綠色設計研究與應用現狀
2023-03-06 來源：?智造苑
綠色設計是在產品設計過程中改善產品環境性能的主要方法和手段，近年來國內外對綠色設計的研究非?；钴S，與之相關的理論和方法從20世紀90年代中期開始就成為產品設計領域的重要研究課題。國外一些發達國家對綠色設計的研究開展得比較早，特別是在美國、日本、歐洲等一些發達國家，對綠色設計及其相關領域已進行了深入研究。國內綠色設計研究正在深入進行，但距發達國家還有明顯差距。
「 1. 綠色設計的研究現狀 」
綠色設計借助產品生命周期中與產品相關的各類信息，利用模塊化設計、創新設計等各種先進的設計理論，設計出具有先進的技術性、良好的環境協調性及合理的經濟性的產品。目前，國內外學者在綠色設計相關領域開展了廣泛研究。
在綠色產品概念設計方面，Hamed等[1]為了協助設計者完成整個制造系統的設計和開發工作，提出了一種基于虛擬現實技術的需求分析方法，從而可以滿足不斷變化的市場需求；Nahm等[2]為了解決質量功能配置中產品需求重要度確定困難的問題，提出了一種結合顧客偏好評價和顧客滿意評價來進行產品需求分析的方法；CHANG等[3]為平衡產品開發與生態友好性，結合綠色質量功能配置和設計結構矩陣，提出了面向綠色設計的模塊化設計系統化方法；李方義等[4]提出了一種產品綠色模塊化設計方法的研究框架，總結了模塊化在綠色設計中的應用特點，探討了利用模糊數學、圖論及層次分析法（AHP）研究產品的綠色模塊化多目標決策；鮑宏等[5]以綠色產品的滿意程度為目標，結合模塊化思想、環境化質量功能配置和通用物料清單方法，分析生命周期各階段的綠色特性，提出了一種面向多樣性和綠色性需求滿意的產品配置設計方法；肖人彬等[6]在分析現有產品創新設計方法不足的基礎上，結合數據技術的特點，提出數據驅動產品創新設計方法。
在綠色產品詳細設計方面，HOLMES等[7]將一種新型竹基復合材料作為風力電機葉片的材料，以改善其環境性能；Zhang等[8]為了從制造系統的角度減少機械零件的碳排放，研究一種集成結構優化和材料選擇的方法，建立機械零件低碳設計的混合優化模型；KAM等[9]將回收材料作為綠色生產的一部分，推廣使用可回收材料來減小對環境的影響；Zhang等[10]將低碳設計理論與3D設計軟件相結合，在產品設計前期，通過識別低碳設計優化潛力，建立評價結果與設計建議的反饋機制，實時指導設計師在低碳設計中的行為；劉志峰等[11]運用TRIZ沖突消解原理、物質-場分析原理以及回收沖突分析原理進行家電產品易拆解可回收設計，提出易拆解可回收設計流程，建立易拆解可回收設計方案與發明原理或標準解法的映射關系；張寵元等[12]從易于拆卸、可主動回收處理、經濟和環境準則4個方面度量主動回收度，以主動回收度、內部聚合度以及外部耦合度為優化目標進行模塊劃分。
在產品生命周期評價方面，Shi等[13]提出了一種基于生命周期評價（LCA）和生命周期成本（LCC）的綜合方法，以發動機為例，從經濟和生態方面確定機械產品制造的資源消耗，環境排放和經濟成本，為機械產品制造提供節能減排的理論和數據支持；Peng等[14]為了減少時變參數對產品在整個生命周期的環境影響，提高生命周期清單的準確性，開發了系統動力學（SD）模型；Unterreiner等[15]通過生命周期評價（LCA），分析了三種電池技術回收和再利用的生態影響，通過良好的綜合回收過程進行回收和再利用，使其生態影響降低49%；宋小龍等[16]以廢棄手機為研究對象，采用生命周期評價（LCA）方法分析了廢棄手機回收處理系統的能耗和碳足跡，對產品參數設定進行敏感性分析，為廢棄手機回收處理系統環境績效的量化與改進提供參考。
在綠色設計知識方面，Liu等[17]提出了一種從應用描述中自動挖掘領域知識的方法，通過對CDM和主題集合中的知識進行分類，聚類和合并來識別領域中的整體知識；Qin等[18]構建了用于獲取有用的設計知識和未來重用經驗的RFBSE知識表示模型，以提高未來項目決策效率；郭鑫等[19]以“功能+流+案例”為規則，利用擴展算法、知識語義檢索、分詞模型等方法提出可滿足創新設計目標的工藝知識檢索模型；張發平等[20]構建了多維層次情境模型和情境驅動的知識資源庫模型，強調了知識與知識情境的多對多的映射關系，提出了基于情境的知識匹配和推送的方法。
「 2. 綠色設計的應用現狀 」
綠色設計應遵循“3R（Reduce，Reuse，Recycle）”的原則，設計產品時不僅要考慮減少產品制造物質和能源消耗，減少有害物質的排放，而且要綜合考慮產品及零部件報廢后能夠重新利用或方便分類回收并再生循環。目前綠色設計有如下幾方面的應用。
1）綠色材料替代設計
綠色材料替代設計的主要目的是在保持材料性能不變或提升的情況下，改善其環境性能。目前各國開展的綠色材料替代設計研究主要涉及仿生材料、復合材料、可回收材料、合金材料等。PLA復合材料可以替代部分傳統改性塑料，應用在汽車零部件上，使汽車向著更加生態環保的方向發展，勞士領車用生物基材料解決方案——BioBoom是基于PLA合成的高可再生資源利用率的生物基材料，如圖1所示，它擁有超過90%的可再生資源利用率，具有低收縮、耐刮擦、著色性優異的特點，不僅適用于機艙內具有功能要求的零部件，還適用于可見的車身內外飾產品。
圖1 勞士領BioBoom
為便于在設計階段選擇結構性能較優、環境性能較好的材料，目前工業發達國家開發了相應的軟件工具。其中，歐特克設計軟件（Autodesk Inventor）的Eco-Materials Adviser和Granta的CES Selector軟件工具能夠形成基于材料屬性的材料圖表，并根據材料追溯、材料配置、環境影響分析過程對材料進行比較，最終找到替代方案。
2）節能設計
節能設計綜合考慮產品制造、使用等過程的能耗情況，通過應用環保節能型材料，優化機械結構，合理地制定并應用創新制造工藝、清潔燃料替代等措施來實現產品制造的節能減排。當前節能設計主要集中在高效動力、清潔燃料替代設計方面，如替代燃料主要有太陽能、甲醇、液化石油氣、壓縮天然氣、乙醇等。福特Edge HySeries采用了結合車載氫燃料電池發電機和鋰電池的氫燃料電池動力系列的混合傳動系統，該新型動力系統將傳統燃料電池系統的尺寸、質量、成本和復雜性減小了50%以上。美菱BCD-350系列冰箱通過在制冷劑選擇、改進冰箱內部結構、開發軟件平臺等方面逐步實現冰箱產品的節能優化，其節能改進過程如圖2所示。
圖2 美菱冰箱節能改進過程
3）輕量化設計
國際輕量化設計研究主要包括輕量化材料的運用、結構輕量化設計與優化、復合材料替代技術、先進的凈成形工藝等，涉及產品包括工業裝備、家電產品、電器電子產品、汽車和飛機等。奇瑞新能源作為我國汽車輕量化的標桿級企業代表，旗下熱門車型純電SUV螞蟻采用超輕量化全鋁車身架構，并設計了獨有的隼骨型多腔截面結構，整車車身鋁合金使用率超過86%，重量減少30%，剛度提升20%，材料利用率達到96%，其車身架構如圖3所示。
圖3 奇瑞新能源螞蟻車身架構
4）面向回收/拆卸/再制造的設計
面向回收、拆卸、再制造的設計需考慮多壽命周期服役、材料相容性、可拆解性等因素，提高產品生命終期的回收、拆解效率和零部件再制造的服役安全壽命。在設計的各個階段，不僅要考慮零部件的成本、可加工性、質量，還要考慮零部件的環境屬性。BMW的轉向機經過可拆卸設計，能夠減少重新制造生產新零件所造成的材料及過程浪費，同時通過再制造生產工藝實現舊件再利用，其主要流程為舊件回收拆卸、修復、清洗及檢測等，制造完成后再進行裝配、EOL功能測試、系統裝配等步驟，再制造后的轉向機與舊件對比如圖4所示。整個過程完全按照新件出廠標準控制生產過程參數和產品性能，再制造的轉向機品質不低于新品標準，擁有非常高的產品性價比。
圖4 再制造后的轉向機與舊件對比
「 3. 綠色設計的標準現狀 」
在國際上，歐盟開展產品綠色設計分別從規范企業和引導消費兩個方面著手。在規范企業方面，歐盟在2002年陸續出臺了2002/96/EC《廢舊電子電氣設備指令》（即WEEE指令）和2002/95/EC《電子電氣設備中限制使用某些有害物質指令》（即RoHS指令），強制要求企業對廢舊電子和有毒有害物質的處理與使用。隨后，2005年出臺了著名的《用能產品生態設計指令》（即EuP指令），以法規形式強制企業對用能產品開展綠色設計。2009年，歐盟在EuP指令的基礎上進行修訂并發布了覆蓋范圍更廣的2009/125/EC《能源相關產品生態設計指令》（即ErP指令），覆蓋范圍從原來EuP指令規定的10類產品擴大到包括制冷設備、廚房設施等在內的20類產品。
在引導消費方面，歐盟為提高消費者的環保意識，早在1992年通過880/92/EEC號條例出臺了自愿性產品生態標簽指令，鼓勵企業對其產品開展要求更高、更為嚴格的“歐盟生態標簽”自愿性認證，并引導消費者使用環境友好型產品。此外，歐洲推行《歐盟地平線2020計劃（Horizontal 2020）》，該計劃將在卓越科學、工業領先和社會挑戰研究領域分別投資244.41億歐元、170.16億歐元、296.79億歐元，其中30.18億歐元用于與綠色制造緊密相關的社會挑戰研究領域中對于氣候行動、環境、資源效率和稀有材料等的研究。英國政府在《未來制造（The Future of Manufacturing）》報告中預測：到2050年全球人口將從目前的70億增加到90億，對相應工業產品的需求量將翻一番，進而材料需求翻一番、能源需求翻三番。為應對未來環境、資源的挑戰，英國政府將可持續制造（綠色制造）定義為下一代制造，并制定了2013—2050年的可持續制造發展路線圖。
在我國20世紀90年代開始出現低碳設計、環保材料、綠色產品等相關的綠色設計理念。在1992年《關于出席聯合國環境與發展大會的情況及其對策的報告》中，我國提出要“積極發展綠色產品生產”。
2011年10月，國務院發布的《關于加強環境保護重點工作的意見》中將“推行工業產品生態設計”作為保護環境的重要舉措，首次在國家層面提出開展生態設計工作。
2012年1月，工信部發布《工業清潔生產推行“十二五”規劃》，把“開展工業產品生態設計”作為推行工業清潔生產的三大主要任務之一。
2013年，工信部聯合國家發改委和環保部共同發布的《關于開展工業產品生態設計的指導意見》明確了開展工業產品生態設計的目的、要求、重點工作和保障措施，提出要從源頭控制，以產品全生命周期管理為理念，以資源科學利用和環境保護為目標，以標準體系建設為支撐，開展工業產品生態設計試點，建立評價與監督相結合的產品生態設計推進機制，促進企業開展產品生態設計。
2015年，《中國制造2025》提出全面推行綠色制造，積極構建綠色制造體系，強化產品全生命周期綠色管理，支持企業開發綠色產品，推行生態設計，顯著提升產品節能環保低碳水平，引導綠色生產和綠色消費。
2016年，《國務院辦公廳關于建立統一的綠色產品標準、認證、標識體系的意見》提出健全綠色市場體系，增加綠色產品供給，是生態文明體制改革的重要組成部分。綠色設計雖然在我國的起步比較晚，但發展迅速，它是我國可持續發展、科學發展觀在設計領域的體現和延伸，在未來我國的綠色設計將會有更快的發展。
近些年來，國內外政府積極倡導綠色工業，相應出臺了許多關于綠色設計的標準，其中一些標準及應用范圍如表1所示。
表1 綠色設計標準
參考文獻
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引自：《綠色設計》（作者：張雷、劉志峰、鮑宏、李磊）
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