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第四章材料的生态设计4.5材料的生态设计第五讲生态设计一．生态设计的概念二．生态设计的主要思路三．生态设计的主要内容一、生态设计的概念生态设计：是指“环境因素”决定设计决策的方向，即环境与产品开发中其它因素（如利润、功能、美观等）一样同等重要，甚至更重要。这个概念强调了产品的生态设计。属于狭义的生态设计生态设计：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。这种协调意味着设计尊重生物多样性，减少对资源的剥夺，保持营养和水循环，维持植物生境和动物栖息地的质量，以有帮助改善人居环境及生态系统的健康。这种生态设计不仅涉及产品，还包括原材料、生产过程、产业系统、景观和建筑等，属于广义的生态设计。二、生态设计的原则和思路1原则①系统分析方法：需要系统考虑和分析产业生态系统、自然生态系统与人类需求之间的关系，尤其是耦合关系。②生命周期角度：只有综合考虑产品生命周期过程的影响，多级使用资源和能源，才能降低产品生产和消费过程的环境影响，使其与地球的环境承载力一致。③多要素分析：生态设计必须必须同时考虑成本、环境影响和性能等主要因素。④相关者协作：生态设计是基于产品生命周期链的设计方法，在设计过程中，需要各利益相关者共同参与及协作，这些利益相关者包括：生产者、供应商、消费者、废弃物管理者、资源回收者及政策制订者。2、思路①低物质化指在产业生产过程中，减少物料消耗和降低能量强度的现象，从更广的意义上，低物质化是指提供同样的经济功能的同时相对或绝对地减少物质的量。低物质化应从产品生命周期考虑。比如：借助于网络实现无纸化办公、交易等。②功能经济“一种产品代表的是向消费者提供特定功能的一种手段”。即产品不是目的，而是服务手段，实际上消费者关心不是产品，而是产品所提供的功能。这意味着可以引导消费者把其注意力从关注产品的特征转向关注服务的特征，从而寻求产业生态化的机会和可能。当把产品看成是向最终用户提供的某种功能时，资源的使用量和废物排放量将会大大减少，即人们通过服务来代替那些消耗大量物质和能量的活动时，可以减少对单位生活质量不利的环境影响。比如，当人们不买汽车这种产品本身，而只买汽车运送乘客和物品的功能时，汽车制造商将会想方设法延长汽车的使用寿命，并且提高废旧汽车的回收价值，从而减少资源消耗和废物排放。③物质替代减少物质使用的一个办法是完全使用新的物质替代旧的物质，新的物质应该具有耐用、在获取和加工过程中产生的废物少等特性。如：聚合材料代替钢材光纤代替铜质线用萜（一种植物清洗剂）代替CFCs三、生态设计的主要内容1.原材料的生态设计2.产品的生态设计3.生产过程的生态设计4.产业生态系统的生态设计1、原材料的生态设计①减少原材料的使用量②采用再循环原料③采用低能值原料①减少原材料的使用量通过生态设计，在为人类提供同样的经济功能的同时相对或绝对地减少原材料的使用量。②采用再循环原料尽量避免使用不可再生，或者需要很长时间才能再生的原料，如矿物燃料，金属铜等。尽量使用可以再循环利用的原料，可以减少原料在采掘和生产过程中的能耗。举例A日本的Beauty工业利用废旧的玻璃作为原料，生产的免烧瓷砖可以节省大量的资源和能源，而且这种瓷砖可以再利用。B③采用低能值原料在原料的采掘和生产过程中，需要的工艺过程愈复杂，所消耗的能源就越多。这种在采掘和生产过程中消耗大量能源的原料称为高耗能原料。但是须注意：必须采用系统的和全生命周期的观点来待，即全局看待其原料采掘、生产和使用过程。比如：A碳纤维属于高耗能材料，但是其后续的使用过程中因为其具有良好的强度、硬度、抗老化等优良特性而节省能源。B铝属于高能耗物质。但由于铝较轻，同时又易于回收，使用阶段用的能量较少。2、产品的生态设计①整合产品功能②优化产品结构③产品部件的功能功能优化④模块化设计⑤易于维护和维修⑥易于再循环①整合产品功能将几种功能或产品组合进一个产品中，则可节约大量的原料和空间。例如：德国Viessmann公司开发了多功能集成的太阳能收集阳台栏杆，这种栏杆是一种真空管收集器，它可用于取代大的太阳嵌板。厚硼硅酸盐玻璃和耐用的真空管玻璃/金属收集器保证了安全性和长寿命。由于这一创新，阳台栏杆和太阳能收集器不在需要独立的建造，节省了能源和材料。而且这种收集器比平板收集器效率高30％。②优化产品结构通过优化产品结构可以达到优化产品功能及延长产品受用寿命的目的。例如：20世纪90年代初，欧洲的一家家电杂志提出SONY电视的环境性能比竞争对手差。SONY认识到这一问题后决定重新设计其产品。改进后的电视不再使用哈龙、三氧化锑等危险原料，也不再使用PVC。而且减少塑料使用量52％，原材料的使用总量大大下降。另外SONY承诺该电视可快速拆解，整机只用了9枚螺钉，整机再循环率达到了99％。而且制造成本下降了30％，装配速度比以前大有提高。③产品部件的功能功能优化通过部件的标准化、规格化，有利于维修、更换、回收再利用；a.长寿命化，尤其是易损部件的长寿命化可提高产品的整体寿命；b.连接简化，采用容易拆卸的连接方法；c.重复利用化，经过翻修可达到原设计要求而再次使用。举例：柯达公司设计了一个有效的一次性相机机的在循环计划。该计划鼓励各洗印部把空的一次性的壳体送回该公司，然后公司将这些照相机的壳体拆开，一些零部件可以再次用于新的一次性相机中，另一些零件则作为废旧塑料或金属再循环，为了实现这些用途，在产品设计时必须考虑产品部件的标准化和易拆卸。目前，这种相机再循环率达到了60％，在美国等发达国家达到了70％。④模块化设计指对一定范围内的不同功能、不同性能、不同规格的产品进行分析、划分并设计出一系列功能模块。通过模块的的选择和组合可以组装成不同的产品，易满足市场需求。同时，模块化设计也有利于产品使用后的拆卸，以最大限度地提高产品的可更新性，以满足不断变化的用户需求。模块化的产品设计方法可使新技术能与已有落后的产品迅速结合，使得在产品生命周期内对部件进行升级以减少用户对新产品的需求。⑤易于维护和维修生态设计应保证产品易于清洁、维护和维修以延长产品的使用寿命。维护和维修包括用户和制造商两个方面。对用户，厂家应该提供维护和维修说明。对厂商，在设计时考虑产品的易运输性，维护/维修的技能及有关工具的开发；产品的难易程度；可否进行模块化⑧易于再循环。产品设计人员在设计产品的时候，就要考虑产品生命终结后的去处，要充分考虑他们的再利用。比如，废旧轮胎目前被利用主要途径是：废旧轮胎在回收厂里，被破碎和分解成3类材料：小的轮胎块、钢丝和碎渣。轮胎设计人员如果考虑到轮胎最终去处，可以改变轮胎的成分能够使燃烧更加有效，可以产生较少或根本不产生有毒物质，可以使轮胎在一定条件下更加快速、简单的分解，可以通过配方的改变使废旧轮胎更容易转化为一种新的产品。2.2、产品生态设计的要求1、在材料的选择与使用上应避免使用有毒有害的材料和添加物，并考虑替代材料的使用，在实在无法替代时，应考虑毒性物质的稳定性并采取措施把毒性物质“锁”在材料中使其不易释放出来；避免使用不可再生及需很长时间才能恢复的原材料如化石燃料、热带硬木等；尽量使用品种相同的及可再循环的原材料，以便回收利用；尽量使用再循环的材料，降低新材料的使用量，也为再循环材料创造市场；同时在设计时，应考虑尽量减少原材料的使用量，以减少产品的体积和重量，也方便产品的运输和储存。2、产品包装的设计应避免过度与奢华，奢华只会满足我们的虚荣心而对生态无益。包装应简约、耐用并考虑可持续性：亨利·福特(HenryFord)曾用板条箱装运A型卡车，当卡车到达了目的地板条箱则变成了汽车地板;韩国的稻壳被用作音响原件和电子装置的包装填充物，随产品一起运到欧洲，在欧洲这些包装被再利用成为制作砖头的材料，当然一些精密仪器及贵重物品需要繁琐复杂的包装，但我们应避免总量或总体积中20%的产品而80%的包装被遗弃这种现象的出现。3、节能技术的应用考虑到使用中降低能耗的需求，应在设计阶段就把节能技术融入产品中，如飞利浦公司开发的绿色电视，非常注重节能技术的利用，其待机状态下的耗电量已从5.1W降到0.1W，开机时的耗电量也由41W降到29W。4、设计时应考虑延长产品的使用寿命，以直接降低产品的环境影响。许多产品的设计追求流行时尚，趋势一过便遭遗弃；还有些产品受到制造当时技术的限制，在科技进步后便被淘汰，它们的使用寿命均非常短，本身就是一种极大的浪费，过早地成为废物也增加了环境负担。为此，我们应采取一些经典设计，增强产品的美学价值，使其不易落伍从而降低更新替代率；设计时对核心部件进行模块化设计并预留升级空间使产品易于更新升级。此外，要增强产品的耐用性和易于修理性，吸引人们对产品的二次使用。5、设计时应考虑产品的易于回收及再利用。如设计应使废旧产品易于拆卸：可使用易于分离的钩、卡销、螺丝等连接点而不采用焊接或黏合的连接方式；采用统一标准的连接点，易于用统一的工具拆卸及机械化拆卸的实行；对材料可以加上标示或内置信息芯片，以便于识别及分拣。这些方法的采用有利于回收利用业的发展，并促进生态设计目标的实现。3生产过程的生态设计①尽可能减少生产环节②选择对环境影响小的生产技术③使用清洁能源和材料④建立ISO14001环境管理体系4、产业生态系统的生态设计将产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）与产出（产品与废物）进行综合平衡，推动产业系统的演进，使之由低级生态系统向三级生态系统转化。产业生态系统的演进可体现不同的层次，小到工业共生体系，大到整个社会经济体系。案例：产品生态设计实例—家具产品的生态设计西方国家在工业设计领域很早便引入了生态设计的概念，在家具工业设计方面，比较杰出的是美国赫尔曼·米勒公司和德国的韦尔卡恩公司。自从20世纪90年代以来，赫尔曼·米勒公司一直坚持使用“地球友好”型材料，关注环境因素，专注于生态设计、洁净技术、无公害制造和可持续发展，强调家具各零部件都要可循环或再利用，甚至在椅子底部浇铸上椅子部件分解图及其所使用材料的识别码，以便于以后对材料的分离和回收。同时，要求所有的产品都设计成可拆卸的，这样家具的各个部件都可以进行再利用或再循环。他们开发新的包装材料以替代传统的瓦楞纸板和泡沫聚苯乙烯，减少产品包装过程对环境的影响。韦尔卡恩(Wilkahn)是德国一家制造和销售办公桌椅的公司，他们引进了一种产品开发生态核查清单，以确保产品尽可能简单、长寿型最大化、材料可重复利用、设计维持长久感染力。如他们开发的皮克多（Picto）椅，所用材料的85%可再循环，设计师以使用较少零部件的革新性设计来抵消环境友好材料的较高成本。密斯凡德罗“少就是多”概念也适用于其他产品，如“Modus”椅，其背部是从一种织物，而不是聚丙烯制作的。