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容簡介

第8章綠色設計

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

本章主要介紹了如下方面內容：

綠色設計的概念綠色產品綠色設計的內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、什么是綠色產品？特點3、綠色設計的內容。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），也稱為生態設計、環境設計、生命周期設計或環境意識設計。盡管各國的提法不同，但其內涵大體一致。綠色設計現已發展成為一種新的現代設計方法。

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

綠色設計的核心是”5R”,即節約資源,減少污染(reduce);綠色生活,環保評估(reevaluate);重復使用,多次利用(reuse);分類回收,循環再生(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。在國際貿易中,綠色標志就像一張”綠色通行證”,發揮越來越重要的作用.德國綠色標志產品已達7500多種，占全國產品的30%；圖8-3

中國的綠色標志（太陽、山、水環境）*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)綠色設計是針對產品整個生命周期

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

(2)綠色設計是并行閉環設計

傳統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過程。而綠色設計的生命周期除傳統生命周期各階段外，還包括產品廢棄后的拆卸回收、處理處置，實現了產品生命周期階段的閉路循環，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設計。

綠色設計的特點主要表現為如下方面：*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境，維護生態系統平衡

綠色設計有利于保護環境，維護生態系統平衡。設計過程中分析和考慮產品的環境屬性是綠色設計區別于傳統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品的零部件材料可以得到充分有效地利用，在產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)綠色設計的結果是減少了廢棄物數量及其處理的棘手問題

綠色設計的結果是減少了廢棄物數量及其處理的棘手問題。工業化國家每年要生產大量的垃圾。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。發展中國家要處理大量的垃圾，不僅技術上而且經濟上都有—定的難度。

綠色設計將廢棄物的產生消滅在萌芽狀態，可使其數量降低到最低限度，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綠色設計與傳統設計的比較

比較因素傳統設計綠色設計設計依據依據用戶對產品提出的功能、性能、質量及成本要求來設計依據環境效益和生態環境指標與產品功能、性能、質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環境的影響要求設計人員在產品構思及設計階段，必須考慮降低能耗、資源重復利用和保護生態環境設計技術工藝在制造和使用過程中很少考慮產品回收，有也僅是有限的材料回收在產品制造和使用過程中可拆卸、易回收，不產生毒副作用及保證產生最少的廢棄物設計目的為需求設計為需求和環境設計，滿足可持續發展的要求產品傳統意義上的產品

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

綠色產品（GreenProduct，GP）又稱為環境協調產品，是相對于傳統產品而言。

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

綠色產品的內涵體現在以下三個方面：

●

節約資源和能源；

●

保護生態環境，

●

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.綠色產品特點■

環境友好性

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

具體體現在以下三個方面：

①優良的環境性能，即產品從生產到使用乃至廢棄回收處理的各個環節都對環境無害或危害最小；

②充分有效地利用材料資源，即綠色產品應盡量減少材料的使用種類和數量，特別是稀有貴重材料和有毒有害的材料。在滿足產品功能的條件下，盡量簡化產品結構，盡可能使產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”綠色產品的生命周期是對普通產品生命周期的擴展，綠色產品的生命周期除設計、制造、使用外，還應包括廢棄（或淘汰）產品的回收、重用及處理處置階段。

它是包括產品生命周期各個階段的閉環系統，一般主要包括五個過程：

①綠色產品規劃及設計開發過程；

②綠色產品的制造與生產過程；

③綠色產品使用過程；

④產品維護和服務過程；

⑤廢棄淘汰綠色產品的回收、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■區域性

綠色產品是一定時代的產物。隨著科技發展不斷提高，人們的要求不斷提高，產品的環境行為改善，綠色產品認證標準指標的閾值也將提高，原有的綠色產品在一定的時期內符合綠色產品認證標準，而經過一個時期，就不再是“綠色產品”。

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

*15大連交通大學機械設計及其自動化教研中心8.3綠色設計的內容和方法

8.3.1綠色設計的內容

綠色設計的內容一般包括如下方面：

◆

綠色材料及其選擇

◆

產品的可回收性設計

◆

產品的可拆卸設計

◆

綠色包裝設計

◆

綠色產品的成本分析

◆

綠色產品設計數據庫與知識庫*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，實現可持續發展；

▲

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.產品的可回收性設計可回收性設計是在產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、回收處理結構工藝性、回收經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.產品的可拆卸設計

可拆卸性設計要求在產品設計的初級階段就將可拆卸性作為結構設計的一個評價準則，使所設計的結構易于拆卸，維護方便，并可在產品報廢后可重用部分充分有效地回收和重用，以達到節約資源和能源、保護環境的目的。*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，反節省資源和能源；

(2)易于回收利用和再循環；

(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應無毒無害；

(5)包裝產品在其生命周期全程中，均不應產生環境污染；*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容如下：

(1)研制開發無毒、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)優化包裝結構，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.綠色產品的成本分析

綠色產品生命周期成本一般包括以下幾個方面：

(1)設計成本

包括市場調研、可行性分析、產品設計、產品試驗、修正設計、編寫設計文檔等費用支出。

(2)制造成本

包括生產成本和環境成本。

生產成本包括：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、產品測試與檢驗等物料轉換生產費用支出。

環境成本包括：污染排放控制系統成本、排放廢棄物的理成本和生態稅成本。*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境問題而需支付的環保費用；

運行成本是用戶為產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，為維護產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.綠色產品設計數據庫與知識庫

綠色沒計數據是指在綠色設計過程中所使用的相產生的數據。

綠色設計知識是指支持綠色設計決策所需的規則。

綠色設計數據庫與知識庫應包括：

產品生命周期中與環境、經濟、技術、對策等有關的一切數據與知識。如：材料成分，各種材料對環境的影響值，材料自然降解周期，人工降解時間、費用，制造、裝配、銷售、使用過程中所產生的附加物數量及對環境的影響值，環境評估準則所需的各種判斷標準，設計經驗等。*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●面向對象的設計●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

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

生命周期設計又稱為生態設計，即利用生態學的思想，在產品生命周期內優先考慮產品的環境屬性，除了考慮產品的性能、質量和成本外，還要考慮產品的回收和處理，同時也要考慮產品的經濟性、功能性和審美等因素。生命周期設計實際上是面向產品生命周期所有環節、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的不同功能或相同功能不同性能、不同規格的產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品，以滿足市場的不同需求。

產品模塊化對綠色設計具有重要意義。主要表現在以下方面：1)模塊化設計能夠滿足綠色產品的快速開發要求。2)模塊化設計可將產品中對環境或對人體有害的部分、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品結構。

*27大連交通大學機械設計及其自動化教研中心3.面向對象的設計

面向對象的設計（DesignforX,DFX）是針對產品生命周期內同時存在多種需求的情況下實施產品設計的主要方法之一。其中X代表產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化設計方法。

產品設計最終必須滿足來自產品生命周期的各種需求，在形式上可以表現為約束。

DFX的實質是以多個代表產品生命周期內需求的約束條件剪裁設計空間，在滿足約束的情況下，優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

綠色設計是傳統設計內容與產品綠色屬性的有機集成。

產品的綠色屬性涉及制造、使用和報廢等產品生命周期階段，因此，在產品開發階段，采用模擬仿真方式，構建虛擬的制造、使用和報廢等數字化環境，對產品綠色性實施評價，預測未來產品綠色特性，修正影響綠色性的不合理設計，最終使所開發的產品達到預定的綠色目標，這一過程的基礎便是產品數字化模型。因此，結構統一、信息無冗余、面向生命周期全過程的產品集成模型是實現綠色產品開發的基礎。*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，使設計出的產品能滿足當前和將來相當長一段時間內的市場需求。產品的長壽命設計能有效地減少各種原材料、資源的使用，并相應地減少產品報廢、產品處理的費用。一方面，長壽命設計通過分析產品及其零部件實效的原因，改進產品設計，從而提高產品可靠性和維修性，延長產品壽命；另一方面，利用模塊化設計、可維修性設計等現代設計方法最大限度的減少產品過時和淘汰，減少產品報廢數量。*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綠色產品規劃綠色產品方案設計綠色產品材料選擇綠色設計方法與技術系統綠色產品結構設計綠色產品包裝設計綠色產品回收處理技術性經濟性環境性市場需求環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構設計包裝工藝設計包裝印刷設計簡化結構優化構件布置改善構件受力狀況回收工藝回收經濟評價8.3.5綠色設計評價1.綠色設計指標

傳統產品的設計評價主要考慮三個方面：

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

環境屬性指標；

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，對生態環境的影響特性等；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。

環境影響(P)指標主要指：①對水環境的影響，即產品在生命周期全過程中可能會產生的水體影響。②對大氣質量的影響；③對土壤的影響；④產生的固體廢棄物等。*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環境的影響特性等；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對生態系統的影響，產品在生命周期全過程中可能對生態系統的平衡造成的影響；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

目前的綠色產品評價標準來自兩方面：

一是依據現行的環境保護標準、產品行業標準及某些地方性法規來制定相應的綠色產品評價標準，這種標準是絕對性標準；

二是根據市場的發展和用戶的需求，以現有產品及相關技術確定參照產品，用新開發產品與參照產品的對比來評價產品的綠色程度，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工程。綠色設計實施的最終將產生一定的社會效益和環境效益。主要表現在以下幾個方面：

(1)節約資源和能源，實現資源的永續利用。

(2)減輕環境污染。

(3)實現社會、經濟和環境的健康協調發展。1.綠色設計的社會效益和環境效益企業采用綠色設計帶來的效益：

一方面表現為社會效益和環境效益，另一方面則表現為經濟效益，*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帶來明顯的經濟效益，主要表現在以下幾個方面：