绿色制造的生态评价体系及方法研究

吴小珍，张 华

WU Xiao-zhen, ZHANG Hua

（武汉科技大学，武汉 430081）

0 引言

生态文明是指以尊重和维护自然为前提，是人与人、人与社会、人与自然和谐共生、可持续发展的一种人类文明的形态。随着工业文明下生态危机等问题逐步凸显，人类社会迫切需要向高级的文明形态即生态文明迈进[1]。绿色制造是一种现代化的制造模式，是人类进行可持续发展战略在制造业中的体现。而生态文明下的绿色制造则涵盖了与人类生产生活相关的各个行业领域，是一种全新的“大制造”理念。与以往的绿色制造相比，基于生态文明的绿色制造作为一种先进的制造技术，其技术内涵没有变化，其目标是资源消耗极少、生态环境负面影响极小、人体健康与安全危害极小，并实现经济效益和社会效益的持续协调优化的技术，它是人类要进入生态文明社会的必要技术手段；其不同之处主要体现在研究角度发生了变化，即人类要进入生态文明，如何进行绿色制造，怎么做，怎么改进，才能更快更好地进入生态文明社会。因此，建立绿色制造的生态评价体系及评价方法就显得尤为重要，通过评价可以找出产品与制造过程中存在的与生态文明不符合的缺陷，为优化提供依据，它是生态文明下绿色制造得以实现的非常重要和关键的一环。

我们知道，生态文明下的绿色制造体现在与人类生产生活相关的工业、农业、服务业、信息业等各个方面。针对不同系统如工业制造系统、农业生产系统、物流系统等，绿色制造的生态评价体系、指标等会有不同，下面均以工业制造系统为例展开分析。

1 绿色制造的生态评价体系

绿色制造的生态评价过程相较于传统的绿色评价，其特点在于需要追溯绿色产品与制造过程的生态源头，考虑其在源头获取原材料时对生态系统资源与能源的消耗，将这些消耗类项目折算成生态生产性土地来进行定量核算，并且在生命周期的各个阶段都要考虑对生态环境造成的影响，尤其对于不能再制造再利用的需要掩埋的排放物以及经过处理之后的空气排放物和水排放，要考虑生态的自净化能力。基于此，本文以生态文明的实现为核心，构建绿色制造生态评价体系如图1所示。

由图1可知，绿色制造产品的生态友好性应贯穿于其整个生命周期内，所谓的产品生命周期是指产品从开发设计到废弃处置所经历的全部时间。具体来说，包括了产品开发和设计、原材料采购、生产制造、装配、包装、销售运输、回收再利用或废弃等七个主要阶段，这七个阶段中还都有各自不同的制造过程，它们构成了一个循环的过程，循环主要表现在以下三个层面：1）本产品内部的循环。产品在生命周期各个阶段输出的废弃物，或是报废后的零部件应该可以回收再利用，作为新的输入条件，参与到本类产品下次生命周期的循环；2）产品间的循环。产品在生命周期各个阶段输出的废弃物，或是报废后的零部件可以作为输入，参与到下一代产品或是其他种类产品的生命周期循环；3）生态环境的循环。产品在生命周期各个阶段输出的不可再利用的废弃物，应该对其量和成分都有严格的控制，与生态环境的自净化能力相协调，最终使这些输出作为输入参与到整个生态系统的大循环过程中来。我们以这七个主要阶段为横向，以它们各自不同的制造过程作为纵向，构成了完整、全面的评价体系。

文献[2]（严耕，杨志华，2009）指出：目前人类面临的生态危机包括粮食安全问题、荒漠化、淡水危机、能源危机、气候变暖以及物种灭绝6大类。接下来，我们以缓解这6大生态危机评价核心建立相应的生态评价方法。

图1 绿色制造生态评价体系

2 基于LCA的生态评价方法

目前针对绿色制造产品与过程的评价方法主要分为两类：一类是常用的综合评价方法，对产品的绿色属性进行多目标的评价，最终得到产品的绿色性评价结果。另一类是产品生命周期评价（life cycle assessment，LCA）的方法，它是一种对产品全生命周期的资源消耗和环境影响进行评价的环境管理工具[3]。本文提出的生态评价方法是在充分考虑了生态文明的前提下，将产品生命周期（LCA）与层次分析法结合起来，对绿色制造产品/过程进行评价的一种方法。该方法首先用LCA的清单分析得到各个环境问题类指标的归一化数据，然后用层次分析法构造判断矩阵确定环境影响类各级指标层的权重，最后通过逐级加权求和得到绿色制造产品/过程生态文明指数，如图2所示。

关于LCA理论与方法的研究已经很深入了，这里就不再赘述[4,5]。本文仅针对权重部分进行说明。在Eco-indicators99方法中，对三类环境影响类的权重分别是：资源耗竭0.2；生态影响0.4；生物体健康0.4[6,7]。下面分别进行计算6大生态危机对资源耗竭、生态影响、生物体健康的权重，以下各指标的比较、判断均以工业制造系统为例，得到的权重值仅供参考。

采用层次分析法通过建立权重判断矩阵来对位于同一级别上的评价指标进行权重的确定，得到淡水危机、能源危机、荒漠化、气候变暖、粮食安全问题和物种灭绝这6大生态危机分别相对资源耗竭、生态影响和生物体健康这3大环境影响类的权重值如表1所示。

图2 绿色制造的生态评价方法

表1 六大生态危机相对环境影响类的权重值

在确定了六大生态危机相对环境影响类指标的权重后，可以得到环境影响类指标层的各自指数Vic，再将各类指数按权重值Wi相加就可以得到绿色制造产品/过程的生态文明指数（ECI）。

3 评价案例

本案例选取某阀体改进前后的车削工艺为评价对象，利用之前建立的生态评价方法，对改进前后的工艺过程进行评价，过程如下。

1）评价对象的确定

某阀体改进前的车削工艺采用的机床、刀具等加工装备老化，精度低而能耗高，而且会产生较多金属切屑，浪费资源；大量切削液的使用缺乏有效的领用监管措施和回收处置方法，造成废弃切削液在生产过程中泄露大、损耗大，泄露损耗的切削废液对车间及周边环境产生不良影响，同时，由于切削液主要是皂化液和硫化油等，在切削区的高温作用下也会产生一定量的油雾污染；此外，大量机床同时工作也会产生很大的噪音。而改进后的车削工艺加工机床以数控车床等高精度数控装备为主，对加工环境进行封闭处理，避免固体污染物漂浮到车间环境当中。刀具以硬质合金高速刀具为主，切削液以极压乳化液为主。在机加工工艺中广泛使用极压乳化液喷雾冷却方式对加工区域实施冷却和润滑，以实现机加工过程中的少无切削液加工方法，从而减少机械制造车间切削液使用量，降低车间液体废弃物排放。改进后的车削工艺既能增加材料的利用率，也可以降低噪声，减少气体、液体、固体等污染物的产生[8]。

2）确定车削工艺各评价指标的度量值及归一化值

在搜集了相关实际数据之后，对各指标进行量化或模糊处理后的结果及归一化结果如表2所示。

表2 某阀体改进前后车削工艺评价的指标度量值

表3 改进后车削工艺评价综合得分求解表

表4 改进前车削工艺评价综合得分求解表

3）确定指标权重及结果分析

按照指标权重确定的方法对车削工艺评价的指标层进行权重确定。将下一层指标的度量值（得分）与其对应的权重相乘后相加求和得到上一层指标的得分，然后将这一层指标的得分再与其对应的权重相乘后相加求和就可以得到更上一层指标的得分，以此类推，就可以算出三大环境影响类的得分。最后三大环境影响类的得分与其权重分别相乘后相加就可以得到生态文明指数。下面以表格的形式简单给出计算过程与结果。

最终得到的改进后车削工艺的生态文明指数为0.78，而改进前的则为0.44。说明改进后的车削工艺比改进前具有更好的生态友好性，更能满足生态文明对绿色制造过程提出的要求。

4 结论

1）基于生态文明的理念，以产品生命周期的七个主要阶段为横向，以它们各自不同的制造过程作为纵向，建立了完整、全面的绿色制造生态评价体系。

2）以缓解6大生态危机为目标，将LCA与层次分析法相结合，建立了生态评价方法，得到了绿色制造产品与过程的生态文明指数，并通过某阀体车削工艺过程的实例分析证明了该方法可以评定其是否符合在生态文明下的绿色性要求。

[1] 卢风.从现代文明到生态文明[M].北京:中央编译出版社,2009.

[2] 严耕,杨志华.生态文明的理论与系统构建[M].北京:中央编译出版社,2009.

[3] 沈德聪,阮平南.绿色制造系统评价指标体系的研究[J].机械制造.2006,10(44):8-11.

[4] C.Koraoneos, A.Dompros, G.Roumbas, N.Moussiopoulos. Life Cycle Assessment of Hydrogen Fuel Production Processes[J].International Journal of Hydrogen Energy. 2004, 8(29):1443-1450.

[5] Lewandowska,Anna. Comparative LCA of Industrial Objects[J].International Journal of Life Cycle Assessment. 2004,9(2):86-89.

[6] C.Koraoneos, A.Dompros, G.Roumbas, N.Moussiopoulos. Life cycle assessment of hydrogen fuel production processes[J].International Journal of Hydrogen Energy,2004(29):1443-1450.

[7] Jaroslav Pokorny. Database architectures: current trends and their relationships to environmental data management[J]. Environmental Modeling & Software1, 2006(21):1579-1586.

[8] 刘飞,曹华军,何乃军.中国机械世纪大典(第6卷)面向环境设计[M].江西:江西科学技术出版社,2002.