电子产品生态设计实施要素分析

马永耀 余昭杰 史典阳 周军连

（工业和信息化部 电子第五研究所, 广东 广州510610）

1 生态设计的内涵和要求

1.1 生态设计的内涵

生态设计是指在产品设计、选材、生产、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期全过程中， 充分考虑产品的环境属性和资源属性，在考虑功能、质量、开发周期和成本的同时，也将可拆卸性、可回收性、可制造性等作为设计的目标，在产品设计时，选择与环境友好的材料、机械结构和制造工艺，在使用过程中能耗最低，不产生或少产生毒副作用，使产品及其制造过程、使用过程和报废处理后，对环境和资源消耗的总体影响减到最小，是一个十分复杂的系统性工程[1]。

对很多电子电器公司而言，在电子产品开发过程中考虑产品对环境造成的影响是一个相对新颖的概念，而且若考虑电子产品生命周期各个阶段对环境的影响以及目前在实施的生态法规、标准，电子产品的生态设计显然是一个艰巨的挑战。

1.2 生态设计的要求

1.2.1 品牌价值要求

对许多公司而言，对外宣传本公司产品的环保性能其实是一把双刃剑。 如果环保性能宣传是基于坚实的科学依据，或者能够被第三方机构所认证，或者能够解决消费者、分析师及非政府组织所关心的环境问题，就有很大机会提升产品销售量、公司股票价格和品牌价值。但是，如果环保性能宣传未能达到上述三个标准之一，该公司的环保性能宣传就会有可能被指责为“滥用绿色”，即做出一些没有坚实依据的环保性能宣传或者利用环保营销策略来掩盖产品的其他问题。最简单的解决办法似乎是不做任何的环保性能宣传，但由于投资者对产品的期望不断上升、非政府组织对产品的审查越来越严格、竞争对手造成的压力持续增加，不做任何环保性能宣传行为本身就会损坏公司的品牌价值。

1.2.2 能耗、有害物质相关法规要求

环境立法的引入或许是让各大公司启动生态设计最直接的驱动因素，表1 列举出北美、欧洲和亚洲地区的部分环境立法情况。与此同时，行业协会和非政府组织也在引入一些标准、政策等，用以影响政府机构的立法框架。

表1 目前立法情况

1.2.3 成本及供应链管理要求

通过立法可以迫使各大公司开始重视生态设计，但若生态设计被采纳的话，也会给公司带来明显的成本优势。 因为从生态设计的角度来看，减少材料和能源的使用可以降低产品的制造成本。

当产品的环境影响涉及到由供应商设计和制造的子系统时，就提供了使供应商也参与生态设计的良好机会，产生一个更为精简、更具成本效益的供应链。例如，创维集团召集国内500 多家零部件供应商，要求签订“绿色供应链协定”，推行零铅工程，确保出口欧洲的产品达到要求。同时，创维集团针对内销的产品也积极实行生态设计理念，研制和生产“绿色电视”，满足和优于国家标准，为国内消费者和环境提供绿色保护。 最终效果是导致供应商也不得不参与生态设计，降低创维集团产品制造成本。

1.2.4 产品技术创新要求

当公司在考虑产品对环境造成的影响时，经常会发现很多创新的机遇。如Dyson 公司开发的电子干手器采用高效电子泵迫使空气通过特殊设计的小孔，当顾客慢慢将手从干燥腔移出来的时候，手上的水就会被通过特殊设计小孔的空气切断，通过用这种方法吹掉顾客手上的水分而不是通过传统的蒸干手段，Dyson 公司开发的干手器可以缩短约77%的干手时间和约80%的干手能耗[2]。

2 生态设计实施面临的挑战

迄今为止，很多公司仅仅专注于报告产品的环保性能和评估产品是否符合相关的环境保护法规，而将生态设计作为常规设计过程的有机组成部分还面临很多挑战，主要有：有限的产品开发时间、与产品设计较差的融合度、日益复杂与快速发展的法规和产品开发人员的要求未被考虑。

2.1 有限的产品开发时间

产品对环境的影响只是设计者在产品开发过程中考虑的诸多因素之一。 设计者不断努力平衡各种相互冲突的项目，如性能、成本、与相关法规的符合度和交货时间等，若考虑生态设计就增加了设计者需要平衡的因素，导致仅有一小部分时间和精力花能够在生态设计上。

2.2 与产品开发较差的融合度

虽然很多公司聘请环保专家来评估产品的环境性能，但如果环保专家不和设计团队经常接触的话，他们的分析结果就会被忽略，一是因为环保专家的分析结果不能转换为被设计者理解且对设计者有用的信息，二是公司很少会跟踪环保专家的分析结果是否能带来设计的改进。

2.3 日益复杂与快速发展的法规

产品相关的法规、标准日益复杂，而且更新速度越来越快，如欧盟《用能产品生态设计框架指令（ErP）》指令。 欧盟ErP 指令设置了产品生态设计目标框架，但是受影响的产品范围在不断扩大，且每一类产品的实施措施设置的时间越来越苛刻。

2.4 产品开发人员的要求未被考虑

提升产品的环境性能需要首先理解产品在整个生命周期中何时何地会对环境造成何种影响， 然而大部分设计者不具备这方面的知识，导致生态设计无法执行。 而且因为无法获取产品生产和使用的相关信息而导致在产品开发的初期阶段无法进行详细的生态设计分析。

3 电子产品生态设计的要素分析

图1 给出五个可以帮助电子产品设计师、产品开发管理人员及环境专家实施生态设计的要素。

图1 电子产品生态设计的五个要素

3.1 在设计过程的早期考虑产品对环境的影响

大约80%的产品整体环境影响已经在早期概念设计阶段结束时确定下来，如图2 所示。因为此时设计者通常选择了材料和制造工艺，并定义了产品生命周期，这些约束不仅解决了最后的经济成本，同时也解决了许多环境成本[3-4]，如电子产品若采用无铅焊锡制程，产品内印制电路板大约可削减90%以上含铅零件。在早期的概念设计阶段评估产品的环境性能，确定不同项目的相对环境成本，使得在重大项目经费花销前变更设计，并且可以避免昂贵且费时的重新设计[5-6]。

图2 产品概念设计阶段确定的环境影响

3.2 不精确的数据可以指导正确的决策

很多工程师和设计者由于习惯了通过物理测量获取精确的数据，对具有10%或者更大误差范围的生态设计数据感到无法下手[7]，然而，重要的是要意识到不精确的生态设计数据并不影响良好的决策，尤其是当一个特定的生命阶段对产品环境影响占主导地位的时候。 例如，当选择电子产品外壳封装材料时，含有较大能源和含有较小能源的物质之间的差异因子往往会达到或者超过1000， 但这仍然可以得出明确的区别，如图3 所示。当材料所含能源对比差异很小时，其他阶段如材料的再循环、材料的耐用性等因素在做决策时的分量就越重。

图3 不精确的数据也可以得出材料对环境的影响情况

3.3 考虑产品整个生命周期

产品的环境性能往往与用户与产品的交互方式、 产品的维护方式、产品的使用环境等有关，文献[8]提到的思想可以指导设计者优化产品的生态设计。 体现该思想的一个方法是，在产品设计过程中考虑产品生命周期所有阶段对环境造成的影响，如材料、制造、运输、使用和处理等阶段，这会使得设计者尽最大的努力改善能源需求最大或者二氧化碳排放量最大阶段的环境可持续性，如图4 所示。

3.4 材料和工艺选择对环境影响和生态设计至关重要

材料和工艺的选择在产品整个生命周期对环境的影响至关重要，原因主要有：提取和加工原材料会造成重大环境影响；材料的选择将决定可行的制造工艺和相关的能源和材料效率；材料的质量将严重影响产品在运输和使用阶段消耗的能源和排放的二氧化碳量；材料的可回收/可重复利用特性将决定产品有毒物质含量和产品寿命终结时对环境的影响。

图4 电子产品各阶段的环境影响评估及材料、工艺对产品环境性能的影响

减少产品生命周期各个阶段对环境影响的主要方法如图所4 示，很多都是直接和材料的特性有关，然而，不能仅仅根据产品所用材料的生态特性来选择所谓的生态材料， 需要综合考虑材料的机械特性、物理特性、热特性和电气特性。

3.5 设置生态设计目标、建立生态设计信息支撑系统

设置生态设计目标有两个作用，一是对外体现公司致力于长期改善产品的环境性能，二是建立了一个环保目标可设置在项目工程级别的框架。 例如，在2010 年飞利浦公司设置了一系列到2015 年要完成的企业级环境目标， 包括与2009 年本公司电子产品相比能源利用效率提高50%等[9]。 然而，要实现所建立的目标需要公司实时跟踪与本公司产品相关的法律、法规和标准，所以公司管理人员不仅仅要关注所设置的环境目标，还需要关注是否已经建立了相关信息系统来支持材料、工艺等决策的决定。

4 总结

无论从保护环境的可持续发展战略角度出发， 还是从提高公司竞争力的商业角度出发，电子产品的生态设计都是势在必行的，电子产品设计师、 产品开发管理人员及环境专家都需要深刻认识到实施电子产品生态设计所面临的巨大挑战。 电子产品的生态设计贯穿于整个产品的生命周期，要保证生产出来的电子产品符合指令的要求、满足客户对健康和环境保护的要求，每个环节都应渗透进生态设计的思想。

［1］生态美术丛书[M].2006.

［2］The Dyson Airblade. 'Why Airblade Technology is better [OL]. Dyson Ltd.www.dysonairblade.co.uk/technology/benefits.asp.

［3］Wegst, U.G.K. and Ashby, M.F. Eco-criteria for materials selection Engineering Designer[J].Engineering Designer,1998，24，2：8-12.

［4］ISO 14062-International Organization for Standardization (ISO). Environmental mangagement standards.ISO/TR 14062:2002. [OL].www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=33020.

［5］IEC:International Electrotechnical Commission.IEC Guide 114. Environmentally conscious design Integrating environmental aspects into design and development of electrotechnical products [OL].May 2005. engineers.ihs.com/document/abstract/RQDZHBAAAAAAAAAA.

［6］McAloone, T and Bey, N. Environmental improvement through product development - a guide [Z].Copenhagen:Techincal University of Denmark, 2009.ISBN 978-87-7052-950-1.

［7］Hammond, G and Jones, C. Inventory of Carbon and Energy (ICE)[OL].2006.www.bath.ac.uk/mech-eng/sert/embodied/.

［8］O'Hare, J. Eco -innovation tools for the early stages: an industry -based investigation of tool customisation and introduction. University of Bath, PhD Thesis.[OL]April2010.opus.bath.ac.uk/20208/1/UnivBath_PhD_2010_J_A_OHare.pdf.

［9］Philips.EcoVision5[OL].2010.www.philips.com/about/sustainability/ourfocus/ecovision5.