面向生态设计的汽车生命周期数据库的理论研究

2012-10-24郑乃金

制造技术与机床 2012年12期

郑乃金杨洁

（①中国汽车技术研究中心数据资源中心，北京100176;②四川大学建筑与环境学院，四川成都 610207）

近年来，中国的汽车产业飞速发展。2011年我国生产汽车1 841．6万辆，同比上年增长0．8%;至2011年末，全国民用汽车保有量达到10 578万辆，比上年末增长16．4%，其中私人汽车保有量7 872万辆，增长20．4%［1］。汽车产业的发展在极大地促进我国社会经济发展的同时，也因为其制造、使用、回收处置等过程中对资源能源的消耗和环境排放，从一定程度上限制了可持续社会的发展。此外，随着国际上对产品环境性能的关注度日益提高，中国的汽车产业也将遇到新的国际绿色贸易壁垒的挑战。在汽车产业迅速发展的同时，如何处理好汽车产业与环境保护的关系，减少汽车生产和消费过程对环境的影响，同时提高我国汽车产品的市场竞争力，实现汽车产业的健康、持续发展不仅是汽车产业发展过程中不可忽视的问题，也是社会发展的重要关注点。

生态设计为汽车产业的可持续发展提供了一个重要途径。产品生态设计［2］又称“环境意识设计”、“绿色设计”或“环境化设计”，指为提高产品生命周期内的环境绩效，优化产品的环境影响而将环境因素引入产品的设计和开发的活动。生态设计已成为国际的潮流和趋势。

1 汽车生态设计及其评价

汽车生态设计［3］是指将生态设计的理念融入到汽车的设计开发中去，在产品的开发阶段综合考虑汽车产品在全生命周期内对生态环境的影响，设计出既对环境友好、同时又能满足人们使用需求的新型汽车产品。生态设计是生命周期评价理论在实际工作中的一个重要应用。按照国家标准的定义，生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）［4－5］是指对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。而生命周期则是指产品系统中前后衔接的一系列阶段，从自然界或从自然资源中获取原材料，直至最终处置。

为了满足汽车生态设计的理念，首先就要在设计阶段考虑到汽车生产过程中用到的原材料选择等问题。因为随着汽车的设计和生产过程的进行，防止污染的机会越来越少，而治理污染的代价也越来越大，所以要在汽车的设计阶段就考虑其全生命周期的环境问题。生命周期评价很重要的一个应用就是进行材料选择研究，就是对用途相同的材料进行生命周期评价研究，分析这些材料在全生命周期的环境特性，并比较其优劣，以便在产品设计及开发时选择那些环境负荷低的材料，降低产品全生命周期的环境影响。对汽车企业来说，就需要了解其原材料如钢材、铝材、橡胶等的环境性能，以便其在产品设计中选用环境性能好的原材料，降低汽车全生命周期的环境负荷。将生命周期评价与汽车生态设计结合在一起，是实现汽车产品生态设计和汽车产业可持续发展的重要途径。

有了这个理念，究竟什么样的汽车才符合生态设计概念，是真正的生态设计产品，就需要有一定的评价方法。汽车的生态设计涵盖了全生命周期，所以从本质上说，汽车的生态设计评价即为生命周期评价。

对汽车而言，其生命周期评价即对汽车从原材料生产、零部件生产、整车总装到使用、废弃回收处置整个生命周期阶段的输入、输出及其潜在环境影响进行的汇编和评价。收集汽车全生命周期各阶段的能源资源消耗和环境排放数据，采用生命周期评价的相关计算方法，即可计算得到汽车整个生命周期的各种环境影响指标。对汽车产品而言，需根据汽车行业自身的特点和社会关注的热点，选择合适的环境影响指标。在得到汽车生命周期的各种环境影响指标后，根据不同影响类型的权重可得到单一的综合生态设计指数，便于综合评价产品的生态设计水平。

综上所述，汽车的生态设计及其评价不仅涉及到汽车生产、使用和回收处置过程中的大量消耗和排放数据，还涉及到其原材料生产、零部件生产过程中的大量数据。一方面，企业需要上游原材料、零部件的数据为其生态设计选择合适的原材料和零部件提供依据，另一方面也需要这些丰富的背景数据来为其最终的生态设计评价作支撑。故建立汽车生命周期数据库是汽车产品生态设计及其评价工作开展的关键。

2 汽车生命周期数据库的理论框架研究

生命周期数据库是LCA评价中必不可少的一部分，LCA的分析与应用都十分依赖数据库的支持。生命周期数据库主要由各种单元（生产）过程的清单数据和相应产品的生命周期清单数据构成。单元过程清单数据是在一个过程中生产单位数量产品所消耗的资源、原材料（含能源）及造成的环境排放数据（一般称为gate－to－gate，“厂门到厂门”）;通过追溯这些原材料的上游生产过程直至资源开采阶段，则可以得到这个产品从资源开采到产品出厂的生命周期模型，由此模型计算得到此产品相应的生命周期清单数据（一般称为 cradle－to－ gate，“摇篮到厂门”）［6］。目前，国内开发的生命周期数据库主要是综合性的生命周期基础数据库，包含工业系统的基础原材料、能源等数据，如四川大学的CLCD（Chinese Life Cycle Database）数据库和北京工业大学的MLCA（Materials Life Cycle Assessment）数据库，而缺乏一些主要的行业数据库。本文旨在建立针对汽车产品的行业生命周期数据库，应用于汽车产品的生态设计评价。

2．1 需求分析

需求分析是建立数据库的起始阶段，也是关键阶段。首先需明确数据库的数据需求及功能需求。

（1）数据需求:为了得到产品的环境影响评价结果，需要3个方面的数据信息。一是产品生产过程的技术工艺数据，包括原材料、电力、水等的输入和产品、废气等的输出。二是相关的背景数据，包括原材料（如钢材、铝材、橡胶等）、基础能源（如电力、燃油等）等的生命周期环境数据。三是评价方法相关计算因子数据，同样的资源消耗和废物排放在不同的环境中的影响程度不一样，所以必须将产品生产过程的数据加上环境特征，即给出不同物质的特征化因子和归一化基准值;且在分析产品生产对环境影响的过程中，要得到一个综合的单指数评价结果，需要对不同的影响类型予以区别，评判重要性，给出权重因子等［7］。

（2）功能需求:该数据库的建立很重要的一个目的是帮助企业更好地进行生态设计，因此数据库要实现对各种原材料、零部件的生命周期环境负荷信息及汽车全生命周期环境负荷数据的快速检索，满足企业的查询需求。此外，从汽车生态设计评价的角度而言，生产过程的实际输入输出数据对整个评价的真实性和准确性至关重要，翔实、可靠且充分的数据是准确评价汽车产品全生命周期环境影响的基础［8］，也是积累汽车产业基础数据，进行生态设计评价的关键支撑，因此数据库还应具有一定的数据采集功能。

2．2 理论框架

基于需求分析阶段的成果，结合国际上通用的生命周期评价过程和方法，设计汽车的生命周期数据库理论框架主要应包括两大部分:基础数据库和功能模块。基础数据库不仅应包括材料、产品的环境负荷信息，同时还应包括评价方法的相关信息。功能模块则应包括数据查询和数据采集。总体框架［9］如图 1。

3 数据库主要内容

3．1 基础数据库

如图1所示，基础数据库中4大部分之间是相辅相成的，背景数据库和基准参考库分别用来存储基础原材料、能源和汽车产品的环境负荷信息，而这些环境负荷信息都是依据评价方法库和基础物质库中的指标体系和物质属性确定的。

3．1．1 背景数据库

背景数据库主要存储汽车产品相关原材料、基础能源及生命周期各阶段的环境负荷信息。

（1）原材料及基础能源数据库:该数据库主要存储汽车产品生产、使用等过程中所使用的原材料和基础能源的环境负荷数据，原材料主要包括钢材、铝材、铸铁、塑料、橡胶和玻璃等。基础能源则主要是电力、汽油、柴油、煤炭等。该数据库主要采用相关行业基础数据库，其环境负荷数据应为原材料、能源产品从资源开采至产品出厂的生命周期环境负荷数据。此外，在存储这些环境负荷数据的同时，还需描述其相关信息，包括产品代表性、技术代表性、地理代表性、功能单位、系统边界、环境影响类型等，这是由LCA数据的复杂性和地域性等特点决定的。（2）零部件数据库:该数据库主要描述汽车产品相关零部件（如发动机悬置、进气歧管、前翼子板等）生产过程的资源能源消耗和环境影响。与功能模块的数据采集功能相结合，通过采集相关零部件生产企业在生产过程中的能耗和水耗建立零部件数据库。（3）使用:使用阶段的数据主要包括汽车运行的燃油消耗及环境排放，环境排放主要涉及二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、颗粒物等。使用阶段的数据采用检测报告等数据。

3．1．2 评价方法库

评价方法库主要存储评价方法及对应评价指标体系数据，包括所选择的环境影响类型指标、特征化因子、归一化基准值和权重因子等。目前国际上广泛使用的有Eco－indicator99、CML、EPS等评价方法及指标体系。国内也有研究将国外的一些评价指标因子进行本地化，如四川大学基于广泛采用的CML方法中的非生物资源消耗因子，通过引用中国的资源自给率进行本地化修正，得到了中国非生物资源消耗因子及其指标［10］;北京工业大学则选择Eco－indicator99和CML方法中的资源耗竭特征化模型，结合中国的资源特征，对2种模型中的重要参数进行修正，计算得到了中国矿产资源耗竭的特征化因子集［11］。数据库实际建立时可根据实际数据库的需求选择合适的评价方法和指标体系数据。

3．1．3 基础物质库

基础物质库存储整个数据库体系中所用物质的相关信息数据。它将产品生命周期内消耗和排放的各种物质按资源消耗、能源消耗、空气排放、水体排放和土壤排放进行分类，存储全生命周期过程中各种物质的属性。

3．1．4 基准参考库

基准参考库则是在收集汽车行业生态设计平均水平之后建立的数据库，作为生态设计评价的基准数据库，为生态设计评价提供基准参考值。基准参考库的建立是个复杂而长期的过程，需要汽车行业的众多企业参与，收集不同企业、不同类型汽车的生命周期相关数据，最终得到我国汽车产品生态设计的平均水平，作为生态设计评价的基准值。

基准库中的数据涵盖汽车产品从原材料生产、零部件生产、整车总装、使用直至回收处置全生命周期的资源能源消耗和环境影响。与以往对汽车产品的评价相比，评价范围更全面，数据信息更充分。

3．2 功能模块

功能模块主要是数据库应用功能的实现，是数据库实现最终应用的关键环节。依据需求分析的成果，数据库应主要实现以下2个功能:（1）数据查询:主要用于企业进行汽车相关基础数据，包括原材料、零部件、基础能源及汽车生态设计基准信息的查询。企业通过查询功能可以为其进行产品生态设计及其评价提供量化的理论依据。（2）数据采集:主要用于促进企业和数据库开发者的有效融合，通过采集企业真实数据不断扩充数据库，在扩展数据库内容的同时提高数据库的真实性和准确性。此功能需设计合理的数据采集表，全面准确地收集汽车零部件生产、整车总装及回收处置阶段的相关数据。

4 数据库应用

4．1 帮助企业实现绿色供应链管理及产品生态设计

选择环境性能好的材料是实现汽车产品生态设计的关键。产品的材料选用处于产品全生命周期的前端，是实现汽车产品全生命周期设计的基础，不仅影响汽车的制造，而且会影响汽车的销售、使用、维修、回收处理等环节。数据库中收集汽车产品的大量原材料的生命周期环境负荷数据，便于汽车企业查询原材料的环境性能相关数据，将节约能源和保护环境等因素纳入到产品设计开发过程之中，在保证汽车产品功能、质量和安全性能的基础上，尽可能地选择环境性能好的原材料，不仅可以实现企业的绿色供应链管理，也可从源头上实现汽车产品的生态设计。

4．2 支持企业的形象提升及市场宣传

汽车生命周期数据库的建立，可为汽车产品生态设计评价提供大量的基础数据，使生态设计评价有量化的依据可循，实施上更具操作性;且量化的评价结果不仅可以用于企业社会责任报告发布，提升企业的社会形象，在消费者日益关注产品环境性能的趋势下，也更有利于产品的市场宣传和推广。此外，数据库还可以用于计算汽车企业的碳排放情况，为企业之间的碳交易提供量化的数据支持，为企业带来额外的收益。

4．3 支持政府的政策制定和行业管理，推进节能减排

汽车生命周期数据库收集国内大量汽车企业的全生命周期环境数据，有助于明确我国汽车行业的生态设计现状水平，为政府制定相关的行业政策提供理论依据。而基于数据库建立起来的生态设计评价流程使得汽车产品的生态设计评价得以真正实施，可以加强政府对汽车产品的行业管理。此外，企业基于数据库进行生态设计评价可以发现产品全生命周期中需要改进的机会点，不断改进生态设计，推进节能减排。