材料的生态设计

3.3.3 资源的综合利用:
关于资源的有效利用， 从技术方面来考虑， 主要包括以下几 个方面： 首先是节约自然资源， 提高单位资源利用的效率。 其次是发展替代资源， 包括生产中的替代和消费中的替代， 需能保证产品的用途和质量等不受影响。 第三是延长产品的生命周期， 使用寿命的延长， 意味着同 种产品的原材料消耗降低， 产生的废物减少。

1991 年德国全国材料流分析示意图（单位：亿吨）
1991 年德国的材料流总量为 57.54 亿 t。其中不包括水量的取用，但在材料输 出中， 仅挥发进入大气的水蒸气即达 6.47 亿 t。 另外，1991 年德国从大气 中取用的材料量低于向大气中排放的材料量，且取用的是无污染物，而排放的主 要是污染物。再有，从材料流分析的数据可见，德国每年产生的固态废弃物的数 量也是惊人的。
效产出；
从环境保护角度减少了污染物的排放， 治标又治
本。 所以，提高资源效率是实现社会、经济可持续 发展的根本性措施。

Weizsaecker 教授的专著《 4 倍因子：半份消耗， 倍数产出》 出版后仅几个月 ， 该书即被列为最 佳畅销书。
（2）10倍因子 理论（ Factor 10 ）
由前德国 WUPPERTAL 气候、能源和环境研究所副所长
还包括原材料、生产过程、产业系统、景观和建筑 等。
生态设计是面向产品的整个生命周期，是“从摇
篮到再生”的系统设计，是从根本上防止环境污染、
节约资源和能源的一种重要的系统过程。 生态设计的关键在于如何把环境意识贯穿或渗透 于产品和生产工艺的设计之中。 设计师必须考虑到 产品在其生命周期中的全部环境属性， 而这种考虑
Schmidt-Bleek 教授于 1994 年率先提出的。 与 4 倍因子理论类似， 10 倍因子理论的核心思想是： 我 们必须继续减小全球的材料流量， 在一代人之内将资源效 率提高 10 倍， 才能使发达国家保持现有的生活质量， 逐 步缩小国与国之间的贫富差距， 且可以让子孙后代能够在 这个星球上继续生存。
这就是4倍因子理论提出的依据。
F-4含义：
在经济活动和生产过程中，通过采取各种技术 措施， 将能源消耗、资源消耗降低一半，同时将 生产效率提高一倍，将现有的资源和能源效率提高 2 4倍. P
R ＝ ＝ ＝ 4 I 0.5
R——资源效率 P——产品产出量 I——原材料,能源投入量
从资源效率角度减少了原材料消耗、增加产品的有
生态设计的结果是减少了废弃物数量及其处理的棘手问题
（将废弃物的产生消灭在萌芽状态）
3.3 材料流理论、材料生产的资源效率和综合利用
3.3.1 材料生产的资源效率
在一般意义上， 资源是指人类可以直接从自然界获得并用
于生产和生活的物质。资源是自然环境的重要组成部分， 通常又称为自然资源。 自然资源通常可以分为三大类， 第一类称为取之不尽的资 源， 如空气、风、太阳能等； 第二类称为可再生的资源， 如生物体、水、森林、草地、海洋、土壤等； 第三类称为 非再生资源， 如矿物、化石燃料等。 无论是矿产能源还是矿产资源，都是材料生产和加工的源 头，与环境材料具有密不可分的关系。从生态环境的角度讨 论资源短缺， 主要指非再生资源的储量、供应与人类需求 的矛盾。
3.1 可持续发展原理
面对资源 、能源的加速消耗和生态环境的 持续破坏，在新世纪人类的生存和发展遭到前 所未有的严重威胁和挑战，迫使人们进行反思， 调整高消耗、高污染的粗放型发展模式 ，代之 以人与自然和谐的可持续发展模式 。
可持续发展 (Sustainable Development) 是八十年 代提出的一个新概念。１９８７年世界环境与发展委 员会在《我们共同的未来》报告中第一次阐述了可持 续发展的概念，得到了国际社会的广泛共识. “既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要能力 构成危害的发展” 。 江泽民同志指出：“决不能吃祖宗饭，断子孙路”。
一种设计
第三章 材料的生态设计 Ecodesign of Materials
生态概念和可持续发展 生态设计的概念 材料流理论、资源效率及其综合利用 生态设计的原则、战略、内容及方法
什么是生态？
生态（Eco-）一词源
于古希腊字，意思是 指“家”(house)或 者我们的环境。 简单的说，生态就是 指一切生物的生存状 态，以及它们之间和 它们与环境之间环环 相扣的关系。
典型的材料流循 环过程示意图 自然界 自然界 8t 铁矿 1t 钢 0.7t 金属制品 0.5t 成品 使用 自然界 6.25％ 实际利用率
几种代表性理论：
人类只有一个地球， 资源不能无
17.30%
限制提供， 环境污染必须治理。
（1）4倍因子理论 （ Factor 4 ）
生态设计的特点：
从摇篮到坟墓
（传统的产品生命周期）
扩大了产品的寿命周期（从摇篮到重生）
生态设计是并行闭环设计
闭路循环
传统设计（串行开环设计过程）：
市场分析 产品设计 生产制造
产品生产者
废弃物回 收、处理
销售
使用
产品废弃
产品消费者
生态设计有利于保护环境，维护生态系统平衡
生态设计可以防止地球上矿物资源枯竭
获得最大资源效率 获得最小废物产出率
通过材料流分析，了解物质和能源的走向，对最初和最终的
物质总量进行极值分析， 可使该经济活动的资源效率、环 境污染状况一目了然。因此，极值理论将资源和环境之间的 关系进一步简单化、定量化。而在应用极值理论时，对过程 的材料流分析显得必不可少。 • 显然，在追求资源效率的过程中，材料流理论提供了定量分 析的工具。
为了实现提高资源效率 10 倍的目 标， Schmidt-
Bleek 教授于 1994 年在法国创建了国际 F-10 俱 乐部， 旨在推行 10 倍因子理论和实践。 Schmidt-Bleek 教授于 1994 年还出版了一本书， 名为《人类需要多大的世界》。 在这本书中， 他 提出 了 MIPS （ materials input per service） 的概念， 即单位服务的材料消耗， 为材料流理论 提出了一个具体的评价指标， 由此来定量计算资 源效率。
生态设计
＝ 环境协调性 ＋
经济性 舒适性
LCA： 环境负荷
生态设计的目标就是在材料和产品的设计阶段就考虑到降低生 命周期中的每个过程的综合环境负荷。设计者根据产品的特性， 通过LCA预测其环境负荷并力求实现最小的环境负荷。 可见，LCA的方法为产品的生态设计提供了有用的工具，产品 的生态设计也是LCA思想原则的具体实践。
1989年美国通用公司的研究部副总裁Robert Frosch和负责发动机研究的Nicolas Gallopoulos 在《科学美国人》杂志上发表题为《可持续工业发 展战略》的文章正式提出了工业生态学的概念。

工业生态学把整个工业系统作为一个生态系统来 看待，认为工业系统中的物质、能源和信息的流动 与储存不是孤立的简单叠加关系，而是可以像在自 然生态系统中那样循环运行，它们之间相互依赖、 相互作用、相互影响，形成复杂的、相互连接的网 络系统。 工业生态学的目标是通过分析自然界的生物循环 系统，将生物圈的循环原理用于工业过程，把现有 的工业体系通过工业生态学的途径，转化为可持续 发展的体系，最终实现人类社会的可持续发展。
生态设计的定义：
生态设计是在产品的生命周期内，着重考虑产品的
环境性能，在满足环境目标要求的同时，保证产品 应有的功能、质量和使用寿命等的设计。 广义上讲，生态设计是指任何与生态过程相协调， 尽量使其对环境的破坏影响达到最小的设计形式。
这种协调意味着设计尊重生物多样性，减少对资源的剥夺， 保持营养和水循环，维持植物生境和动物栖息地的质量，以 有帮助改善人居环境及生态系统的健康。不仅涉及产品，
或许是决定产品成败的关键。
生态设计的驱动力：
一是社会经济体制的重构或新的社会经济制度的建立，
如施行循环再生、生态税制改革，即实行资源消费税， 扩大生产者责任及实行排污市场管理等。 其次，基于市场机制的环境标识所导致的绿色采购，推 行绿色金融如绿色公债，或绿色储蓄等，都会有助于推 动产业向可持续发展的生产方向迈进 。 相关者协作：生态设计是基于产品生命周期链的设计方 法，在设计过程中，需要各利益相关者共同参与及协作， 这些利益相关者包括：生产者、供应商、消费者、废弃 物管理者、资源回收者及政策制订者。
3.3.2 材料流理论 分析材料的资源效率，最有效的工具就是材料流分析方法。 材料流（Materials flow） ，又称物质流(Mass flow) ， 也称材料链(substance chain) 。 材料流理论是指用数学物理方法对在工业生产过程中按照 一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量的一种定 量分析的理论。 主要用于研究、评价工业生产过程中所投 入的原材料的资源效率，找出提高资源效率的途径。

他认为， 到 2050 年， 地球上的人口将在现有的基数上增加 1 倍， 即 P 等于 2 ； 同时， 世界各国的国内生产总值届时将增长 3 ～ 6 倍， 取平均值为 5 ； 2 乘以 5 等于 10 ， 由此， 对环境的影响将 增加 10 倍。为了保持现有的生态环境水平， 我们必须通过提高资源 效率来平衡和补偿对环境的破坏。因此， 必须将资源效率和能源效率 提高 10 倍， 才有可能真正实现社会、经济的可持续发展。
资源效率:
广义上说， 资源效率指在某一生产过程中所产出的有用产 品占所投入原料总量的百分比。在材料的生态设计中，资源 效率是必须考虑的一个方面。
生产 1t 纯金属材料所消耗的资源及资源效率
就材料的生产和使用而言，资源消耗是源头，环境污染是末尾 。 材料生产过程的资源效率越低，最终造成的环境污染越重。