基于LCA的电器电子产品生态设计策略研究

李　芸　张明顺

(北京建筑大学环境与能源工程学院/北京应对气候变化研究和人才培养基地/

北京电子废物资源化国际科技合作基地，北京　100044)



基于LCA的电器电子产品生态设计策略研究

李芸张明顺

(北京建筑大学环境与能源工程学院/北京应对气候变化研究和人才培养基地/

北京电子废物资源化国际科技合作基地，北京100044)

【摘要】本文首先从生命周期评价概念入手，分析生命周期评价技术框架的四个组成部分：目标定义和范围界定、清单分析、生命周期影响评价和改善评价；然后从生命周期评价的角度阐述电器电子产品生态设计的概念；并对传统产品设计与基于LCA的电器电子产品生态设计进行比较分析；最后从四方面探讨基于LCA的电器电子产品生态设计具体策略，包括电器电子产品系统的生态辨识与诊断、电器电子产品系统环境影响评价与比较、新电器电子产品的生态设计与开发、电器电子产品系统再循环工艺设计。

【关键词】生命周期评价；电器电子产品；产品生态设计

引言

随着现代科学技术和工业设计的高度发展，电器电子产品更新换代的周期越来越短，中国是全球最大的电器电子产品生产和消费国之一，每年电器电子产品的制造与使用耗费大量的能源与材料，其拥有量和电子废物产生量的迅速增长，加剧了全球生态环境的恶化、危害了人类的身体健康。自2003年以来，我国废弃电器电子产品每年会产生5亿多吨的危险有毒有害物质，成为巨大的污染源。因此，如何减少我国电器电子产品全过程的能源与(初级)材料消耗和降低环境影响，是电器电子产品设计行业面临的严峻问题。同时为追求可持续发展，实现循环经济的健康发展，产品生态设计成为设计界的一大趋势。为实现对产品全生命周期过程的资源消耗和环境影响的全面优化设计，基于生命周期评价(Life-Cycle Assessment)的电器电子产品生态设计是国际上普遍认同的有效途径。

1生命周期评价

1.1生命周期评价的定义

生命周期评价(LCA)是一种面向产品系统的环境管理工具，兴起于90年代，已被很多政府和企业广泛应用。生命周期评价(LCA)是一种评价产品、工艺或者活动从原材料采集，到产品生产、运输、销售、使用、回收、维护和最终处置(产品系统)整个生命周期阶段有关的环境负荷的过程，并对整个过程进行跟踪、定量分析与定性评价。首先辨别和量化整个生命周期阶段中能源和材料的消耗以及环境排放，然后分析评价消耗和排放对生态环境的影响，最后识别出能有效减少环境影响的机会与措施。生命周期评价(LCA)的基本思想框架如图1所示。目前，已经有很多组织对其进行了定义，最有权威性的是国际标准化组织(ISO)和国际环境毒理学和化学学会(SETAC)[1，2]。

图1　生命周期评价的基本思想[2]

1990年环境毒理学与化学学会(SETAC)对生命周期评价的定义是：生命周期评价是一种对产品、生产工艺以及活动对环境的压力进行评价的客观过程，它是通过对能量和物质利用以及由此造成的环境废物排放进行辨识和量化来进行的。其目的在于评估能量和物质的利用以及废物排放对环境的影响，寻求改善环境影响的机会以及如何利用这种机会。这种评价贯穿于产品、工艺和活动的整个生命周期，包括原材料提取与加工；产品制造、运输以及销售；产品的使用、再利用和维护；废物循环和最终废物弃置[3，4]。

1.2生命周期评价的技术框架

1993年环境毒理学与化学学会(SETAC)在《生命周期评价纲要：实用指南》中将生命周期评价的基本结构归纳为4个有机联系的部分：定义目标与确定范围(Goal Definition and Scoping)、清单分析(Inventory Analysis)、影响分析(Impact Assessment)和改善评价(Improvement Assessment)[4]。

1.2.1目标定义和范围界定

这是LCA的第一步，对整个评价工作程序和最终的研究结论具有直接影响，是最关键的部分。主要包括：确定研究目标和范围、建立功能单位、建立保证研究质量的程序等。研究目标确定，首先要明确完成LCA的原因和目的，以及研究结果的预期使用目的。研究范围的界定包括定义所研究的系统、系统边界、功能单位、环境影响类型，并说明数据要求和数据分配程序，指出假设条件、限制条件和原始数据质量要求。研究范围的界定要保证研究的广度、深度和详尽程度与目标要求的一致性，使所研究产品、活动或技术工艺的生命周期的各个环节都包含在系统的边界内[5-8]。

1.2.2清单分析

是对一种产品、工艺过程或活动在其整个生命周期内的能量与物质需求量以及对环境的释放进行的以数据为基础的客观量化过程。这个客观评价过程贯穿于产品整个生命周期，包括：原材料的提取、制造、销售、使用和废弃处理。要对其各个阶段的能源投入和资源消耗以及排放的各种环境负荷物质进行数据收集。清单分析的简化程序如图2所示。

1.2.3影响分析

影响评价是生命周期评价的核心内容，主要是对清单分析中辨别出的污染物环境负荷影响进行定量和(或)定性分析。主要由影响分类、特征化和量化三部分组成，这也是ISO、SETAC和英国EPA都认可的影响评价“三步走”模型，如图3所示。目前，按照环境影响项目进行分类，通常包括三大类：资源耗竭、生态影响和人类健康，然后评价每个类别的影响程度，国际上对温室效应、酸化效应、臭氧层破坏、生态毒性、光化学烟雾形成、人体健康损害等环境影响类别、参数、污染物和作用范围基本形成一致。特征化即按照影响类型建立清单数据模型。特征化是分析与定量中的一步。量化即加权，是确定不同环境影响类型的权重，以此得到总的环境影响水平的过程[9-11]。

图3　生命周期影响评价概念化框架[2]

1.2.4改善评价

改善评价是系统地评估产品在整个生命周期内减少能源、原材料使用以及环境释放的需求与机会的分析以及定量、定性的改进措施。为了保证每个功能单位的环境性能都能得到改善，对产品和过程的物质与能量投入以及输出的废物对环境的污染都要进行评价。改善的成果依据于清单分析与影响评价的二者结合。我们不能忽略对改善机会的评估，以便保证不产生额外的负面影响而削弱提高的机会。对于改善评价的研究目前仍处于发展最不足的阶段，而且其理论与方法的研究较少[2，6，12，13]。

2基于LCA的电器电子产品生态设计的概念

2.1生态设计的概念

“生态设计”又称为“绿色设计”(Green Design)或“面向环境的设计”(Design for Environment)都强调将环境影响降低到最小程度的设计。狭义上的生态设计是指将工业生产过程比拟为一个自然生态系统，对系统的输入(能源与原材料)、输出(产品与废物)与环境影响进行综合平衡。而广义上的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[14，15]。

2.2产品生态设计

产品生态设计是指在产品的全生命周期内，重视与充分考虑将环境因素融入到产品设计中，努力降低产品在每个生命周期阶段的环境影响，旨在改善产品整个生命周期的环境性能[16]。

2.3基于LCA的电器电子产品生态设计概念

电器电子产品生态设计是指在可持续发展的大环境下，按照全生命周期的理念，在电器电子产品的设计意识、设计定位及设计方法等问题上将生态意识、环境因素融入到整个设计理念中，即在电器电子产品生命周期内(设计、制造、运输、销售、使用或消费、废弃处理)，优先考虑产品的资源环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等)，通过改进设计将电器电子产品的环境影响减少到最低程度，力求最大限度降低资源消耗、尽可能少用或不用含有毒有害物质的原材料，减少污染物的产生和排放，从而实现环境保护的活动，并切实考虑到环境、人类健康和安全，最终引导产生一个更具有可持续性的生产和消费系统[17，18]。生态设计是改变“先污染后治理”的发展方式、实现污染防治的重要措施，是落实生产者责任延伸制度的要求。

3传统产品设计与基于生命周期评价的产品生态设计对比

基于生命周期评价的产品生态设计与传统的产品设计存在很大的不同。基于全生命周期的产品生态设计不仅仅注重产品的性能、质量、市场要求、成本、安全要求，更加强调产品对环境的影响、对人体健康的影响以及产品本体、组件、材料与能源的多级循环利用，实现闭合循环的供应链系统[19-21]，发展循环经济体系。两者之间的区别如表1所示。

表1　基于生命周期评价的产品生态设计与传统产品设计的比较

4基于LCA的电器电子产品生态设计具体策略

LCA作为一种评价、管理和设计产品、工艺或整个生命周期环境影响的分析工具与设计原则。它起源于企业内部，最先在企业部门得到广泛应用，世界级跨国公司惠普、贝尔、飞利浦、西门子等很早就开始了生命周期评价的方法论研究，并对其产品进行生命周期评价。目前该理论广泛应用于工业部门中，不仅包括产品，还有工艺与技术、农业与服务业；环境管理，包括废物管理、与清洁生产审核相结合；作为环境标志的评价方法；环境工程中的应用；LCA相关软件、数据库的开发以及其他领域等。LCA在工业部门的主要应用领域可归结为4个方面：产品的生态辨识与诊断、产品环境影响评价与比较、生态产品设计与新产品开发、再循环工艺设计。因此，基于生命周期评价的电器电子产品生态设计将从这四个方面进行展开，应用于产品生态设计的各个阶段[6，22-24]。

4.1电器电子产品系统的生态辨识与诊断

基于电器电子产品全生命周期过程的分析与评价，不同产品、不同的生命周期阶段的环境影响是不同的，即它们的能耗与碳足迹在产品的生产、分配、使用等阶段的比例是不同的，其主要取决于电器电子产品的类型[25]。对于高效节能电器电子产品的开发，其间接生产和使用阶段的能耗、碳足迹与产品生命周期的直接使用阶段的能耗、碳足迹之间存在此消彼长的关系。一般高效节能产品在直接使用阶段的能耗低，那么它在材料选取和生产阶段的间接生产能耗和间接使用能耗比重就会高，反之亦然。对于某些电器电子产品来说，如热水器或者照明相关产品在使用阶段的总能耗比占产品总能耗(产品直接能耗和间接能耗相加)90%[26]，在间接生产和间接使用阶段的能耗只占了10%；像小型电子设备，如电动钻、手机或者数码相机在生产阶段的能耗、物耗、碳足迹占主导地位。电器电子产品的环境生命周期影响是趋向于“使用型主导”还是趋向于“材料与生产型主导”主要取决于五个因素：制造过程中所使用的大量材料、电子元件的比例、功率需量、使用频率、产品寿命。我们可以通过这五个因素对电器电子产品系统进行生态辨识，并诊断出需要改善的环节，针对性地解决产品系统存在的问题，实现低能耗、低物耗、低影响、多级回收利用的绿色电器电子产品。

4.2电器电子产品系统环境影响评价与比较

基于电器电子产品系统的全生命周期过程对不同设计方案或者替代产品设计(或工艺)进行评价与分析比较，选择环境影响最小的设计方法。不仅要对产品的生产、分配和使用阶段进行能耗、物耗和碳足迹的评估，同时也要对产品生命周期末端的处置以及回收再利用方式进行评价比较。例如：惠普的“闭环式”墨盒回收计划与传统工艺设计的墨盒相比较。惠普通过闭合材料的循环供应链、利用废物管理的设计和提供服务模型，以“闭环式”供应链代替线性的生命周期。“闭环”就是指在新的惠普原装墨盒生产过程中，可以使用惠普原装墨盒的回收材料和其他来源的RPET塑料，如废弃塑料瓶等。到目前为止，11年间，惠普共使用了1.08亿磅的来自大约3.82亿个惠普墨盒和收集的30亿个塑料瓶的回收塑料生产新的惠普原装墨盒，极大地减少了塑料垃圾填埋的数量。其环境影响远远低于传统工艺设计的墨盒。

4.3新电器电子产品的生态设计与开发

LCA可直接应用于新产品的设计与开发中，例如，最新发布的《旧手机回收价值调研报告》对现有的大部分手机进行了产品的全生命周期评价，发现用户更换手机周期已经缩短到18个月，用户淘汰的废旧手机量越来越多。如中国，截止到2014年2月，每年产生的废弃手机大约有1亿部，超过6000多吨电子废弃物。废旧手机主要由塑料外壳、锂电池、线路板、显示器等几部分组成。这些部件中含有铅、铬、汞等有毒有害物质，在后期处理阶段如果处置不当或随意抛弃将会严重污染土壤和地下水，对人类的身体健康构成巨大威胁。而且废旧手机中含有少量有价金属，特别是贵金属，具有再利用价值。当前，谷歌推出了模块化手机项目(Project Ara)[27]。模块手机(Phoneblocks)是由荷兰设计师Dave Hakkens提出的模块化智能手机设计概念，它允许消费者自由组装、替换或者移除任何的零部件，包括处理器、屏幕、键盘、电池及其他等等手机常见的零部件，并且按照个人需求与喜好组装自己的手机，这样可以方便消费者替换存在故障或过时需升级的零部件，或者将手机功能扩展到一个特定的方向，例如喜欢摄影的用户，可以安装强大的摄像头功能[28，29]。模块化手机项目在资源效率方面，其最大的优势就是从源头上最大限度地减少电子垃圾的产生量和延长产品的生命周期，实现了资源利用效率最大化，将环境影响降到最小。

图4　生命周期末期产品首次丢弃后处理策略的环境优先级[28]

4.4电器电子产品系统再循环工艺设计

对大量电器电子产品的生命周期评价结果表明，产品生命周期末端的处理存在严重的问题。其根本问题就是资源没有得到有效的回收循环再利用，没有对电子废物进行多级回收再利用。因此，要解决电器电子产品退出服务阶段的废物管理问题，第一要坚持“为可循环而设计”，具体办法包括：易于拆解；产品上有拆解说明；拆解时没必要翻转电器；尽量使用较少种类的不同物质；部件上有物质说明；使用简单的材料；不要混合材料；不要使用胶水或可溶解性胶水；标准化；使用弹簧扣；让组成物质可见；通过组合减少零部件、使用螺母螺栓连接；使部件一体化；不要油漆，保留其本来颜色。第二要坚持“为可拆解而设计”，尽可能少地使用连接材料，要容易拆解与处理；产品物料组成中，避免使用不环保的元素；极少使用阻燃剂；避免在塑料中添加卤素，可以降低剩余部分焚烧成本；特别注意(无铅)焊接中的铋；避免使用镉、汞电池；避免用镍、锡、锌电镀，增加再生物的价值。第三是能够将材料分类回收、返修，便于用户进行资源分类与回收；建立完善的回收系统，促使资源回收、循环再生、多级回收再利用(如图4)[30-36]。

5结语

基于全生命周期的电器电子产品生态设计是满足产品环境要求，实现可持续发展的重要工具，也是环境保护政策的重要组成部分，也将为产业生态学的发展带来新的生产与消费模式。目前，LCA在产品生态设计上的研究，大部分还是以研究机构和学校为主导，还没有广泛应用于企业或工业部门，所以，产品生命周期的生态设计的推广还要依靠政府和工业部门的通力合作。将其应用于新产品开发与现有产品的升级换代，开展产品生命周期评价，深入推广产品生态设计。

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Research on Strategies of Electrical and Electronic Equipment

Eco-design Based on the LCA Theory

LI YunZHANG Mingshun

(School of Environment and Energy Engineering/Beijing International Cooperation Base for Science and Technology of Electronic

Waste Resource Recovery，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

Abstract：The paper starts with the concept of life cycle assessment. The methodological framework of life cycle assessment consists of four parts：definition of goal and scope，inventory analysis，impact assessment and improvement. Then from the perspective of life cycle assessment this paper explains the concept of electrical and electronic equipment Eco-design and analyzes the differences between traditional product design and electrical and electronic equipment eco-design based on LCA. Finally，this paper discusses the strategies of electrical and electronic equipment eco-design，including electrical and electronic equipment identification and diagnosis，assessment and comparison of electrical and electronic equipment environment impact，electrical and electronic equipment design and development and recycle process design.

Keywords：Life Cycle Assessment；Electrical and Electronic Equipment；Product Eco-design

中图分类号：X21

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)01-0090-05

作者简介：李芸，硕士，主要研究方向为欧盟环境规划与管理；张明顺，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为环境规划与管理、电子废弃物资源化利用等

项目资助：(1)欧盟“采用废物跟踪系统，提高电子废物资源利用和环境保护水平”项目；(2)北京建筑大学“城乡建设与管理”产学研联合研究生培养基地项目

引用文献格式：李芸等.基于LCA的电器电子产品生态设计策略研究[J].环境与可持续发展，2016，41(1)：90-94.