第1章 绪论
1.1 研究背景概述
自18世纪中叶工业革命以来，随着生产力的迅猛发展，人类社会发生了翻天覆地的变化，物质需求得到极大满足的同时，资源与环境问题也日益突出。环境与发展已成为近半个世纪以来全球性关注的重大问题之一。
1.1.1 自然资源大量消耗
产品是人类创造繁荣的社会经济，享受丰富物质生活的重要媒介之一。量大面广的机电产品几乎涵盖了当今社会的大部分工业与民用领域，已成为社会生产和人们生活的基本要素之一。特别是在制造业大国的我国，机电产品对国民经济的影响举足轻重，更是出口创汇的支柱产业。据统计[1]，国民经济各部门使用的21类机电产品所消耗的电力占全国发电量的60%～80%，所消耗的汽油占全国汽油产量的55%～60%。
作为人类改造自然与利用自然的产物，机电产品及其生产过程归根到底离不开自然资源与环境。其中使用历史最久、消耗最多的是矿物燃料和金属矿藏。虽然通过勘探技术的进步能使得探明储量在短时期内有所增加，但是它们在地壳中的含量都是有限的，资源总储量不可否认是在不断减少的，而能够循环利用或回收再利用的很少，且利用程度有限，况且矿物燃料则是完全无法重复利用的。资料显示[2]，现阶段中国百分之九十以上的能源、八成以上的工业原料、七成以上的农业生产资料来源于矿产资源。世界范围内，按照目前的矿产开采水平，大部分矿产储量可开采20～40年，石油约为40年，煤也只有200年左右，作为机电产品及其生产过程中不可或缺的稀有金属，其消耗速度更加惊人[3]。这与人类生存发展时间相比微不足道，而目前我们还没有找到这些矿产可能的替代物。
1.1.2 生态环境持续恶化
大量无节制的资源利用与转化过程直接对我们赖以生存的生态环境产生了显著影响。从近代历史上的几次重大环境污染事件（例如20世纪40年代美国洛杉矶光化学污染事件，50年代初期英国伦敦的烟雾污染事件，60年代初期日本水俣污染事件等）到近些年的极端天气事件的“常态化”（海啸、沙尘暴、干旱、暴雨、高温等频繁发生，且一再突破历史记录），人类正在面临着更加复杂和不断恶化的生态环境，主要表现在人体健康的破坏、全球气候变暖、臭氧层破坏、水体污染、生物多样性消失等问题。
现代人类生活方式的改变在某种程度上加速加剧了环境的变化。例如越来越短的产品使用寿命（并非产品丧失了原有的功能，而是消费者选择了更新、更好的产品）造成数量越来越多的废弃物；越来越多的人选择汽车作为代步工具，汽车尾气已成为城市空气质量下降的主要原因；空调的使用范围与时间越来越长，消耗了大量的电力能源。
我国作为人口最多，经济发展最快的发展中国家，可以预见，未来相当长的时间内，伴随着社会与经济的进一步发展，环境的瓶颈制约与胁迫影响将日益严峻[4]。
1.1.3 可持续发展战略的提出与兴起
随着世界人口的不断增加，生活水平不断提高，人类对能源和资源的开发利用强度愈来愈高，我们在感叹工业化进程带来的伟大变革的同时，不得不面对资源短缺、生态环境恶化的严峻现实。20世纪70年代初期，世界各国普遍意识到传统发展模式给人类带来的生存危机，以及社会发展与环境友好之间的重要性，于1972年发表了《联合国人类宣言》，提出了环境问题的极端严重性，并宣告人类采取共同行动保护地球。自此可持续发展的战略开始在世界范围内得到重视和发展。李方义在其博士论文[5]中，对世界各国早期环境保护方面的法规政策进行了系统的总结。
我国中长期科技发展规划（2006—2020）明确指出，把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，促进经济发展与人口、资源、环境相协调，实现可持续发展[6]。
1.1.4 绿色设计相关技术的早期研究
产品设计是改变产品生产方式的关键环节，也是实现可持续战略的基本途径之一。
绿色设计（Green Design）又称生态设计（Ecological Design）、面向环境的设计（Design for Environment）、环境意识设计（Environmental Con-scious Design）或生命周期设计（Life Cycle Design），提法虽有所不同，但内涵是相似的。刘志峰[7]将其归纳为：在产品生命周期内，着重考虑产品环境属性（自然资源的利用、环境影响和可拆卸性、可回收性、可重复利用性），并将其作为设计目标，在实现其应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等基础上，同时使产品满足生态环境目标要求。
因此，绿色设计与绿色制造作为制造业可持续发展的关键、共性支撑技术得到了长足的发展。绿色设计技术的早期研究主要集中于以下几个方面。
1.生命周期评价技术
生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）的概念起源于20世纪60年代末。1969年可口可乐公司委托美国中西部研究所（Midwest ResearchIn-stitute，MRI）对饮料容器进行了评价[8]，揭开了生命周期评价的序幕。
1990年，国际环境毒理学和化学学会（Society of Environmental Toxicology and Chemistry，SETAC）对生命周期评价进行了定义[9]：生命周期评价是一个评价产品过程或其活动给环境带来的负担的客观方法。该方法通过识别和量化所用的能量、原材料以及废物排放来评价与产品及其行动有关的环境责任，从而得到这些能量和材料应用以及排放物对环境的影响，并且对改善环境的各种方案做出评价。评价包括产品及其过程或行动的整个生命周期。
国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）于1993年6月正式成立了“环境管理标准技术委员会”（TC207），专门负责环境管理工具及体系的国际标准化工作，其中SCS分委员会专门负责LCA标准的制定。该组织于1997至2000年间陆续颁布了生命周期评价系列标准（包括原则与框架ISO 14040：1997；目的与范围的确定与清单分析ISO14041：1998；生命周期影响评价ISO 14042：2000；生命周期解释ISO14043：2000），并在2006年进行了修订（原则与框架ISO 14040：2006和ISO 14044：2006[10，11]）。我国随即颁布了对应的生命周期评价系列国家标准。
美国环境保护署（EPA）对LCA早期的36种主要影响评价方法进行了分析[12]。
2.绿色设计基本概念、理论方法研究
绿色设计的概念于20世纪90年代初期提出并迅速成为研究的热点。早期的研究主要集中于基本概念和方法体系两个方面。
Alting Leo较早提出了全生命周期设计理论[13]，分析了从产品概念设计到产品使用、废弃处理等环节中的环境影响问题，对产品设计中减少能源消耗和便于拆卸的方法和技术进行了探讨[14，15]，并从功能、结构、生命周期和零部件四个层次建立了绿色产品设计过程的总体框架[16]。
ZuestR.等对产品生命周期中的环境影响定量评价方法进行了讨论，提出了考虑成本、材料流、能量流、危害、风险和伦理影响等因素的综合量化评价思路[17]。BrezetH.建立了一种绿色设计分类模型[18]，他将绿色设计分为四种类型，即产品改进、产品再设计、功能创新和系统创新，按此次序产品的环境性能或生态效益的改进程度不断提高，但实现的时间却会越来越长。
ZhangY.等学者在GQFD理论研究基础上，综合考虑质量、环境和成本三方面内容又提出了改进的GQFD-Ⅱ方法[19]。该方法包含三个阶段：通过质量屋、环境屋和成本屋识别技术需求；通过对质量、环境和成本的评价生成产品概念设计；通过各生命周期矩阵模型对产品结构和过程进行设计。
3.软件工具及实例研究
随着理论研究的不断深入，很多企业和研究者开始尝试采用绿色设计方法对产品的环境性能进行改进设计，例如文献[20-22]分别介绍了绿色设计与绿色制造技术在通信产品中的应用。文献[23-25]对计算机产品的主要环境影响进行了评价和改进设计。文献[26，27]对材料环境性能及其生产过程中的能源消耗与环境影响进行了研究。LiK.K.应用生命周期评价方法对产品设计中的材料最小化技术进行了研究，通过减少产品输入输出信息分析，减少资源的消耗和环境排放[28]，并根据我国台湾地区的应用经验，提出了基于绿色技术的LCA框架[29]。
在绿色设计实践研究中，有些研究者和机构逐渐开始从事绿色设计软件工具和数据库的开发建设，并有许多企业参与其中。例如Glantschnig W.J.对绿色设计早期所面临的问题与挑战进行了系统分析，指出复杂的绿色产品设计需要实用化的工具支持[30]。20世纪90年代初期，Navinchandra D.对绿色设计工具进行了初步的研究[31]，提出用绿色设计指数帮助设计者完成评价、比较和决策。WixomM.R.等开发了第一代机电产品的“Green Design Advisor”原型系统[32]。KassahunB.等人面向电子器件的绿色设计建立了一种设计软件的框架结构[33]。FeldmannK.等人基于面向环境设计理论新成果对GDA软件进行了提高和改进[34]。
欧美各国由企业和研究机构联合开发绿色设计支持软件的模式取得了巨大成功。例如由荷兰工业界、研究机构和政府部门共同开发ECO-indica-tor、德国PE国际有限公司开发Gabi、荷兰PRé咨询公司开发Simapro、法国Ecobilan公司开发TEAMTM软件等经过多个版本的改进和数据库的扩充后，目前在世界各地应用非常广泛。