模块化方法在灯具低碳设计流程中的应用研究

艾险峰 胡梦芸 常丽君

摘要：为减少灯具在其生命周期中的碳排放量，提出了一种以模块化为核心的灯具低碳设计流程。首先，根据灯具设计的特殊需求和规范，使用模块化设计方法进行灯具的概念设计和具体设计，然后基于设计结果列出材料清单，最后，使用生态评估软件SustainableMinds进行碳排放评估，用以验证模块化设计的产品是否能够减少碳排放。武汉黑蜻蜓工业设计中心遵循该设计流程为某企业设计灯具，设计过程和结果基本验证了模块化设计能有效支持低碳设计。该低碳设计流程为工业设计师提供了清晰的流程和简易的碳排放量计算方法，能有效支持灯具产品的低碳设计，也能为其他产品的低碳设计提供参考。

关键词：模块化;低碳设计流程;灯具设计;碳排放

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2019）04-0154-02

Abstract：In order to reduce the carbon emission of lamps in their life cycle， a low carbon design process for lamps integrating various technologies is proposed.Firstly， according to the special requirements and specifications of lamps design， the concept design and specific design of lamps were carried out with the modular design method.Then the material list was listed based on the design results.Finally， the carbon emission assessment was conducted with the ecological assessment software Sustainable Minds to verify whether the modular design products could reduce carbon emissions.Wuhan black dragon?y industrial design center follows the design process to design lamps for an enterprise.The design process and results basically verify that modular design can effectively support low-carbon design.This low-carbon design process provides a clear process and simple carbon emission calculation method for industrial designers， which can effectively support the low-carbon design of lamps， and provide a reference for the low-carbon design of other products.

Key Words：Modular design;Low-carbon design Process;Lamps design;Carbon emissions

近年來，灯具每年产生碳排放超19亿吨，给环境带来巨大压力。其碳排放主要有两类，一是产品制造产生的碳排放，一是灯具耗电导致的碳排放。第一类碳排放与灯具选材和设计相关，而第二类则与发光技术和用户行为有关。本论文主要讨论第一类碳排放，旨在探索-种有效的灯具低碳设计流程。

1相关研究综述

近年来，研究人员提出了诸多低碳设计流程或方法，如Song提出了一种产品低碳设计流程[1]，它基于材料清单计算碳排放以便于快速识别排放高的零部件;徐锋等提出了功能结构展开的低碳设计方法[2];朱剑刚等通过归纳优秀案例总结了木质灯具绿色设计的基本方法[3];毛婷婷等探讨了低碳设计理念在室内灯具设计中的应用[4]。这些文献从低碳设计流程、方法和灯具绿色低碳设计等方面做出了颇有价值的论述。然而，以下方面仍然有研究的必要：

1）系统的灯具低碳设计流程。目前的研究有的偏重于识别高碳部件，其解决办法是替换零部件，而不是产品的整体设计[1];有的偏重于解决因产品技术差异导致的碳排放问题[2]，而较少有提出一个专门的低碳设计流程。

2）模块化与低碳的关系。模块化是常见的绿色设计方法[5]，它能否有效减少碳排放还值得研究。

3）低碳设计流程的适用性。目前很多流程或方法依赖复杂的生态数据库，这使得它们难以被中小企业的设计团队掌握。此外，生态数据库往往会增加较多的企业运营成本。

鉴于此，本研究提出了一种适用于中小企业灯具设计师的低碳设计流程。研究以一种经典设计流程为基础[6]，并整合一些有用的工具。最后，组织本研究团队（武汉黑蜻蜓工业设计WUST实习中心）的成员遵循该流程为某企业设计了一组灯具，并进行了简易的碳排放比较。案例演示了流程的使用过程，并初步验证了流程的有效性。

2以模块化方法为核心的灯具低碳设计流程

本研究提出的设计流程包含4个环节。

2.1分析灯具设计需求

灯具的设计需求包含市场需求和政策规范要求，前者的获取途径与一般产品差异不大，而后者则存在一定区别，需要检索耗能产品的环保政策和规范来获取。

2.2在概念与具体设计阶段实施模块化设计

将模块化的设计方法融入到产品的概念设计中，在此阶段，需对灯具的功能模块进行设计，关于模块化，有研究指出了多条设计原则[7]，其中适合灯具设计的有：“相似性”、“相对独立性”可扩展性”、“整体性能最优”、“全生命周期成本最低”、可维护性”、‘可重用性”和“可回收性”。

在具体设计阶段，应考虑对应功能的具体原理、结构单元的材料与尺寸。在选材时，应对材料进行初步的环境影响评估。

2.3基于材料清单评估碳排放

在设计完成后，可选取市面上一款灯具与本次设计的模块化灯具进行比较，为了便于评估，应保证两款灯具的功能、造型、规格类似。然后列出两个产品的材料清单，并选择合适的生态数据库软件进行碳排放计算。由于SustainableMinds软件与Simapro、Gabi等主流环评软件功能类似，但它有免费版本，且专为产品设计师而开发，简便易用[8]，因此被选用来做碳排放评价。

2.4选择低碳方案

对碳排放进行比较后，方案的选择规则如下：（1）当计算得出模块化设计方案的碳排放量小于选定对象时，选择设计方案;（2）当计算得出模块化设计方案的碳排放量并不小于选定对象时，对单元部件、整体结构进行替换或优化，如图1。

3设计实践

3.1项目需求和要求分析

本研究团队受湖南某公司委托设计一系列具有低碳属性的灯具，查阅了最新的欧盟家用非定向灯泡的生态设计要求，了解发光器件的寿命、亮度和能耗的规范。

3.2将模块化设计原则应用于灯具的概念和具体设计根据EMS功能框架[6]，绘制家用灯具的一般功能框架如图2，其中E表示电能，S表示信号，SF表示提供支撑的静力。

然后使用2.2节中列出模块化设计原则考察该功能框架，提出以下几点问题：（1）目前的几个单元在物理结构上依赖支撑单元，独立性不够，可维护性差;（2）不同单元的结构差异较大，不利于生产系列化产品，可扩展性差;（3）可重用性、可回收性较差。

针对以上问题，研发团队设计了单个模块[9]，基本单元模块结构拆解和组合見图3中的a、b。以一个体积为2cm×2cm×2cm中空的立方结构为核心，在六个面进行组建。这个基本单元设置有插孔和插针，通过与组件上的插针和插孔相连接形成多个正负极连接点，多个模块相组合，即可形成串联、并联或串并联电路。光源模块中，除了发光器件、电路元件外，还包括了平面镜和透镜等组件。

除以上结构外，本设计团队应用模块件设计了多款灯具，限于篇幅仅举5例（如图3中c—g）。图中方案c为“山”字形几何主题吊灯;方案d为一款简约几何主题吊灯;方案e为一款带支架功能的夜灯;方案f为一款名为“爬爬熊”的壁灯;方案g为像素风格的植物造型台灯。用户购买模块件后可参照以上设计图或按自己意图进行拼装。

3.3列出材料清单比较碳排放

选取一款外壳主材为PET的节能台灯EL，据此搭建一个外观与尺寸基本相当的模块化灯具ML，称量节能台灯EL和模块化灯具ML的组件，得到产品中各材料的重量。将它们输入到SustainableMinds软件中，可得到其生产过程的碳排放量（见表1）。

据表1，ML的碳排放量比EL更低，实现了低碳目的。此外，该设计还在其他方面减少碳排放，如模块化结构的可扩展性、可维护性更好，立方体模块减小包装体积，这些都有助于降低碳排放。

4结论

本文提出了一种整合的低碳设计流程，该流程被用于设计灯具，最后基于材料清单比较碳排放量，基本证实了本研究所提出的以模块化为核心的设计流程在灯具低碳设计中的有效性。本研究的贡献如下：它提出了一个适用于中小企业灯具设计师的低碳设计流程;列出了适合灯具产品模块化的原则;还指出设计师可从材料选择和结构模块化两方面来实现低碳。

本研究仍然存在一些不足，如在概念设计阶段生成低碳方案并非只有模块化一种方法，后续研究还可就此展开以形成更系统的方法。此外，后续工作中还需将低碳与其他的客户需求属性进行综合研究。

本文系2017年度武汉科技大学大学生科技创新基金（项目编号：17ZZB080）资助。

参考文献

[1]Song J S， Lee K M.Development of a low-carbon product design system based on embeddedGHG emissions[J].Resources Conservation & Recycling，2010，54（9）：547-556.

[2]徐锋，顾新建，纪杨建，等.基于低碳约束的产品概念设计方法研究[J].机械工程学报，2013，49（7）：58-65.

[3]朱剑刚，高伟霞.木质现代灯具绿色创新设计案例解析[J].生态经济（中文版），2014，30（4）：196-199.

[4]毛婷婷，陆江艳.低碳设计在现代室内灯具设计中的应用[J].家具与室内装饰，2018（3）.

[5]唐涛，刘志峰，刘光复，等.绿色模块化设计方法研究[J].机械工程学报，2003，39（11）：149-154.

[6]PahI， G.， & Beitz， W.（2007）.Engineering design：a systematic approach（Third edition）.Springer Science & Business Media.

[7]顾新建等.机电产品模块化设计方法和案例[M].机械工业出版社，2014.

[8]Sustainable Minds，2013.Sustainable Minds Software.http：//www.sustainableminds.com/soft ware（accessed01.02.13）.

[9]李嘉炜.一种模块化结构的灯具：CN106949443A[P].2017.