第1章　緒論

1.1　研究背景概述

自18世紀中葉工業革命以來，隨著生產力的迅猛發展，人類社會發生了翻天覆地的變化，物質需求得到極大滿足的同時，資源與環境問題也日益突出。環境與發展已成為近半個世紀以來全球性關注的重大問題之一。

1.1.1　自然資源大量消耗

產品是人類創造繁榮的社會經濟，享受豐富物質生活的重要媒介之一。量大面廣的機電產品幾乎涵蓋了當今社會的大部分工業與民用領域，已成為社會生產和人們生活的基本要素之一。特別是在制造業大國的我國，機電產品對國民經濟的影響舉足輕重，更是出口創匯的支柱產業。據統計^[1]，國民經濟各部門使用的21類機電產品所消耗的電力占全國發電量的60%～80%，所消耗的汽油占全國汽油產量的55%～60%。

作為人類改造自然與利用自然的產物，機電產品及其生產過程歸根到底離不開自然資源與環境。其中使用歷史最久、消耗最多的是礦物燃料和金屬礦藏。雖然通過勘探技術的進步能使得探明儲量在短時期內有所增加，但是它們在地殼中的含量都是有限的，資源總儲量不可否認是在不斷減少的，而能夠循環利用或回收再利用的很少，且利用程度有限，況且礦物燃料則是完全無法重復利用的。資料顯示^[2]，現階段中國百分之九十以上的能源、八成以上的工業原料、七成以上的農業生產資料來源于礦產資源。世界范圍內，按照目前的礦產開采水平，大部分礦產儲量可開采20～40年，石油約為40年，煤也只有200年左右，作為機電產品及其生產過程中不可或缺的稀有金屬，其消耗速度更加驚人^[3]。這與人類生存發展時間相比微不足道，而目前我們還沒有找到這些礦產可能的替代物。

1.1.2　生態環境持續惡化

大量無節制的資源利用與轉化過程直接對我們賴以生存的生態環境產生了顯著影響。從近代歷史上的幾次重大環境污染事件（例如20世紀40年代美國洛杉磯光化學污染事件，50年代初期英國倫敦的煙霧污染事件，60年代初期日本水俁污染事件等）到近些年的極端天氣事件的“常態化”（海嘯、沙塵暴、干旱、暴雨、高溫等頻繁發生，且一再突破歷史記錄），人類正在面臨著更加復雜和不斷惡化的生態環境，主要表現在人體健康的破壞、全球氣候變暖、臭氧層破壞、水體污染、生物多樣性消失等問題。

現代人類生活方式的改變在某種程度上加速加劇了環境的變化。例如越來越短的產品使用壽命（并非產品喪失了原有的功能，而是消費者選擇了更新、更好的產品）造成數量越來越多的廢棄物；越來越多的人選擇汽車作為代步工具，汽車尾氣已成為城市空氣質量下降的主要原因；空調的使用范圍與時間越來越長，消耗了大量的電力能源。

我國作為人口最多，經濟發展最快的發展中國家，可以預見，未來相當長的時間內，伴隨著社會與經濟的進一步發展，環境的瓶頸制約與脅迫影響將日益嚴峻^[4]。

1.1.3　可持續發展戰略的提出與興起

隨著世界人口的不斷增加，生活水平不斷提高，人類對能源和資源的開發利用強度愈來愈高，我們在感嘆工業化進程帶來的偉大變革的同時，不得不面對資源短缺、生態環境惡化的嚴峻現實。20世紀70年代初期，世界各國普遍意識到傳統發展模式給人類帶來的生存危機，以及社會發展與環境友好之間的重要性，于1972年發表了《聯合國人類宣言》，提出了環境問題的極端嚴重性，并宣告人類采取共同行動保護地球。自此可持續發展的戰略開始在世界范圍內得到重視和發展。李方義在其博士論文^[5]中，對世界各國早期環境保護方面的法規政策進行了系統的總結。

我國中長期科技發展規劃（2006—2020）明確指出，把節約資源作為基本國策，發展循環經濟，保護生態環境，促進經濟發展與人口、資源、環境相協調，實現可持續發展^[6]。

1.1.4　綠色設計相關技術的早期研究

產品設計是改變產品生產方式的關鍵環節，也是實現可持續戰略的基本途徑之一。

綠色設計（Green Design）又稱生態設計（Ecological Design）、面向環境的設計（Design for Environment）、環境意識設計（Environmental Con-scious Design）或生命周期設計（Life Cycle Design），提法雖有所不同，但內涵是相似的。劉志峰^[7]將其歸納為：在產品生命周期內，著重考慮產品環境屬性（自然資源的利用、環境影響和可拆卸性、可回收性、可重復利用性），并將其作為設計目標，在實現其應有的基本功能、使用壽命、經濟性和質量等基礎上，同時使產品滿足生態環境目標要求。

因此，綠色設計與綠色制造作為制造業可持續發展的關鍵、共性支撐技術得到了長足的發展。綠色設計技術的早期研究主要集中于以下幾個方面。

1.生命周期評價技術

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）的概念起源于20世紀60年代末。1969年可口可樂公司委托美國中西部研究所（Midwest ResearchIn-stitute，MRI）對飲料容器進行了評價^[8]，揭開了生命周期評價的序幕。

1990年，國際環境毒理學和化學學會（Society of Environmental Toxicology and Chemistry，SETAC）對生命周期評價進行了定義^[9]：生命周期評價是一個評價產品過程或其活動給環境帶來的負擔的客觀方法。該方法通過識別和量化所用的能量、原材料以及廢物排放來評價與產品及其行動有關的環境責任，從而得到這些能量和材料應用以及排放物對環境的影響，并且對改善環境的各種方案做出評價。評價包括產品及其過程或行動的整個生命周期。

國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）于1993年6月正式成立了“環境管理標準技術委員會”（TC207），專門負責環境管理工具及體系的國際標準化工作，其中SCS分委員會專門負責LCA標準的制定。該組織于1997至2000年間陸續頒布了生命周期評價系列標準（包括原則與框架ISO 14040：1997；目的與范圍的確定與清單分析ISO14041：1998；生命周期影響評價ISO 14042：2000；生命周期解釋ISO14043：2000），并在2006年進行了修訂（原則與框架ISO 14040：2006和ISO 14044：2006^[10，11]）。我國隨即頒布了對應的生命周期評價系列國家標準。

美國環境保護署（EPA）對LCA早期的36種主要影響評價方法進行了分析^[12]。

2.綠色設計基本概念、理論方法研究

綠色設計的概念于20世紀90年代初期提出并迅速成為研究的熱點。早期的研究主要集中于基本概念和方法體系兩個方面。

Alting Leo較早提出了全生命周期設計理論^[13]，分析了從產品概念設計到產品使用、廢棄處理等環節中的環境影響問題，對產品設計中減少能源消耗和便于拆卸的方法和技術進行了探討^[14，15]，并從功能、結構、生命周期和零部件四個層次建立了綠色產品設計過程的總體框架^[16]。

ZuestR.等對產品生命周期中的環境影響定量評價方法進行了討論，提出了考慮成本、材料流、能量流、危害、風險和倫理影響等因素的綜合量化評價思路^[17]。BrezetH.建立了一種綠色設計分類模型^[18]，他將綠色設計分為四種類型，即產品改進、產品再設計、功能創新和系統創新，按此次序產品的環境性能或生態效益的改進程度不斷提高，但實現的時間卻會越來越長。

ZhangY.等學者在GQFD理論研究基礎上，綜合考慮質量、環境和成本三方面內容又提出了改進的GQFD-Ⅱ方法^[19]。該方法包含三個階段：通過質量屋、環境屋和成本屋識別技術需求；通過對質量、環境和成本的評價生成產品概念設計；通過各生命周期矩陣模型對產品結構和過程進行設計。

3.軟件工具及實例研究

隨著理論研究的不斷深入，很多企業和研究者開始嘗試采用綠色設計方法對產品的環境性能進行改進設計，例如文獻[20-22]分別介紹了綠色設計與綠色制造技術在通信產品中的應用。文獻[23-25]對計算機產品的主要環境影響進行了評價和改進設計。文獻[26，27]對材料環境性能及其生產過程中的能源消耗與環境影響進行了研究。LiK.K.應用生命周期評價方法對產品設計中的材料最小化技術進行了研究，通過減少產品輸入輸出信息分析，減少資源的消耗和環境排放^[28]，并根據我國臺灣地區的應用經驗，提出了基于綠色技術的LCA框架^[29]。

在綠色設計實踐研究中，有些研究者和機構逐漸開始從事綠色設計軟件工具和數據庫的開發建設，并有許多企業參與其中。例如Glantschnig W.J.對綠色設計早期所面臨的問題與挑戰進行了系統分析，指出復雜的綠色產品設計需要實用化的工具支持^[30]。20世紀90年代初期，Navinchandra D.對綠色設計工具進行了初步的研究^[31]，提出用綠色設計指數幫助設計者完成評價、比較和決策。WixomM.R.等開發了第一代機電產品的“Green Design Advisor”原型系統^[32]。KassahunB.等人面向電子器件的綠色設計建立了一種設計軟件的框架結構^[33]。FeldmannK.等人基于面向環境設計理論新成果對GDA軟件進行了提高和改進^[34]。

歐美各國由企業和研究機構聯合開發綠色設計支持軟件的模式取得了巨大成功。例如由荷蘭工業界、研究機構和政府部門共同開發ECO-indica-tor、德國PE國際有限公司開發Gabi、荷蘭PRé咨詢公司開發Simapro、法國Ecobilan公司開發TEAM^TM軟件等經過多個版本的改進和數據庫的擴充后，目前在世界各地應用非常廣泛。