60%和70%［1］。歐美發達國家再制造產業經過多年發展，已經形成了成熟的技術、產品和市場體系。然而，我國再制造市場目前仍處于試點階段，只有少量的原始設備制造商開展了再制造業務，如中國重汽集團濟南復強動力公司對發動機和汽車零部件的再制造。多數原始設備制造企業沒有認識到再制造對構建閉環供應鏈與變革產品服務系統的重要作用，與此同時，消費者對再制造產品的綠色形象和質量認可度較低，導致目前企業開展再制造的積極性不高［2］。

作為實現制造企業可持續發展的解決方案，產品服務系統（product?service system，PSS）發揮著重要的作用［3?6］。在研究再制造企業發展的過程中，一些學者將PSS模式引入其中，得出許多重要結論。梁玲等［7］認為產品服務和再制造的增值已經超過傳統實體生產的價值創造，開始向“小產品大服務”的商業模式演進。周文泳等［8］以瑞典BT叉車公司為案例，研究了PSS對再制造業務的促進作用，研究發現PSS不僅有利于企業獲得再制造原料，獲取再制造相關信息，還有利于再制造產品銷售。劉宇熹等［9］研究了企業和消費者雙方努力程度對再制造下租賃產品服務系統績效的影響，研究發現企業提供優質服務的努力和用戶精心使用產品的努力既會影響到使用期間的服務數量和成本，也會影響到退租產品的質量和使用壽命。

上述文獻主要集中于再制造業務發展和再制造產品服務等方面的研究，忽略了再制造系統中非常重要的環境效益部分。再制造被認為在節能、節材、環保方面具有良好的效益［10?11］，PSS下的再制造環境影響如何評價是值得研究的問題。生命周期評價（life cycle assessment，LCA）方法是一種用于評價產品或服務相關的環境因素及其整個生命周期環境影響的最有力工具［12］。目前，有關PSS下的再制造產品LCA研究較少。因此，本文提出了再制造產品服務系統（remanufacturing product?service system，RPSS）的概念，基于RPSS的功能和特征，根據LCA方法框架建立了RPSS LCA模型及流程，最后以柴油發動機RPSS為案例對模型進行分析和討論。

圖1 RPSSLCA模型Fig.1 RPSSLCA model

1 RPSS的概念及其生命周期評價建模

1.1 RPSS的概念及模型

再制造產品服務系統（RPSS）是一種企業為客戶提供再制造產品和服務組合的商業模式，RPSS包括舊件回收、廢舊產品修復或升級、再制造產品租賃等內容，是以再制造產品功能為導向的服務模式。例如，我國目前在汽車零部件領域試點實施的“以舊換再”服務，消費者可以將報廢的汽車發動機或變速箱返還給再制造試點企業，并以置換價購買再制造產品。再制造企業通過實施RPSS一方面為消費者提供了報廢產品處置的服務，同時還提供了質優價廉的再制造產品以滿足消費者的使用需求。PRSS提供商可以是原始設備制造商（original equipment manufacturer，OEM），也可以是第三方獨立再制造商。企業實施RPSS主要包含舊件回收、拆解、清洗、檢測、修復或升級改造、裝配、測試、銷售運輸、再制造產品使用報廢后的處置等過程。

RPSS LCA模型見圖1，LCA評價的系統邊界通常包括“搖籃到大門”和“大門到墳墓”。建立RPSS LCA模型是為了定量分析企業實施再制造戰略所產生的資源、能源消耗以及產生的環境排放。RPSS生命周期評價建模的第一步是分析再制造產品和服務的基本特征，企業通過回收廢舊產品，經過拆解、清洗、檢測，得到可以再制造的零部件和不可再制造的報廢件。可再制造零部件需要經過一系列再制造技術進行修復或性能升級，報廢件則進行更換處理，需要收集分析RPSS生產系統中的消耗和排放清單數據。與傳統的產品環境效益分析不同的是，基于LCA的RPSS消耗與排放統計不僅存在于再制造工廠內部，還包含再制造產品供應鏈的環境影響調查。尤其是針對RPSS消耗的電能、水資源、各種零件和輔材，需要調查這些消耗的環境影響，以及生產這些上游產品所產生消耗及排放水平，直至追溯到原始資源的開采與排放，因此RPSS LCA建模的第二步是調查再制造產品系統的消耗所涉及的上游生產過程的環境影響，調查范圍涵蓋了從“搖籃到大門”整個過程。對于消費型再制造品，還應追溯產品出廠之后的生命周期下游各個階段，包括使用維護、報廢處置等過程，RPSS LCA建模的第三步則涵蓋了“大門到墳墓”的整個過程。RPSS通過回收消費者手中的廢舊產品，可以避免同型產品零部件的生產，降低資源、能源消耗和排放。但是，廢舊產品回收、拆解、清洗、檢測和修復加工過程同樣產生一定的消耗和排放，特別是不可再制造件的報廢與換新件生產，仍然會產生一定的消耗和排放，因此需要定量分析和綜合評價。

1.2 RPSS LCA流程

根據生命周期評價指南［13］，RPSS LCA模型主要包含4個組成部分，見圖2。

圖2 RPSSLCA流程Fig.2 RPSSLCA process

（1）目標與范圍定義。首先確定RPSS的研究對象，具體包括產品型號和服務方式。然后定義研究目標，幫助企業識別RPSS產生的主要環境影響類型及其生命周期階段，為企業改進商業模式提供參考。其次是定義功能單元，包括何種數量、質量的產品或產品服務組合，使用多長時間，報廢后如何處置等。最后確定系統邊界，找出RPSS與環境或其他產品系統之間的界面，RPSS所包含的階段以及可以忽略的過程。

（2）生命周期清單分析。RPSS生命周期清單分析主要采集舊件回收、再制造修復升級、產品使用和報廢處置4個過程中發生的資源消耗和環境排放數據，說明數據來源和數據質量。通常，RPSS的數據主要來源于兩方面，一是實景過程數據，主要統計企業實施RPSS各個過程中的消耗和排放數據；二是背景過程數據，主要關聯背景數據庫，直接調用數據庫中的電力、燃油、鋼鐵冶煉加工等大宗原材料和基礎能源的LCA數據集。

（3）生命周期影響評價。生命周期影響評價運用定量的方法分析RPSS潛在的資源能源消耗、生態健康等環境影響。影響評價主要包括選擇影響類型（如全球變暖、非生物資源消耗等），將清單分析結果分類到相應的環境影響類型，以及運用科學的當量因子將清單的環境影響進行量化。

（4）生命周期結果解釋。生命周期結果解釋主要是檢查和評估RPSS生命周期清單分析和影響評價的結果。結果解釋包括重大環境影響的識別，在完整性、敏感性和一致性分析基礎上對生命周期影響結果的評價、最后結論的解釋和建議的提出等。

2 發動機RPSS LCA案例研究

2.1 目標與范圍定義

本文選取WD615.87型再制造斯太爾柴油發動機為產品對象，對企業為客戶提供舊件回收、再制造修復升級和產品報廢處置等服務組合的RPSS進行研究。功能單位設定為回收并再制造WD615.87型柴油發動機1臺，用于重型柴油貨車（10 t）運輸5×105km，使用報廢后回收至拆解廠進行材料回收處理。案例采用2017年濟南復強動力有限公司實際生產數據，選擇3種環境影響類型指標進行計算，分別為全球暖化潛值（global warming potential,GWP）、初級能源消耗（prima?ry energy demand，PED）和非生物資源消耗潛值（abiotic depletion potential，ADP），并采用億科環境科技有限公司研發的在線LCA分析軟件eFootprint進行RPSS全生命周期建模，RPSS LCA評價過程中涉及的大宗原材料和能源的消耗、排放數據來源于中國生命周期參考數據庫（CLCD）［14］、歐盟 ELCD（European reference life cycle database）數據庫和瑞士的Ecoinvent數據庫。該研究代表的是企業水平，LCA分析結果可以為相關企業實施RPSS提供參考，也可以為原始新品生產消費系統的環境影響分析對比提供參考。

2.2 生命周期清單分析

2.2.1 舊件回收

根據調研，該企業從全國77家維修站回收發動機舊件，通過統計2017年全年從各個站點回收舊件的數量，以及各站點到再制造工廠的運輸距離，計算得到平均回收1臺再制造毛坯（發動機舊件）的運輸距離，運輸過程的能耗與排放數據來源于CLCD數據庫，回收過程的清單數據見表1。

表1 再制造發動機回收過程清單數據Tab.1 Recovery process inventory data of remanufactured engine

2.2.2 發動機再制造修復與升級

發動機再制造修復與升級過程包含從發動機舊件進廠到再制造發動機包裝入庫完成，再制造工藝流程見圖3。我們將發動機再制造分為若干個典型過程，如拆解、清洗、檢測、修復、組裝、測試、包裝等，統計了每個過程平均1臺發動機的能耗，忽略了零部件工廠內部運輸能耗和排放。該過程數據來源于企業調研，再制造發動機的主要原料是發動機舊件和更新件，加工過程的主要消耗為電能和柴油，耗能設備包括高溫高壓清洗機、超聲波清洗機、高溫分解爐、懸掛式拋丸機、高溫熱處理爐、齒輪磁粉探傷系統、納米復合電刷鍍設備、高速電弧噴涂系統、激光熔覆再制造成形系統、車床、珩磨機等。發動機再制造修復與升級過程消耗與排放的清單數據見附件。

圖3 再制造發動機工藝流程Fig.3 Technological process for remanufactured engine

2.2.3 再制造發動機使用

客戶獲得再制造發動機后，主要用于重載卡車運輸。研究設定再制造發動機使用壽命與新品一致，為重型柴油車貨車（10 t）運輸5×105km。使用過程產生的能耗和排放數據來源于CLCD數據庫，使用過程清單數據見表2。

表2 使用過程清單數據Tab.2 Service process inventory data of remanufactured engine

2.2.4 再制造發動機廢棄

再制造發動機廢棄后的處置方式主要為資源回收，運輸至拆解廠的距離為50 km，拆解得到的主要可再生材料為鋁合金、合金鋼、鑄鐵等。據企業統計，再制造發動機報廢后的回收率為80%，再生原料回收率為95%，假設再生材料產率為100%，抵扣的初生材料計算公式為

其中，Z為含量，Rw為產品回收率，Rr為再生原料回收率，Rm為再生材料產率，Q為品質修正系數。再制造發動機報廢后可再生成分見表3，再制造發動機廢棄過程清單數據見表4。

表3 再制造發動機回收可再生成分統計Tab.3 Renewable materials of remanufactured engine

表4 再制造發動機廢棄過程清單數據表Tab.4 Scrap process inventory data of remanufactured engine

2.3 生命周期影響分析

基于RPSS模式的再制造斯太爾WD615.87型柴油發動機全生命周期環境影響分析結果見表5。其中GWP為84 100 kg二氧化碳當量（kg CO2eq.），PED 為 960 500 MJ，ADP 為 0.336 kg銻當量(kg antimony eq.)。

表5 再制造發動機LCA結果Tab.5 LCA results of remanufactured engine

發動機RPSS全生命周期各階段環境影響百分比見圖4，同絕大多數能耗產品相似，再制造發動機使用過程為最主要的消耗和排放過程，LCA結果占全生命周期環境影響的99%以上。

圖4 發動機RPSS全生命周期各階段環境影響百分比Fig.4 Percentage of environmental impact of engine RPSSlife cycle

再制造發動機生產過程各環節LCA結果見圖5，更新件生產過程和再制造修復過程是主要的消耗排放過程，且更新件生產過程LCA結果大于可再制造件修復過程LCA結果。其次是清洗、包裝、檢測、測試等過程。

圖5 再制造發動機生產過程各環節LCA結果Fig.5 LCA results of remanufactured engine production process

再制造發動機生產過程GWP、PED、ADP的Pareto圖和雙餅圖見圖6和圖7。以全球暖化指標為例，更換新件和修復2個過程的排放占到整個生產過程的80%以上，其中缸蓋總成修復、活塞總成換件是這2個過程環境影響的主要因素。

圖6 再制造發動機生產過程Pareto圖Fig.6 The Pareto diagram for remanufactured engine production process

圖7 再制造發動機生產過程雙餅圖Fig.7 The pie graph for remanufactured engine production process

2.4 生命周期結果解釋

本研究基于如下設定：①參考國內外再制造產品LCA研究熱點，將RPSS系統邊界定為從舊件回收開始，廢舊發動機回收之前的生命周期各個階段消耗和排放未納入系統邊界之內；②假設回收的每一臺發動機舊件都可以再制造，即舊件再制造率為100%；③RPSS LCA模型忽略了生產過程中零部件在工廠內部的運輸能耗，以及再制造發動機客戶維護過程的材料和能源消耗。

本研究具有以下幾點局限性：①再制造過程需要更換的易損件如密封件、緊固件等通常是企業外部采購，涉及多個上游供應鏈企業，數據收集存在困難。案例將CLCD數據庫中的背景數據作為零部件的近似值（如密封件用橡膠材料近似表示，螺栓用碳鋼材料近似表示），計算結果考慮了數據質量的不確定度。②案例數據來源于我國最早從事發動機再制造的中國重汽濟南復強動力有限公司，其生產規模和技術處于國內先進水平。因此，案例研究得到的該型柴油發動機RPSS全生命周期環境影響結果僅代表特定企業和特定方案水平，無法代表該產品再制造行業的平均狀況。

案例研究采用的取舍規則以各項原材料投入占產品質量或過程總投入的質量比為依據，忽略物料總質量占比為0.34%。報告采用CLCD質量評估方法，在LCA軟件系統上完成對模型清單數據的不確定度評估，數據質量評估結果見表6，經專家咨詢，所得評估結果有效，符合方案實際。

表6 再制造發動機LCA評價數據質量評估結果Tab.6 Data quality assessment results of remanufactured engine LCA

3 討論

（1）RPSS的LCA主要涵蓋舊件回收、再制造修復升級、產品使用和報廢處置4個階段。以柴油發動機RPSS為例的高耗能再制造產品服務系統，其LCA環境影響主要來源于使用階段。柴油生產及其上游過程和發動機消耗柴油產生的排放造成的環境影響占產品全生命周期環境影響的99%以上，因此，確保再制造產品質量和性能不低于新品，避免產品使用過程的消耗大于新品是企業通過實施RPSS獲得環境效益的關鍵。

（2）柴油發動機RPSS生產過程的環境影響主要表現在兩方面：一是可再制造零部件修復和升級過程產生的環境影響；二是更新件制造過程產生的環境影響。從清單分析結果來看，再制造更新件制造所產生的環境影響大于可再制造零部件修復產生的環境影響，因此，企業開展面向再制造的產品設計（design for remanufacturing，DfR），提高發動機零部件再制造率，降低易損件和不可再制造件的數量（或質量），可以降低RPSS生命周期環境影響。

（3）柴油發動機再制造修復過程中，高溫清洗、電弧噴鍍和激光熔覆等技術會消耗大量電能、柴油和一定的金屬輔料，小批量再制造無法獲得規模效益，因此，企業通過實施RPSS，在新品銷售過程中與客戶達成舊件回收契約，可以更好地管理回收產品流，為再制造生產提供穩定的舊件來源，可以提高再制造批量規模，同時有助于形成良好的客戶關系，提高企業市場競爭力。

（4）再制造產品一般為蘊含較大價值的復雜耐用產品，包含多種不同材質、尺寸和重量的零部件，涉及多家零部件供應商。RPSS LCA評價不僅包含再制造企業生產過程，還涉及供應鏈上下游企業的生產過程。提高RPSS LCA結果的精確度，需要上下游企業密切配合，因此，RPSS供應鏈企業采用統一的清單數據統計、核算、分配和評價是未來企業和行業開展RPSS LCA的重點。

4 結語

本文基于再制造和產品服務系統的特征提出了再制造產品服務系統（RPSS）的概念。針對目前RPSS環境影響評價缺失的問題，本文根據生命周期評價（LCA）方法框架建立了RPSS LCA模型，并以柴油發動機RPSS為案例對模型開展應用研究，可為企業開展RPSS LCA提供參考。通過RPSS LCA，可以幫助制造/再制造企業從傳統的產品導向發展模式向服務導向的發展模式轉型過程中，找到一種更加低碳、環保的路徑，實現企業綠色可持續發展。