基于QFD和TRIZ的空調(diào)產(chǎn)品綠色設(shè)計方法研究

劉 祥 紀 雪 王新龍

山東建筑大學 山東濟南 250101

20世紀以來,伴隨著全球經(jīng)濟的迅速增長,中國制造業(yè)的“綠色浪潮”也在迅猛興起,全面綠色、低碳已經(jīng)成為社會經(jīng)濟發(fā)展的方向,綠色工廠、綠色供應鏈、綠色產(chǎn)品等成為關(guān)注熱點。空調(diào)作為現(xiàn)代生活中人們不可缺少的一部分,改善了我們的生活環(huán)境,提高了生活的舒適度。但當前人們也對空調(diào)提出了更多、更高的綠色設(shè)計要求,例如空調(diào)的材料要低污染、可回收、易降解,空調(diào)的使用過程要低噪聲、低能耗、經(jīng)濟實用等。現(xiàn)代質(zhì)量管理理論認為,產(chǎn)品質(zhì)量首先是設(shè)計出來的,設(shè)計階段決定了產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和成本。因此,為了滿足當前環(huán)境下對空調(diào)產(chǎn)品提出的綠色設(shè)計要求,本文研究了空調(diào)產(chǎn)品的綠色設(shè)計方法。

1 空調(diào)產(chǎn)品的綠色設(shè)計框架

綠色設(shè)計(Green Design)是為了應對產(chǎn)品的綠色需求而產(chǎn)生的設(shè)計方法,即在產(chǎn)品生命周期內(nèi),著重考慮產(chǎn)品環(huán)境屬性(可拆卸性、可回收性、可維護性、可重復利用性等)并將其作為設(shè)計目標,在滿足環(huán)境目標要求的同時,并行地考慮并保證產(chǎn)品應有的功能、使用壽命、質(zhì)量等要求[1]。國內(nèi)外多名學者在產(chǎn)品的綠色設(shè)計理論及方法方面進行了研究。Velden等提出在智能紡織品產(chǎn)品的早期設(shè)計階段就要考慮工程材料的選擇,以支持環(huán)境的改善[2]。王瑞昌等提出了船舶動力系統(tǒng)全生命周期綠色設(shè)計的評價方法[3]。Kong等提出了一種在概念設(shè)計階段考慮環(huán)境因素的產(chǎn)品生命周期集成模型,以支持獲得有效的生態(tài)設(shè)計方案[4]。Kamalakkannan等提出了一種參數(shù)生命周期評估方法,用于在早期設(shè)計階段進行生態(tài)設(shè)計優(yōu)化和決策[5]。Belucio等提出了一種新穎的決策支持方法來評估早期設(shè)計階段的環(huán)境影響和成本,旨在為設(shè)計師、制造商和決策者提供明智的建議[6]。王黎明等提出綠色特征的概念,并基于綠色特征和質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment,QFD)技術(shù)實現(xiàn)機電產(chǎn)品綠色性能的優(yōu)化[7]。張雷等基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),提出了一種在綠色設(shè)計過程中從客戶需求向工程特性的轉(zhuǎn)化方法[8]。Roithner等提出了一種基于設(shè)計階段的信息進行可回收性評估的方法[9]。Aguiar等提出了一種基于BOM信息進行產(chǎn)品可回收性評估的診斷工具[10]。

針對空調(diào)產(chǎn)品的綠色設(shè)計,一些學者也進行了研究及實踐。朱斌祥等分析了制冷空調(diào)綠色設(shè)計中的主要因素,提出了制冷空調(diào)綠色設(shè)計的主要內(nèi)容包括綠色產(chǎn)品建模、綠色材料選擇、可拆卸性設(shè)計、可回收性設(shè)計、節(jié)能設(shè)計等[11]。陶仙文提出了面向機電產(chǎn)品的綠色設(shè)計方法,利用產(chǎn)品評價指標體系和熵權(quán)AHP評價方法對空調(diào)進行綠色度評價,并針對評價結(jié)果提出改進意見[12]。邱海濤等針對空調(diào)的可持續(xù)發(fā)展需求,提出了一個全新綠色空調(diào)的開發(fā)過程[13]。Uchiyama等開發(fā)了一種用于空調(diào)器拆卸的切割位置檢測系統(tǒng)[14]。李攀提出了節(jié)能減排下制冷空調(diào)的綠色設(shè)計內(nèi)容,并制訂合理化的空調(diào)綠色設(shè)計管理方案[15]。

盡管當前針對綠色設(shè)計以及空調(diào)產(chǎn)品的綠色設(shè)計已經(jīng)有很多研究,但當前缺少針對空調(diào)產(chǎn)品早期設(shè)計階段的研究,尤其是如何在空調(diào)產(chǎn)品的早期設(shè)計階段體現(xiàn)綠色設(shè)計要求,并將這些綠色設(shè)計要求體現(xiàn)到實際的設(shè)計研發(fā)過程中。因此,本文研究空調(diào)產(chǎn)品的綠色設(shè)計方法,具體的研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路

(1)采用調(diào)查問卷、專業(yè)人員訪談、網(wǎng)絡(luò)評論調(diào)查等方法獲取空調(diào)產(chǎn)品的綠色需求,將這些需求進一步整理為需求層次結(jié)構(gòu)樹,并采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)確定綠色需求的權(quán)重。

(2)采用質(zhì)量功能展開方法,將空調(diào)產(chǎn)品的綠色需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的技術(shù)特性,基于質(zhì)量屋中的相互關(guān)系矩陣,計算出各技術(shù)特性的權(quán)重;基于質(zhì)量屋中的自相關(guān)矩陣,明確出具有相互沖突的技術(shù)特性。

(3)對于具有沖突的產(chǎn)品技術(shù)特性,基于TRIZ創(chuàng)新理論,從40個發(fā)明原理中找出解決技術(shù)矛盾的思路與方法,并提出具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2 基于AHP的綠色需求獲取與分析

2.1 用戶需求的獲取

本文主要通過調(diào)查問卷、專業(yè)人員訪談、網(wǎng)絡(luò)評論調(diào)查三種方式來獲取用戶需求。

(1)調(diào)查問卷:向不同年齡、不同職業(yè)、不同收入、不同家庭情況的人群發(fā)放調(diào)查問卷,問卷中涉及空調(diào)常用功能的重要度排序、目前使用空調(diào)過程中存在的問題、期望空調(diào)改進的功能等。因為本文的研究中不考慮市場細分,因此直接將所有調(diào)查問卷的結(jié)果進行統(tǒng)一匯總。

(2)專業(yè)人員訪談:向空調(diào)的設(shè)計研發(fā)人員、銷售人員、維修人員等進行調(diào)研訪談,了解當前空調(diào)產(chǎn)品的優(yōu)勢/劣勢、技術(shù)前沿、發(fā)展趨勢、競品情況、存在問題等。

(3)網(wǎng)絡(luò)評論調(diào)查:通過八爪魚、網(wǎng)絡(luò)爬蟲等獲取空調(diào)產(chǎn)品銷售網(wǎng)站上的用戶評論,了解用戶對當前空調(diào)產(chǎn)品以及產(chǎn)品屬性的滿意度情況。

對以上獲取的信息進行匯總、整理、分類后,形成用戶的需求層次結(jié)構(gòu)樹,如圖2所示。第一層目標層是空調(diào)產(chǎn)品的用戶總需求(A),第二層指標層是將總需求分解為主要功能(A1)、輔助功能(A2)、經(jīng)濟性(A3)、人因工程(A4)、安全可靠性(A5)和綠色(A6)六個部分,第三層方案層將指標層進一步細化分解。

圖2 用戶需求層次結(jié)構(gòu)樹

(1)主要功能(A1):包括制冷/熱速度快和除濕功能。這二者屬于用戶對空調(diào)產(chǎn)品的基本需求。

(2)輔助功能(A2):包括無風感和凈化空氣。無風感是將空調(diào)吹出的強風散變?yōu)槿犸L,從而提高用戶的舒適性。凈化空氣能夠?qū)崿F(xiàn)對空氣的過濾、清潔和殺菌,符合人們當前對空氣健康問題的關(guān)注。這二者也屬于用戶對空調(diào)產(chǎn)品的基本需求。

(3)經(jīng)濟性(A3):用戶對于產(chǎn)品經(jīng)濟性的要求,一方面體現(xiàn)在購買產(chǎn)品時的價格適中,另一方面體現(xiàn)在后期使用階段中的維修費用低。

(4)人因工程(A4):包括便于拆卸組裝以及外觀協(xié)調(diào)。更好的可拆卸性能夠方便后期產(chǎn)品的維修保養(yǎng)、報廢回收等操作,避免產(chǎn)生額外的操作及費用。外觀協(xié)調(diào)指產(chǎn)品外觀要與房間的整體風格匹配。

(5)安全可靠性(A5):包括使用壽命長以及產(chǎn)品的故障率低。

(6)綠色(A6):包括可維修性、低噪聲、可回收、用材環(huán)保、節(jié)能省電幾個方面。較高的可維修性不但能夠提高維修質(zhì)量和效率,也減少了產(chǎn)品故障導致的損耗。低噪聲的需求更符合人的心理和生理特征。可回收性、用材環(huán)保能夠減輕對環(huán)境的危害,節(jié)能省電也是當前家電行業(yè)的重要發(fā)展趨勢。

2.2 基于AHP的需求權(quán)重計算

在構(gòu)建出用戶的需求層次結(jié)構(gòu)樹之后,運用AHP法計算各個需求的權(quán)重。AHP法是美國運籌學家和數(shù)學家T.L.Saaty在1970年提出的一種層次權(quán)重決策分析法。具體步驟如下:

采用專家打分法,對指標層的6個指標對目標層的重要程度進行兩兩比較,形成判斷矩陣。比較的衡量尺度采用1-3-5-7-9比較量表,如表1所示。

表1 比較量表

構(gòu)造出指標層的判斷矩陣如表2所示:

表2 指標層的判斷矩陣

依據(jù)表2構(gòu)造的判斷矩陣,計算特征根為6.34,歸一化后的特征向量為[0.283,0.135,0.060,0.066,0.197,0.259]。一致性檢驗指標為0.05<0.1,通過了一致性檢驗。因此,指標層的權(quán)重為表3所示。

表3 指標層的權(quán)重

運用同樣的方法,依次得到方案層相對于各指標的權(quán)重為表3所示。最后,將所有的方案層權(quán)重進行歸一化處理,得到方案層的權(quán)重如表3所示。

3 空調(diào)產(chǎn)品質(zhì)量屋的構(gòu)建

質(zhì)量功能展開是將客戶需求轉(zhuǎn)化為工程特性的有效工具,美國供應商協(xié)會(American Supplier Institute,ASI)提出的QFD的ASI模式應用最為廣泛,其中的關(guān)鍵在于質(zhì)量屋的構(gòu)建,它包含屋頂、天花板、左墻、房間、右墻、地下室六個部分(如圖3所示)。其中需求(左墻)已經(jīng)通過第2節(jié)所描述的方法進行了獲取和分析。

圖3 質(zhì)量屋模型

接下來質(zhì)量屋的構(gòu)建步驟如下:

(1)確定技術(shù)特性。基于前期對空調(diào)產(chǎn)品的需求分析,隨即從技術(shù)的角度出發(fā),對空調(diào)公司的技術(shù)人員進行走訪,了解空調(diào)的主要技術(shù)特性,總結(jié)得到與圖2所示的需求對應的18個技術(shù)特性:除濕率、制冷量、制熱量、風機風量、舒適性、過濾性、成本、可拆卸性、體積形狀、顏色、老化率、故障發(fā)生率、可維修率、噪聲量、可回收率、環(huán)保材料比例、制冷消耗功率、制熱消耗功率。

(2)確定需求與技術(shù)特性之間的相關(guān)關(guān)系。客戶需求和技術(shù)特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可分成三個類別:強關(guān)聯(lián)性、中度關(guān)聯(lián)性和弱關(guān)聯(lián)性,分別以◎、、△符號代表,并用9、3、1對著三種相關(guān)程度進行賦值。客戶需求與空調(diào)技術(shù)特性之間的關(guān)系見圖4。

對醫(yī)院來說，人才是立院之本、發(fā)展之基。齊魯醫(yī)院副院長陳玉國表示，通過三年住培，培養(yǎng)出了基本功扎實、達到主治醫(yī)師水平的臨床醫(yī)師，為醫(yī)院提供了真正“好用”的臨床醫(yī)師，縮短了用人單位與醫(yī)師的“磨合期”，充實與壯大了醫(yī)院醫(yī)療力量，為醫(yī)院的人才梯隊建設(shè)和學科發(fā)展提供了優(yōu)良儲備，也為醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量提供了根本和長遠保障。“作為承擔住培任務(wù)的基地醫(yī)院，教學相長使其保有優(yōu)良的教學氛圍，提升醫(yī)院帶教醫(yī)師的能力水平，獲得可持續(xù)發(fā)展、追求卓越的強勁動力。”

圖4 技術(shù)特性自相關(guān)矩陣質(zhì)量屋

(3)計算技術(shù)特性的權(quán)重。分析完需求與各技術(shù)特性之間的關(guān)系,隨后確定各技術(shù)特性權(quán)重,即各個技術(shù)特性的重要性,計算公式如下:

通過分析可見,制冷消耗功率、制熱消耗功率的權(quán)重最大,表明其對于實現(xiàn)客戶的綠色需求的貢獻程度最大。而除濕率、制冷量、制熱量、風機風量的權(quán)重也較大,這些技術(shù)特性主要滿足了用戶對于空調(diào)產(chǎn)品的基本需求。在接下來的設(shè)計研發(fā)過程中,需要對這些技術(shù)特性重點關(guān)注。

(4)技術(shù)特性間的自相關(guān)矩陣。自相關(guān)矩陣描述了技術(shù)特性之間的相關(guān)關(guān)系。一般地,一個技術(shù)特性的改變會影響到另一個技術(shù)特性。其中,技術(shù)特性之間的正相關(guān)關(guān)系用符號來表示,負相關(guān)關(guān)系用×符號表示。例如,風機風量越大,它的制冷量就會越大,所以風機風量、制冷量這兩個技術(shù)特性是正相關(guān)的關(guān)系,但會導致噪聲增大,所以風機風量、噪聲量這兩個技術(shù)特性是負相關(guān)。

通過自相關(guān)矩陣的分析,發(fā)現(xiàn)有幾個技術(shù)特性之間存在負相關(guān)關(guān)系,即是相互矛盾的。針對這些沖突,將在下一節(jié)利用TRIZ的理論進行消除。

4 基于TRIZ理論的綠色沖突消解

在QFD分析中通過空調(diào)產(chǎn)品技術(shù)特性的自相關(guān)分析得出三個技術(shù)沖突,分別是風機風量—制冷(熱)消耗功率的技術(shù)沖突、風機風量—運行噪聲的技術(shù)沖突、可拆卸性—運行噪聲的技術(shù)沖突。

4.1 風機風量—制冷(熱)消耗功率的技術(shù)沖突

為了能夠?qū)崿F(xiàn)制冷/熱速度快的需求,需要增大風機風量,而風機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的風量與內(nèi)部風葉的速度成正比,即需要提高風葉速度。為了能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能省電的需求,需要降低制冷/熱消耗的功率,但制冷/熱消耗的功率與內(nèi)部風葉的速度的立方差呈正比例,所以需要降低風葉的速度。因此二者具有一定的矛盾。

4.2 風機風量—運行噪聲的技術(shù)沖突

為了能夠?qū)崿F(xiàn)制冷/熱速度快的需求,需要增大風機風量,且風機風量與風葉的速度成正比。但如果空調(diào)機循環(huán)風速過大,則必然會導致風機噪聲的增大,難以實現(xiàn)低噪聲的需求。因此,二者具有一定的矛盾。

4.3 可拆卸性—運行噪聲的技術(shù)沖突

為了滿足便于拆卸組裝的需求,空調(diào)需要具有較高的可拆卸性,但具有可拆卸性的空調(diào)產(chǎn)品可能會因為零部件之間連接松動而產(chǎn)生噪聲。例如,空調(diào)產(chǎn)品內(nèi)的機芯、過濾器等組件極易藏污納垢,需要進行拆卸、清洗。一般空調(diào)設(shè)計中的機芯是難以取出的,但如果機芯和外部輪廓可拆卸分離,則空調(diào)在運行過程中可能會產(chǎn)生噪聲。因此,二者具有一定的矛盾。

圖5 TRIZ理論解決技術(shù)沖突步驟

Step 1:將技術(shù)特性轉(zhuǎn)化為相應的工程參數(shù)。

(1)“制冷(熱)消耗功率”的工程參數(shù)為21號“功率”“風機風量”對應的工程參數(shù)為27號“可靠性”。

(2)“運行噪聲”的工程參數(shù)為31號“物體產(chǎn)生的有害因素”“風機風量”對應的工程參數(shù)為27號“可靠性”。

(3)“運行噪聲”的工程參數(shù)為31號“物體產(chǎn)生的有害因素”“可拆卸性”對應的工程參數(shù)為13號“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”。

Step 2:找到對應的發(fā)明原理代號。

(1)針對風機風量—制冷(熱)消耗功率的技術(shù)沖突:對應19周期性動作原理、24中介物原理、26復制原理、31多孔材料原理。

(2)針對風機風量—運行噪聲的技術(shù)沖突:對應35參數(shù)變化原理、2分離原理、40復合材料原理、26復制原理。

(3)針對可拆卸性—運行噪聲的技術(shù)沖突:對應35參數(shù)變化原理、29氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理、40復合材料原理、28機械系統(tǒng)替代原理。

Step 3:選擇相應發(fā)明原理解決問題。

通過利用矛盾矩陣找到解決沖突的發(fā)明原理序號可以得到解決方法,見表4。

表4 技術(shù)沖突解決表

(1)針對風機風量—制冷(熱)消耗功率的技術(shù)沖突,通過安裝變頻器實現(xiàn)沖突消解。

(2)對于風機風量—運行噪聲的技術(shù)沖突,想要通過提升風機風量而保持較低轉(zhuǎn)速來降低噪聲。針對這種情況,采用增加外部風扇的直徑和長度來實現(xiàn)此目的。設(shè)計時參照1.25P空調(diào)外機進行設(shè)計,外機機箱通用尺寸為(長×寬×高):674mm×470mm×300mm,風扇直徑為320mm,壓縮機及管路部分占長度為220mm,即風扇安裝位置與機箱上下間隔距離75mm,左右間隔距離67mm。在不改變箱體尺寸以及保證安全的情況下,盡量擴大扇葉的尺寸,由原本半徑160mm擴大到207mm,以此來達到高風量低噪聲的效果。具體尺寸簡化圖見圖6、圖7。

(a)改善前的外部風扇 (b)改善后的外部風扇

圖7 風機扇葉設(shè)計圖

(3)針對可拆卸性—運行噪聲的技術(shù)沖突。家用空調(diào)隨著使用時間的增長,內(nèi)部各零件很容易藏污納垢從而滋生細菌,但由于內(nèi)部的機芯部分不可拆卸,只能對過濾網(wǎng)進行清洗。因此嘗試將空調(diào)機芯與外部輪廓相分離,從而便于空調(diào)內(nèi)部的清洗。但零件的連接就難免導致空調(diào)運行時產(chǎn)生噪聲,即可拆卸性—運行噪聲之間的技術(shù)沖突,通過使用機械系統(tǒng)替代的原理,設(shè)計一種卡扣裝置,既方便拆卸又能減少噪聲,以來消除此沖突。

卡扣連接十分普遍,具有成本低、使用方便、噪聲較低等優(yōu)點。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)空調(diào)機芯與打印機硒鼓的外觀形狀較相似,呈長圓柱狀,因此考慮參照打印機硒鼓的連接方式。空調(diào)機芯采用這種插入式齒輪卡扣,將母座與空調(diào)外輪廓相連接,把機芯一側(cè)安裝插入裝置,在機芯安裝時將插入裝置沿著母座的導軌插入,隨即自動固定。從而達到快速方便安裝,減少噪聲的效果,如圖8所示。

圖8 機芯連接結(jié)構(gòu)

結(jié)語

在中國制造業(yè)“綠色浪潮”的背景下,消費者對空調(diào)產(chǎn)品提出了更多綠色要求。因此,實現(xiàn)空調(diào)產(chǎn)品的綠色設(shè)計,尤其是在空調(diào)產(chǎn)品的早期設(shè)計階段實現(xiàn)綠色設(shè)計具有重要意義。因此,本文提出一種基于QFD和TRIZ的空調(diào)產(chǎn)品的綠色設(shè)計方法:在廣泛搜集、獲取用戶綠色需求的基礎(chǔ)上,通過QFD將綠色需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)特性,明確了在接下來的產(chǎn)品研發(fā)流程中需要重點關(guān)注的技術(shù)特性,同時分析出了具有相互沖突關(guān)系的技術(shù)特性;通過TRIZ理論,分析明確了解決這些相互矛盾的技術(shù)特性的方法。這套空調(diào)產(chǎn)品的綠色設(shè)計方法,不僅能滿足產(chǎn)品的綠色需求,也能最大限度地提高空調(diào)產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量,它為設(shè)計者在產(chǎn)品開發(fā)早期提供了有效的設(shè)計方法和支撐工具。