面向生命周期的產品低碳優化設計

（上海大學 機電工程與自動化學院上海市智能制造及機器人重點實驗室，上海 200072）

0 引言

隨著世界能源不斷消耗、溫室效應日趨嚴重，綠色設計、低碳設計的概念不斷被提及：綠色設計是在盡可能不降低產品性能、不增加產品成本的基礎上著重優化產品能耗、排放、噪音和回收等與環境影響相關的性能；低碳設計是在保證產品應有功能、質量和壽命等前提下，綜合考慮碳排放和高效節能。低碳已經成為一種趨勢。其中PAS2050是使用最多的評價產品碳足跡標準之一，它是建立在LCA方法上的評價產品生命周期內溫室氣體排放的規范。除此之外，計算碳足跡的標準還有ISO 14067，Product and Supply Chain Standards等。目前，低碳設計在建筑行業應用成熟。通過建立產品碳足跡模型，分析碳排放，有針對性的對產品進行優化是目前低碳產品設計中較常見的一種方式。

但是路燈的節能設計并未收到重視。這是由多方面的因素決定的。首先，LED本身節能的特性讓人有一種LED路燈是節能的。節能設計就是減少使用環節能耗，而不需要有更多設計的錯誤理解是阻礙其應用的重要原因。其次，LED路燈的因其結構簡單、模塊化程度高、價格低的特點，路燈的生產商數量多，規模小，沒有達到大規模生產的程度。因此，缺乏工程師對路燈的研發。最后，路燈的節能設計對生產商而言，優勢是需要大批量，長時間來體現的。而缺少優化設計方法，使得路燈的節能設計對生產商來說并沒有太大的吸引力。這是都是阻止優化設計推廣的原因。對LED路燈進行碳足跡分析并根據結果進行優化研究具有較強的理論意義和實踐意義。本文通過對路燈生命周期的碳足跡模型的建立，分析主要碳排放階段，根據材料、結構、功能、包裝運輸等方面對產品提出優化方案，為路燈低碳優化設計提供方向。最后使用實例驗證方法的可行性，對路燈的低碳設計具有指導意義。

1 產品的碳足跡模型

計算碳足跡在產品的低碳設計中有很重要的意義。目前常見的碳足跡研究方法都是基于生命周期評價（LCA）之上的，主要有兩種：“自上而下”模型以及“自下而上”模型。前者以投入產出為基礎，考慮一個部門的經濟活動，關注的是產品的橫向活動對環境的影響，適合大的規模；后者以過程分析為基礎，關注產品的縱向活動“從搖籃到墳墓”對環境的影響。本文采用第二種方法，通過生命周期清單分析，研究產品的全生命周期碳排放，進而對產品進行優化。

1.1 基于生命周期的產品的碳足跡計算

生命周期的碳足跡E計算公式為：

其中EA、EM、ET、EU、ER分別代表原材料獲取、產品制造、產品包裝運輸、產品使用以及產品回收處理階段的碳排放量。考慮路燈整個生命周期，根據碳排放基本式(2)，擴展得到各階段的碳排放公式。

其中E為產品的碳足跡，Qi為i物質或活動的數量或強度數據（質量/體積/千米/千瓦時），Ci為單位碳排放因子（CO2eq/單位）[1]。

碳足跡是衡量某一種產品在其全生命周期中（原材料開采、加工、廢棄產品的處理）所排放的 CO2以及其他溫室氣體轉化的CO2等價物[2]。其中溫室氣體為直接碳排放，而固體廢棄物和廢水為間接碳排放。查資料得每處理10kg廢水和工業固體廢棄物，分別產生的碳排放為0.026kg[3]和0.23kg[4]，碳排放量極小。因為碳排放小于該產品總碳足跡1%的項目可以排除在邊界之外[1]，因此廢棄固體和廢水的碳排放忽略不計。

原材料獲取階段主要考慮來自原材料獲取所產生的碳排放以及該生產活動中直接排放的溫室氣體。

其中MAi為獲取的第i種原材料的質量，Ci為第i種原材料生產的碳排放因子，MAj為生產原材料過程中排放的第j種溫室氣體的量，Gj為第j種溫室氣體的CO2當量。

產品制造階段主要來自于產品零件制造過程以及零件裝備時消耗能量的碳排放以及制造、裝備過程中直接排放的溫室氣體。

其中，MMi為第i種零部件制造或裝配時消耗的能量數量，Ci為第i種零部件的碳排放因子，MMj為產品制造裝配過程中排放的第j種溫室氣體的量。

產品包裝運輸階段考慮原材料、零部件、產品、回收后產品及其零部件的運輸過程消耗的能源的碳排以及運輸過程直接排放的溫室氣體，運階段所使用的包裝的碳排放。大部分計算中會將包裝材料忽略不計，但實際情況中過度包裝的問題很嚴重，而忽略該部分不利于產品碳足跡的計算，因此將該部分列入計算公式。

其中，MTij為第i種運輸方式單位質量單位距離消耗的第j種能量的數量，MT為產品質量，Si為第i種運輸方式運輸產品的距離，Cij為第i種運輸方式中第j種能量生產的碳排放因子，MTk為產品包裝過程中消耗的第k種材料的質量，MTq為產品運輸過程中排放的第q種溫室氣體。

產品使用階段碳排放主要考慮產品使用、安裝、維修所消耗的能量和直接排放的溫室氣體，以及維修所使用的材料、零部件。傳統計算公式只計算了使用時的碳足跡，對于大型產品及可靠性不高的產品而言，產品安裝、維修活動所消耗的碳足跡不可忽略，因此將其列入計算范圍。

其中，MUi為產品使用單位時間消耗的第i種能量的數量，T為產品的平均使用壽命，N為產品使用過程，產品維修的平均次數，MUj為一次維修過程中消耗的第j種能量的數量或材料的質量，MU1為產品安裝過程中消耗的能量的數量，MUk為產品安裝、使用、維修過程中排放的第k種溫室氣體。

產品回收階段的碳排放主要來自產品拆卸、零件材料回收、廢棄件處理所消耗的能量以及這些活動直接排放的溫室氣體，還要減去已回收零件、材料生產過程中的碳排放。

其中，MRi為產品拆卸、零件材料回收過程中消耗的第i種能量的數量，Nj為回收的第j種零件的數量，MRj為回收的第j種零件在制造過程中所消耗的能量的數量，MRk為回收的第k材料的質量，αq為回收的零件、材料在制造、生產過程中排放的第q種溫室氣體在產品回收過程中第q種溫室氣體排放量中所占的百分比，MRq為產品回收的過程中排放的第q種溫室氣體的數量。

1.2 產品的低碳設計優化要素

低碳再設計是通過對產品結構、材料、功能以及包裝運輸上的優化改進，實現在產品生命周期五個階段的活動中，碳排放以及其他各種溫室氣體排放的減少，保證在各個階段都是最小程度的能源消耗的一種設計。

1）材料

對于產品材料的低碳再設計，主要在于對材料的一個再選擇問題。通過選擇合適的材料，減少在原材料獲取期間、零件生產期間的碳及其他溫室氣體的排放量。盡可能選擇環境親和性好的、易降解，對環境的損害和負擔都相對較小，且更加耐用的材料。

2）結構

結構的低碳再設計，即通過對結構的改進，在保證質量的情況下，使結構更為簡潔，降低原材料獲取階段的碳排放；使產品更易裝配，減少產品制造過程中的碳排放；使產品更易拆卸，減少回收過程中的碳排放；使產品趨于模塊化，盡可能多的使用標準件，提高產品回收零件的再利用率。

3）功能

對于一件產品，其在功能上首先應滿足用戶對該產品的要求，產品應該可以發揮原設計者在設計之初所設想的各種功能。在該基礎上，產品應盡可能綜合其他產品的功能，在最大程度上滿足用戶的需求，做到最高的性價比。做到一件產品切實地發揮了一件甚至一件產品以上的功能，從減少用戶對多余產品的需求這個根本的角度降低碳排放。

4）包裝運輸

對于包裝而言，在滿足基本需求的前提下，盡可能減少、簡化包裝數量，也是一種有效地降低碳排放的措施。另外，在設計的過程中，選擇適合運輸、安放的包裝形式也可以提高產品的運輸效率，在產品包裝運輸方面降低碳排放。

2 實例應用

2.1 LED路燈的碳足跡分析

取一個LED路燈為功能單元，其結構模型如圖1所示，碳足跡的系統邊界如圖2所示。

圖1 LED路燈結構模型

在原材料獲取階段，碳排放主要考慮生產原材料消耗的能量，在原材料生產的過程中還會排放溫室氣體。產品生產制造階段分為零部件的制造以及LED路燈的裝配。制造階段，主要消耗的是生產過程中機器消耗的能量。由于路燈大部分材料都為ADC12，采用的加工工藝為壓鑄加工，生產工藝類似，因此生產過程中的碳排放取平均值，則制造環節消耗的電能總量為5.8kW·h。另外，查資料的壓鑄鋁件的廢品率為5%。裝配環節，目前燈具基本都采取人工裝配，故裝配環節的碳排放基本忽略。產品運輸包裝環節分為運輸、包裝兩個方面。運輸環節以LED路燈制造環節到使用環節為例，取運輸終點為上海，運輸方式為汽車，則該環節的碳排放為消耗油量以及汽車行駛過程中的溫室氣體排放。運輸起點取LED產業發展成熟的浙江佛山，查得兩地距離為1482.7公里，汽車耗油量為0.065L/t·km。包裝環節指包裝零部件、產品的活動中產生的碳排放。泡沫塑料的碳排放因子為7.36kg/kg[5]。瓦楞紙箱的碳排放因子為30.2kg/100m2[6]。實際測量得單個路燈的包裝中泡沫塑料重量0.158kg，瓦楞紙箱面積1m2產品使用環節分為三個方面，安裝、使用和維修，主要碳排放來自消耗的電能。已知該LED路燈功率為60W，考慮到器件老化、受外界環境影響等因素，取LED路燈使用時間為30000小時。而安裝和維修的碳排放為原材料獲取階段和制造階段碳排放總量的15%[7]。產品回收處理階段，路燈拆卸所產生的碳排放為原材料獲取階段和制造階段碳排放總量的10%[8]。查資料得廢鋁回收率為20%[9]。LED路燈的零部件及材料清單如表2所示。

圖2 LED路燈碳足跡系統邊界

表1 常見材料碳排放因子

表2 LED路燈主零部件及材料清單

通過收集企業資料、查閱文獻收集所需數據，使用本文提出的碳足跡計算公式計算圖2提出的LED路燈系統邊界內的碳足跡，可得該路燈的整個生命周期碳排放總量為2449.14kgCO2e，每個環節的碳足跡如表3所示。

表3 LED路燈生命周期各階段碳足跡分析

2.2 基于碳足跡的低碳設計優化

由表3可知，在整個生命周期中，產品使用階段所占百分比最大為96.16%，其次為原材料獲取階段和產品包裝運輸階段，分別占整個生命周期的2.06%和1.02%。因此，根據前文中提出的產品低碳設計要素進行產品再設計。

1）材料

影響LED性能的重要因素之一就是LED芯片的結溫，而在LED路燈的材料選擇中，影響散熱性能的關鍵在于散熱器材料的選擇。其余零件材料對路燈散熱性能的影響不大，因此選擇具有良好綜合性能的工程塑料代替LED路燈中相對不重要的零件，根據兩種材料的碳排放因子和密度可以算出同種零件的碳排放降低了47.31%。同時，選擇回收性能較好的塑料可以提高產品的回收性能，降低產品回收處理階段的碳排放。

2）結構

該LED路燈中，玻璃板通過粘結劑與散熱器殼體相連，散熱器模組兩端的固定殼分別采用4顆螺釘固定，這些結構不僅降低了產品的可拆卸性能，也增加了粘結劑及螺釘的碳排放。針對這些結構進行優化設計。將粘結劑連接改成滑槽連接，將螺絲固定改為卡扣式固定，省去了3處粘結劑和12顆螺釘的使用，有利于簡化結構，降低碳排放。

3）功能

考慮到整個生命周期中，產品使用階段碳排放所占百分比最大，為減少這一階段的碳排放，在原路燈的基礎上加裝太陽能模塊。查資料得上海年日照為1173小時，而使用太陽能時，電能損耗可以減少33.3%以上，這對降低碳排放效果明顯。

4）包裝運輸

LED路燈的包裝通常涉及泡沫塑料、膠帶、塑料封袋、紙質包裝箱等部分。紙質包裝箱材料為瓦楞紙，替換為損耗率更低，可重復使用的蜂窩紙箱，可將碳排放降低至39%。將泡沫塑料更換為空氣墊，在保證功能的情況下可將碳排放降低54%。膠帶、塑料封袋使用需要注意適量，在滿足功能的前提下避免過度包裝。運輸方面，鐵路運輸碳排放為公路運輸的20%，而水路僅為10%，根據實際情況選擇鐵路運輸。

2.3 結果和分析

通過對LED路燈生命周期中碳排放較多的階段進行優化，來降低碳排放，其前后對比如表4所示，可以發現原材料獲取階段，產品包裝運輸階段，產品使用階段的碳排放明顯減少，另外，由于影響影響路燈性能的主要因素是LED芯片結溫，而結溫與散熱器有關。本文對零件材料、連接方式、運輸方式等進行了改進，并未對散熱器進行改動。且通過FloEFD軟件進行熱模擬可以發現原結溫為，改進后為，結溫基本不變。另一方面，材料改變的零件均為不承重零件，由于改進后路燈整體質量的降低，可以提高安全性能。采用面向LCA的設計優化與傳統設計相比，考慮了產品各階段的生產活動，從各階段考慮碳足跡，將低碳設計精確到每一個動作，提高設計的準確性。

表4 LED路燈生命周期碳足跡對比

4 結論

考慮到節能設計并沒有廣泛應用，本文解釋了基于生命周期的路燈能耗。文章幫助讀者了解產生能耗的來源及各環節的能耗量。以節能為目的的優化，通常以使用環節節省的能量來衡量。而本文提出的方法考慮了包含使用環節在內的各個階段的能耗，更加全面。在對產品生命周期分析的基礎上，細化了碳足跡計算公式。并對產品生命周期各階段碳排放計算的基礎上，提出了通過對產品材料、結構、功能、包裝運輸等方面的低碳優化方法。實例表明，該方法在對進行基于生命周期的碳足跡產品優化上提供了有效地支持，得到碳排放較低的產品，證明了該方法的可行性。產品碳足跡的計算需要大量的數據作為支持，建立數據庫提高碳足跡計算的正確性將是以后工作的一個方向。下一階段，考慮基于低碳排放、產品成本、產品性能等方面的多屬性決策優化，建立基于數據庫和低碳設計方法的低碳設計平臺。將方法從理論落實到應用，實現任意LED燈具的迅速有效的低碳設計，降低操作難度，讓經理設計師工程師快速有效地獲得想要的結果。