聶祚仁，劉　宇，孫博學，王志宏，左鐵鏞

(北京工業(yè)大學材料科學與工程學院，北京 100124)

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材料生命周期工程與材料生態(tài)設(shè)計的研究進展

聶祚仁，劉宇，孫博學，王志宏，左鐵鏞

(北京工業(yè)大學材料科學與工程學院，北京 100124)

摘要：材料生命周期工程以生態(tài)設(shè)計為主導(dǎo)，以滿足性能需求、節(jié)約資源、保護環(huán)境為目標，將毒害組分替代、綠色工藝規(guī)劃、清潔生產(chǎn)、資源循環(huán)等諸多技術(shù)與理論應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)優(yōu)化材料產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境表現(xiàn)，是由材料科學、制造科學和環(huán)境科學深層次交叉而形成的國際重要科學研究前沿領(lǐng)域?；仡櫫藝鴥?nèi)外材料生命周期工程的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，通過分析其技術(shù)內(nèi)涵，解釋了生命周期工程與生態(tài)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)要素的科學關(guān)聯(lián)，并指明了生態(tài)設(shè)計是實現(xiàn)生命周期工程思想的關(guān)鍵技術(shù)問題。結(jié)合我國材料行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了適用于材料產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計理論框架與實施步驟，分別構(gòu)建了基于性能-需求矩陣、資源耗竭模型、生命周期評價的材料性能、資源消耗與環(huán)境影響的量化分析方法，形成了可綜合統(tǒng)籌不同設(shè)計指標、面向材料產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計評價方法，為生態(tài)環(huán)境材料的開發(fā)與應(yīng)用提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：生命周期工程；生態(tài)環(huán)境材料；生態(tài)設(shè)計；生命周期評價

1前言

材料作為社會經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，在推動人類文明進步的同時，又是自工業(yè)革命以來資源、能源消耗與污染物排放的主要來源。據(jù)統(tǒng)計，我國鋼鐵、建筑材料、化工材料和有色金屬四大類材料生產(chǎn)能耗占全國總能耗的30%以上，占工業(yè)總能耗的50%以上[1]；廢水、廢氣和固體廢棄物占全國工業(yè)排放總量的比重分別在20%、40%和60%左右[2]。面對資源日漸匱乏、能源漸趨短缺、環(huán)境問題日趨嚴峻等全球普遍關(guān)注的熱點問題，強調(diào)材料與資源、環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，大力推進材料的生態(tài)化進程已經(jīng)成為未來發(fā)展的重中之重。

“十二五”期間，隨著社會與企業(yè)環(huán)保意識的不斷提高，生態(tài)環(huán)境材料的制備技術(shù)與評價方法不斷完善，環(huán)境問題已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)與企業(yè)決策時考慮的主要因素之一。節(jié)能環(huán)保技術(shù)的大量應(yīng)用不僅緩解了材料生產(chǎn)本身與資源環(huán)境的巨大矛盾，而且向下游行業(yè)輻射，通過材料的性能優(yōu)化促進建筑、交通等部門的節(jié)能減排，取得了很好的成效[3-5]。雖然可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為了產(chǎn)業(yè)界的廣泛共識，但是經(jīng)濟效益依然是產(chǎn)業(yè)運行的主導(dǎo)因素，出于自身經(jīng)濟效益最大化的考慮，生態(tài)環(huán)境材料及相關(guān)環(huán)保技術(shù)的廣泛應(yīng)用仍存在較大阻力，導(dǎo)致技術(shù)水平與發(fā)達國家存在一定差距?？傮w來看，傳統(tǒng)材料行業(yè)尚未完全脫離依靠投資增量擴張和以生產(chǎn)要素驅(qū)動的發(fā)展模式。因此，開發(fā)面向環(huán)境友好的材料設(shè)計新理論與新方法，通過材料的設(shè)計、制備、回收等一系列環(huán)節(jié)的技術(shù)革新，減低材料產(chǎn)品在整個生命周期中對環(huán)境的影響，是我國經(jīng)濟社會發(fā)展、提高產(chǎn)品國際競爭力的重要措施與內(nèi)在需求[6-7]。

生命周期工程(Life Cycle Engineering，LCE)以生態(tài)設(shè)計為主導(dǎo)，以滿足使用性能、節(jié)約資源、保護環(huán)境為目標，將毒害替代、綠色工藝規(guī)劃、清潔生產(chǎn)、資源循環(huán)等諸多技術(shù)與理論應(yīng)用到材料與產(chǎn)品的生命周期中，系統(tǒng)優(yōu)化全產(chǎn)業(yè)鏈條的性能、成本與環(huán)境表現(xiàn)，是由材料科學、制造科學和環(huán)境科學深層次交叉而形成的國際重要科學研究前沿領(lǐng)域[8](圖1)。生態(tài)設(shè)計(Eco-design)，又稱生命周期設(shè)計，是生命周期工程理論的主導(dǎo)與核心，其主旨是指將環(huán)境因素納入到產(chǎn)品設(shè)計中，在保證產(chǎn)品使用性能與經(jīng)濟可行性的同時，最大限度降低產(chǎn)品全生命周期對環(huán)境影響的設(shè)計方法[9-10](圖2)。研究表明，約80%的資源消耗和環(huán)境影響均取決于產(chǎn)品設(shè)計階段，在設(shè)計階段充分考慮現(xiàn)有技術(shù)條件，優(yōu)化解決各個環(huán)節(jié)的資源環(huán)境問題，可以最大限度實現(xiàn)資源節(jié)約，從源頭上削減甚至避免環(huán)境污染。

材料行業(yè)是生命周期工程與生態(tài)設(shè)計應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，其直接關(guān)系到下游行業(yè)(如建筑、交通等部門)產(chǎn)品的性能與環(huán)境表現(xiàn)。傳統(tǒng)的材料生產(chǎn)方式側(cè)重于產(chǎn)品本身的屬性和市場目標，把生產(chǎn)和消費造成的環(huán)境問題留待以后的末端治理；而生態(tài)設(shè)計從可持續(xù)發(fā)展的高度審視產(chǎn)品整個生命周期，在產(chǎn)品設(shè)計之初充分考慮資源和環(huán)境問題，從源頭節(jié)能治污；生命周期工程則是在生態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)上，進一步推行生產(chǎn)、使用、回收等過程的技術(shù)革新與管理升級，從全產(chǎn)業(yè)鏈條的各個環(huán)節(jié)降低甚至消除材料與產(chǎn)品對環(huán)境的負面影響。材料生命周期工程要求材料的設(shè)計面向生命周期全過程，在對材料的使用性能、資源消耗與環(huán)境性能進行量化分析的基礎(chǔ)上，追求在環(huán)保性、經(jīng)濟性、技術(shù)性以及市場性等廣域范圍內(nèi)的最優(yōu)解，并通過在材料的制造、管理、回收等環(huán)節(jié)中持續(xù)的技術(shù)革新與工藝參數(shù)優(yōu)化，有效降低材料產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境影響。

圖1　材料生命周期工程技術(shù)的研究內(nèi)容Fig.1　Research contents of LCE

圖2　生態(tài)設(shè)計三要素Fig.2　Basic elements of eco-design

2材料生命周期工程的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1國外生命周期工程發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

進入21世紀以來，生命周期工程研究在國際上迅速開展。在生命周期思想的指導(dǎo)下，建立了基于多因素、多目標優(yōu)化的產(chǎn)品生命周期工程的理論框架及體系結(jié)構(gòu)，以生態(tài)設(shè)計為核心，綜合考慮產(chǎn)品性能、成本、社會、環(huán)境等多方面的要素，指導(dǎo)整個產(chǎn)業(yè)鏈的全面優(yōu)化。目前國際上著名的研究機構(gòu)與典型的研究案例如下：

國際生產(chǎn)工程科學院(CRIP)成立于1951年，是世界頂尖的產(chǎn)品工程研究組織，致力于流程、機械與系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化與管理研究。該院于1993年國際生命周期工程大會正式提出了“生命周期工程”的概念，并將其英文縮寫規(guī)定為LCE。同年，該院成立了生命周期工程工作組，組織每年國際生命周期工程學術(shù)會議的召開；迄今為止，這一國際會議已成功舉辦了20余次，為相關(guān)領(lǐng)域的學者提供了大量指導(dǎo)思想與方法規(guī)范[11]。

德國斯圖加特大學生命周期工程中心創(chuàng)立于1989年，前身為斯圖加特大學聚合物測試與科學研究所，最初開展產(chǎn)品生命周期評價研究，后將研究領(lǐng)域拓展至產(chǎn)品生命周期工程。該中心一直致力于產(chǎn)品在全生命周期中環(huán)境、技術(shù)、成本與社會問題的綜合分析，為企業(yè)提供全面的決策支持與解決方案，其研究領(lǐng)域涵蓋：生命周期評價；生命周期工程；生命周期成本分析；生態(tài)設(shè)計；環(huán)境管理；產(chǎn)品的環(huán)境聲明等。中心與Thinkstep公司(PEInternational公司前身)聯(lián)合研發(fā)的Gabi軟件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為生命周期評價領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的軟件之一，廣泛應(yīng)用于全球汽車、化學、金屬、電子、能源等行業(yè)的生態(tài)設(shè)計與技術(shù)開發(fā)[12]。

美國環(huán)保部支持的“戰(zhàn)略環(huán)境研究及發(fā)展計劃”在該計劃支持下，美國環(huán)保局在2001年發(fā)布的《產(chǎn)品生命周期工程指南》是生命周期工程領(lǐng)域早期較權(quán)威的指導(dǎo)書之一，其中結(jié)合大量的案例研究對產(chǎn)品生命周期工程相關(guān)內(nèi)容與實施細則進行了詳細的闡述，包括：產(chǎn)品生命周期工程的定義與技術(shù)框架；產(chǎn)品系統(tǒng)的建模與多目標優(yōu)化方法；產(chǎn)品生命周期工程的多因素評價模型等[13]。在此指南的指導(dǎo)下，美國多所研究機構(gòu)分別開展了生命周期工程相關(guān)研究，如美國馬里蘭大學計算機輔助產(chǎn)品生命周期工程中心是失效物理(physics-of-failure，PoF)研究方法的創(chuàng)始機構(gòu)之一，開發(fā)了眾多基于生命周期工程理論的設(shè)計方法、數(shù)學模型以及應(yīng)用軟件工具，高效地輔助了電子產(chǎn)品的設(shè)計與分析，在加速破壞性試驗、故障及失效分析、電子元器件的選擇與管理等研究領(lǐng)域居于世界領(lǐng)先地位[14-15]。

日本東京技術(shù)研究所的“生命周期工程技術(shù)架構(gòu)發(fā)展”研究該課題得到了日本 IMS 國家計劃、日本化學技術(shù)戰(zhàn)略推進機構(gòu)、日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省資助，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界三菱化學工業(yè)、住友電木有限公司等共同進行，以建立化學工業(yè)產(chǎn)品生命周期工程技術(shù)架構(gòu)為目標，將研究內(nèi)容分為產(chǎn)品生命周期工程和工廠生命周期工程兩項。產(chǎn)品生命周期工程支持相關(guān)產(chǎn)品標準和新技術(shù)的開發(fā)，主要研究如何開展產(chǎn)品及其最終產(chǎn)物的環(huán)境影響評價，包括生產(chǎn)過程建模、環(huán)境影響分析、數(shù)據(jù)倉庫、面向?qū)ο蟮姆植际椒抡娴?；工廠生命周期工程則側(cè)重于改善生產(chǎn)過程的設(shè)計、操作以及最終處理等過程，研究內(nèi)容包括集成生產(chǎn)制造、安全設(shè)計及運作、集成連續(xù)工藝運作等。

生命周期工程的學科建設(shè)與人才培養(yǎng)生命周期工程是一門跨工程、社會、經(jīng)濟等領(lǐng)域的綜合性研究學科，為了培養(yǎng)相關(guān)領(lǐng)域的研究者、實踐者, 革新傳統(tǒng)的工程學科體系具有根本的意義。以日本、美國為首的發(fā)達國家相繼開展了產(chǎn)品生命周期工程學科建設(shè)活動。美國卡耐基梅隆大學、喬治亞工程大學、日本東京大學等國際知名高校均明確提出了建設(shè)生命周期工程交叉學科的教育理念，開設(shè)的相關(guān)課程包括：工程產(chǎn)品和過程的環(huán)境分析、生態(tài)設(shè)計、生命周期的運營和管理、回收學和逆向制造、環(huán)境政策分析等。

2.2國內(nèi)生命周期工程的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年來我國多項國家、省部級文件中均明確提出了推行生命周期工程與生態(tài)設(shè)計應(yīng)用。《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將“材料設(shè)計與制備的新原理與新方法”列為我國面向重大戰(zhàn)略需求的十項基礎(chǔ)研究之一，并指出未來15年我國要突破現(xiàn)代材料設(shè)計、評價、表征與先進制備加工技術(shù)，新材料技術(shù)將向材料的結(jié)構(gòu)功能復(fù)合化、功能材料智能化、材料與器件集成化、制備和使用過程綠色化發(fā)展；《綱要》還明確了我國科技發(fā)展的戰(zhàn)略重點，其中“把發(fā)展能源、水資源和環(huán)境保護技術(shù)放在優(yōu)先位置，下決心解決制約經(jīng)濟社會發(fā)展的重大瓶頸問題”位列首位[16]。《國務(wù)院關(guān)于加強環(huán)境保護重點工作的意見》[17]和《國務(wù)院節(jié)能減排“十二五” 規(guī)劃》[18]中明確提出推行工業(yè)產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的要求；工信部《工業(yè)清潔生產(chǎn)推行“十二五”規(guī)劃》把推行產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計作為“十二五”的三大重點任務(wù)之首，指出要引導(dǎo)企業(yè)開展產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計，促進生產(chǎn)方式、消費模式向綠色低碳、清潔安全轉(zhuǎn)變[19]。在國家政策的大力支持下，我國的生命周期工程研究在很多基礎(chǔ)領(lǐng)域取得了較大的進展，主要集中在以下幾個方面：

材料生態(tài)設(shè)計理論與方法研究低環(huán)境負荷材料設(shè)計理論、方法與原則，揭示材料制備流程的物質(zhì)-能量-環(huán)境效應(yīng)的關(guān)聯(lián)機制、材料性能對產(chǎn)品服役過程環(huán)境影響的作用機理等[20]；研究資源循環(huán)工藝流程模型及循環(huán)模式的表征方法，探索資源循環(huán)與碳排放、資源耗竭等環(huán)境影響的關(guān)聯(lián)性；開展材料生態(tài)設(shè)計多態(tài)數(shù)據(jù)模型、信息表示、多維分析與決策、關(guān)聯(lián)規(guī)則、推理機制與流程化自動仿真的研究，開發(fā)集成材料環(huán)境負荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、特征化方法和環(huán)境影響指標的材料生態(tài)設(shè)計技術(shù)體系和基于人工智能的專家系統(tǒng)，實現(xiàn)生態(tài)設(shè)計的集成化與自動化[21]；構(gòu)建典型大宗材料及稀缺材料的生態(tài)設(shè)計基本流程與指導(dǎo)原則，優(yōu)化材料組分設(shè)計與制備工藝參數(shù)，從源頭實現(xiàn)節(jié)約資源能源，減少環(huán)境污染[22]。

材料生命周期評價理論與方法生命周期評價方法作為生命周期工程最重要的支撐工具，已經(jīng)成為目前國內(nèi)生態(tài)環(huán)境材料領(lǐng)域最主要的研究方向之一[23-25]。1998年起，國家“九五”高技術(shù)研究計劃(“863”計劃)支持了首項國家層面的生命周期評價專項研究——“材料的生命周期評價研究”，由北京工業(yè)大學牽頭，重慶大學、北京航空航天大學、清華大學等六所重點大學聯(lián)合承擔，對我國鋼鐵、水泥、鋁、陶瓷等七類量大面廣的典型材料進行了生命周期評價研究。同期，我國生命周期評價的國家標準亦制定完成(GB24040-24043)。在“十五”期間，北京工業(yè)大學等六所重點大學又承擔了國家十五“863”計劃的“材料生命周期評價技術(shù)及其應(yīng)用”，對整體材料生命周期評價技術(shù)框架、動態(tài)環(huán)境負荷分析方法和環(huán)境負荷的層次理論進行了深入研究，并提供了幾類代表性材料的生命周期評價及新材料與技術(shù)的應(yīng)用示范。進入“十二五”以后，國家三大科技計劃都分別對材料生命周期評價的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用實踐研究給予了大力的支持，相關(guān)的研究和應(yīng)用在各領(lǐng)域均得到了進一步拓展和加強。當前研究涉及材料生產(chǎn)流程及復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)建模的集成化、可視化和形象化，基于單元過程的材料全生命周期清單建模方法，多層次嵌套和反饋式系統(tǒng)清單物質(zhì)流計算的高效算法引擎[26]；研究材料生命周期環(huán)境負荷屬性與材料性能的交互模式及其綜合環(huán)境負荷-性能表征體系，材料環(huán)境影響評價模型及模型參數(shù)優(yōu)化[27-28]；針對大數(shù)據(jù)時代的信息資源高效利用，開展面向生產(chǎn)過程的材料環(huán)境負荷元數(shù)據(jù)采集、規(guī)范化、標準化、異構(gòu)數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)挖掘方法的研究，開發(fā)數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)處理模式、數(shù)據(jù)存儲模式、數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與定量化分析模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在形式和內(nèi)容上的統(tǒng)一[29-30]；開展基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的動態(tài)數(shù)據(jù)交換、在線綜合診斷與辨識模式、高效搜索引擎的研究，研究材料環(huán)境負荷知識發(fā)現(xiàn)、信息交換與協(xié)同處理技術(shù)[31]。

材料生命周期系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究材料生產(chǎn)流程(資源、能源、工藝、設(shè)備)、運輸、使用、循環(huán)利用與廢棄處置全生命周期的物質(zhì)流、能量流及其效率特征，研究材料生產(chǎn)、物流網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境影響的交互作用及響應(yīng)機制，以及產(chǎn)品性能、經(jīng)濟性與環(huán)境影響的綜合影響[32-33]；研究元素流、典型材料區(qū)域物質(zhì)流及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，研究材料產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈、物流鏈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及生命周期系統(tǒng)優(yōu)化[34]；研究材料與下游目標應(yīng)用行業(yè)(建筑業(yè)、交通業(yè)等)環(huán)境信息相銜接的材料生命周期綜合環(huán)境性能表征，實現(xiàn)綠色產(chǎn)品選材優(yōu)化、生態(tài)設(shè)計與技術(shù)體系的優(yōu)化[35]。

材料環(huán)境負荷評價數(shù)據(jù)庫及分析軟件開發(fā)材料的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)庫是生命周期工程領(lǐng)域的共性關(guān)鍵基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的探索與實踐，我國已初步建立起具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、代表性工程材料的環(huán)境負荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和評價工具，有效地促進了傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的環(huán)境協(xié)調(diào)改造升級[36]。但材料/產(chǎn)品環(huán)境負荷數(shù)據(jù)尤其是國家經(jīng)濟建設(shè)需要的大宗基礎(chǔ)材料產(chǎn)品的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)質(zhì)量仍然是我國推行生命周期評價的瓶頸。隨著國家對實施節(jié)能減排的強制要求，材料/產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計、碳排放分析與認證、生態(tài)城市建設(shè)等研究和應(yīng)用需求的增加，在廣泛適用的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)支撐及開放性系統(tǒng)、可操作性強的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)質(zhì)量分析方法及分析工具、數(shù)據(jù)庫和分析工具的系統(tǒng)集成性等關(guān)鍵基礎(chǔ)方面仍需進行深入研究。

材料生命周期工程的工藝規(guī)劃、綠色制造與清潔生產(chǎn)技術(shù)研究基于環(huán)境意識的產(chǎn)品制造工藝規(guī)劃方法、綠色工藝評價準則與選取方法、工藝規(guī)劃中的物料選擇問題，開發(fā)產(chǎn)品制造過程的節(jié)能減排技術(shù)、清潔生產(chǎn)技術(shù)、制造系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、制造過程物料優(yōu)化控制技術(shù)，探索綠色制造的理論、技術(shù)、綠色設(shè)計的并行工程模式與運作管理模式，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的資源能源利用效率，減少污染物排放。

材料生命周期工程中的再制造、重用及回收技術(shù) 開展廢舊產(chǎn)品回收與工業(yè)廢棄物回收關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)工業(yè)廢棄物的高效利用技術(shù)、廢棄物再資源化技術(shù)(如廢棄物降解、再生、加壓、碎裂、浮選等技術(shù)) 、產(chǎn)品零部件循環(huán)使用技術(shù)(如重用、整修等技術(shù)) 和循環(huán)利用技術(shù)(如有關(guān)物理處理技術(shù)和化學處理技術(shù))[37-38]。

材料生命周期工程相關(guān)學科建設(shè)為了滿足國家節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟及循環(huán)經(jīng)濟等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)對高素質(zhì)人才的迫切需求，我國在2010年設(shè)立新興交叉學科專業(yè)——資源循環(huán)科學與工程，通過對循環(huán)經(jīng)濟工程技術(shù)相關(guān)理論知識的學習與工程實訓(xùn)鍛煉，了解我國資源分布、產(chǎn)業(yè)布局、環(huán)境保護等方面的基本狀況，掌握材料/產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計原理，具備從事循環(huán)資源科學與工程基礎(chǔ)理論研究與工程技術(shù)開發(fā)、生態(tài)設(shè)計、環(huán)境管理等方面的工作的能力，主要課程包括：工業(yè)生態(tài)學、材料科學基礎(chǔ)、循環(huán)經(jīng)濟概論、環(huán)境科學基礎(chǔ)、工業(yè)廢棄物處置與處理、循環(huán)經(jīng)濟理論與生態(tài)工業(yè)技術(shù)等。

3材料生態(tài)設(shè)計理論框架與評價方法的構(gòu)建

3.1材料生態(tài)設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀

生態(tài)設(shè)計作為生命周期工程的基礎(chǔ)與核心，自20世紀90年代被提出以來，受到發(fā)達國家政府和企業(yè)界的高度重視。荷蘭的菲利浦公司、美國的AT&T公司、德國的奔馳汽車公司等先后進行有關(guān)產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的嘗試，實踐表明生態(tài)設(shè)計可減少產(chǎn)品30%～50%的環(huán)境負荷。國際標準化組織于2002年發(fā)布了ISO/TR14062《環(huán)境管理-將環(huán)境因素引入產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)》標準，將環(huán)境因素引入產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)具有降低成本、促進革新、改進產(chǎn)品質(zhì)量等實質(zhì)效益，早期設(shè)計階段的環(huán)境識別和策劃有利于制定控制環(huán)境因素的有效決策[9]。美國綠色電子委員會開發(fā)了基于生態(tài)設(shè)計的政府全球采購注冊系統(tǒng)，幫助美國各級政府負責采購的官員在招標過程中評估競標產(chǎn)品的環(huán)保性能；歐盟針對全球環(huán)境問題日趨嚴峻和劇烈的經(jīng)濟競爭，于2009年發(fā)布了《確立能源相關(guān)產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計要求的框架》(ErP指令)，其通過設(shè)定產(chǎn)品市場準入標準，促進產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計水平的提高，未來產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的評估認證將拓展至更多領(lǐng)域，成為世界范圍的貿(mào)易壁壘。

總體而言，在歐盟、美國、日本等發(fā)達國家，生態(tài)設(shè)計已在各行業(yè)廣泛推行，其評價結(jié)果直接與政府采購掛鉤，并用于指導(dǎo)公眾的綠色消費。而近年來，我國多項國家、省部級文件中均指出，未來的工業(yè)領(lǐng)域要樹立源頭控制理念，以產(chǎn)品全生命周期資源科學利用和環(huán)境保護為目標，以技術(shù)進步和標準體系建設(shè)為支撐，逐步建立評價與監(jiān)督相結(jié)合的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計推進機制，通過政策引導(dǎo)和市場推動，促進企業(yè)開展產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計。雖然我國的生態(tài)設(shè)計標準體系正在逐步完善[10,39]，但仍缺乏針對材料行業(yè)的生態(tài)設(shè)計標準與評價準則，材料生態(tài)設(shè)計的關(guān)鍵指標也與國際先進水平存在較大差距。因此，開展材料生態(tài)設(shè)計研究，從源頭優(yōu)化解決各環(huán)節(jié)的資源與環(huán)境問題，指導(dǎo)材料組分設(shè)計、工藝優(yōu)化與再生循環(huán)技術(shù)的開發(fā)，尋求材料性能、資源消耗與環(huán)境影響在整個生命周期中的最優(yōu)解，是促進材料全生命周期整體節(jié)能減排的有效途徑。

3.2材料生態(tài)設(shè)計的理論框架

本文將材料生態(tài)設(shè)計的實施步驟歸納為策劃、方案制定、方案驗證、實施4個階段，其中包含了將環(huán)境因素引入產(chǎn)品設(shè)計的主要實施過程。

策劃階段確定設(shè)計目標與實施方案，分為以下4個步驟：(a)確定設(shè)計目的；(b)選擇參照對象并確定其特征，通?？紤]的材料特征包括其原料、工藝與性能等，參照對象需要能夠體現(xiàn)特定的基礎(chǔ)技術(shù)水平，通常選擇某種材料的生產(chǎn)現(xiàn)狀；(c)對參考對象的性能、資源消耗與環(huán)境影響給予定量化的評價，分析影響產(chǎn)品資源與環(huán)境表現(xiàn)的主要因素，確定需要改變設(shè)計的領(lǐng)域；(d)根據(jù)評價結(jié)果，提出改進材料性能、資源與環(huán)境綜合表現(xiàn)的建議。

方案制定制定材料設(shè)計或改進方案，分為以下4個步驟：(a)確定材料設(shè)計目標的各項性能參數(shù)范圍；(b)根據(jù)現(xiàn)有材料成分、工藝和性能之間的聯(lián)系，初步擬定多組目標材料的成分和工藝參數(shù)方案；(c)對照參考對象分析當前設(shè)計方案在達到設(shè)計目標的同時可能引發(fā)的其他問題；(d)對擬定方案進行多要素綜合評價，不滿足要求的方案被淘汰或者根據(jù)存在的問題重新設(shè)計；滿足要求的方案則確定為原型方案。

方案驗證驗證原型方案可行性并擇優(yōu)，分為以下4個步驟：(a)對原型方案進行實驗室制備和測試，不能滿足要求的方案返回到方案制定階段重新進行設(shè)計；(b)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)更新方案的全生命周期模型參數(shù)，并重新對達標設(shè)計方案進行資源、環(huán)境影響與性能的綜合評價，選擇綜合評價結(jié)果最好的方案進入小規(guī)模生產(chǎn)；(c)通過小規(guī)模生產(chǎn)搜集生產(chǎn)過程中的實際數(shù)據(jù)，并更新材料全生命周期模型參數(shù)并再次進行多要素的綜合評價，進一步尋找改進空間，并與參考對象的綜合評價結(jié)果比較，以確定是否達到目標；(d)如果認為達到目標，那么方案可以進入實施階段，否則根據(jù)評價結(jié)果提供的信息，返回第二階段重新設(shè)計方案。

實施階段方案驗證完成后，可以進入實施階段。但生態(tài)設(shè)計是一個反復(fù)的過程，在生產(chǎn)實踐中可能發(fā)現(xiàn)之前沒有考慮到的問題，需要對方案再次進行修改與評估。

3.3材料生態(tài)設(shè)計的評價方法

在材料生態(tài)設(shè)計的實施過程中，如何對不同設(shè)計方案進行評判與擇優(yōu)是需要解決的關(guān)鍵問題之一，主要的技術(shù)難點在于如何科學量化材料的使用性能、資源與環(huán)境影響。本文建立了基于資源-環(huán)境-性能指標的多因素綜合決策模型，通過集成生命周期評價等國際主流的可持續(xù)發(fā)展評估方法，實現(xiàn)對不同評估要素的量化分析，并通過多因素決策模型最終計算得到表征材料資源、環(huán)境和性能綜合表現(xiàn)的生態(tài)設(shè)計綜合指標，量化不同材料設(shè)計方案得到單位使用性能造成的資源消耗與環(huán)境影響，進而對設(shè)計方案進行比較與擇優(yōu)。綜合決策模型分為材料性能評價方法、資源影響評價方法、環(huán)境影響評價方法與綜合決策方法4部分。

3.3.1基于性能-需求矩陣的材料性能綜合評價模型

材料生態(tài)設(shè)計中的性能評價旨在量化材料的性能表現(xiàn)對設(shè)計需求的滿足程度。首先需要確定設(shè)計需求Ri(如輕質(zhì)、高強度、長壽命等)，以及設(shè)計需求對于應(yīng)用領(lǐng)域的相對重要程度wRi(需求權(quán)重)。材料滿足設(shè)計需求的能力與其本身的性能有關(guān)，因此還需要量化材料的主要性能并通過矩陣表示性能與設(shè)計需求的關(guān)聯(lián)，見表1所示，表中Wij表示了性能Pj對完成需求Ri的貢獻程度，如果某種性能對某種需求并無任何貢獻，則Wij=0。

表1　需求-性能矩陣

以應(yīng)用于道路的瀝青混凝土材料為例，其需求-性能矩陣如表2所示。對于在道路的應(yīng)用而言，需要材料具有抗水、抗滑、體積穩(wěn)定等多項需求，而材料本身的各項性能指標，如殘留穩(wěn)定度、擺式摩擦系數(shù)等則會影響材料滿足這些需求的能力。通過性能-需求矩陣，可以清楚反映各項需求的相對重要程度以及材料性能指標與應(yīng)用需求的關(guān)聯(lián)。

表2　瀝青混凝土的需求-性能矩陣

通過需求-性能矩陣可以計算每一種材料性能對整體應(yīng)用需求的重要程度，稱為性能權(quán)重系數(shù)，計算公式如下：

aPj=W1j×wR1+W2j×wR2+…+Wij×wRi

(1)

(2)

式中，wPj為第j類性能的權(quán)重系數(shù)，aPj為第j類性能的相對權(quán)重值，wRi為第i種需求的權(quán)重值，Wij表示了第j種性能對完成第i種需求的貢獻程度。例如表2中計算了瀝青混凝土應(yīng)用于道路的各項性能權(quán)重值。

利用材料各項性能的權(quán)重系數(shù)與測試指標值，可以得到某種材料的單一化性能指標值，如公式(3)所示。

(3)

材料生態(tài)設(shè)計中涉及的性能指標涵蓋材料物理性能、力學性能與化學性能，在進行設(shè)計實踐時通常并不需要涵蓋所有的性能指標，僅需包含與資源、環(huán)境、產(chǎn)品需求相關(guān)的主要性能即可。因此，很難建立一種可以通用于所有材料的性能指標體系，需要針對不同應(yīng)用領(lǐng)域與材料在生態(tài)設(shè)計的需求分析階段予以確定。性能指標也可進一步細分達標指標與擇優(yōu)指標：達標指標僅需要達到一定的取值范圍即可；而擇優(yōu)指標通常與產(chǎn)品的環(huán)境表現(xiàn)直接相關(guān)，如產(chǎn)品的壽命、保溫材料的隔熱系數(shù)等，這些指標的改變會顯著降低產(chǎn)品的環(huán)境影響，故在設(shè)計中應(yīng)該在不嚴重影響成本的前提下，持續(xù)改善此類指標。

充足的自然資源供給是保證材料工業(yè)永續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。自然界中資源的存在形式是多樣的，材料生命周期過程對礦產(chǎn)資源、化石能源、水資源、土地資源等多種自然資源均有一定影響；為了科學客觀地表征材料生產(chǎn)所造成的各類自然資源損失、確定材料生產(chǎn)的資源依賴強度，有學者提出了基于熱力學函數(shù)的資源耗竭特征化模型[40]。該模型的應(yīng)用一方面可以將材料生命周期過程所造成的礦產(chǎn)資源、化石能源、水資源以及土地資源的消耗與損害表征為統(tǒng)一指標(物理單位相同)，另一方面還可以同時反映資源“量”與“質(zhì)”在材料生產(chǎn)過程中的變化規(guī)律。在規(guī)定參考環(huán)境與元素化學計算模型的基礎(chǔ)上，可對各類自然資源進行系統(tǒng)量化[41]。

從自然界中開采的礦物其化學成分通常較為復(fù)雜，例如開采出的鐵礦石并非單一的磁鐵礦而是由多種純礦物(磁鐵礦、石英、長石、角閃石、透閃石等)組成的混合物；因此，僅以某種純礦物的值表示礦石整體的資源屬性不符合LCA的研究范圍。如公式(4)所示，天然礦物化學的計算包括兩部分，一是對不同純礦物的值進行加和，二是計算純礦物混合所造成的損失[42]。

ExNa=∑xAiExAi+RT0∑nAilnmAi

(4)

式中，ExNa為單位質(zhì)量天然礦物的化學，ExAi為單位質(zhì)量純礦物的化學，xAi為純礦物在天然礦物中的質(zhì)量百分比，R為熱力學常數(shù)，T0為常溫，nAi為純礦物在單位質(zhì)量天然礦物中的摩爾數(shù)，mAi為純礦物在天然礦物中的摩爾百分數(shù)。

(5)

式中，β為有機燃料的能比[44]，Exorg為有機燃料的值，Hl為有機燃料的低發(fā)熱量。

對于水資源，應(yīng)針對材料生產(chǎn)流程中水資源的不同消耗方式，即物理蒸發(fā)、化學固化、混合排污，分別進行資源損害表征[45]，相應(yīng)計算如式(6)所示。

WRDI=ΔEx1×∑mi+ΔEx2×∑mj+ΔEx3×∑mk

(6)

式中，WRDI為水資源耗竭指數(shù)，mi、mj、mk分別代表不同生產(chǎn)工序相應(yīng)的廢水量、蒸發(fā)量與固化量，ΔEx1、ΔEx2、ΔEx3分別為與三種消耗方式相對應(yīng)的資源損失因子。

對于土地資源，首先應(yīng)確定人類使用行為對土地固碳能力的影響，在此基礎(chǔ)上，將人類使用行為所導(dǎo)致的土地固碳量的損失轉(zhuǎn)化為土地固量的損失。國內(nèi)已有學者[28]對材料生產(chǎn)所引起的土地固碳能力變化進行了全面系統(tǒng)的研究，基于此項工作，可通過光合反應(yīng)的能量變化將土地固碳能力轉(zhuǎn)化為其固定化學的能力[46]，如公式(7)所示。

ExLFocc,res=BLocc,res×CRC→Ex

(7)

式中，ExLFocc, res表示土地資源在占用階段和恢復(fù)階段的資源損失因子，CR為碳-轉(zhuǎn)化系數(shù)，BLocc, res表示土地占用階段和恢復(fù)階段的固碳量損失。

根據(jù)建立的資源影響綜合評價模型，進一步構(gòu)建材料生態(tài)設(shè)計的資源影響指標體系，見表3所示。指標體系將資源影響(一級指標)分為資源消耗指數(shù)與資源品質(zhì)下降指數(shù)：其中資源消耗指數(shù)包含礦產(chǎn)資源消耗、化石能源消耗與可再生資源消耗3個三級指標；而資源品質(zhì)下降指數(shù)包含水資源使用與土地資源使用2個三級指標。通過指標體系，可以全面、客觀地對材料在全生命周期中對資源的影響進行綜合表征。

表3　資源影響指標體系

3.3.3基于生命周期評價的環(huán)境影響綜合評價模型

生命周期評價是目前國際上分析產(chǎn)品環(huán)境問題的主流工具之一，該方法通過收集產(chǎn)品或材料在生命周期中的主要輸入與輸出清單(包括資源消耗、能源消耗以及各類污染物排放)，并將其與各類環(huán)境影響相關(guān)聯(lián)，據(jù)此定量評價產(chǎn)品生命周期中造成的各類環(huán)境影響潛力(如全球變暖、酸化、人體毒性等等)，最終將各類環(huán)境指標通過損害評估與加權(quán)步驟綜合為單一指標來反映產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境表現(xiàn)，該方法主要的評價流程見圖3所示[47-48]。

圖3　生命周期評價方法的計算流程Fig.3　Computation process of life cycle assessment

本文針對材料行業(yè)的特點，建立了基于生命周期評價的材料生態(tài)設(shè)計環(huán)境影響指標體系，見表4所示。指標體系中共涉及標準氣態(tài)污染物指數(shù)、水環(huán)境污染指數(shù)、土壤污染指數(shù)、人體健康損害指數(shù)4大類二級指標，涵蓋了人類行為對生態(tài)環(huán)境與人類自身健康的主要影響；每類二級指標下又可細分為三級指標與指標項目。在生態(tài)設(shè)計的數(shù)據(jù)收集過程主要針對指標項目進行數(shù)據(jù)的收集、計算與匯編，而后采用生命周期影響評價方法，將數(shù)據(jù)收集過程得到的各指標項目值進行逐級綜合，最終形成評價對象的單一環(huán)境影響指標值，綜合表征產(chǎn)品全生命周期中造成的各類環(huán)境影響。

表4　環(huán)境影響指標體系

3.3.4資源-環(huán)境-性能多因素綜合決策方法

在獲得資源影響、環(huán)境影響與材料性能3項單一指標值后，可以將三者相綜合得到生態(tài)設(shè)計綜合指標值，如公式(8)所示：

EDI=a×PI+b×RI+c×EI

(8)

式中，EDI為綜合生態(tài)設(shè)計指標，a，b，c分別為性能、資源影響與環(huán)境影響的權(quán)重系數(shù)，PI為性能指標值，RI為資源影響指標值，EI為環(huán)境影響指標值。

考慮到生態(tài)設(shè)計中通常會涉及多種方案的擇優(yōu)，且需要盡可能避免權(quán)重系數(shù)選取的主觀性，本文建立了基于權(quán)重三角的方案擇優(yōu)模型，如圖4a所示。三角形中的每一點向三邊做投影，均可以得到一組權(quán)重的取值方案，通過軟件編程計算三角形內(nèi)所有的權(quán)重取值后，可以得到幾種方案各自的最優(yōu)權(quán)重因子集，并表示于圖中，如圖4b所示，①、②與③區(qū)域分別表示3種方案為最佳方案時的權(quán)重取值。那么則可以認為所占面積最大的方案(方案③)為最優(yōu)方案。

圖4　基于綜合決策三角的方案決策模型Fig.4　Decision-making model based on weighting triangle

4結(jié)語

依據(jù)國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃，材料行業(yè)的發(fā)展應(yīng)以提高自主創(chuàng)新能力、加快推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為主線，以國家重大需求為導(dǎo)向，圍繞我國生態(tài)文明建設(shè)對材料領(lǐng)域的迫切需求，樹立材料工業(yè)領(lǐng)域的源頭控制理念，以產(chǎn)品全生命周期資源科學利用和環(huán)境保護為目標，以技術(shù)進步和標準體系建設(shè)為支撐，在材料領(lǐng)域大力開展生命周期工程相關(guān)研究，主導(dǎo)材料與相關(guān)下游行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型與升級，促進生態(tài)設(shè)計理念、節(jié)能減排制造技術(shù)、清潔生產(chǎn)技術(shù)等在材料生命周期各個環(huán)節(jié)中的推廣與應(yīng)用，系統(tǒng)地、有效地、持續(xù)地改善材料全生命周期的環(huán)境表現(xiàn)，最終徹底改變材料行業(yè)傳統(tǒng)的經(jīng)濟利益導(dǎo)向與資源依賴型發(fā)展模式。

本文詳細介紹了生命周期工程的技術(shù)內(nèi)涵與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，建立了適用于材料行業(yè)的生態(tài)設(shè)計理論框架與評價方法，為生態(tài)環(huán)境材料的開發(fā)與應(yīng)用提供了理論支撐。未來生命周期工程技術(shù)在材料領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用急需突破并發(fā)展適用于我國材料行業(yè)的全生命周期設(shè)計、評價與優(yōu)化技術(shù)，建立以生態(tài)設(shè)計技術(shù)為指導(dǎo)、生命周期評價技術(shù)為標尺，生命周期優(yōu)化技術(shù)為工具的生態(tài)環(huán)境材料產(chǎn)業(yè)綠色化發(fā)展模式，指導(dǎo)材料生產(chǎn)、產(chǎn)品制造、管理、維修、回收、再利用等一系列技術(shù)環(huán)節(jié)中持續(xù)的技術(shù)革新與工藝參數(shù)優(yōu)化，尋求材料成本、性能與環(huán)境影響在整個生命周期中的最優(yōu)解，逐漸緩和目前材料生產(chǎn)與資源環(huán)境間的巨大矛盾，實現(xiàn)材料領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，并輻射建筑、交通等相關(guān)下游行業(yè)，全面滿足我國生態(tài)文明建設(shè)對材料的需求。

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(編輯惠瓊)

Research Progress of Life Cycle Engineeringand Eco-Design in Materials Industry

NIE Zuoren, LIU Yu, SUN Boxue, WANG Zhihong, ZUO Tieyong

(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract：Material life cycle engineering is a frontier interdiscipline based on the infrastructure of materials science, manufacturing science and environment science. It is an eco-design oriented applied engineering, in the purpose of meeting performance requirement, saving resource and protecting environment by means of hazardous substance substitution, green process planning, cleaner production, resource recycle, et al. throughout the whole industrial supply chain to achieve a systematic optimization for material products during the whole life cycle. In this article, the author reviewed the development and application status of material life cycle engineering, performed a comprehensive analysis of the fundamental technology to explain the linkage among life cycle engineering, eco-design and other critical techniques, so as to point out that eco-design is the key element to deploy life cycle engineering theory. This article also proposed the framework and implementation procedure of eco-design for the specific situation of Chinese material industry. Moreover, the quantitative assessment methods for materials performance, resource consumption and environment impact have been established based on performance-requirement matrix, Exergy analysis model and life cycle assessment, respectively, which form a material product oriented eco-design methodology with a full metrics, and provide further theoretic foundation to the eco-material development and application.

Key words：life cycle engineering; eco-materials; eco-design; life cycle assessment

中圖分類號：TB30; X32; X820.3

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)03-0161-10

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.01

收稿日期：2015-11-19

第一作者：聶祚仁，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email:zrnie@bjut.edu.cn