馬 艷，李方義，王黎明，王 耿

(山東大學(xué)機械工程學(xué)院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室機械工程國家級實驗教學(xué)示范中心，山東 濟南 250061)

0 引言

中國是全球機械制造業(yè)大國，機床保有量世界第一[1]。機床作為裝備制造業(yè)的“工作母機”是基礎(chǔ)制造能力構(gòu)成的核心，金屬切削機床是我國使用最廣泛、數(shù)量最多的機床。金屬切削機床從產(chǎn)品材料、設(shè)計、制造、使用到報廢的整個生命周期過程涉及到大量的資源能源消耗和環(huán)境排放，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，影響人類健康和生態(tài)安全[2]。因此，如何定量評價機床生命周期的環(huán)境排放，對機床制造業(yè)實現(xiàn)綠色化轉(zhuǎn)變具有重要的理論支撐意義。

近年來，不少學(xué)者研究了機床生命周期過程對環(huán)境的影響。時麗君等[3]基于生命周期評價理論，建立了機床切削單元的能耗、物耗及環(huán)境排放模型。曹華軍等[2]基于生命周期評價原理提出一種機床生命周期碳排放評估方法。宋勝利[4]對機床產(chǎn)品全生命周期碳排放特征、量化分析方法以及碳效率評估方法進行了研究。Cao等[5]從固定碳排放與可變碳排放兩方面針對機床分析了其生命周期碳排放特征。李聰波等[6]建立了一種基于產(chǎn)品設(shè)計主線和生命周期主線的機床行業(yè)綠色制造運行模式。以上學(xué)者多針對機床的加工單元、碳排放特征、綠色制造運行模式等方面展開研究，未針對生命周期的清單數(shù)據(jù)獲取與環(huán)境排放進行研究。

生命周期評估(Life Cycle Assessment，LCA)是研究機床在其整個生命周期中對環(huán)境影響最有利的工具，已被廣泛應(yīng)用。生命周期清單的構(gòu)建是生命周期評價中最重要的階段，主要涉及生命周期清單數(shù)據(jù)收集和對象建模[7]，但生命周期清單分析存在著數(shù)據(jù)收集困難，無法直接應(yīng)用獲取的數(shù)據(jù)的問題[8]，并且在產(chǎn)品的生命周期過程中，輸入和輸出往往不是單一的，而是包括一種或者多種，此時需要進行數(shù)據(jù)分配[9]。

江志蘭[10]闡述了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多、使用壽命較長、回收率較高的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)收集工作更為耗時費力，分析了產(chǎn)品生命周期各階段數(shù)據(jù)收集內(nèi)容與獲取方法，數(shù)據(jù)獲取方法主要為數(shù)據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研、企業(yè)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)庫等方法。Tao等[11]提出一種基于元模型的面向LCA的產(chǎn)品生命周期相關(guān)數(shù)據(jù)檢索與集成方法。Kellens等[12]闡述了生命周期清單獲取數(shù)據(jù)方法有篩選方法和深入方法。Yin等[13]建立了一個通用的單元過程模型，收集了具有代表性的所需材料生產(chǎn)廠家的各種前景數(shù)據(jù)，并采用逐級計算的方法及蒙特卡羅模擬得到所需材料的清單數(shù)據(jù)。王壽兵[14]提出了復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品制造階段生命周期清單分析數(shù)據(jù)的獲取方法，主要包括數(shù)據(jù)收集的人員安排、產(chǎn)品系統(tǒng)邊界確定、面向數(shù)據(jù)收集的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分、設(shè)計數(shù)據(jù)調(diào)查收集表格、數(shù)據(jù)調(diào)查收集方法、數(shù)據(jù)處理方法等。Hong等[15]采用泰勒級數(shù)展開式的方法評估了生命周期清單分析和影響評價中的不確定性。羅宇等[16]分析了垃圾焚燒處理生命周期清單中多產(chǎn)品系統(tǒng)存在的分配問題，以及垃圾焚燒處理系統(tǒng)的組成，以《GB/T 24044 環(huán)境管理—生命周期評價要求與指南》分配原則為準(zhǔn)則，詳細(xì)探討了其影響因素，并從熱電轉(zhuǎn)化率、價格因素、所在地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響、環(huán)境產(chǎn)業(yè)政策的影響等多角度分析和研究垃圾焚燒處理系統(tǒng)環(huán)境負(fù)荷分配情況。Hill等[17]使用經(jīng)濟方法解決主要產(chǎn)品的分配問題，同時使用基于能量的方法解決了系統(tǒng)中副產(chǎn)品的分配問題。Mendoza等[18]用質(zhì)量、能源、經(jīng)濟價值等多種分配方法研究生物電的生產(chǎn)鏈，指出在優(yōu)先考慮一致性的情況下，基于物理關(guān)系的分配方法是首要選擇，但是以經(jīng)濟為基礎(chǔ)或者系統(tǒng)擴張的辦法更有效，盡管可能會受到數(shù)據(jù)不足的影響。Finnveden等[19]指出數(shù)據(jù)的分配問題是LCA 中最具爭議的問題之一，但沒有統(tǒng)一的分配方法。根據(jù)ISO給出的分配標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在數(shù)據(jù)分配方法有市場價格分配法、能量分配法和質(zhì)量分配法等[20]。而機床產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多種的復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品，其生產(chǎn)過程包含多種原材料，有鑄造、機加工等多種工藝，有單件小批量、成批生產(chǎn)、大量生產(chǎn)、混合生產(chǎn)等多種生產(chǎn)方式，其清單數(shù)據(jù)更是涉及多個功能單元或過程，獲取的數(shù)據(jù)來自不同層級且異構(gòu)多源，無法直接應(yīng)用于生命周期評價，因此，如何將獲取的多個功能單元或過程共同作用的數(shù)據(jù)進行整理、分析得到直接應(yīng)用于機床環(huán)境影響評估的數(shù)據(jù)，具有較高的工程價值。

綜上所述，本文開展了基于多層級數(shù)據(jù)分配的機床生命周期環(huán)境影響評價研究?；诋a(chǎn)品生命周期原理，提出了產(chǎn)品生命周期清單數(shù)據(jù)多層級分配方法，分析并評價了機床在整個生命周期過程中所涉及的環(huán)境影響排放，并將該方法應(yīng)用于金屬切削機床的環(huán)境分析與量化評估，驗證了該方法的有效性與實用性。

1 機床產(chǎn)品生命周期評價

產(chǎn)品生命周期是指產(chǎn)品從原材料提取、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品使用與報廢回收處理的整個過程。LCA 是以開發(fā)利用環(huán)境負(fù)荷最小的產(chǎn)品為目的，是產(chǎn)品在整個生命周期中對社會和環(huán)境影響的評估方法[21]。

LCA起源于1969年美國中西部研究所對可口可樂飲料容器從原材料采掘到廢棄物最終處理的全過程進行的跟蹤與定量分析的研究，1993年國際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會提出了LCA 系統(tǒng)性的詳細(xì)定義。國際標(biāo)準(zhǔn)組織提出了《ISO 14040:2006環(huán)境管理—生命周期評估——原則和框架》，確定了LCA4個步驟的技術(shù)框架:目標(biāo)和范圍定義、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋[22]，如圖1所示。

1.1 目標(biāo)和范圍定義

本文的研究目的是分析和評價機床在整個生命周期過程中所涉及的環(huán)境影響排放。金屬切削機床產(chǎn)品生命周期包括原材料獲取階段、制造階段(包括機加工、熱處理、零部件涂裝、裝配、整機涂裝)、運輸階段、使用階段、回收處理階段等5個生命周期階段。本文只對機床的以上生命周期階段進行環(huán)境影響評估，其物理特性(如穩(wěn)定性、所受載荷)與結(jié)構(gòu)設(shè)計等不在本文研究范圍之內(nèi)。機床產(chǎn)品生命周期評價系統(tǒng)邊界的劃分如圖2所示。

1.2 清單分析

清單分析是確定、量化原材料和能量輸入、氣體排放、水污染、固體廢棄物及產(chǎn)品生命周期其他階段的輸入和輸出。清單分析包括建立模型與收集數(shù)據(jù)、計算清單等步驟，所依據(jù)的數(shù)據(jù)是產(chǎn)品在全生命周期的能源和原材料需求，以及廢物的環(huán)境排放。該分析評估貫穿產(chǎn)品的整個生命周期，從原材料的提取開始，以產(chǎn)品的最終消耗和處理結(jié)束[23]。

1.2.1 基于多層級數(shù)據(jù)分配的生命周期清單獲取模型

清單分析獲得的數(shù)據(jù)往往不是某個功能單元或過程產(chǎn)生的，而是多個功能單元或過程共同作用的結(jié)果。因此，研究某個具體單元和過程，必須進行數(shù)據(jù)分配。例如制造階段三廢的排放量往往是按整個企業(yè)或車間的形式記錄的，對于這些數(shù)據(jù)必須將其折算、分配到各個功能單元和過程中。數(shù)據(jù)分配工作很困難，通常有兩種方法:①完善數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，在重要的功能單元或過程中設(shè)置監(jiān)測設(shè)備，避免不必要的數(shù)據(jù)分配;②利用質(zhì)量守恒定律和能量守恒定理以及專家知識，對各功能單元或過程進行評估，完成數(shù)據(jù)分配?！禛B/T 24044 環(huán)境管理—生命周期評價要求與指南》中對于分配以及分配程序進行了概述:分配應(yīng)根據(jù)明確規(guī)定的程序?qū)⑤斎胼敵龇峙涞讲煌漠a(chǎn)品中，并與分配程序一并作出書面說明。

針對上述現(xiàn)象，本文根據(jù)收集數(shù)據(jù)時面向?qū)ο蟮牟煌?，將?shù)據(jù)由低層級到高層級劃分為零件層數(shù)據(jù)、車間層數(shù)據(jù)、企業(yè)層數(shù)據(jù)。零件層數(shù)據(jù)是面向零件收集的數(shù)據(jù);車間層數(shù)據(jù)是面向車間收集的數(shù)據(jù);企業(yè)層數(shù)據(jù)是面向企業(yè)收集的數(shù)據(jù)。利用質(zhì)量守恒定律和能量守恒定理，建立了多層級數(shù)據(jù)分配方法，主要應(yīng)用于原材料獲取階段、制造階段、運輸階段、廢棄回收階段。因為使用階段的數(shù)據(jù)來源于實際測試，所以需要將原材料獲取階段、制造階段、運輸階段、廢棄回收階段的數(shù)據(jù)與不同層級的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，如圖3所示?；诙鄬蛹墧?shù)據(jù)分配方法，建立了面向多層級的生命周期清單獲取模型，根據(jù)收集數(shù)據(jù)時面向?qū)ο蟮膶蛹壊煌约皯?yīng)用數(shù)據(jù)進行評價時面向?qū)ο蟮膶蛹壊煌?，研究高層級與低層級數(shù)據(jù)間的關(guān)系，低層級數(shù)據(jù)難以獲得時，采用將高層級數(shù)據(jù)以按質(zhì)量、按成本、按產(chǎn)量等物理量的分配方法傳遞給低層級單元，獲得機床產(chǎn)品生命周期清單數(shù)據(jù)，應(yīng)用于生命周期評價。

(1)面向零件層的數(shù)據(jù)分配模型

面對零件層進行數(shù)據(jù)收集時，可從原材料階段主要零部件BOM 表獲得主要零部件清單數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場采集獲取加工過程每個工序時間t，加工設(shè)備額定功率P，建立工時模型，求得零件層的電能消耗。

式中:E為該零件加工過程中的消耗電能(單位:kWh)，Pi為加工第i個零件的加工設(shè)備額定功率(單位:kW)，ti為第i個零件在此加工設(shè)備上的加工時間(單位:h)。

現(xiàn)場調(diào)研獲取機床零部件加工過程中某種輔助物料的消耗量M、每個零部件的加工時間T、零部件加工總時間Tmax，建立物料模型求得零件層的物料消耗。

式中:mls為第l個零部件加工過程中第s種輔助物料的消耗量(單位:kg);Ms為第s種輔助物料的總消耗量(單位:kg)，T為零部件加工總時間(單位:h);T為單個零部件加工時間(單位:min);k為比例系數(shù)，如當(dāng)Ms為天然氣時，k=1。

面向零件層的數(shù)據(jù)分配模型主要應(yīng)用于原材料獲取階段，因為原材料階段清單數(shù)據(jù)主要來源于主要零部件BOM 表與現(xiàn)場調(diào)研機床零部件生產(chǎn)過程中獲取的數(shù)據(jù)。

(2)面向車間層的數(shù)據(jù)分配模型

產(chǎn)品實際生產(chǎn)中，產(chǎn)品零件制造離散、周期長、工藝鏈復(fù)雜。為使企業(yè)制造功能配置優(yōu)化，一些制造車間工藝位置布局集中(如鑄造)，而一些制造車間工藝布局多樣(如熱處理、機加工等)，這使車間的生產(chǎn)消耗和環(huán)境排放特性都變得十分復(fù)雜，數(shù)據(jù)的分析和計算難度大大增加。不但采集的數(shù)據(jù)異構(gòu)多源，并且采集的數(shù)據(jù)來自于不同層級，難以直接應(yīng)用于生命周期評價。因而，獲得的數(shù)據(jù)為車間層數(shù)據(jù)時，需要將車間數(shù)據(jù)分配到零件層。

產(chǎn)品制造過程中的輸入輸出是隨著系統(tǒng)所提供的產(chǎn)品或功能中的量而變化，可采用能反映它們之間相應(yīng)物理關(guān)系的分配方法。本文按零部件的質(zhì)量或產(chǎn)量將獲取的車間層數(shù)據(jù)分配到零件層數(shù)據(jù)。

1)按質(zhì)量分配數(shù)據(jù)模型。

一般情況下，零部件質(zhì)量是影響生產(chǎn)中輸入輸出最直接的物理量。建立按質(zhì)量分配模型如下:

式中:X為E或W或G，mi為第i類零件的質(zhì)量(單位:kg)，ni為第i類零件的數(shù)量，·ni為某車間生產(chǎn)的零件總質(zhì)量(單位:kg)。當(dāng)X=E時，Ei為生產(chǎn)第i類零件消耗的電能(單位:kWh)，E為某車間消耗的電能(單位:kWh);當(dāng)X=W時，Wi為生產(chǎn)第i類零件消耗水的用量(單位:m3)，W為某車間消耗水的用量(單位:m3);當(dāng)X=G時，Gi為生產(chǎn)第i類零件消耗天然氣的用量(單位:m3)，G為某車間天然氣的用量(單位:m3)。

2)按產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)模型。

一些車間生產(chǎn)零部件的材料組成多樣，各種材質(zhì)材料的獲取或生產(chǎn)方式可能存在很大差異，僅靠零件的質(zhì)量很難反映其在環(huán)境屬性上的特征，因此很難按質(zhì)量進行數(shù)據(jù)分配。這時可采用按產(chǎn)品產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)。建立按產(chǎn)量分配模型如下:

式中:X=E或W或G，i為第i類機床，j為第i類產(chǎn)品的第j類零件，為某車間生產(chǎn)第i類機床的第j類零件的總產(chǎn)量(單位:件)，Q為某車間生產(chǎn)的零件總產(chǎn)量(單位:件)。當(dāng)X=E時，Eij為某車間生產(chǎn)第i類機床的第j類零件消耗的電能(單位:k Wh)，E為某車間消耗的電能(單位:k Wh);當(dāng)X=W時，Wij為某車間生產(chǎn)第i類機床的第j類零件消耗水的用量(單位:m3)，W為某車間水的用量(單位:m3);當(dāng)X=G時，Gij為某車間生產(chǎn)第i類機床的第j類零件消耗天然氣的用量(單位:m3)，G為某車間天然氣的用量(單位:m3)。

面向車間層的數(shù)據(jù)分配模型主要應(yīng)用于制造階段，因為制造階段的數(shù)據(jù)主要來源于機加工車間、熱處理車間、涂裝車間及裝配車間的統(tǒng)計報表與車間數(shù)據(jù)的調(diào)研。針對不同制造車間的特點，采用不同的分配模型，如機加工車間的零件多，零件工藝種類多且含有外協(xié)件，主要為大批量生產(chǎn)，因此采用按產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)模型，先將數(shù)據(jù)分配到自用件，再分配到評價零件;熱處理車間使用的物料種類復(fù)雜多樣，主要為單件生產(chǎn)或成批生產(chǎn)，與熱處理的工件的質(zhì)量關(guān)聯(lián)大，故采用按質(zhì)量分配數(shù)據(jù)模型;涂裝車間零件較多、使用的物料種類也較多，存在單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)、大批量生產(chǎn)多種生產(chǎn)方式，故采用按質(zhì)量分配數(shù)據(jù)模型與按產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)模型均可;裝配車間零部件較多，基本不使用其他物料或極少，故采用按產(chǎn)量分配數(shù)據(jù)模型。

(3)面向企業(yè)層的數(shù)據(jù)分配模型

當(dāng)收集的數(shù)據(jù)為企業(yè)層數(shù)據(jù)時，因為將企業(yè)層數(shù)據(jù)分配至零件層時，過程影響因素過多，容易造成數(shù)據(jù)失真，所以將企業(yè)層數(shù)據(jù)分配到車間層數(shù)據(jù)，即獲取由零部件裝配成的機床的數(shù)據(jù)，也可直接應(yīng)用于機床評價。

此時，當(dāng)無法建立單純的物理關(guān)系，也無法用來作為分配基礎(chǔ)時，宜以反映它們之間其他關(guān)系的方式將輸入在產(chǎn)品或功能間進行分配。例如，可以根據(jù)產(chǎn)品的經(jīng)濟價值按比例將輸入輸出數(shù)據(jù)分配到共生產(chǎn)品中。選取“產(chǎn)值比例”作為分配的比例，即產(chǎn)值越大的產(chǎn)品，其分配比例就越大，并將單臺機床的價格看做單臺機床的產(chǎn)值。建立成本分配模型如下:

式中:X為E或W或G，Ci為第i臺機床生產(chǎn)的成本(元)，Qi為第i臺機床的年生產(chǎn)量，Ci·Qi為車間生產(chǎn)消耗的總成本(單位:元)。當(dāng)X=E時，Ei為生產(chǎn)第i臺機床消耗的電能(單位:k Wh)，Es為車間消耗的電能(單位:kWh);當(dāng)X=W時，Wi為生產(chǎn)第i臺機床消耗水的用量(單位:m3)，Ws為車間消耗水的用量(單位:m3);當(dāng)X=G時，Gi為生產(chǎn)第i臺機床消耗天然氣的用量(單位:m3)，Gs為車間消耗天然氣的用量(單位:m3)。

面向企業(yè)層的數(shù)據(jù)分配主要應(yīng)用于運輸階段與廢棄處理階段，因為運輸階段是企業(yè)統(tǒng)一選擇產(chǎn)品的運輸方式與運輸設(shè)備，廢棄回收處理階段是企業(yè)對產(chǎn)品進行統(tǒng)一的回收處理，當(dāng)可以直接獲取評估產(chǎn)品的運輸數(shù)據(jù)與廢棄處理數(shù)據(jù)時，無需進行數(shù)據(jù)分配。

結(jié)合實際調(diào)研情況，該典型機床評價過程中，制造階段需采用基于多層級數(shù)據(jù)分配的生命周期清單獲取模型將各車間的水電氣進行分配，如表1所示。

表1 金屬切削機床各車間水電氣的消耗量

(4)數(shù)據(jù)分配后的整合

經(jīng)多層級數(shù)據(jù)分配后，獲得n臺機床的數(shù)據(jù)。需將數(shù)據(jù)進行整合，獲得單臺機床的數(shù)據(jù)，整合公式如下:

式中:xi為ei或wi或gi，Xin為Ein或Win或Gin，n為該機床的年產(chǎn)量。當(dāng)xi=ei、Xin=Ein時，ei為生產(chǎn)單臺機床的i車間消耗的電能(單位:kWh)，Ein為生產(chǎn)該類機床的i車間消耗的電能(單位:kWh);當(dāng)xi=wi、Xin為Win時，wi為生產(chǎn)單臺機床的i車間消耗水的用量(單位:m3)，Win為生產(chǎn)該類機床的i車間消耗水的用量(單位:m3);當(dāng)xi=gi、Xin=Gin時，gi為生產(chǎn)單臺機床的i車間消耗天然氣的用量(單位:m3)，Gin為生產(chǎn)該類機床的i車間消耗天然氣的用量(單位:m3)。

經(jīng)整合計算后，獲得制造階段過程中單臺機床各車間水電氣的消耗量，如表2所示。

表2 分配后單臺機床各車間水電氣的消耗量

1.2.2 基于產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響排放清單量化模型

根據(jù)產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)邊界的劃分，在產(chǎn)品的整個生命周期中，環(huán)境影響排放的貢獻(xiàn)分為5個階段:原材料獲取階段、制造階段、運輸階段、使用階段、廢棄回收處理階段。

產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響排放評估公式如下:

式中:i為第i種材料，j為第j種環(huán)境影響類型，EIE(j)為機床產(chǎn)品的整個生命周期的第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)1為原材料獲取階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)2為制造階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)3為運輸階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)4為使用階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;EIE(j)5為回收處理階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值。

(1)原材料獲取階段環(huán)境影響量化模型

原材料獲取階段是產(chǎn)品生命周期的第一個階段，該階段主要是為了獲取后續(xù)階段所需材料。鑄鐵、鋼材、鋁材、銅材是機床生產(chǎn)過程中涉及到的主要物質(zhì)，其余材料如絕緣材料、有機玻璃、耐油橡膠、毛氈等非金屬材料用量占比極小，本文暫不考慮。涉及到的標(biāo)準(zhǔn)件如軸承、螺栓等同樣不予考慮。因而本階段只考慮材料對于環(huán)境影響的排放。公式如下:

式中:EIE(j)1為原材料階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值，M1i為第i類原材料的質(zhì)量(kg)，EF(j)1i為第i種材料第j種的環(huán)境排放因子。

(2)制造階段環(huán)境影響量化模型

制造階段是產(chǎn)品由原材料到零部件再到整機的過程。主要經(jīng)歷毛坯件制造階段、零件機加工階段、零件熱處理階段、零部件裝配階段、產(chǎn)品涂裝階段等階段，其中資源能源消耗及水資源消耗按照車間全年用量分配，相應(yīng)的排放輸出根據(jù)輸入物質(zhì)按公式間接計算得出。評價公式如下:

式中:EIE(j)2為制造階段第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;PCm為制造加工階段的耗電量，PCa為裝配階段的耗電量，EF(j)e為電能的第j種的環(huán)境排放因子，M2i為第i種材料消耗量(單位:kg)，EF(j)2i為第i種材料的第j種的環(huán)境排放因子。

(3)運輸階段環(huán)境影響量化模型

運輸階段包含原材料獲取地到生產(chǎn)地的運輸、生產(chǎn)地到銷售地的運輸、銷售地到回收地的運輸，因銷售地到使用者的距離較前三者比較后影響甚微，故暫不考慮。庫存階段的數(shù)據(jù)難以收集，且影響低于1%[24]，暫不考慮。評價公式如下:

式中:EIE(j)3為運輸階段的第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;M3i為第i類運輸對象的質(zhì)量(單位:kg);L3p為采用第p種運輸方式下的運輸距離(單位:km);EF(j)3p為第p類運輸方式的環(huán)境排放因子。

(4)使用階段環(huán)境影響量化模型

使用階段即為產(chǎn)品正式服役時期，主要是電能消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響排放。評價公式如下:

式中:EIE(j)4為使用階段的第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;PCu為使用階段每天平均的耗電量;Tw為平均運行時間(年，平均使用壽命);EF(j)e為電能的第j種的環(huán)境排放因子。

(5)廢棄回收處理階段環(huán)境影響量化模型

報廢回收處理階段考慮回收材料類型，回收方式及設(shè)備類型，資源能源消耗及廢棄物排放。

式中:EIE(j)5為廢棄回收處理階段的第j種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響排放值;PCd為回收處理階段的耗電量;EF(j)e為電能第j種的環(huán)境排放因子;M5i為第i類材料消耗量(單位:kg);EF(j)5i為第i種材料的第j種的環(huán)境排放因子;M5k為第k類材料回收量(單位:kg);EF(j)5k為第k種材料的第j種的環(huán)境排放因子，回收材料可以減少該材料制取過程中的環(huán)境影響排放故為負(fù)排放。

影響因子為量化單位活動中環(huán)境影響物質(zhì)(如氣體)的排放量的系數(shù)，即計算資源能源的排放時使用的因子。主要來源于軟件數(shù)據(jù)庫[25-28]，環(huán)境影響因子如表3所示。

表3 環(huán)境影響排放因子 kg

續(xù)表3

選取某類金屬切削機床作為案例進行驗證分析。數(shù)據(jù)可通過企業(yè)調(diào)研、采樣監(jiān)測、上游廠家提供、數(shù)據(jù)庫、文獻(xiàn)等途徑進行收集。通過基于多層級數(shù)據(jù)分配的生命周期清單獲取模型及基于產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響排放清單量化模型獲取清單數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 金屬切削機床生命周期清單數(shù)據(jù)

1.3 影響評價

1.3.1 生命周期評價指標(biāo)建立及環(huán)境影響分類

根據(jù)金屬切削機床生產(chǎn)實際情況，建立適用于機床環(huán)境評價的7類生命周期評價指標(biāo)，如圖4所示。機床產(chǎn)品生命周期評價的影響類型有:金屬資源消耗、水資源消耗、化石能源消耗、氣候變化、酸化影響、水體富營養(yǎng)化、可吸入無機物等7個方面將清單分析結(jié)果劃分到所選的影響類型，分別對應(yīng)金屬資源消耗潛值(Abiotic Depletion Potential，ADP)、水資源消耗量(Water Resource Consumption，WRC)、化石能源消耗量(Fossil Energy Consumption，F(xiàn)EC)、全球變暖影響潛值(Global Warming Potential，GWP)、酸化影響潛值(Acidification Potential，AP)、水體富營養(yǎng)化影響潛值(Eutrophication Potential，EP)、可吸入無機物影響潛值(Respiratory Inorganics，RI)7個生態(tài)環(huán)境影響類型，以便更清晰地顯現(xiàn)與該結(jié)果相關(guān)的環(huán)境問題。

1.3.2 特征化

由于不同的物質(zhì)可能對環(huán)境產(chǎn)生相同的影響，但其影響程度上存在差異。而且每種物質(zhì)存在的比例大不相同，有些存在極其微量的物質(zhì)，對環(huán)境的影響卻是巨大的，而有些存在量非常大的物質(zhì)，其對環(huán)境的影響程度微乎其微。這就需要將清單結(jié)果中的不同物質(zhì)對同一影響類型的潛在影響進行轉(zhuǎn)化，即特征化。特征化包括下列兩個計算步驟:

(1)選擇并使用特征化因子將已歸類的生命周期清單結(jié)果換算為同一單位。

(2)將轉(zhuǎn)換后的生命周期清單結(jié)果進行合并，形成類型參數(shù)結(jié)果。

式中:Ci為影響類型i的特征化結(jié)果，mj為環(huán)境負(fù)荷因子j的清單結(jié)果，Qij為環(huán)境負(fù)荷因子j對影響類型i的特征化因子。

結(jié)合表4、表5[27]計算單臺金屬切削機床生命周期環(huán)境影響排放，得到機床環(huán)境影響評價特征化結(jié)果如表6和圖5所示。

表5 特征化因子

表6 單臺金屬切削機床生命周期環(huán)境影響排放特征化結(jié)果

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化的目的是對各種環(huán)境影響類型的相對大小提供一個可比較的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化過程主要是建立標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)。它通過一個選定的基準(zhǔn)值作除數(shù)對影響類型參數(shù)結(jié)果進行轉(zhuǎn)化。標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如表7所示。

ISO14042建議的基準(zhǔn)值如:

(1)特定范圍內(nèi)(如全球、區(qū)域或局地)排放總量或資源消耗總量;

(2)特定范圍內(nèi)的人均(或類似均值)排放總量或資源消耗總量;

(3)基線情景，如特定的備選產(chǎn)品系統(tǒng)參數(shù)結(jié)果計算值;

式中:Ni為影響類型i的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，Ci為影響類型i的特征化結(jié)果，Ri為影響類型i的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值。

表7 單臺金屬切削機床生命周期環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

1.4 結(jié)果解釋與討論

1.4.1 金屬切削機床環(huán)境影響分析

從金屬切削機床生命周期環(huán)境影響特征化結(jié)果(如表6和圖5)中可以看出，金屬切削機床生命周期原材料獲取階段化石能源消耗值、導(dǎo)致氣候變化排放值及金屬資源消耗值較大，因為原材料階段的材料物種多消耗大。使用階段化石能源消耗值與導(dǎo)致氣候變化排放值較大，因為使用階段主要消耗電能，且產(chǎn)生較多的溫室氣體的排放。

從金屬切削機床生命周期環(huán)境影響排放標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果(如表7和圖6)中可以看出，該金屬切削機床全生命周期金屬資源消耗相對影響最大，其次化石能源的消耗、氣候變化與酸化的相對影響也較大，水資源消耗、水體富營養(yǎng)化與可吸入無機物的相對影響較小。

由金屬切削機床生命周期環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，得出金屬資源消耗相對影響最大。因為機床的零部件主要是鑄鐵材料，且機床的大型零部件，如床身等消耗的材料均為鑄鐵材料，床身鑄鐵材料占比約為金屬材料的30%。因此，可采取輕量化設(shè)計或材料替代等措施來減少金屬資源的消耗。有大量學(xué)者進行了輕量化設(shè)計的研究，則本文主要針對材料替代來開展，研究由礦物材料來替代金屬材料進行床身等主要大型零部件的制造。

分析表8可知，礦物床身替代鑄鐵床身減少了3 960 kg Fe eq/kg金屬資源消耗，降低率為29.93%，且礦物床身的資源消耗的相對影響小于鑄鐵床身。因此，本文的評價結(jié)果對機床降低環(huán)境影響有指導(dǎo)意義。

表8 不同床身材料資源消耗量及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

1.4.2 敏感性分析

敏感性分析是指研究制約評價指標(biāo)的有關(guān)因素在特定條件下發(fā)生變化時對評價指標(biāo)影響程度的系統(tǒng)分析方法。機床全生命周期是一個巨大復(fù)雜的系統(tǒng)，針對機床生命周期評價進行敏感性分析時，采用單因素敏感性分析方法。單因素敏感性分析是假定在同一時間只有一個不確定性因素發(fā)生變化，其他因素不變，每次分析這個因素的變化對評價指標(biāo)的影響大小的方法。由圖5可知，化石能源消耗值最大，因此，針對金屬切削機床的化石能源排放進行敏感性分析。

(1)煤電比例

我國電力結(jié)構(gòu)以煤電為主導(dǎo)，本文調(diào)研機床電力結(jié)構(gòu)也為煤電，我國還有風(fēng)電、水電等，煤電比例指的是使用電力結(jié)構(gòu)中煤電的占比。煤電電力的比例會影響機床化石能源消耗情況。因而，分析煤電比例對機床化石能源消耗的影響，如圖7所示。可以看出，機床化石能源消耗與煤電比例基本呈線性關(guān)系。當(dāng)煤電比例為零時，機床化石能源消耗減少了約111886.44kg Coal-Req./kg，總體降低約76.68%。

(2)材料

金屬切削機床的主要原材料為鑄鐵材料，其中機床床身約占鑄鐵材料的30%，現(xiàn)將床身的鑄鐵材料更換為礦物材料，不同的材料進行生產(chǎn)時會消耗不同的電能，進而影響機床化石能源消耗的情況。分析材料對機床化石能源消耗的影響，如圖8所示，可以看出礦物床身代替鑄鐵床身化石能源減少了4.260 kg Coal-Req./kg，總體降低約47.11%。

綜上所述，化石能源消耗量對于煤電比例變化產(chǎn)生的減少值大且降低率高，從而發(fā)現(xiàn)化石能源消耗對于煤電比例的敏感度高，因為機床在使用階段消耗大量的電能，電能主要是煤電，煤電生產(chǎn)的過程中會消耗大量的化石能源。

1.5 說明與驗證

下面選取機床主要零部件床身進行驗證。本文主要針對制造階段進行數(shù)據(jù)分配方法的應(yīng)用。選取制造階段的電能消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響進行評價，比較追蹤床身制造階段實時獲取的電能消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響與采用數(shù)據(jù)分配方法獲取的電能消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響，如表9所示。

表9 測試數(shù)據(jù)評價與分配數(shù)據(jù)評價的比較

由表9可知，測試數(shù)據(jù)評價與分配數(shù)據(jù)評價的環(huán)境影響類型的數(shù)值相差較小，除可吸入無機物因影響數(shù)值較小導(dǎo)致的誤差偏大，其他環(huán)境影響類型誤差絕對值均低于10%。分配方法的正確性與評價結(jié)果的有效性是可以保障。

2 結(jié)束語

本文建立了基于多層級數(shù)據(jù)分配的生命周期清單獲取模型和基于產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響排放清單量化模型，進行了生命周期評價指標(biāo)的建立及環(huán)境影響分類，解決了采集的多層級數(shù)據(jù)異構(gòu)多源，難以直接應(yīng)用于生命周期評價的問題，該方法適用于各類機床產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響評價。結(jié)合實際調(diào)研數(shù)據(jù)進行了金屬切削機床的環(huán)境影響評價，并輸出評價結(jié)果。該金屬切削機床生命周期環(huán)境影響評價結(jié)果由大到小依次為:金屬資源消耗、化石能源能耗、氣候變化、酸化影響，水體富營養(yǎng)化、水資源消耗、可吸入無機物。為減少金屬資源消耗，應(yīng)多考慮復(fù)合材料、綠色材料來替代金屬材料的使用，來降低金屬資源消耗量;為節(jié)約能源消耗，可開發(fā)應(yīng)用新能源，也可設(shè)計節(jié)能機床或?qū)C床進行節(jié)能優(yōu)化;為減少氣候變化影響排放，應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)過程或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來降低產(chǎn)品生產(chǎn)中的溫室氣體排放，為減少酸化影響，應(yīng)將燃燒用煤炭進行脫硫處理。在后續(xù)研究中，將針對具體環(huán)境影響類型展開優(yōu)化研究，降低機床產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響。