第8章绿色设计

第8章绿色设计

ⅧGreenDesign*1大连交通大学机械设计及其自动化教研中心内容简介

第8章绿色设计

随着世界能源的过度消耗和环境污染的日益加剧，绿色设计已日益受到各国政府和工程设计界的重视，现已发展成为一种新的现代设计方法。

本章主要介绍了如下方面内容：

绿色设计的概念绿色产品绿色设计的内容和方法绿色设计流程*2大连交通大学机械设计及其自动化教研中心1、什么是绿色设计？核心？特点？2、什么是绿色产品？特点3、绿色设计的内容。4、绿色设计的方法？5、绿色设计的流程？6、绿色设计的评价8.1概述

绿色设计（GreenDesign，简称GD），也称为生态设计、环境设计、生命周期设计或环境意识设计。尽管各国的提法不同，但其内涵大体一致。绿色设计现已发展成为一种新的现代设计方法。

绿色设计基本思想是：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设计目标和出发点，力求产品对环境的影响为最小。

绿色设计的核心是”5R”,即节约资源,减少污染(reduce);绿色生活,环保评估(reevaluate);重复使用,多次利用(reuse);分类回收,循环再生(recycle);保护自然,万物共存(rescue).*4大连交通大学机械设计及其自动化教研中心图8-4

其它国家的绿色标志

德国蓝色天使标志加拿大环境选材标志*5大连交通大学机械设计及其自动化教研中心当今，“绿色”一词已成为人们关注的重要问题和向往的未来。在国际贸易中,绿色标志就像一张”绿色通行证”,发挥越来越重要的作用.德国绿色标志产品已达7500多种，占全国产品的30%；图8-3

中国的绿色标志（太阳、山、水环境）*6大连交通大学机械设计及其自动化教研中心我国绿色标志产品涉及七个方面:家用电器、建筑材料、儿童玩具、纺织品、食品饮料、办公用品、汽车。

(1)绿色设计是针对产品整个生命周期

传统的产品生命周期是从产品的生产到投入使用，绿色设计将产品的生命周期延伸到了产品使用结束后的回收重用及处理。

(2)绿色设计是并行闭环设计

传统设计是串行设计过程，其生命用期是指从设计、制造直至废弃的各个阶段，而产品废弃后如何处理处置则很少被考虑，因而是一个串行开环过程。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，而且这些过程在设计时必须被并行考虑。因而，绿色设计是并行闭环设计。

绿色设计的特点主要表现为如下方面：*7大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

(3)绿色设计有利于保护环境，维护生态系统平衡

绿色设计有利于保护环境，维护生态系统平衡。设计过程中分析和考虑产品的环境属性是绿色设计区别于传统设计的主要特征之一。

绿色设计可以减少不可再生资源的消耗。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，因而减少对材料资源及能源的需求，保护了地球的矿物资源，使其合理持续利用。(4)绿色设计可以减少不可再生资源的消耗*8大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

(5)绿色设计的结果是减少了废弃物数量及其处理的棘手问题

绿色设计的结果是减少了废弃物数量及其处理的棘手问题。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，而且还会造成二次污染。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—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。

*9大连交通大学机械设计及其自动化教研中心表8-1绿色设计与传统设计的比较

比较因素传统设计绿色设计设计依据依据用户对产品提出的功能、性能、质量及成本要求来设计依据环境效益和生态环境指标与产品功能、性能、质量及成本要求来设计设计人员设计人员很少或没有考虑到有效的资源再生利用及对生态环境的影响要求设计人员在产品构思及设计阶段，必须考虑降低能耗、资源重复利用和保护生态环境设计技术工艺在制造和使用过程中很少考虑产品回收，有也仅是有限的材料回收在产品制造和使用过程中可拆卸、易回收，不产生毒副作用及保证产生最少的废弃物设计目的为需求设计为需求和环境设计，满足可持续发展的要求产品传统意义上的产品

绿色产品或绿色标志*10大连交通大学机械设计及其自动化教研中心8.2绿色产品

绿色产品（GreenProduct，GP）又称为环境协调产品，是相对于传统产品而言。

绿色产品是绿色设计的最终体现，它是产品绿色程度的载体。目前国内外虽对绿色产品尚无确切的定义，但较多的学者认为：所谓“绿色产品”是指：使用绿色材料、通过先进的绿色设计及制造方法、采用绿色包装生产的一种节能、减耗、减污或无污的环境友好型产品。在其生命周期全过程中，符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极小，资源利用率最高，能源消耗最低的产品。1.绿色产品的概念*11大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

绿色产品的内涵体现在以下三个方面：

●

节约资源和能源；

●

保护生态环境，

●

有利于人类的安全与健康。*12大连交通大学机械设计及其自动化教研中心2.绿色产品特点■

环境友好性

绿色产品的友好性通常用“绿色程度”来表明，这种友好体现在产品的生命周期全过程，而不是产品的某一局部或某一阶段。

具体体现在以下三个方面：

①优良的环境性能，即产品从生产到使用乃至废弃回收处理的各个环节都对环境无害或危害最小；

②充分有效地利用材料资源，即绿色产品应尽量减少材料的使用种类和数量，特别是稀有贵重材料和有毒有害的材料。在满足产品功能的条件下，尽量简化产品结构，尽可能使产品中的零部件能最大限度地再利用；

③有效利用能源，绿色产品在其生命周期的全过程中应充分有效利用能源，尽量减少能源消耗。

*13大连交通大学机械设计及其自动化教研中心■

生命周期的“多代性”绿色产品的生命周期是对普通产品生命周期的扩展，绿色产品的生命周期除设计、制造、使用外，还应包括废弃（或淘汰）产品的回收、重用及处理处置阶段。

它是包括产品生命周期各个阶段的闭环系统，一般主要包括五个过程：

①绿色产品规划及设计开发过程；

②绿色产品的制造与生产过程；

③绿色产品使用过程；

④产品维护和服务过程；

⑤废弃淘汰绿色产品的回收、重用及处理处置过程。*14大连交通大学机械设计及其自动化教研中心■

时效性■区域性

绿色产品是一定时代的产物。随着科技发展不断提高，人们的要求不断提高，产品的环境行为改善，绿色产品认证标准指标的阈值也将提高，原有的绿色产品在一定的时期内符合绿色产品认证标准，而经过一个时期，就不再是“绿色产品”。

目前，由于各国的生产技术存在一定的差距，绿色产品衡量标准不尽相同，虽然在一些国家或者地区，某产品按本国或者地区的绿色产品衡量标准是“绿色产品”，但是到另外一个国家或地区，可能就不是“绿色产品”。

*15大连交通大学机械设计及其自动化教研中心8.3绿色设计的内容和方法

8.3.1绿色设计的内容

绿色设计的内容一般包括如下方面：

◆

绿色材料及其选择

◆

产品的可回收性设计

◆

产品的可拆卸设计

◆

绿色包装设计

◆

绿色产品的成本分析

◆

绿色产品设计数据库与知识库*16大连交通大学机械设计及其自动化教研中心1.绿色材料及其选择

绿色材料选择的三个原则是：

▲

优先选用可再生材料，尽量选用回收材料，提高资源回收率，实现可持续发展；

▲

尽量选用低能耗、少污染的材料；

▲

避免选用有毒、有害和有辐射特性的材料;

▲易加工或加工过程中无污染或污染小;

▲尽量选用能自然分解并为自然界吸收的材料。

绿色材料是指在满足一般功能要求的前提下，具有良好的环境兼容性的材料。

绿色材料在制备、使用以及用后处置等生命周期的各阶段，具有最大的资源利用率和最小的环境影响。*17大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

2.产品的可回收性设计可回收性设计是在产品设计初期应充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性、回收经济评价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。*18大连交通大学机械设计及其自动化教研中心3.产品的可拆卸设计

可拆卸性设计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，并可在产品报废后可重用部分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。*19大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

可拆卸性设计的主要策略有：

(1)减少拆卸的工作量；

(2)产品构造简单；

(3)易于拆卸；

(4)易于分离；

(5)减少零件的多样性。

4.绿色包装设计

绿色包装是指采用对环境和人体无污染，可回收重用或可再生的包装材料及其制品的包装。

绿色包装具有以下特点：

(1)材料最省，废弃物最少，反节省资源和能源；

(2)易于回收利用和再循环；

(3)包装材料可自行降解且降解周期短；

(4)包装材料对人体和生物系统应无毒无害；

(5)包装产品在其生命周期全程中，均不应产生环境污染；*20大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

绿色包装设计原则及内容如下：

(1)研制开发无毒、无污染、可回收利用、可再生或降解的包装原辅材料；

(2)研究现有包装材料有害成分的控制技术与替代技术，以及自然“贫乏材料”的替代技术；

(3)优化包装结构，减少包装材料消耗；

(4)加强包装废弃物的回收处理。*21大连交通大学机械设计及其自动化教研中心5.绿色产品的成本分析

绿色产品生命周期成本一般包括以下几个方面：

(1)设计成本

包括市场调研、可行性分析、产品设计、产品试验、修正设计、编写设计文档等费用支出。

(2)制造成本

包括生产成本和环境成本。

生产成本包括：材料消耗、能源消耗、设备工时、劳动工时、在制品的运送与存放、产品测试与检验等物料转换生产费用支出。

环境成本包括：污染排放控制系统成本、排放废弃物的理成本和生态税成本。*22大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

(4)使用成本

包括运行成本、维修成本和使用过程导致环境问题而需支付的环保费用；

运行成本是用户为产品在使用期间所耗费的人、财、物而支付的费用；

维修成本是在使用期限内，为维护产品正常功能而进行维护、修理或零件更换所需花费的费用。

(5)回收处理成本

回收处理成本是报废产品的收集、运输、拆卸、再生、再造和填埋等的费用支出。

(3)营销成本

包括产品包装、运输、储存以及广告促销等费用。*23大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

6.绿色产品设计数据库与知识库

绿色没计数据是指在绿色设计过程中所使用的相产生的数据。

绿色设计知识是指支持绿色设计决策所需的规则。

绿色设计数据库与知识库应包括：

产品生命周期中与环境、经济、技术、对策等有关的一切数据与知识。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，设计经验等。*24大连交通大学机械设计及其自动化教研中心8.3.2绿色设计方法●生命周期设计●模块化设计●面向对象的设计●集成化设计●长寿命设计

绿色设计方法主要有：*25大连交通大学机械设计及其自动化教研中心1.生命周期设计

产品生命周期又称生命循环或寿命周期，指产品从自然中来、到自然中去的全过程，即产品“从摇篮到坟墓”的整个生命过程各个阶段。产品生命周期包括从自然中获取最初资源，经过开采、加工、再加工等生产过程形成的最终产品，又经过产品存储、运输、销售、使用等过程，直至产品报废或处置，构成物质转化的一个生命周期。

生命周期设计又称为生态设计，即利用生态学的思想，在产品生命周期内优先考虑产品的环境属性，除了考虑产品的性能、质量和成本外，还要考虑产品的回收和处理，同时也要考虑产品的经济性、功能性和审美等因素。生命周期设计实际上是面向产品生命周期所有环节、所有方面的设计，涉及的问题十分广博。*26大连交通大学机械设计及其自动化教研中心2.模块化设计

模块化设计就是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。

产品模块化对绿色设计具有重要意义。主要表现在以下方面：1)模块化设计能够满足绿色产品的快速开发要求。2)模块化设计可将产品中对环境或对人体有害的部分、使用寿命相近的部分等集成在同一模块中，便于拆卸回收和维护更换等。3)模块化设计可以简化产品结构。

*27大连交通大学机械设计及其自动化教研中心3.面向对象的设计

面向对象的设计（DesignforX,DFX）是针对产品生命周期内同时存在多种需求的情况下实施产品设计的主要方法之一。其中X代表产品设计中除功能要求之外的其它需求，如可制造性、可装配性、可维护性、可回收性等。除了目前研究较深入的DFM(DesignforManufacturing)和DFA(DesignforAssembly)之外，还有DFD，DFR，DFC，DFQ，DFS，DFMC，DFE等。

DFX采用的基本方法是基于约束的优化设计方法。

产品设计最终必须满足来自产品生命周期的各种需求，在形式上可以表现为约束。

DFX的实质是以多个代表产品生命周期内需求的约束条件剪裁设计空间，在满足约束的情况下，优化求解设计空间的问题。*28大连交通大学机械设计及其自动化教研中心4.集成化设计

绿色设计是传统设计内容与产品绿色属性的有机集成。

产品的绿色属性涉及制造、使用和报废等产品生命周期阶段，因此，在产品开发阶段，采用模拟仿真方式，构建虚拟的制造、使用和报废等数字化环境，对产品绿色性实施评价，预测未来产品绿色特性，修正影响绿色性的不合理设计，最终使所开发的产品达到预定的绿色目标，这一过程的基础便是产品数字化模型。因此，结构统一、信息无冗余、面向生命周期全过程的产品集成模型是实现绿色产品开发的基础。*29大连交通大学机械设计及其自动化教研中心5.长寿命设计

长寿命设计是指在对产品功能进行分析的基础上，采用各种先进的设计理论和工具，使设计出的产品能满足当前和将来相当长一段时间内的市场需求。产品的长寿命设计能有效地减少各种原材料、资源的使用，并相应地减少产品报废、产品处理的费用。一方面，长寿命设计通过分析产品及其零部件实效的原因，改进产品设计，从而提高产品可靠性和维修性，延长产品寿命；另一方面，利用模块化设计、可维修性设计等现代设计方法最大限度的减少产品过时和淘汰，减少产品报废数量。*30大连交通大学机械设计及其自动化教研中心绿色设计的流程*大连交通大学机械设计及其自动化教研中心31绿色产品规划绿色产品方案设计绿色产品材料选择绿色设计方法与技术系统绿色产品结构设计绿色产品包装设计绿色产品回收处理技术性经济性环境性市场需求环境保护要求选择绿色材料避免过度使用生命周期设计模块化设计长寿命设计集成设计包装材料选择包装造型设计包装结构设计包装工艺设计包装印刷设计简化结构优化构件布置改善构件受力状况回收工艺回收经济评价8.3.5绿色设计评价1.绿色设计指标

传统产品的设计评价主要考虑三个方面：

质量(Q)、成本(C)和时间(T)。相对于传统设计评价而言，绿色设计评价还必须满足环境属性要求，其评价一般应从技术、经济和生态环境等方面进行。绿色设计评价指标通常包括四个方面：

环境属性指标；

资源属性指标；

能源属性指标；安全属性指标等。*32大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

资源消耗量(R)主要受3个方面的影响：①资源种类，所用资源种类包括主要原材料和辅料，要考虑它们属可再生资源还是不可再生资源，是稀有资源还是丰富的资源；②资源特性，包括资源的化学特性和物理特性，可利用或可再生特性，对生态环境的影响特性等；③资源消耗状况，包括消耗量、利用率、损耗率和再生利用率等。

环境影响(P)指标主要指：①对水环境的影响，即产品在生命周期全过程中可能会产生的水体影响。②对大气质量的影响；③对土壤的影响；④产生的固体废弃物等。*33大连交通大学机械设计及其自动化教研中心

能源消耗量(E)指标主要受3个方面的影响：①能源种类。所用能源种类包括一次能源和二次能源，要考虑它们属可再生能源还是不可再生能源，是短缺能源还是丰富能源等；②能源特性。重点考虑的是能源的可利用或可再生特性，在使用过程中对生态环境的影响特性等；③能源消耗状况。包括消耗量、利用率、再生利用率等。

安全性(A)指标主要受两个方面的影响：①对生态系统的影响，产品在生命周期全过程中可能对生态系统的平衡造成的影响；②对人体健康的影响。

*34大连交通大学机械设计及其自动化教研中心2.绿色设计评价标准

目前的绿色产品评价标准来自两方面：

一是依据现行的环境保护标准、产品行业标准及某些地方性法规来制定相应的绿色产品评价标准，这种标准是绝对性标准；

二是根据市场的发展和用户的需求，以现有产品及相关技术确定参照产品，用新开发产品与参照产品的对比来评价产品的绿色程度，这种标准是相对性标准。在评价标准的制定过程中，也可采用相对标准与绝对标准相结合的方式制定评价标准。*35大连交通大学机械设计及其自动化教研中心8.3.6绿色设计的效益和应用分析

绿色设计的实施是一项社会化的系统工程。绿色设计实施的最终将产生一定的社会效益和环境效益。主要表现在以下几个方面：

(1)节约资源和能源，实现资源的永续利用。

(2)减轻环境污染。

(3)实现社会、经济和环境的健康协调发展。1.绿色设计的社会效益和环境效益企业采用绿色设计带来的效益：

一方面表现为社会效益和环境效益，另一方面则表现为经济效益，*36大连交通大学机械设计及其自动化教研中心除社会效益外，绿色设计的实施还会为企业带来明显的经济效益，主要表现在以下几个方面：