閆萌　李濤　楊晨　王明宇　楊東東

摘要：為了協(xié)同分析機(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)過(guò)程，采用產(chǎn)品設(shè)計(jì)域、生命周期活動(dòng)域和環(huán)境影響評(píng)價(jià)域多域關(guān)聯(lián)的建模方法建立綠色設(shè)計(jì)與生命周期階段之間的關(guān)聯(lián)映射，通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算方法，將生命周期活動(dòng)域與環(huán)境影響評(píng)價(jià)域相關(guān)聯(lián)。開(kāi)發(fā)生命周期評(píng)價(jià)計(jì)算工具，將生命周期評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算方法應(yīng)用于產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)全生命周期階段，當(dāng)綠色設(shè)計(jì)信息改變時(shí)，只需在計(jì)算工具中調(diào)整相應(yīng)參數(shù)就可以實(shí)時(shí)地得到設(shè)計(jì)信息更改之后的環(huán)境影響，從而幫助設(shè)計(jì)人員重新對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)。以CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為典型機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，計(jì)算產(chǎn)品整機(jī)、部件、零件的環(huán)境影響。由計(jì)算結(jié)果可知，地基、機(jī)艙這兩個(gè)一級(jí)零部件對(duì)環(huán)境的影響最嚴(yán)重，需在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段著重考慮綠色性，改進(jìn)綠色設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：生命周期評(píng)價(jià)；多域關(guān)聯(lián)；FSMPT模型；參數(shù)化計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.008

Calculation Method of LCA Parameters for Green Design and Assessment Collaboration of Electromechanical Products

YAN Meng LI Tao YANG Chen WANG Mingyu YANG Dongdong

Abstract： In order to collaboratively analyze the green design and assessment processes of electromechanical products， the correlation mapping between green design and life cycle stages was established using the modeling method of multi-domain correlation of product design domain， life cycle activity domain and environmental impact assessment domain. The life cycle activity domain was correlated with the environmental impact assessment domain through the calculation method of life cycle assessment parameters.The LCA calculation tool was developed， and the calculation method of LCA parameters was applied to the whole life cycle stage of product green design. When the green design information was changed， just adjusting the corresponding parameters in the calculation tool， the environmental impact could be obtained after the design information was changed in real time， so as to help designers to re-design the product to green design. CWT3300D-165 wind turbine was used as a typical electromechanical product for application verification， and a product structure tree was established to calculate the environmental impact of the whole machine， components and parts of the product. From the calculation results， it may be seen that the two first-level components， foundation and nacelle， have the most serious environmental impact and need to focus on greenness in the product design stages and improve the green design scheme.

Key words： life cycle assessment（LCA）; multi-domain association; function-structure-material-process-transport（FSMPT） model; parametric calculation

0 引言

綠色設(shè)計(jì)可從源頭上解決資源、能源的過(guò)度消耗和環(huán)境污染問(wèn)題，是落實(shí)綠色制造戰(zhàn)略的重要途徑［1］，但現(xiàn)有綠色設(shè)計(jì)存在清單數(shù)據(jù)異構(gòu)、設(shè)計(jì)方法多元、設(shè)計(jì)流程分散、缺乏系統(tǒng)性平臺(tái)工具支持等問(wèn)題，阻礙了綠色設(shè)計(jì)在企業(yè)中的應(yīng)用。目前，以網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化為特征的綠色設(shè)計(jì)工具已成為綠色設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)和應(yīng)用的急需。

很多專(zhuān)家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，GERO等［2］首次提出功能-行為-結(jié)構(gòu)（function-behavior-structure， FBS）模型，該模型可針對(duì)功能需求生成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案。FBS模型是初代模型，為了適應(yīng)復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求和環(huán)境需求，許多改良的綠色設(shè)計(jì)模型應(yīng)運(yùn)而生，如功能-環(huán)境-行為-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型［3］、功能流模型［4］、功能分解模型［5］、功能-行為-狀態(tài)模型［6］。付巖等［7］提出了基于功能-結(jié)構(gòu)-材料-工藝（function-structure-material-process， FSMP）模型的機(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)，綜合考慮產(chǎn)品材料、工藝、使用、回收階段的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行集成表達(dá)，結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment， LCA）完成設(shè)計(jì)空間節(jié)點(diǎn)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)，在產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)理論方面取得了重大進(jìn)展，對(duì)綠色設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)作用。隨后，又有許多學(xué)者提出設(shè)計(jì)-知識(shí)理論模型，構(gòu)建了設(shè)計(jì)與知識(shí)的映射空間，從而生成新概念、新知識(shí)乃至有實(shí)用價(jià)值的新功能［8］。公理化設(shè)計(jì)理論為需求和功能之間的映射提供指導(dǎo)［9］。邢璐等［10］提出一種集成面向環(huán)境的設(shè)計(jì)（environment-based design， EBD）和TRIZ理論的機(jī)電系統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)方法，建立“需求-環(huán)境-沖突-原模型-解決方案”的設(shè)計(jì)邏輯，利用面向環(huán)境的設(shè)計(jì)方法識(shí)別設(shè)計(jì)需求與環(huán)境約束之間的矛盾，迭代分析需求與環(huán)境間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而解耦復(fù)雜抽象的專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。屠立等［11］提出了基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的知識(shí)模板概念，用統(tǒng)一建模語(yǔ)言建立了復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的功能-行為-結(jié)構(gòu)模型。楊應(yīng)虎等［12］提出了一種基于NX軟件提供的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)模塊（mechatronics concept designer， MCD）的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，考慮產(chǎn)品綠色性進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。上述基于改進(jìn)的FBS模型研究可以支持產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)，但綠色設(shè)計(jì)涉及產(chǎn)品生命周期多個(gè)階段，將原材料、工藝、使用、回收、運(yùn)輸?shù)刃畔⒕紤]在內(nèi)的協(xié)同設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。

信息技術(shù)的發(fā)展為生命周期評(píng)價(jià)軟件的研究提供了條件。楊建新等［13］提出了我國(guó)產(chǎn)品生命周期影響評(píng)價(jià)所需的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)以及確定權(quán)重的方法。黃娜等［14］提出了一種系統(tǒng)化評(píng)估和控制LCA數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法（CLCD-Q方法），通過(guò)LCA實(shí)例對(duì)清單數(shù)據(jù)的不確定性進(jìn)行評(píng)估。CIROTH［15］開(kāi)發(fā)了open LCA；ONG等［16］開(kāi)發(fā)了一種基于半定量化原理的快速LCA工具，可以迅速對(duì)含有較多部件的機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行LCA分析；SINGH等［17］開(kāi)發(fā)了Eco-LCA，可以對(duì)生態(tài)資源進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。除了上述軟件，國(guó)外還有幾款知名的的商用LCA軟件，如Simapro， GaBi和TEAM。這些軟件功能大體一致，但在方法、速度、適用性上有些許不同，并且這些計(jì)算軟件通常用在產(chǎn)品服役后，而非用于產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)階段，同時(shí)對(duì)輸入清單、參數(shù)要求嚴(yán)格。為解決上述問(wèn)題，筆者開(kāi)發(fā)了一款產(chǎn)品LCA參數(shù)計(jì)算工具，通過(guò)有限的清單數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品各階段生命周期信息以參數(shù)的形式輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算，獲得環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果。

LCA需要應(yīng)用在產(chǎn)品生命周期的所有階段，從而對(duì)產(chǎn)品環(huán)境影響進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，提高產(chǎn)品綠色性能。除此之外，LCA通常被用于產(chǎn)品服役后評(píng)估，而非用于改進(jìn)產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)，因此無(wú)法提升產(chǎn)品的環(huán)境性能。本文的目標(biāo)是將LCA方法應(yīng)用于機(jī)電產(chǎn)品全生命周期階段，協(xié)同分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)過(guò)程，并開(kāi)發(fā)LCA參數(shù)計(jì)算工具。設(shè)計(jì)人員將產(chǎn)品生命周期信息以參數(shù)形式輸入，即可對(duì)其進(jìn)行完整的評(píng)估。此外，該工具允許隨著設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，輸入改進(jìn)之后的參數(shù)信息，以快速準(zhǔn)確地獲得環(huán)境影響結(jié)果。

本文提出了設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)協(xié)同模型，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，從而得到產(chǎn)品各零部件環(huán)境影響結(jié)果，回溯產(chǎn)品關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，提升產(chǎn)品綠色性。基于產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)模型—FSMPT（function-structure-material-process-transport）模型和產(chǎn)品生命周期階段之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立生命周期映射矩陣（life cycle mapping matrix， LCMM［18］），再結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)對(duì)零件、部件、整機(jī)進(jìn)行LCA計(jì)算，最后得到環(huán)境影響結(jié)果。

1 多域關(guān)聯(lián)模型整體框架

由于機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息存在著大量不確定性、跨生命周期階段性，易在產(chǎn)品生命周期的不同階段間形成信息孤島，因此機(jī)電產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)信息缺乏有效的集成以及形式化表達(dá)。傳統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)缺乏有效的關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)協(xié)同運(yùn)行機(jī)制的研究依然處于探索階段。針對(duì)上述問(wèn)題，本文建立了產(chǎn)品多域關(guān)聯(lián)的綠色設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)協(xié)同模型，基于機(jī)電產(chǎn)品生命周期的物質(zhì)流、能量流、信息流分析，構(gòu)建機(jī)電產(chǎn)品環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了產(chǎn)品多域關(guān)聯(lián)的綠色設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)協(xié)同建模技術(shù)，支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)集成管理。通過(guò)建立綠色設(shè)計(jì)與生命周期階段關(guān)聯(lián)映射模型，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)域與生命周期活動(dòng)域相關(guān)聯(lián)；通過(guò)參數(shù)LCA計(jì)算，將生命周期活動(dòng)域與環(huán)境影響評(píng)價(jià)域相關(guān)聯(lián)。

圖1展示了多域關(guān)聯(lián)模型，產(chǎn)品設(shè)計(jì)域包括產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、運(yùn)輸五部分；生命周期活動(dòng)域包括產(chǎn)品的五個(gè)生命周期階段的活動(dòng)信息，通過(guò)綠色設(shè)計(jì)模型（FSMPT模型）和生命周期活動(dòng)信息建立生命周期映射矩陣（LCMM）；環(huán)境影響評(píng)價(jià)域包括六類(lèi)環(huán)境影響指標(biāo)和生命周期評(píng)價(jià)（LCA）。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)域與生命周期活動(dòng)域關(guān)聯(lián)模型

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)模型

機(jī)電產(chǎn)品是由其零部件組成的。以樹(shù)的形式表示產(chǎn)品的零部件關(guān)系可以將復(fù)雜產(chǎn)品自頂向下地分解為部件和零件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖2所示。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)組成如下：

（1）根節(jié)點(diǎn)。根節(jié)點(diǎn)指結(jié)構(gòu)樹(shù)中最頂端的節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)中產(chǎn)品為根節(jié)點(diǎn)。

（2）子節(jié)點(diǎn)。除根節(jié)點(diǎn)之外，自身下面還連接節(jié)點(diǎn)的部件節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。

（3）葉子節(jié)點(diǎn)。葉子節(jié)點(diǎn)指結(jié)構(gòu)樹(shù)中最底端的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)下面沒(méi)有子節(jié)點(diǎn)。零件節(jié)點(diǎn)為葉子節(jié)點(diǎn)。

2.2 FSMPT模型

為了更加科學(xué)、全面地進(jìn)行產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)，筆者在付巖等［7］提出的FSMP模型基礎(chǔ)上添加運(yùn)輸階段，建立了包括功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、運(yùn)輸在內(nèi)的產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)模型，即FSMPT模型，該模型中的功能（F）與結(jié)構(gòu)（S）之間的映射是參考FBS模型中功能、行為、結(jié)構(gòu)三者的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立起來(lái)的。為了解決產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與生命周期階段集成度低、缺乏有效關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，將FSMPT模型與生命周期階段相關(guān)聯(lián)。產(chǎn)品生命周期階段包括原材料獲取階段、制造階段、使用階段、回收階段和運(yùn)輸階段。

FSMPT模型與產(chǎn)品生命周期階段的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3所示。在FSMPT模型中，功能表示產(chǎn)品具有的功能，與使用階段相關(guān)聯(lián)；結(jié)構(gòu)表示為實(shí)現(xiàn)某種特定功能所具有的特定結(jié)構(gòu)，與回收階段相關(guān)聯(lián)；材料表示產(chǎn)品生產(chǎn)所需的原材料，與原材料獲取階段相關(guān)聯(lián)；工藝表示產(chǎn)品生產(chǎn)制造方式，與制造階段相關(guān)聯(lián)；運(yùn)輸描述產(chǎn)品地理位置移動(dòng)的過(guò)程信息，表示產(chǎn)品零部件的運(yùn)輸以及零部件原材料的運(yùn)輸，與運(yùn)輸階段相關(guān)聯(lián)。

2.3 基于FSMPT模型的生命周期映射矩陣

基于FSMPT模型建立生命周期映射矩陣Li如下：

3.2 參數(shù)化LCA計(jì)算方法

3.2.1 清單分析

以下二元數(shù)組展示了各節(jié)點(diǎn)的清單信息Qi：

（10）

當(dāng)i分別為零件節(jié)點(diǎn)、部件節(jié)點(diǎn)、產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)時(shí)，Qi分別對(duì)應(yīng)不同節(jié)點(diǎn)的清單信息。Qi中Iin表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初級(jí)能源消耗的種類(lèi)Sa和數(shù)值Va（以煤、石油、天然氣作為清單物質(zhì)，單位為kg）；Oout表示環(huán)境影響排放的種類(lèi)Sb和數(shù)值Vb（以CO、CO2、SO2、NOx、CH4、H2S、HCL、COD、NH3、CFCs作為清單物質(zhì)，單位為kg）。Iin和Oout二者共同構(gòu)成了該節(jié)點(diǎn)整個(gè)生命周期過(guò)程的清單。

3.2.2 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

結(jié)合ISO、SETAC以及美國(guó)環(huán)保署提供的LCIA框架模型，建立典型的“分類(lèi)、特征化、量化”三步走的生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型如圖4所示。

生命周期影響評(píng)價(jià)方法步驟如下：

（1）指標(biāo)選擇?；谥悬c(diǎn)法（midpoints），著眼于環(huán)境影響，采用EDIP2003方法［21］解釋LCI數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的貢獻(xiàn)度。選擇的環(huán)境影響指標(biāo)為初級(jí)能源消耗（PED）、全球變暖（GWP）、酸化（AP）、富營(yíng)養(yǎng)化（EP）、光化學(xué)煙霧（POCP）、臭氧層破壞（ODP）。本文采用的指標(biāo)選擇方法為EDIP2003方法，為了方法具有通用性，決策者也可以根據(jù)需要選擇其他的環(huán)境影響指標(biāo)作為其他案例進(jìn)行研究，而不對(duì)本文所提出的LCA參數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行更改。

（2）分類(lèi)。將不同類(lèi)型的清單物質(zhì)劃分到不同的環(huán)境影響指標(biāo)中，分類(lèi)方法以及標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)如表1所示。

（3）特征化。清單數(shù)據(jù)的特征化就是計(jì)算環(huán)境影響潛值，是量化生命周期資源消耗、環(huán)境排放所產(chǎn)生的環(huán)境影響潛在貢獻(xiàn)的過(guò)程，利用特征化因子對(duì)歸屬于各個(gè)環(huán)境影響指標(biāo)的清單物質(zhì)進(jìn)行加和，計(jì)算公式如下：

（11）

式中，K（q）為第q種環(huán)境影響類(lèi)型的環(huán)境影響潛值；K（q）p為第p種排放物或消耗的資源對(duì)所屬的第q種環(huán)境影響類(lèi)型的貢獻(xiàn)值；C（q）p為第p種排放物或消耗的資源對(duì)所屬的第q種環(huán)境影響類(lèi)型的特征化因子，詳見(jiàn)表1特征化因子。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)所選擇的各個(gè)環(huán)境影響指標(biāo)進(jìn)行比較，量化各環(huán)境影響類(lèi)型對(duì)綜合環(huán)境影響的貢獻(xiàn)率，采用標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量（每人每年平均環(huán)境影響潛值）作為標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)，計(jì)算公式如下：

（12）

式中，y為基準(zhǔn)年；H（q）y為在基準(zhǔn)年指定區(qū)域的第q種環(huán)境影響的人均環(huán)境影響潛值，即標(biāo)準(zhǔn)化因子，如表1所示；N（q）為在基準(zhǔn)年指定區(qū)域的第q種環(huán)境影響的總環(huán)境影響潛值。

（5）加權(quán)評(píng)估。為了確定綜合環(huán)境影響大小，需給予每一個(gè)環(huán)境影響指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重。權(quán)重利用“目標(biāo)距離法”（當(dāng)前某項(xiàng)環(huán)境水平與目標(biāo)水平的距離商）來(lái)表征其重要性。權(quán)重因子如表1所示，利用下式得到綜合環(huán)境影響：

（13）

式中，E為生命周期綜合環(huán)境影響；W（q）為第q種環(huán)境影響類(lèi)型的權(quán)重。

3.2.3 結(jié)果解釋

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)上的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型分為零件節(jié)點(diǎn)、部件節(jié)點(diǎn)以及產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)。選擇各節(jié)點(diǎn)生命周期過(guò)程中的原材料獲取階段、制造階段、使用階段、回收處理階段、運(yùn)輸階段，環(huán)境影響指標(biāo)選擇PED、GWP、AP、EP、POCP、ODP，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)環(huán)境影響。

節(jié)點(diǎn)i的最終計(jì)算結(jié)果三元組Wi由節(jié)點(diǎn)的清單信息Qi（包括Iin和Oout）和環(huán)境影響指標(biāo)Dres共同組成：

（14）

其中，Dres表示該節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)的種類(lèi)Sc和計(jì)算結(jié)果Vc，Vcr（r=1，2，…，6）表示6類(lèi)環(huán)境影響指標(biāo)的環(huán)境影響潛值。將數(shù)據(jù)清單Qi中Iin和Oout根據(jù)式（11）～式（13）進(jìn)行特征化、標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)計(jì)算得到三元組Wi中的環(huán)境影響指標(biāo)Dres，然后將計(jì)算方法集成到LCA參數(shù)計(jì)算工具上。

4 軟件實(shí)現(xiàn)及案例分析

4.1 計(jì)算工具開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境

LCA計(jì)算工具選擇了最流行的開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具，便于使用和維護(hù)。其中，工具開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Windows 10操作系統(tǒng)；工具開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Java、JavaScript；工具開(kāi)發(fā)工具為IDEA 2019.3、Powder Designer 15.0、WebStorm 2020；工具開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)為MySQL 5.5、Redis 3.2；工具開(kāi)發(fā)框架為Spring Boot、BootStrap；

工具運(yùn)行平臺(tái)為L(zhǎng)inux 7.6操作系統(tǒng)；工具運(yùn)行服務(wù)器為阿里云輕量型服務(wù)器；Java運(yùn)行環(huán)境為JDK1.8；工具運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)為MySQL 5.5、Redis 3.2；工具反向代理為OpenResty。

4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)

以CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為典型機(jī)電產(chǎn)品構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，如圖5所示。部件輪轂、部件機(jī)艙、部件塔架、零件葉片、零件變流器、零件地基構(gòu)成1級(jí)零部件，1級(jí)零部件再往下分為2級(jí)零部件，變槳系統(tǒng)為2級(jí)零部件，其標(biāo)號(hào)為1.1，2級(jí)零部件之下還有3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)零部件，3級(jí)零部件標(biāo)號(hào)為1.1.1，所有零部件共同組成完整的產(chǎn)品。根據(jù)中車(chē)山東風(fēng)電有限公司提供的CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機(jī)物料清單（bill of material，BOM）進(jìn)行篩選、整合可得到進(jìn)行LCA計(jì)算的物料清單。

將CWT3300D-165型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)BOM導(dǎo)入計(jì)算工具，產(chǎn)品各級(jí)零部件結(jié)構(gòu)如圖6所示，這里只展示產(chǎn)品、1級(jí)零部件和2級(jí)零部件。

本研究的功能單元為：一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)每天工作18 h，服役20年。系統(tǒng)邊界為：從原材料采掘到風(fēng)機(jī)部件回收的全過(guò)程，產(chǎn)品應(yīng)用在中國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)。由于產(chǎn)品的安裝和維護(hù)階段對(duì)結(jié)果影響小于5%，因此在計(jì)算時(shí)不予考慮。

4.3 應(yīng)用驗(yàn)證

CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一小時(shí)發(fā)電量約為3000 kW·h，發(fā)電效率為80%，一年運(yùn)轉(zhuǎn)300天，一天工作18 h，累計(jì)工作20年的發(fā)電量為2.592×108 kW·h?；鹆Πl(fā)電發(fā)一度電需要0.3 kg煤，產(chǎn)出等量的電，風(fēng)力發(fā)電相當(dāng)于節(jié)省7.776×107 kg煤。通過(guò)對(duì)中國(guó)某風(fēng)機(jī)企業(yè)實(shí)地調(diào)研，得到風(fēng)機(jī)詳細(xì)信息如表2所示，包括產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品材料、運(yùn)輸距離、運(yùn)輸方式、使用階段標(biāo)準(zhǔn)化煤質(zhì)量。

根據(jù)表3和式（9）建立風(fēng)機(jī)產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)生命周期映射矩陣如下：

使用計(jì)算工具依次計(jì)算輪轂總成、機(jī)艙總成、塔筒總成、葉片、地基、變流器的環(huán)境影響，環(huán)境影響結(jié)果如表4所示，上述部件節(jié)點(diǎn)的背景清單數(shù)據(jù)見(jiàn)表5～表10。經(jīng)過(guò)LCA計(jì)算工具計(jì)算之后，得到產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)最終結(jié)果Wprd如下：

LCA計(jì)算工具提供了豐富的圖表展示，圖7所示為風(fēng)機(jī)各零部件環(huán)境影響對(duì)總環(huán)境影響貢獻(xiàn)度情況。圖8展示了對(duì)環(huán)境影響最大的前19個(gè)零部件，以及6項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)對(duì)該零部件的環(huán)境影響分布情況。圖9列舉了風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期各階段的環(huán)境影響情況。

因?yàn)榱慵?shù)量過(guò)多，圖8僅展示了1級(jí)和2級(jí)零件，分析圖8可以看出，1級(jí)零部件中環(huán)境影響最大的是地基，占比66.34%，其次是機(jī)艙總成，占比17.51%，影響最小的是變流器，占比0.05%。分析2級(jí)零部件的對(duì)比結(jié)果可以得出，影響最大的2級(jí)零部件是葉片1、葉片2、葉片3，各占14.01%。

由圖9可以看出，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)所有零部件中環(huán)境影響最大的前3個(gè)零部件依次為：地基、機(jī)艙總成、塔筒總成。1級(jí)零件地基對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化（EP）和光化學(xué)煙霧（POCP）這兩類(lèi)環(huán)境影響貢獻(xiàn)度最大，分別為17 125.16和21 831.86。

由圖9可知，對(duì)PED貢獻(xiàn)度最大的是原材料獲取階段，其次是制造階段；對(duì)GWP、AP、EP貢獻(xiàn)度最大的均是運(yùn)輸階段，因此在進(jìn)行產(chǎn)品LCA分析時(shí)，很有必要考慮運(yùn)輸階段的信息；對(duì)POCP貢獻(xiàn)度最大的是制造階段；風(fēng)機(jī)生命周期所有階段對(duì)ODP的貢獻(xiàn)度很小。產(chǎn)品使用階段和回收階段對(duì)6類(lèi)環(huán)境影響均有一定的抑制作用。

5 結(jié)論

（1）提出機(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)協(xié)同的多域關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與生命周期階段關(guān)聯(lián)建模將產(chǎn)品設(shè)計(jì)域與生命周期活動(dòng)域相關(guān)聯(lián)；通過(guò)LCA計(jì)算將生命周期活動(dòng)域與環(huán)境影響評(píng)價(jià)域相關(guān)聯(lián)。將LCA參數(shù)方法應(yīng)用于產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)中，并開(kāi)發(fā)LCA參數(shù)計(jì)算工具，將產(chǎn)品生命周期信息以參數(shù)的形式輸入能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。此外，該工具允許設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)，輸入改進(jìn)之后的產(chǎn)品信息可以快速準(zhǔn)確地獲得環(huán)境影響結(jié)果。

（2）基于產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)模型（FSMPT模型）和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)建立生命周期映射矩陣（LCMM），實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)電產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)信息和生命周期階段信息的有效集成，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)各節(jié)點(diǎn)的遍歷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有復(fù)雜零部件關(guān)系的機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)的目標(biāo)，并獲得了最終環(huán)境影響結(jié)果。以CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為典型機(jī)電產(chǎn)品，計(jì)算出在其生命周期內(nèi)的5個(gè)階段所消耗的能源以及相應(yīng)的環(huán)境影響。根據(jù)1級(jí)部件的環(huán)境影響結(jié)果可知，地基對(duì)環(huán)境影響最大，其次是機(jī)艙總成，因此這兩個(gè)主要1級(jí)部件需在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段著重考慮產(chǎn)品綠色性，改進(jìn)產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)方案。

（3）本文采用EDIP2003影響評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，為了方法具有通用性，決策者也可以根據(jù)需要選擇其他的環(huán)境影響指標(biāo)進(jìn)行其他案例研究。

（4）設(shè)計(jì)人員將生命周期信息以參數(shù)輸入，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，幫助設(shè)計(jì)人員快速地找到對(duì)環(huán)境影響較大的零部件并重新對(duì)其進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)，可提高機(jī)電產(chǎn)品整體的綠色性，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)朝著“更綠色，可持續(xù)”的方向發(fā)展。

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（編輯 王艷麗）

作者簡(jiǎn)介：

閆 萌，男，1998年生，碩士研究生。研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品可持續(xù)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)。

李 濤（通信作者），女，1977年生，副教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楫a(chǎn)品可持續(xù)性評(píng)價(jià)方法、激光增材修復(fù)技術(shù)、機(jī)械裝備能耗分析與評(píng)估方法等。E-mail：litao@dlut.edu.cn。

收稿日期：2022-09-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFB1711600）