绿色设计概念特点生命周期工业设计

1．绿色设计是绿色消费浪潮的产物

工业生产的发展为世界经济发展和提高人民生活质量做出了巨大贡献，但也带来了相当大的负面影响，工业化国家已开始尝到近10年工业高速发展所结的苦果——地球生态环境以前所未有的速度在急剧恶化。

据统计，全世界制造业每年大约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。

如今，种类繁多的日用消费品己进入千家万户，新产品源源不断地推出，产品生命周期日趋缩短，造成废弃的废旧工业产品数量猛增。

在欧洲，每年约有80万吨旧的电视机、计算机设备、收音机、测量仪器和300万吨废旧汽车丢进垃圾场。

在美国，由家庭和工业企业产生的城市固体废物(MSW)已达到每人每天近2kg。如果依此来推算，一个1000万左右人口的大城市，一天产生的固体废弃物就是2万吨，一年就是730万吨，这是一个庞大而可怕的数字!

正是由于工业废弃物数量的不断增加，近10年来，美国各州垃圾填埋场屡屡告急，十有七八已无法再继续使用下去。

进入上世纪90年代以来，各国的环保战略开始经历一场新的转折，全球性的产业结构调整呈现出新的绿色战略趋势。

这就是向资源利用合理化、废弃物产生少量化、对环境无污染或少污染的方向发展。

随之在全球掀起了一股“绿色浪潮”。

绿色产品认证

近年来，除了人们早巳熟知的各种生产厂家商标、产品注册商标外，又增加了新的标志——绿色标志。

绿色标志，又称“环境标志”、“生态标志”、“蓝色天使”等，它是一种产品的证明性商标，受法律保护，是经过严格检查、检测、综合计定，并经国家专门委员会批准使用的标志。它是印刷或张贴在产品或其包装上的图形，表明该产品不但质量合格，而且在生产、使用、消费和处置等过程中也符合特定的环境保护要求。

二、绿色设计

绿色设计是获得绿色产品的基础，并已成为当前设计领域的研究热点之一。

研究表明：设计阶段决定了产品制造成本的70％～80％，而设计本身的成本仅占产品总成本的10％，如果考虑环境因素，这个比例还会增大。

因为产品设计所造成的生态破坏程度远远大于由设计过程本身所造成的对生态影响的程度。

因此，只有从设计阶段将产品“绿色程度”作为设计目标，才能取得理想的设计结果。

目前，工业发达国家在产品设计时努力追求小型化(少用料)、多功能(一物多用，少占地)、可回收利用(减少废弃物数量和污染)。

生产技术追求节能、省料、无废少废，闭路循环等，都是努力实现绿色设计的有效手段。

本章重点介绍绿色设计的概念及其特点、绿色设计方法等。

1.绿色设计及其特点

1．1 传统产品设计

要理解绿色设计，首先来分析一下传统产品设计过程。传统产品设计时，通常主要考虑的是产品的基本属性，如功能、质量、寿命、成本等，而很少考虑环境属性。 其设计过程如图所示。按传统设计生产制造出来的产品，在其使用寿命结束后，回收利用率低，资源、能源浪费严重，特别是其中的有毒、有害物质，会严重污染生态环境。

传统产品设计过程

传统产品设计是从“摇篮到坟墓”的过程。一旦设计及制造活动完成，产品设计人员和工艺人员就不再关心产品生命周期结束后所出现的问题。

传统设计过程的不足主要表现在以下几个方面：

1) 产品开发的各个环节顺序(串行)进行，反复次数多，开发周期长，开发费用高。

2) 产品开发过程很少考虑产品的环境属性，结构复杂，拆卸回收难度大，造成大量

的资源、能源浪费，并且污染环境。

3) 产品设计人员的环境意识不强，对绿色产品和绿色设计的认识不很明确。

4) 传统设计的产品难于适应市场竞争和持续发展的需要。

1．2 绿色设计的概念

1）绿色设计的基本概念

绿色设计(Green Design)，

也称为：

生态设计(Ecological Design)、

环境设计(Design for Environment)、

小命周期设计(Life Cycle Design)、

环境意识设计(Environmental Conscious Design)等。

虽然叫法不同，其内涵大体一致，基本思想是：在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。

绿色设计不同于传统设计，绿色设计包含产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、重用及处理处置的各个阶段，即涉及产品整个寿命周期，是从“摇蓝

到再现”的过程。

也即，要从根本上防止污染，节约资源和能源，不能等产品产生了不良的环境后果之后再采取防治措施（现行的末端处理：End—to—Pipe 即是如此），要预先设法防止产品及其工艺对环境产生的负作用。

概括起来，可以定义为：

绿色设计是这样一种设计，即在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性(自然资源的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑并保证产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。

绿色设计和传统设计在设计依据、设计人员、设计工艺和技术、设计目的等方面都存在着很大的不同，下表为绿色设计与传统设计的比较。

绿色设计与传统设计的比较

从绿色设计与传统设计的比较可以看出：

绿色设计要求在设计产品时必须按环境保护指标选用合理的原材料、结构和工艺； 在制造和使用过程中降低能耗，不产生毒副作用及有利于拆卸和回收。

回收的材料可用于再生产，对无回收价值的产品进行无害化处理以致不污染大气、水质等，并保证产生最少的废弃物。

2）绿色设计的特点

绿色设计的主要特点包括以下几方面：

(1)绿色设计可以减缓地球上矿物资源财富的消耗。由于绿色设计使构成产品的零

部件材料可以得到充分有效地利用，在产品的整个生命周期中能耗最小，因而减少了对材料资源及能源的需求，保护了地球的矿物资源，使其可以合理持续地利用。

(2) 减少了大量垃圾处理造成的棘手问题工业化国家每年要生产大量的垃圾，垃

圾处理则成为颇为棘手的问题。

通常采用的填埋法不仅占用了大量土地，还会造成二次污染。据美国全国科学院说，从地下挖掘出来的东西有94％在几个月之内就被扔进了垃圾堆。而发展中国家要处理大量的垃圾，不仅技术上而且经济上都有一定的难度。

绿色设计将废弃物的产生消灭在萌芽状态，可使其数量降低到最低限度，大大缓解了垃圾处理的矛盾。

(3) 环境在绿色设计中具有重要的地位，有利于保护环境。维护生态系统的平衡和

实现可持续发展是绿色设计的核心。

(4) 绿色设计可从源头上减少废弃物的产生。

(5) 绿色设计是并行闭环设计传统并行设计的生命周期是指从设计、制造直至废

弃的所有阶段，而没有考虑产品废弃后的各个环节，因而是一个开环过程。

而绿色设计的生命周期除传统生命周期各阶段外，还包括产品废弃后的拆卸回收、处理处置，实现了产品生命周期阶段的闭路循环。

3）绿色设计过程

绿色设计面向产品的整个寿命周期，即在概念设计及粗略设计阶段，就充分考虑到产品在制造、销售、使用及报废后对环境的各种影响，与产品有关的所有技术人员都应密切合作。

图为面向生命周期的绿色设计过程。

在该设计过程中，其对象除了产品本身以外，还有产品的生产过程、后勤支持系统、生产人员等，它们也都有各自的生命周期，且在各自的周期内也必须对环境影响负责。

面向生命周期的绿色设计过程

绿色设计过程可概括为“133”原则，即一定的设计程序、三个设计目标和三个主要阶段。

一定的设计程序是指绿色设计必须遵循一定的系统化设计程序。其中包括：环境规章评价，环境污染鉴别，环境问题的提出，减少污染，满足用户要求的替代方案，替代方案的技术与商业评估等。

绿色设计人员在设计过程中应该考虑这样的问题：

制造过程中可能产生的废弃物是什么?

有毒成分的可能替代物是什么?

报废产品如何管理?

设计对产品的回收性有什么影响?

零件材料对环境有何影响?

用户怎样使用产品?等。

绿色设计所关心的目标有三个：

一是提高产品的资源能源利用率；

二是降低产品生命周期成本；

三是产品无环境污染或环境污染最小化。

也即，通过增大产品中可重用零部件及材料的比例来协调产品设计，避免废弃物的产生，使零件或材料在产品达到寿命周期时，以最高的附加值回收并重复利用，降

低产品的生命周期成本。

绿色设计通常有三个主要阶段：

①跟踪材料流，确定材料输入与输出之间的平衡；

②对特殊产品或产品种类分配环境费用，并在确定产品价值时考虑此项费用；

③对设计过程进行系统性研究，而不是将注意力集中在产品本身。

从产品的整体质量考虑，设计人员应不只根据物理目标设计产品，而应同时考虑产品为用户提供的服务或对环境、人身造成的损害。

图为绿色设计的实施步骤，主要包括搜集绿色设计信息，建立绿色设计小组，进行绿色产品方案设计及绿色设计决策。

绿色设计的实施步骤

(1) 搜集绿色设计信息绿色设计信息是关于绿色产品的科技水平、材料、法规、

市场需求及其竞争力方面的信息，只有通过搜集绿色信息，企业才能掌握绿色商机。 搜集绿色信息要兼顾内部及外在因素的评价与分析。

内部因素包括绿色市场趋势、减废技术、环保政策、环保法规、绿色制造的成本等。 外在因素则包括驱动环境的绿色消费者、绿色供应商、竞争对象、政府、技术发展等。

这些信息的搜集与分析，是为了拟定以环保为导目的的企业设计策略与发展方向。

(2) 建立绿色设计小组绿色设计的主要任务就是在通过成立绿色工作小组(Green

Team Work GTW)或类似机构、组织，来观察企业目前的绿色设计表现，决定未来企业的绿色设计需求，评价现有绿色设计与未来设计需求的目标差距，推动绿色设计，改善及掌握最新的绿色设计信息。

绿色设计小组可根据企业的规模成立专门的部门或工作小组，负责推动绿色设计业务的开展。

(3) 绿色产品方案设计根据搜集的绿色信息提出各种具体可行的绿色概念方案。

概念方案可以是一个或多个。

对概念方案的评估是在设计、制造、包装、运输、消费、废弃、处理等综合流程中，以废弃物的减量化、最小化、资源化作为设计的目标，并根据方案的技术可行性与市场配合性做整合性的评估，最后确定出具体可行的最终设计方案。

(4)绿色设计决策企业把环境保护纳入其决策要素之中，在产品设计过程中，对最

终可行的设计方案，进行产品生命周期分析。

该产品所有与环境有关的生活条件、废弃物、土壤污染、水质污染、空气污染、噪声、能源消耗、资源消耗以及生态影响等均纳入评估过程，经过综合评估并做适度的修正后，进行详细的绿色设计，产生最终设计的绿色产品。

4)绿色设计的主要内容和关键技术

1)绿色产品设计的材料选择与管理

绿色设计要求产品设计人员要改变传统选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用条件和性能，而且应考虑环境约束准则，了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料及易回收、可重用、易降解材料。除合理选材外，同时还应加强对材料的管理。

绿色产品设计的材料管理包括两方面内容：一方面不能把含有有害成分与无害成分的材料混放在一起；

另一方面，对于达到寿命周期的产品，有用部分要充分回收利用，不可用部分要采用一定的工艺方法进行处理，使其对环境的影响降到最低限度。

2)产品的可回收性设计

可回收性设计是在产品设计初期充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值的大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列问题，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染为最小的一种设计思想和方法。

可回收性设计主要包括以下几方面主要内容：

可回收材料及其标志、

可回收工艺与方法、

可回收性经济评价、

可回收性结构设计。

3)产品的可拆卸性设计

拆卸在现代生产良性发展中起着重要的作用，已成为机械设计的重要内容。

可拆卸性是绿色产品设计的主要内容之一，它要求在产品设计的初级阶段就将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使所设计的结构易于拆卸，维护方便，并在产品报废后可重用部分能充分有效地回收和重用，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。

可拆卸性要求在产品结构设计时改变传统的连接方式代之以易于拆卸的连接方式。

可拆卸设计(DFD)

通过合并操作和将紧固件直接成型到制件上，以简化拆卸操作的设计方法。近年来，通过降低与专用拆卸件相关的成本，这种相对新的设计观点正在汽车、计算机和家用电器生产领域实施。

(DFD——design for disassemble)

DFD原理简单，基本要点为：

①使产品生产所用的材料种类和制件数目最少；

②使用易循环使用的材料；

③使用可逆组装技术。DFD要求尽可能避免二次加工，如涂漆、印字、真空镀膜或电镀。而采用公差配合或可逆搭扣配合的埋塑紧固件组装、或使用可逆机械紧固件(如螺钉)等。

4)绿色产品的成本分析

由于在产品设计初期就必须考虑产品的回收、再利用等性能，因此成本分析时，必须考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品的环境成本等。

对企业来说，是否支出环保费用，也会形成产品成本上的差异，同样的环境项目，在各国或地区间的实际费用，也会形成企业间成本的差异。因此，在每一设计决策时都应进行绿色产品成本分析，以便设计出的产品“绿色程度”好且总体成本低。

5)绿色产品设计数据库

绿色产品设计数据库是一个庞大复杂的数据库。该数据库对绿色产品的设计过程起着举足轻重的作用。

该数据库应包括产品寿命周期中与环境、经济等有关的全过程数据，如材料成分、各种材料对环境的影响值、材料自然降解周期、人工降解时间、费用、制造、装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及对环境的影响值，环境评估准则所需的各种判断标准等。

由此可见，绿色设计的关键技术包括以下几个方面：

(1)绿色产品评价体系、方法的研究；

(2)绿色设计产品模型的建立：

(3)绿色设计有关数据、资料的收集整理与数据库的建立：

(4)绿色设计方法的系统研究及知识库的建立。

5）绿色设计的发展

绿色设计的兴起，促使世界各大公司纷纷开发和改进产品，把符合绿色标志的产品推向市场。因此，今后无论哪家公司要想在全球进行竞争，都必须按照绿色设计规

定的要求来设计和制造产品。

目前世界许多著名公司都积极致力于绿色设计技术的研究和绿色产品的开发，如日本尼桑公司正在开发绿色汽车，富士公司投放市场的绿色相机，美国IBM公司研究开发的绿色电脑等，都取得了良好的社会效益和经济效益。

国际经济专家分析认为：目前的绿色产品比例大约为5％--10％。再过10年，所有的产品都将进入绿色设计家族，可回收、易拆卸、部件或整机可翻新和循环利用。

即在未来10年内，绿色产品有可能成为世界主要商品市场的主导产品，而绿色产品的设计则也将成为工业生产行为的规范。可以预言，今后不实行绿色设计，产品进入国际市场的资格将被取消。

2.绿色设计方法

绿色设计涉及机械制造学科、材料学科、管理学科、社会学科、环境学科等诸多学科的内容，具有较强的多学科交叉特性。

显而易见，单凭现有的某种设计方法难以适应绿色设计的要求。

绿色设计是设计方法集成和设计过程集成，是一种综合了面向对象技术、并行工程、寿命周期设计的一种发展中的系统设计方法，是集产品的质量、功能、寿命和环境为一体的设计系统。

2．1 生命周期设计方法

现代企业面临着世界范围的激烈竞争，其竞争主要表现在以下几个方面，即能够开发出市场急需的、适销对路的、品种多样的、高科技含量的产品(Function)，能够在尽可能短的时间内提供用户需要的产品(Time To Market)，产品质量应能最大限度地满足用户的需要(Quality)，产品的价格应具有竞争力(Cost)，能提供产品的全程优质服务(Service)，产品在其生命周期全程中应具有良好的环境友好性(Environment)，FTQCSE这六个要素相辅相成，缺一不可。

正是这种竞争导致了产品设计观念的根本转变。其中最重要的影响就是要求按产品的生命周期进行设计，也即，从产品概念设计阶段——开始就要考虑产品生命周期的各个环节，包括设计、研制、生产、供货、使用、直到废弃后拆卸回收或处理处置，以确保满足产品的绿色属性要求。

生命周期设计对企业来说是一种新的挑战性机遇，即生命周期设计将为市场带来更富有竞争力的产品，以满足用户和社会需求。甚至可以说，产品生命周期设计是驱动企业面向未来的最重要的动力。

2．2 产品生命周期设计的概念

如前所述，传统设计的依据是产品的技术、经济性能和相应的设计规范。

企业通常只管设计与制造产品，并将生产的产品投向市场，而使用是用户的事，废弃淘汰后的处理或回收则是社会的事，生产厂家、用户和社会三者之间没有太多的联系。

产品使用期间对人体健康造成的伤害及在生命周期过程中造成的环境污染由社会承担，不会追溯到生产厂家。这种状况已经不能适应未来社会发展的要求。

只有生产厂家、用户和社会三者共同关心并参与产品的设计开发，也进行产品的全

生命周期设计，才能克服传统设计存在的不足。

产品生命周期设计的各个环节可用下图来描述。从此图可以看出，一个产品的生命周期包括以下各个环节：市场需求分析、设计开发、生产制造、销售、使用及废弃后的回收处理。

在设计过程中，设计方案的选择是根据某种评价函数来进行，这种评价函数必须包含图中外圈所示的各项因素，即产品的基本属性、环境属性、劳动保护、资源有效利用、可制造性、企业策略和生命周期成本。

产品生命周期设计轮图

2．3 绿色设计准则

绿色设计准则的建立

绿色设计准则就是在传统产品设计中通常所主要依据的技术准则、成本准则和人机工程学准则基础上纳入环境准则，并将环境准则置于优先考虑的地位，如图所示。

绿色设计准则示意图

(1)与材料有关的准则

产品的绿色属性与材料有着密切的关系，因此必须仔细而慎重地选择和使用材料。

与材料有关的准则包括以下几个方面：

1) 少用短缺或稀有的原材料，多用废料、余料或回收材料作为原材料，尽量寻找

短缺或稀有原材料的代用材料，提高产品的可靠性和使用寿命。

2) 尽量减少产品中的材料种类，以利于产品废弃后的有效回收。

3) 尽量采用相容性好的材料，不采用难于回收或无法回收。

(2)与产品结构有关的准则

产品结构设计是否合理对材料的使用量、维护、淘汰废弃后的拆卸回收等有着重要影响。在设计时应遵循以下设计准则：

1) 在结构设计中树立“小而精”的设计思想，如采用轻质材料、去除多余的功能、

避免过度包装等，减轻产品重量。

2)简化产品结构，提倡“简而美”的设计原则，如减少零部件数目，这样既便于装

配、拆卸、重新组装，又便于维修及报废后的分类处理。

3) 采用模块化设计，这样产品是由各种功能模块组成的，既有利于产品的装配、拆

卸，也便于废弃后的回收处理。

4) 在保证产品耐用的基础上，赋予产品合理的使用寿命，同时考虑产品仍然具有完

整的功能，只是由于款式、新旧程度、个人喜好等原因，而造成的产品废弃或淘汰的因素。

5) 在设计过程中注重产品的多品种及系列化，以满足不同层次的消费需求，避免大

材小用，优品劣用。

(3)与制造工艺有关的准则

制造工艺是否合理对加工过程中的能量消耗、材料消耗、废弃物产生的多少等有着自接的影响，绿色制造工艺技术是保证产品绿色属性的重要内容之一。

与制造工艺有关的设计准则包括以下几个方面：

1) 产品或工艺过程的设计应该考虑到组成产品零部件与材料的回收重用。

2) 优化产品性能，改进工艺，提高产品合格率。

3) 采用合理工艺，简化产品加工流程，减少加工工序，谋求生产过程的废料最少化，

避免不安全因素。

4) 减少产品生产和使用过程中的污染物排放，如减少切削液的使用或采用少切削。

5) 在产品设计中，要考虑到产品废弃后的回收处理工艺方法，使产品报废后易于处

理处置，且不会产生二次污染。

2．4 绿色设计对材料的要求

随着地球环境状况的恶化和人类环保意识的加强，对产品材料的选择要求愈来愈严格。绿色产品设计首先要求构成产品的材料具有绿色特性，具体地说，在材料选择时，应符合以下要求：

1）环境友好性

在材料使用过程中，对生态环境无副作用，与环境有良好的协调性。

3）不加任何涂镀的原材料

现在产品设计中为了达到美观、耐用、耐腐蚀等要求，大量使用涂镀材料，这不仅给废弃后的产品回收再利用带来困难，而且大部分涂料本身就有毒，且涂镀工艺本身会给环境带来极大的污染。

例如含有溶剂的油漆在其形成薄膜前挥发的溶剂有很大毒性，在电镀时产生的含铬(或其它重金属)的电镀液也严重污染了环境。·

4）减少所用材料种类

绿色产品设计时应尽量避免采用多种不同材料，以便有利于将来回炉再利用。如Whirlpool的德国伙伴的包装工程师把用于包装的材料从20种减少到四种，处理废物的成本下降了50％以下，材料成本也减少了，性能也得到了改善。

从1985年起，瑞士最大的百货公司米古罗斯开始了声势浩大的简化包装箱运动，在各国的商品流通领域引起了强烈反响。

5）低能耗、低成本、少污染的材料

这不仅指材料的使用过程同时也包含材料自身的生产过程。

了解材料生产过程，对选择绿色产品材料是至关重要的。

设计绿色产品、保护环境就应该选择低能耗、低成本、少污染的材料。

绿色设计选择的材料是既有良好的使用性能又与环境具有良好协调性的材料。这种材料又称之为绿色材料(Green Material GM)或环境协调材料。

利用自然资源开发的天然生物材料如纸、木材、竹编材料、木屑、麻类棉织品、柳条、芦苇以及农作物茎杆、稻草、麦秸等均可在自然环境中极容易分解，不污染生态环境，而且可资源再生，成本较低。

6）易加工且加工中无污染或污染最小

这是从材料制成零件(产品)的制造过程来考虑的。下图所示为由所选材料制成成品的材料循环过程。其中PXC是过程循环流，PXR是再生材料流，非循环废物随处理流PXD排出。

绿色产品设计的材料选择应减少或消除PXD，增加PXC，并尽可能利用再生材料PXR。

另外，从此图也可看出，所选材料种类应越少越好，且应使产品制造过程中产生的废弃物最少，并对环境污染最小。

材料制造过程中的循环物质流

产品使用过程的物质流

7．易回收、易处理、可重用、可降解材料

1）这是从产品报废后处理的角度来考虑的。目前，世界各国尤其是工业化发达国家废旧商品的处理已越来越引起人们的重视，并取得了相当的成就。

绿色产品设计可以防止地球矿物资源的枯竭，并有效地保护环境。如图所示，选择易回收、易处理的材料能够增加循环流C3R，从而减少或消除产生的废物流C3D。

2）废弃后能自然分解并为自然界吸收的材料

产品使用废弃后对环境的污染是严重的，国外已开始采用化作用下能自然分解的塑料制作包装材料。

在我国，已率先成功研究出可控光塑料复合添加剂生产一种新的塑料薄膜。在其使用后一定时间内可以降解成碎片，溶解在土中被微生物吃掉，从而起到净化环境的作用。这种新薄膜可用于垃圾袋、包装袋、农用膜等。