材料生态设计

第三章材料的生态设计

EcodesignofMaterials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、内容及方法一种设计什么是生态？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。生态的产生最早也是从研究生物个体而开始的，“生态”一词涉及的范畴也越来越广，人们常常用“生态”来定义许多美好的事物，如健康的、美的、和谐的等事物均可冠以“生态”修饰。1866年德国动物学家赫克尔(ErnstHeinrichHaeckel)初次把生态学定义为“研究动物与其有机及无机环境之间相互关系的科学”，特别是动物与其他生物之间的有益和有害关系。

1989年美国通用公司的研究部副总裁RobertFrosch和负责发动机研究的NicolasGallopoulos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。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(SustainableDevelopment)

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”。

可持续发展的核心是发展，但要求在严格控制人口、提高人口素质和保护环境、资源永续利用的前提下进行经济和社会的发展。现代设计:

通过技术设计、成本设计和生态设计，把性能、利润和环境等目标融为一体，实现经济活动的可持续发展，最终实现人类社会的可持续发展。性能生态设计利润环境成本设计技术设计可持续发展的产品和工艺

影响材料的可持续发展有许多因素，主要有材料的环境影响评价，投入的资源和能源利用效率、工艺过程的环境负担性以及产品的环境设计等。

山本良一：设计+LCA生态设计＝设计：先进性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。3.2

生态设计的概念对材料产品而言，先进性是要充分发挥材料的优异性能，满足各行各业对材料产品的要求；经济性即考虑材料产品的成本，能够保证制造商的利润，维持经济活动的运转；协调性就是要保证在材料的生产和使用过程中与环境尽可能协调，维持生物圈循环过程的平衡；舒适性是指材料产品能够提高生活质量，使人类生活环境更加舒适。

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，还包括原材料、生产过程、产业系统、景观和建筑等。生态设计的定义：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，而这种考虑或许是决定产品成败的关键。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。生态设计的驱动力：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

传统设计（串行开环设计过程）：

市场分析产品设计生产制造

销售使用产品废弃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）生态设计的特点：产品生产者产品消费者废弃物回收、处理闭路循环

从摇篮到坟墓（传统的产品生命周期）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。

3.3.1

材料生产的资源效率3.3材料流理论、材料生产的资源效率和综合利用广义上说，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

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。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（Materialsflow），又称物质流(Massflow)，也称材料链(substancechain)。

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。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（1）4倍因子理论

（Factor4）

是德国WUPPERTAL气候、能源和环境研究所所长vonWeizsaecker

教授于90年代初首先提出来的。按1995年的数据，占全世界总人口20%的富人，每年消耗全世界82.7%的能源和资源；而80%的其他各阶层人士，每年消耗的能源和资源仅占世界总消耗量的17.3%。为了既保持已有的高质量的生活，又努力消除贫富之间的差异，von

Weizsaecker

计算得出，若能通过采取技术措施，将现有的资源和能源效率提高4倍，才有可能达到上述的目标。这就是4倍因子理论提出的依据。

几种代表性理论：17.30%人类只有一个地球，资源不能无限制提供，环境污染必须治理。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4倍.R——资源效率P——产品产出量I——原材料,能源投入量R＝＝

＝4PI20.5从资源效率角度减少了原材料消耗、增加产品的有效产出；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（Factor10）

由前德国WUPPERTAL气候、能源和环境研究所副所长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。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。

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（materialsinputperservice）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。针对投入和产出的效率问题，极值理论指出：对一定的原材料投入，有效产品的产出率越高，废弃物产生量就越小。从环境保护的角度看，就是要求最大的产出率和最小的废物排放率。

式中：I—物质总投入量；

P—有用产品产出量；

W—废物产出量。定义R=P/I

O=W/I

式中：R—资源效率，即有用产品产出量除以物质总投入量；

O—废物产出率，即废物产出量除以物质总投入量。

（3）极值理论通过材料流分析，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。

获得最小废物产出率获得最大资源效率显然，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。

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。

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。

一次资源的综合利用将某一生产过程中排出的废弃物直接作为下一生产过程的原料而加以利用称为一次资源的综合利用。从材料与环境的角度看，我国目前的一次资源综合利用

主要集中在3个方面，即矿业废弃物的综合利用、冶金废弃物的综合利用和化工废弃物的综合利用。

矿业废弃物综合利用的典型示例

二次资源的综合利用所谓二次资源综合利用是指将某种废物经过加工处理使其重新变为资源的过程，也称为废弃资源的再生利用。通过二次资源的综合利用，使物质的生产真正实现生产、消费、废物排放、加工处理、再回到生产的完全循环过程。与一次资源综合利用不同的是，二次资源利用是将已排放进入环境成为污染物的物质进行加工、处理，使之再次成为原料，其意义、技术、成本等与一次资源综合利用有本质的区别。从技术上分，二次资源综合利用可分为物理法、化学法、生物法等。物理法包括收集、运输、分选、破碎、精制等技术过程。成本较低，但所用物料再循环利用时性能下降，品质变差。化学法主要有热分解、燃烧发电等处理过程。如利用废旧塑料生产汽油及垃圾发电等。(改变废物性质)生物法主要是利用发酵过程对废弃物进行生物处理后进行再生利用。如通过生物处理技术对生活废弃物进行处理，培植食用菌和蘑菇。

除资源回收利用外，某些含碳固体废弃物还可进行能源回收利用。一些高分子废弃物燃烧时，发热量达33～42MJ/kg，甚至比煤高。

3.4

生态设计的基本原则和战略设法使趋于P最大，I与C趋于最小就可以实现生态设计－－生态设计的基础PerformanceCostImpact环境效益＝P/I产品价值＝P/C商品价值＝P/IC（*生态设计产品综合价值指标）PerformanceCostImpact产品各种性能权重之总和（比强度、耐腐蚀…..）生命周期成本＝生命全程中各种成本权重总和（原材料成本、制造成本、循环再生成本…..）生命周期环境影响＝生命全程中各种环境影响权重总和（温室效应、臭氧层破坏、酸化、资源枯竭…..）产品价值经济价值环境价值产品综合价值指标生态设计三要素和生态设计的基本原则使用资源丰富的材料，有效利用可再生资源；认识到存在并隐含于资源中的物质流问题，设法使用物质集约度更低的物品；选择材料环境影响值更低的物品；要求产品具有长寿命；对于在使用状态下环境负荷大的产品（家电、汽车、建筑物等）要力求采取彻底减轻环境负荷的措施；尽可能不用有毒物质或者采取替代措施，在不得已而用的情况下要做到完全循环再生。生态设计的战略生态设计是为了提高环境效率，即为了提高性能P与环境影响I之比P/I而进行的设计。显然，可以通过减小环境影响和提高利用效率两种途径来实现。首先，是如何减小对环境造成的影响的问题

必须使用环境影响小的材料；同时要设法降低物质集约度；采用环境效率高的生产技术和物流系统也是必要的；减少使用时的环境影响；并将使用后的循环再生率和再利用率最大化；

最终还必须减少对人类健康和环境的潜在危害。

其次，是如何提高利用效率的问题

需要采用结实耐用、长寿命且易于修理的设计。既要做到功能可以扩展，又要求易于再利用。设计时密切结合人们的心理需求，即要使产品漂亮的外观与功能都不能随时间变化而丧失。

根据上述要求生态设计有两种类型：现有材料生态化的再设计和新型生态材料的生态设计。3.5

生态设计的主要内容原材料的生态设计产品的生态设计生产过程的生态设计产业生态系统的生态设计减少原材料的使用量通过生态设计，在为人类提供同样的经济功能的同时相对或绝对地减少原材料的使用量。采用再循环原料尽量避免使用不可再生，或者需要很长时间才能再生的原料，如矿物燃料，金属铜等。尽量使用可以再循环利用的原料，可以减少原料在采掘和生产过程中的能耗。

地板砖、墙砖和台面

利用废旧的玻璃作为原料，生产的免烧瓷砖可以节省大量的资源和能源，而且这种瓷砖可以再利用。1、原材料的生态设计采用低能值原料在原料的采掘和生产过程中，需要的工艺过程愈复杂，所消耗的能源就越多。这种在采掘和生产过程中消耗大量能源的原料称为高耗能原料。

但是须注意：必须采用系统的和全生命周期的观点来看待，即全局看待其原料采掘、生产和使用过程。比如：

A碳纤维属于高耗能材料，但是其后续的使用过程中因为其具有良好的强度、硬度、抗老化等优良特性而节省能源。

B铝属于高能耗物质。但由于铝较轻，同时又易于回收，使用阶段用的能量较少。整合产品功能将几种功能或产品组合进一个产品中，则可节约大量的原料和空间。例如：

一种新型的阳台壁挂式太阳能热水器，其最大的特点是把平板-真空管太阳能集热模块镶嵌在阳台栏杆里，组成栏杆式太阳能集热器，实现了和建筑真正的结合2、产品的生态设计

优化产品结构通过优化产品结构可以达到优化产品功能及延长产品受用寿命的目的。产品部件的功能优化通过部件的标准化、规格化，有利于维修、更换、回收再利用；长寿命化，尤其是易损部件的长寿命化可提高产品的整体寿命；连接简化，采用容易拆卸的连接方法；重复利用化，经过翻修可达到原设计要求而再次使用。模块化设计指对一定范围内的不同功能、不同性能、不同规格的产品进行分析、划分并设计出一系列功能模块。通过模块的的选择和组合可以组装成不同的产品，易满足市场需求。同时，模块化设计也有利于产品使用后的拆卸，以最大限度地提高产品的可更新性，以满足不断变化的用户需求。易于维护和维修生态设计应保证产品易于清洁、维护和维修以延长产品的使用寿命。对用户，厂家应该提供维护和维修说明。对厂商，在设计时考虑产品的易运输性，维护/维修的技能及有关工具的开发；产品的难易程度；可否进行模块化易于再循环。产品设计人员在设计产品的时候，就要考虑产品生命终结后的去处，要充分考虑他们的再利用。

轮胎设计人员如果考虑到轮胎最终去处，可以改变轮胎的成分能够使燃烧更加有效，可以产生较少或根本不产生有毒物质，可以使轮胎在一定条件下更加快速、简单的分解，可以通过配方的改变使废旧轮胎更容易转化为一种新的产品。比如，废旧轮胎目前被利用主要途径是：废旧轮胎在回收厂里被破碎和分解成3类材料：小的轮胎块、钢丝和碎渣。3、生产过程的生态设计尽可能减少生产环节选择对环境影响小的生产技术使用清洁能源和材料建立ISO14001环境管理体系在上亿年的地球生命进化过程中，大致有三级生态系统。

生物进化的几种生态系统示意图

在人类远古时期到处可见，比比皆是

在工业革命以后才有，而且除资源的提供变得有限外，日益加剧的环境问题使得排放也不像往日那样可以随意了，环境对各种废物的消纳能力日趋饱和人类进化最理想的代谢应该是三级生态系统,系统内已形成物质的闭路循环，没有资源和废物的区别，一切生物过程进化成以完全循环的方式进行。对一个生物体来说需要排出的废料，对另一个生物体来说却是资源。整个生态系统仅需要诸如太阳能一类的外部能源输入即可。

4、产业生态系统的生态设计将产业生产过程比拟为一个自然生态系统，系统只有有限的资源和能源输入，类似于自然界的三级生态系统，一切过程都在系统内以完全循环的方式进行。

在这里，系统包括材料的提炼、制造、使用、废弃到再循环；系统的范畴涉及材料、产品、工业部门，直到国家和地区；优化的内容包括资源、能源，甚至资本等。理想的工业生态系统示意图

生态工业园区（卡伦堡共生体系）

生态工业园是建立在一块固定地域上的由制造企业和服务企业形成的企业社区。在该社区内，各成员单位通过共同管理环境事宜和经济事宜来获取更大的环境效益、经济效益和社会效益。整个企业社区所能获得的效益比单个企业通过个体行为最优化所能获得的效益之和还要大。

生态工业园区（卡伦堡共生体系）凯隆堡生态工业园的经济效益和环境效益关于卡伦堡共生系统，可归纳三点结论：第一，共生系统的形成是一个自发的过程，是在商业基础上逐步形成的，所有企业都从中得到了好处。每一种“废料”供货都是伙伴之间独立、私下达成的交易。交换服从于市场规律，运用了许多种方式：有直接销售，以货易货，甚至友好的协作交换（比如，接受方企业自费建造管线，作为交换，得到的废料价格相当便宜）。

第二，共生体系的成功广泛地建筑在不同伙伴之间的已有信任关系基础上。卡伦堡是个小城市，大家都相互认识。这种亲近关系使有关企业间的各个层次的日常接触都非常容易。第三，卡伦堡共生体系的特征是几个既不同又能互补的大企业相邻。要在其他地方复制这样一个共生系统，需要鼓励某些“企业混合”，使之有利于废料和资源的交换。

在原则上工业生态园区的设想是极为简单的，但实行起来却一点也不容易。表面上看起来，它甚至可能违反我们的良知，比如，我们可以设想下述情形，当一个企业需要增加它的废料生产（而不是减少），在另一个邻近企业能否将其作为原料来接受。此外，工业生产工艺通常地都设计使用符合严格的纯净标准和质量标准的天然原料。这就使其回旋余地很小。但一般而言，每当为使副产品和废料能为别的企业所用而进入改造生产工艺流程的细节时，经常会遇到技术上和经济上难以克服的困难。在这样的条件下，企业家们，如同生态工业园区的推举者们一样，在初期对这一新生事物持保留态度。工业生态园区不可能一夜之间出现并可供实际操作运行，但其思想已经开始发扬光大。

困难：美国学者罗伯特.福罗什指出：“工业生态系统的概念与生物生态系统概念之间的类比不一定完美无缺，但如果工业体系模仿生物界的运行规则，人类将受益无穷”。

因此人类的生产活动和消费活动应该师法自然，

宏观仿生。生态工业园区链(石化)石化炼油废气发电厂石膏建材公司热民生养殖煤灰水泥公司太阳能汽电共生天然气甲醇汽油裂解燃料电池CO2地下储槽油井加压消防,超临界流有价金属利用有机溶剂回收半导体汽车橡胶农业产品食品加工厂汽电共生堆肥发酵肥料,饲料沼气-生物能制药公司有机污泥畜牧食物酿造发酵制糖制纸纤维加工高附加价值生化,萃取液编织品废料能源化废水处理浇灌生态工业园区链(农业)矿区采矿金属炼治再生能源电子废料回收炼治物料交换循环再用金属回收边料及污泥氧化镁回收非晶质矽氧回收肥料合成

炼钢化工原料

建材化焚化灰(炉)渣生态工业链(冶金)生态化社区太阳能居民中水回收绿建筑生活污水废余树枝处理后浇灌堆肥后农作施肥废弃物燃料高透水率深圳可建生态工业园发展循环经济

美国国家工程院院士、前康奈尔大学副校长诺姆·斯科特是生物能源方面的知名专家，09年在北京大学深圳研究生院环境与