第8章綠色設計

第8章綠色設計

ⅧGreenDesign*1大連交通大學機械設計及其自動化教研中心內(nèi)容簡介

第8章綠色設計

隨著世界能源的過度消耗和環(huán)境污染的日益加劇，綠色設計已日益受到各國政府和工程設計界的重視，現(xiàn)已發(fā)展成為一種新的現(xiàn)代設計方法。

本章主要介紹了如下方面內(nèi)容：

綠色設計的概念綠色產(chǎn)品綠色設計的內(nèi)容和方法綠色設計流程*2大連交通大學機械設計及其自動化教研中心1、什么是綠色設計？核心？特點？2、什么是綠色產(chǎn)品？特點3、綠色設計的內(nèi)容。4、綠色設計的方法？5、綠色設計的流程？6、綠色設計的評價8.1概述

綠色設計（GreenDesign，簡稱GD），也稱為生態(tài)設計、環(huán)境設計、生命周期設計或環(huán)境意識設計。盡管各國的提法不同，但其內(nèi)涵大體一致。綠色設計現(xiàn)已發(fā)展成為一種新的現(xiàn)代設計方法。

綠色設計基本思想是：在設計階段就將環(huán)境因素和預防污染的措施納入產(chǎn)品設計之中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品設計目標和出發(fā)點，力求產(chǎn)品對環(huán)境的影響為最小。

綠色設計的核心是”5R”,即節(jié)約資源,減少污染(reduce);綠色生活,環(huán)保評估(reevaluate);重復使用,多次利用(reuse);分類回收,循環(huán)再生(recycle);保護自然,萬物共存(rescue).*4大連交通大學機械設計及其自動化教研中心圖8-4

其它國家的綠色標志

德國藍色天使標志加拿大環(huán)境選材標志*5大連交通大學機械設計及其自動化教研中心當今，“綠色”一詞已成為人們關注的重要問題和向往的未來。在國際貿(mào)易中,綠色標志就像一張”綠色通行證”,發(fā)揮越來越重要的作用.德國綠色標志產(chǎn)品已達7500多種，占全國產(chǎn)品的30%；圖8-3

中國的綠色標志（太陽、山、水環(huán)境）*6大連交通大學機械設計及其自動化教研中心我國綠色標志產(chǎn)品涉及七個方面:家用電器、建筑材料、兒童玩具、紡織品、食品飲料、辦公用品、汽車。

(1)綠色設計是針對產(chǎn)品整個生命周期

傳統(tǒng)的產(chǎn)品生命周期是從產(chǎn)品的生產(chǎn)到投入使用，綠色設計將產(chǎn)品的生命周期延伸到了產(chǎn)品使用結(jié)束后的回收重用及處理。

(2)綠色設計是并行閉環(huán)設計

傳統(tǒng)設計是串行設計過程，其生命用期是指從設計、制造直至廢棄的各個階段，而產(chǎn)品廢棄后如何處理處置則很少被考慮，因而是一個串行開環(huán)過程。而綠色設計的生命周期除傳統(tǒng)生命周期各階段外，還包括產(chǎn)品廢棄后的拆卸回收、處理處置，實現(xiàn)了產(chǎn)品生命周期階段的閉路循環(huán)，而且這些過程在設計時必須被并行考慮。因而，綠色設計是并行閉環(huán)設計。

綠色設計的特點主要表現(xiàn)為如下方面：*7大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

(3)綠色設計有利于保護環(huán)境，維護生態(tài)系統(tǒng)平衡

綠色設計有利于保護環(huán)境，維護生態(tài)系統(tǒng)平衡。設計過程中分析和考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性是綠色設計區(qū)別于傳統(tǒng)設計的主要特征之一。

綠色設計可以減少不可再生資源的消耗。由于綠色設計使構成產(chǎn)品的零部件材料可以得到充分有效地利用，在產(chǎn)品的整個生命周期中能耗最小，因而減少對材料資源及能源的需求，保護了地球的礦物資源，使其合理持續(xù)利用。(4)綠色設計可以減少不可再生資源的消耗*8大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

(5)綠色設計的結(jié)果是減少了廢棄物數(shù)量及其處理的棘手問題

綠色設計的結(jié)果是減少了廢棄物數(shù)量及其處理的棘手問題。工業(yè)化國家每年要生產(chǎn)大量的垃圾。垃圾處理則成為頗為棘手的問題。通常采用的填埋法不僅占用了大量土地，而且還會造成二次污染。發(fā)展中國家要處理大量的垃圾，不僅技術上而且經(jīng)濟上都有—定的難度。

綠色設計將廢棄物的產(chǎn)生消滅在萌芽狀態(tài)，可使其數(shù)量降低到最低限度，大大緩解了垃圾處理的矛盾。

*9大連交通大學機械設計及其自動化教研中心表8-1綠色設計與傳統(tǒng)設計的比較

比較因素傳統(tǒng)設計綠色設計設計依據(jù)依據(jù)用戶對產(chǎn)品提出的功能、性能、質(zhì)量及成本要求來設計依據(jù)環(huán)境效益和生態(tài)環(huán)境指標與產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量及成本要求來設計設計人員設計人員很少或沒有考慮到有效的資源再生利用及對生態(tài)環(huán)境的影響要求設計人員在產(chǎn)品構思及設計階段，必須考慮降低能耗、資源重復利用和保護生態(tài)環(huán)境設計技術工藝在制造和使用過程中很少考慮產(chǎn)品回收，有也僅是有限的材料回收在產(chǎn)品制造和使用過程中可拆卸、易回收，不產(chǎn)生毒副作用及保證產(chǎn)生最少的廢棄物設計目的為需求設計為需求和環(huán)境設計，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求產(chǎn)品傳統(tǒng)意義上的產(chǎn)品

綠色產(chǎn)品或綠色標志*10大連交通大學機械設計及其自動化教研中心8.2綠色產(chǎn)品

綠色產(chǎn)品（GreenProduct，GP）又稱為環(huán)境協(xié)調(diào)產(chǎn)品，是相對于傳統(tǒng)產(chǎn)品而言。

綠色產(chǎn)品是綠色設計的最終體現(xiàn)，它是產(chǎn)品綠色程度的載體。目前國內(nèi)外雖對綠色產(chǎn)品尚無確切的定義，但較多的學者認為：所謂“綠色產(chǎn)品”是指：使用綠色材料、通過先進的綠色設計及制造方法、采用綠色包裝生產(chǎn)的一種節(jié)能、減耗、減污或無污的環(huán)境友好型產(chǎn)品。在其生命周期全過程中，符合特定的環(huán)境保護要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極小，資源利用率最高，能源消耗最低的產(chǎn)品。1.綠色產(chǎn)品的概念*11大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

綠色產(chǎn)品的內(nèi)涵體現(xiàn)在以下三個方面：

●

節(jié)約資源和能源；

●

保護生態(tài)環(huán)境，

●

有利于人類的安全與健康。*12大連交通大學機械設計及其自動化教研中心2.綠色產(chǎn)品特點■

環(huán)境友好性

綠色產(chǎn)品的友好性通常用“綠色程度”來表明，這種友好體現(xiàn)在產(chǎn)品的生命周期全過程，而不是產(chǎn)品的某一局部或某一階段。

具體體現(xiàn)在以下三個方面：

①優(yōu)良的環(huán)境性能，即產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用乃至廢棄回收處理的各個環(huán)節(jié)都對環(huán)境無害或危害最小；

②充分有效地利用材料資源，即綠色產(chǎn)品應盡量減少材料的使用種類和數(shù)量，特別是稀有貴重材料和有毒有害的材料。在滿足產(chǎn)品功能的條件下，盡量簡化產(chǎn)品結(jié)構，盡可能使產(chǎn)品中的零部件能最大限度地再利用；

③有效利用能源，綠色產(chǎn)品在其生命周期的全過程中應充分有效利用能源，盡量減少能源消耗。

*13大連交通大學機械設計及其自動化教研中心■

生命周期的“多代性”綠色產(chǎn)品的生命周期是對普通產(chǎn)品生命周期的擴展，綠色產(chǎn)品的生命周期除設計、制造、使用外，還應包括廢棄（或淘汰）產(chǎn)品的回收、重用及處理處置階段。

它是包括產(chǎn)品生命周期各個階段的閉環(huán)系統(tǒng)，一般主要包括五個過程：

①綠色產(chǎn)品規(guī)劃及設計開發(fā)過程；

②綠色產(chǎn)品的制造與生產(chǎn)過程；

③綠色產(chǎn)品使用過程；

④產(chǎn)品維護和服務過程；

⑤廢棄淘汰綠色產(chǎn)品的回收、重用及處理處置過程。*14大連交通大學機械設計及其自動化教研中心■

時效性■區(qū)域性

綠色產(chǎn)品是一定時代的產(chǎn)物。隨著科技發(fā)展不斷提高，人們的要求不斷提高，產(chǎn)品的環(huán)境行為改善，綠色產(chǎn)品認證標準指標的閾值也將提高，原有的綠色產(chǎn)品在一定的時期內(nèi)符合綠色產(chǎn)品認證標準，而經(jīng)過一個時期，就不再是“綠色產(chǎn)品”。

目前，由于各國的生產(chǎn)技術存在一定的差距，綠色產(chǎn)品衡量標準不盡相同，雖然在一些國家或者地區(qū)，某產(chǎn)品按本國或者地區(qū)的綠色產(chǎn)品衡量標準是“綠色產(chǎn)品”，但是到另外一個國家或地區(qū)，可能就不是“綠色產(chǎn)品”。

*15大連交通大學機械設計及其自動化教研中心8.3綠色設計的內(nèi)容和方法

8.3.1綠色設計的內(nèi)容

綠色設計的內(nèi)容一般包括如下方面：

◆

綠色材料及其選擇

◆

產(chǎn)品的可回收性設計

◆

產(chǎn)品的可拆卸設計

◆

綠色包裝設計

◆

綠色產(chǎn)品的成本分析

◆

綠色產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)庫與知識庫*16大連交通大學機械設計及其自動化教研中心1.綠色材料及其選擇

綠色材料選擇的三個原則是：

▲

優(yōu)先選用可再生材料，盡量選用回收材料，提高資源回收率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；

▲

盡量選用低能耗、少污染的材料；

▲

避免選用有毒、有害和有輻射特性的材料;

▲易加工或加工過程中無污染或污染小;

▲盡量選用能自然分解并為自然界吸收的材料。

綠色材料是指在滿足一般功能要求的前提下，具有良好的環(huán)境兼容性的材料。

綠色材料在制備、使用以及用后處置等生命周期的各階段，具有最大的資源利用率和最小的環(huán)境影響。*17大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

2.產(chǎn)品的可回收性設計可回收性設計是在產(chǎn)品設計初期應充分考慮其零件材料的回收可能性、回收價值大小、回收處理方法、回收處理結(jié)構工藝性、回收經(jīng)濟評價等與回收性有關的一系列問題，最終達到零件材料資源、能源的最大利用，并對環(huán)境污染為最小的一種設計思想和方法。*18大連交通大學機械設計及其自動化教研中心3.產(chǎn)品的可拆卸設計

可拆卸性設計要求在產(chǎn)品設計的初級階段就將可拆卸性作為結(jié)構設計的一個評價準則，使所設計的結(jié)構易于拆卸，維護方便，并可在產(chǎn)品報廢后可重用部分充分有效地回收和重用，以達到節(jié)約資源和能源、保護環(huán)境的目的。*19大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

可拆卸性設計的主要策略有：

(1)減少拆卸的工作量；

(2)產(chǎn)品構造簡單；

(3)易于拆卸；

(4)易于分離；

(5)減少零件的多樣性。

4.綠色包裝設計

綠色包裝是指采用對環(huán)境和人體無污染，可回收重用或可再生的包裝材料及其制品的包裝。

綠色包裝具有以下特點：

(1)材料最省，廢棄物最少，反節(jié)省資源和能源；

(2)易于回收利用和再循環(huán)；

(3)包裝材料可自行降解且降解周期短；

(4)包裝材料對人體和生物系統(tǒng)應無毒無害；

(5)包裝產(chǎn)品在其生命周期全程中，均不應產(chǎn)生環(huán)境污染；*20大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

綠色包裝設計原則及內(nèi)容如下：

(1)研制開發(fā)無毒、無污染、可回收利用、可再生或降解的包裝原輔材料；

(2)研究現(xiàn)有包裝材料有害成分的控制技術與替代技術，以及自然“貧乏材料”的替代技術；

(3)優(yōu)化包裝結(jié)構，減少包裝材料消耗；

(4)加強包裝廢棄物的回收處理。*21大連交通大學機械設計及其自動化教研中心5.綠色產(chǎn)品的成本分析

綠色產(chǎn)品生命周期成本一般包括以下幾個方面：

(1)設計成本

包括市場調(diào)研、可行性分析、產(chǎn)品設計、產(chǎn)品試驗、修正設計、編寫設計文檔等費用支出。

(2)制造成本

包括生產(chǎn)成本和環(huán)境成本。

生產(chǎn)成本包括：材料消耗、能源消耗、設備工時、勞動工時、在制品的運送與存放、產(chǎn)品測試與檢驗等物料轉(zhuǎn)換生產(chǎn)費用支出。

環(huán)境成本包括：污染排放控制系統(tǒng)成本、排放廢棄物的理成本和生態(tài)稅成本。*22大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

(4)使用成本

包括運行成本、維修成本和使用過程導致環(huán)境問題而需支付的環(huán)保費用；

運行成本是用戶為產(chǎn)品在使用期間所耗費的人、財、物而支付的費用；

維修成本是在使用期限內(nèi)，為維護產(chǎn)品正常功能而進行維護、修理或零件更換所需花費的費用。

(5)回收處理成本

回收處理成本是報廢產(chǎn)品的收集、運輸、拆卸、再生、再造和填埋等的費用支出。

(3)營銷成本

包括產(chǎn)品包裝、運輸、儲存以及廣告促銷等費用。*23大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

6.綠色產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)庫與知識庫

綠色沒計數(shù)據(jù)是指在綠色設計過程中所使用的相產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

綠色設計知識是指支持綠色設計決策所需的規(guī)則。

綠色設計數(shù)據(jù)庫與知識庫應包括：

產(chǎn)品生命周期中與環(huán)境、經(jīng)濟、技術、對策等有關的一切數(shù)據(jù)與知識。如：材料成分，各種材料對環(huán)境的影響值，材料自然降解周期，人工降解時間、費用，制造、裝配、銷售、使用過程中所產(chǎn)生的附加物數(shù)量及對環(huán)境的影響值，環(huán)境評估準則所需的各種判斷標準，設計經(jīng)驗等。*24大連交通大學機械設計及其自動化教研中心8.3.2綠色設計方法●生命周期設計●模塊化設計●面向?qū)ο蟮脑O計●集成化設計●長壽命設計

綠色設計方法主要有：*25大連交通大學機械設計及其自動化教研中心1.生命周期設計

產(chǎn)品生命周期又稱生命循環(huán)或壽命周期，指產(chǎn)品從自然中來、到自然中去的全過程，即產(chǎn)品“從搖籃到墳墓”的整個生命過程各個階段。產(chǎn)品生命周期包括從自然中獲取最初資源，經(jīng)過開采、加工、再加工等生產(chǎn)過程形成的最終產(chǎn)品，又經(jīng)過產(chǎn)品存儲、運輸、銷售、使用等過程，直至產(chǎn)品報廢或處置，構成物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一個生命周期。

生命周期設計又稱為生態(tài)設計，即利用生態(tài)學的思想，在產(chǎn)品生命周期內(nèi)優(yōu)先考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性，除了考慮產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和成本外，還要考慮產(chǎn)品的回收和處理，同時也要考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性、功能性和審美等因素。生命周期設計實際上是面向產(chǎn)品生命周期所有環(huán)節(jié)、所有方面的設計，涉及的問題十分廣博。*26大連交通大學機械設計及其自動化教研中心2.模塊化設計

模塊化設計就是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求。

產(chǎn)品模塊化對綠色設計具有重要意義。主要表現(xiàn)在以下方面：1)模塊化設計能夠滿足綠色產(chǎn)品的快速開發(fā)要求。2)模塊化設計可將產(chǎn)品中對環(huán)境或?qū)θ梭w有害的部分、使用壽命相近的部分等集成在同一模塊中，便于拆卸回收和維護更換等。3)模塊化設計可以簡化產(chǎn)品結(jié)構。

*27大連交通大學機械設計及其自動化教研中心3.面向?qū)ο蟮脑O計

面向?qū)ο蟮脑O計（DesignforX,DFX）是針對產(chǎn)品生命周期內(nèi)同時存在多種需求的情況下實施產(chǎn)品設計的主要方法之一。其中X代表產(chǎn)品設計中除功能要求之外的其它需求，如可制造性、可裝配性、可維護性、可回收性等。除了目前研究較深入的DFM(DesignforManufacturing)和DFA(DesignforAssembly)之外，還有DFD，DFR，DFC，DFQ，DFS，DFMC，DFE等。

DFX采用的基本方法是基于約束的優(yōu)化設計方法。

產(chǎn)品設計最終必須滿足來自產(chǎn)品生命周期的各種需求，在形式上可以表現(xiàn)為約束。

DFX的實質(zhì)是以多個代表產(chǎn)品生命周期內(nèi)需求的約束條件剪裁設計空間，在滿足約束的情況下，優(yōu)化求解設計空間的問題。*28大連交通大學機械設計及其自動化教研中心4.集成化設計

綠色設計是傳統(tǒng)設計內(nèi)容與產(chǎn)品綠色屬性的有機集成。

產(chǎn)品的綠色屬性涉及制造、使用和報廢等產(chǎn)品生命周期階段，因此，在產(chǎn)品開發(fā)階段，采用模擬仿真方式，構建虛擬的制造、使用和報廢等數(shù)字化環(huán)境，對產(chǎn)品綠色性實施評價，預測未來產(chǎn)品綠色特性，修正影響綠色性的不合理設計，最終使所開發(fā)的產(chǎn)品達到預定的綠色目標，這一過程的基礎便是產(chǎn)品數(shù)字化模型。因此，結(jié)構統(tǒng)一、信息無冗余、面向生命周期全過程的產(chǎn)品集成模型是實現(xiàn)綠色產(chǎn)品開發(fā)的基礎。*29大連交通大學機械設計及其自動化教研中心5.長壽命設計

長壽命設計是指在對產(chǎn)品功能進行分析的基礎上，采用各種先進的設計理論和工具，使設計出的產(chǎn)品能滿足當前和將來相當長一段時間內(nèi)的市場需求。產(chǎn)品的長壽命設計能有效地減少各種原材料、資源的使用，并相應地減少產(chǎn)品報廢、產(chǎn)品處理的費用。一方面，長壽命設計通過分析產(chǎn)品及其零部件實效的原因，改進產(chǎn)品設計，從而提高產(chǎn)品可靠性和維修性，延長產(chǎn)品壽命；另一方面，利用模塊化設計、可維修性設計等現(xiàn)代設計方法最大限度的減少產(chǎn)品過時和淘汰，減少產(chǎn)品報廢數(shù)量。*30大連交通大學機械設計及其自動化教研中心綠色設計的流程*大連交通大學機械設計及其自動化教研中心31綠色產(chǎn)品規(guī)劃綠色產(chǎn)品方案設計綠色產(chǎn)品材料選擇綠色設計方法與技術系統(tǒng)綠色產(chǎn)品結(jié)構設計綠色產(chǎn)品包裝設計綠色產(chǎn)品回收處理技術性經(jīng)濟性環(huán)境性市場需求環(huán)境保護要求選擇綠色材料避免過度使用生命周期設計模塊化設計長壽命設計集成設計包裝材料選擇包裝造型設計包裝結(jié)構設計包裝工藝設計包裝印刷設計簡化結(jié)構優(yōu)化構件布置改善構件受力狀況回收工藝回收經(jīng)濟評價8.3.5綠色設計評價1.綠色設計指標

傳統(tǒng)產(chǎn)品的設計評價主要考慮三個方面：

質(zhì)量(Q)、成本(C)和時間(T)。相對于傳統(tǒng)設計評價而言，綠色設計評價還必須滿足環(huán)境屬性要求，其評價一般應從技術、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境等方面進行。綠色設計評價指標通常包括四個方面：

環(huán)境屬性指標；

資源屬性指標；

能源屬性指標；安全屬性指標等。*32大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

資源消耗量(R)主要受3個方面的影響：①資源種類，所用資源種類包括主要原材料和輔料，要考慮它們屬可再生資源還是不可再生資源，是稀有資源還是豐富的資源；②資源特性，包括資源的化學特性和物理特性，可利用或可再生特性，對生態(tài)環(huán)境的影響特性等；③資源消耗狀況，包括消耗量、利用率、損耗率和再生利用率等。

環(huán)境影響(P)指標主要指：①對水環(huán)境的影響，即產(chǎn)品在生命周期全過程中可能會產(chǎn)生的水體影響。②對大氣質(zhì)量的影響；③對土壤的影響；④產(chǎn)生的固體廢棄物等。*33大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

能源消耗量(E)指標主要受3個方面的影響：①能源種類。所用能源種類包括一次能源和二次能源，要考慮它們屬可再生能源還是不可再生能源，是短缺能源還是豐富能源等；②能源特性。重點考慮的是能源的可利用或可再生特性，在使用過程中對生態(tài)環(huán)境的影響特性等；③能源消耗狀況。包括消耗量、利用率、再生利用率等。

安全性(A)指標主要受兩個方面的影響：①對生態(tài)系統(tǒng)的影響，產(chǎn)品在生命周期全過程中可能對生態(tài)系統(tǒng)的平衡造成的影響；②對人體健康的影響。

*34大連交通大學機械設計及其自動化教研中心2.綠色設計評價標準

目前的綠色產(chǎn)品評價標準來自兩方面：

一是依據(jù)現(xiàn)行的環(huán)境保護標準、產(chǎn)品行業(yè)標準及某些地方性法規(guī)來制定相應的綠色產(chǎn)品評價標準，這種標準是絕對性標準；

二是根據(jù)市場的發(fā)展和用戶的需求，以現(xiàn)有產(chǎn)品及相關技術確定參照產(chǎn)品，用新開發(fā)產(chǎn)品與參照產(chǎn)品的對比來評價產(chǎn)品的綠色程度，這種標準是相對性標準。在評價標準的制定過程中，也可采用相對標準與絕對標準相結(jié)合的方式制定評價標準。*35大連交通大學機械設計及其自動化教研中心8.3.6綠色設計的效益和應用分析

綠色設計的實施是一項社會化的系統(tǒng)工程。綠色設計實施的最終將產(chǎn)生一定的社會效益和環(huán)境效益。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)節(jié)約資源和能源，實現(xiàn)資源的永續(xù)利用。

(2)減輕環(huán)境污染。

(3)實現(xiàn)社會、經(jīng)濟和環(huán)境的健康協(xié)調(diào)發(fā)展。1.綠色設計的社會效益和環(huán)境效益企業(yè)采用綠色設計帶來的效益：

一方面表現(xiàn)為社會效益和環(huán)境效益，另一方面則表現(xiàn)為經(jīng)濟效益，*36大連交通大學機械設計及其自動化教研中心除社會效益外，綠色設計的實施還會為企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟效益，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：