面向生態設計的汽車生命周期數據庫的理論研究

鄭乃金 楊 潔

（①中國汽車技術研究中心數據資源中心，北京100176;②四川大學建筑與環境學院，四川成都 610207）

近年來，中國的汽車產業飛速發展。2011年我國 生產汽車1 841．6萬輛，同比上年增長0．8%;至2011年末，全國民用汽車保有量達到10 578萬輛，比上年末增長16．4%，其中私人汽車保有量7 872萬輛，增長20．4%［1］。汽車產業的發展在極大地促進我國社會經濟發展的同時，也因為其制造、使用、回收處置等過程中對資源能源的消耗和環境排放，從一定程度上限制了可持續社會的發展。此外，隨著國際上對產品環境性能的關注度日益提高，中國的汽車產業也將遇到新的國際綠色貿易壁壘的挑戰。在汽車產業迅速發展的同時，如何處理好汽車產業與環境保護的關系，減少汽車生產和消費過程對環境的影響，同時提高我國汽車產品的市場競爭力，實現汽車產業的健康、持續發展不僅是汽車產業發展過程中不可忽視的問題，也是社會發展的重要關注點。

生態設計為汽車產業的可持續發展提供了一個重要途徑。產品生態設計［2］又稱“環境意識設計”、“綠色設計”或“環境化設計”，指為提高產品生命周期內的環境績效，優化產品的環境影響而將環境因素引入產品的設計和開發的活動。生態設計已成為國際的潮流和趨勢。

1 汽車生態設計及其評價

汽車生態設計［3］是指將生態設計的理念融入到汽車的設計開發中去，在產品的開發階段綜合考慮汽車產品在全生命周期內對生態環境的影響，設計出既對環境友好、同時又能滿足人們使用需求的新型汽車產品。生態設計是生命周期評價理論在實際工作中的一個重要應用。按照國家標準的定義，生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）［4－5］是指對一個產品系統的生命周期中輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價。而生命周期則是指產品系統中前后銜接的一系列階段，從自然界或從自然資源中獲取原材料，直至最終處置。

為了滿足汽車生態設計的理念，首先就要在設計階段考慮到汽車生產過程中用到的原材料選擇等問題。因為隨著汽車的設計和生產過程的進行，防止污染的機會越來越少，而治理污染的代價也越來越大，所以要在汽車的設計階段就考慮其全生命周期的環境問題。生命周期評價很重要的一個應用就是進行材料選擇研究，就是對用途相同的材料進行生命周期評價研究，分析這些材料在全生命周期的環境特性，并比較其優劣，以便在產品設計及開發時選擇那些環境負荷低的材料，降低產品全生命周期的環境影響。對汽車企業來說，就需要了解其原材料如鋼材、鋁材、橡膠等的環境性能，以便其在產品設計中選用環境性能好的原材料，降低汽車全生命周期的環境負荷。將生命周期評價與汽車生態設計結合在一起，是實現汽車產品生態設計和汽車產業可持續發展的重要途徑。

有了這個理念，究竟什么樣的汽車才符合生態設計概念，是真正的生態設計產品，就需要有一定的評價方法。汽車的生態設計涵蓋了全生命周期，所以從本質上說，汽車的生態設計評價即為生命周期評價。

對汽車而言，其生命周期評價即對汽車從原材料生產、零部件生產、整車總裝到使用、廢棄回收處置整個生命周期階段的輸入、輸出及其潛在環境影響進行的匯編和評價。收集汽車全生命周期各階段的能源資源消耗和環境排放數據，采用生命周期評價的相關計算方法，即可計算得到汽車整個生命周期的各種環境影響指標。對汽車產品而言，需根據汽車行業自身的特點和社會關注的熱點，選擇合適的環境影響指標。在得到汽車生命周期的各種環境影響指標后，根據不同影響類型的權重可得到單一的綜合生態設計指數，便于綜合評價產品的生態設計水平。

綜上所述，汽車的生態設計及其評價不僅涉及到汽車生產、使用和回收處置過程中的大量消耗和排放數據，還涉及到其原材料生產、零部件生產過程中的大量數據。一方面，企業需要上游原材料、零部件的數據為其生態設計選擇合適的原材料和零部件提供依據，另一方面也需要這些豐富的背景數據來為其最終的生態設計評價作支撐。故建立汽車生命周期數據庫是汽車產品生態設計及其評價工作開展的關鍵。

2 汽車生命周期數據庫的理論框架研究

生命周期數據庫是LCA評價中必不可少的一部分，LCA的分析與應用都十分依賴數據庫的支持。生命周期數據庫主要由各種單元（生產）過程的清單數據和相應產品的生命周期清單數據構成。單元過程清單數據是在一個過程中生產單位數量產品所消耗的資源、原材料（含能源）及造成的環境排放數據（一般稱為gate－to－gate，“廠門到廠門”）;通過追溯這些原材料的上游生產過程直至資源開采階段，則可以得到這個產品從資源開采到產品出廠的生命周期模型，由此模型計算得到此產品相應的生命周期清單數據（一般稱為 cradle－to－ gate，“搖籃到廠門”）［6］。目前，國內開發的生命周期數據庫主要是綜合性的生命周期基礎數據庫，包含工業系統的基礎原材料、能源等數據，如四川大學的CLCD（Chinese Life Cycle Database）數據庫和北京工業大學的MLCA（Materials Life Cycle Assessment）數據庫，而缺乏一些主要的行業數據庫。本文旨在建立針對汽車產品的行業生命周期數據庫，應用于汽車產品的生態設計評價。

2．1 需求分析

需求分析是建立數據庫的起始階段，也是關鍵階段。首先需明確數據庫的數據需求及功能需求。

（1）數據需求:為了得到產品的環境影響評價結果，需要3個方面的數據信息。一是產品生產過程的技術工藝數據，包括原材料、電力、水等的輸入和產品、廢氣等的輸出。二是相關的背景數據，包括原材料（如鋼材、鋁材、橡膠等）、基礎能源（如電力、燃油等）等的生命周期環境數據。三是評價方法相關計算因子數據，同樣的資源消耗和廢物排放在不同的環境中的影響程度不一樣，所以必須將產品生產過程的數據加上環境特征，即給出不同物質的特征化因子和歸一化基準值;且在分析產品生產對環境影響的過程中，要得到一個綜合的單指數評價結果，需要對不同的影響類型予以區別，評判重要性，給出權重因子等［7］。

（2）功能需求:該數據庫的建立很重要的一個目的是幫助企業更好地進行生態設計，因此數據庫要實現對各種原材料、零部件的生命周期環境負荷信息及汽車全生命周期環境負荷數據的快速檢索，滿足企業的查詢需求。此外，從汽車生態設計評價的角度而言，生產過程的實際輸入輸出數據對整個評價的真實性和準確性至關重要，翔實、可靠且充分的數據是準確評價汽車產品全生命周期環境影響的基礎［8］，也是積累汽車產業基礎數據，進行生態設計評價的關鍵支撐，因此數據庫還應具有一定的數據采集功能。

2．2 理論框架

基于需求分析階段的成果，結合國際上通用的生命周期評價過程和方法，設計汽車的生命周期數據庫理論框架主要應包括兩大部分:基礎數據庫和功能模塊。基礎數據庫不僅應包括材料、產品的環境負荷信息，同時還應包括評價方法的相關信息。功能模塊則應包括數據查詢和數據采集。總體框架［9］如圖 1。

3 數據庫主要內容

3．1 基礎數據庫

如圖1所示，基礎數據庫中4大部分之間是相輔相成的，背景數據庫和基準參考庫分別用來存儲基礎原材料、能源和汽車產品的環境負荷信息，而這些環境負荷信息都是依據評價方法庫和基礎物質庫中的指標體系和物質屬性確定的。

3．1．1 背景數據庫

背景數據庫主要存儲汽車產品相關原材料、基礎能源及生命周期各階段的環境負荷信息。

（1）原材料及基礎能源數據庫:該數據庫主要存儲汽車產品生產、使用等過程中所使用的原材料和基礎能源的環境負荷數據，原材料主要包括鋼材、鋁材、鑄鐵、塑料、橡膠和玻璃等。基礎能源則主要是電力、汽油、柴油、煤炭等。該數據庫主要采用相關行業基礎數據庫，其環境負荷數據應為原材料、能源產品從資源開采至產品出廠的生命周期環境負荷數據。此外，在存儲這些環境負荷數據的同時，還需描述其相關信息，包括產品代表性、技術代表性、地理代表性、功能單位、系統邊界、環境影響類型等，這是由LCA數據的復雜性和地域性等特點決定的。（2）零部件數據庫:該數據庫主要描述汽車產品相關零部件（如發動機懸置、進氣歧管、前翼子板等）生產過程的資源能源消耗和環境影響。與功能模塊的數據采集功能相結合，通過采集相關零部件生產企業在生產過程中的能耗和水耗建立零部件數據庫。（3）使用:使用階段的數據主要包括汽車運行的燃油消耗及環境排放，環境排放主要涉及二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、顆粒物等。使用階段的數據采用檢測報告等數據。

3．1．2 評價方法庫

評價方法庫主要存儲評價方法及對應評價指標體系數據，包括所選擇的環境影響類型指標、特征化因子、歸一化基準值和權重因子等。目前國際上廣泛使用的有Eco－indicator99、CML、EPS等評價方法及指標體系。國內也有研究將國外的一些評價指標因子進行本地化，如四川大學基于廣泛采用的CML方法中的非生物資源消耗因子，通過引用中國的資源自給率進行本地化修正，得到了中國非生物資源消耗因子及其指標［10］;北京工業大學則選擇Eco－indicator99和CML方法中的資源耗竭特征化模型，結合中國的資源特征，對2種模型中的重要參數進行修正，計算得到了中國礦產資源耗竭的特征化因子集［11］。數據庫實際建立時可根據實際數據庫的需求選擇合適的評價方法和指標體系數據。

3．1．3 基礎物質庫

基礎物質庫存儲整個數據庫體系中所用物質的相關信息數據。它將產品生命周期內消耗和排放的各種物質按資源消耗、能源消耗、空氣排放、水體排放和土壤排放進行分類，存儲全生命周期過程中各種物質的屬性。

3．1．4 基準參考庫

基準參考庫則是在收集汽車行業生態設計平均水平之后建立的數據庫，作為生態設計評價的基準數據庫，為生態設計評價提供基準參考值。基準參考庫的建立是個復雜而長期的過程，需要汽車行業的眾多企業參與，收集不同企業、不同類型汽車的生命周期相關數據，最終得到我國汽車產品生態設計的平均水平，作為生態設計評價的基準值。

基準庫中的數據涵蓋汽車產品從原材料生產、零部件生產、整車總裝、使用直至回收處置全生命周期的資源能源消耗和環境影響。與以往對汽車產品的評價相比，評價范圍更全面，數據信息更充分。

3．2 功能模塊

功能模塊主要是數據庫應用功能的實現，是數據庫實現最終應用的關鍵環節。依據需求分析的成果，數據庫應主要實現以下2個功能:（1）數據查詢:主要用于企業進行汽車相關基礎數據，包括原材料、零部件、基礎能源及汽車生態設計基準信息的查詢。企業通過查詢功能可以為其進行產品生態設計及其評價提供量化的理論依據。（2）數據采集:主要用于促進企業和數據庫開發者的有效融合，通過采集企業真實數據不斷擴充數據庫，在擴展數據庫內容的同時提高數據庫的真實性和準確性。此功能需設計合理的數據采集表，全面準確地收集汽車零部件生產、整車總裝及回收處置階段的相關數據。

4 數據庫應用

4．1 幫助企業實現綠色供應鏈管理及產品生態設計

選擇環境性能好的材料是實現汽車產品生態設計的關鍵。產品的材料選用處于產品全生命周期的前端，是實現汽車產品全生命周期設計的基礎，不僅影響汽車的制造，而且會影響汽車的銷售、使用、維修、回收處理等環節。數據庫中收集汽車產品的大量原材料的生命周期環境負荷數據，便于汽車企業查詢原材料的環境性能相關數據，將節約能源和保護環境等因素納入到產品設計開發過程之中，在保證汽車產品功能、質量和安全性能的基礎上，盡可能地選擇環境性能好的原材料，不僅可以實現企業的綠色供應鏈管理，也可從源頭上實現汽車產品的生態設計。

4．2 支持企業的形象提升及市場宣傳

汽車生命周期數據庫的建立，可為汽車產品生態設計評價提供大量的基礎數據，使生態設計評價有量化的依據可循，實施上更具操作性;且量化的評價結果不僅可以用于企業社會責任報告發布，提升企業的社會形象，在消費者日益關注產品環境性能的趨勢下，也更有利于產品的市場宣傳和推廣。此外，數據庫還可以用于計算汽車企業的碳排放情況，為企業之間的碳交易提供量化的數據支持，為企業帶來額外的收益。

4．3 支持政府的政策制定和行業管理，推進節能減排

汽車生命周期數據庫收集國內大量汽車企業的全生命周期環境數據，有助于明確我國汽車行業的生態設計現狀水平，為政府制定相關的行業政策提供理論依據。而基于數據庫建立起來的生態設計評價流程使得汽車產品的生態設計評價得以真正實施，可以加強政府對汽車產品的行業管理。此外，企業基于數據庫進行生態設計評價可以發現產品全生命周期中需要改進的機會點，不斷改進生態設計，推進節能減排。

5 結語

在資源能源危機日益嚴重、環境問題日益惡化的今天，可持續發展已經成為全球的共識。汽車的生態設計及其評價為汽車產業緩和自身發展與環境保護之間的矛盾提供了一個重要途徑。汽車生命周期數據庫則為生態設計評價提供了量化的數據支撐，能夠有力地促進汽車產品生態設計的發展，從而促進汽車產業的可持續發展。

［1］國家統計局．2011年國民經濟和社會發展統計公報［EB/OL］，http://www．gov．cn/gzdt/2012－ 02/22/content_2073982．htm．2012－02－22．

［2］GB/T24256－2009產品生態設計通則［S］．

［3］李名林．汽車產品生態設計方法與評價指標體系探討［J］．汽車科技，2007（1）:32－35．

［4］GB/T24040－2008環境管理生命周期評價原則與框架［S］．

［5］GB/T24044－2008環境管理生命周期評價要求與指南［S］．

［6］劉夏璐，王洪濤，陳建，等．中國生命周期參考數據庫的建立方法與基礎模型［J］．環境科學學報，2010，30（10）:2136－2144．

［7］張曉輝．鋼鐵材料環境協調性數據庫研究［D］．北京:北京工業大學，2003．

［8］張群．材料生命周期分析網絡數據庫的研究與開發［D］．北京:北京工業大學，2009．

［9］龔先政，聶祚仁，王志宏．典型材料環境協調性評價數據庫框架的研究［J］．武漢理工大學學報，2004，26（3）:12－14．

［10］侯萍，王洪濤，朱永光，等．中國資源能源稀缺度因子及其在LCA中的應用［J］．自然資源學報，2012（9）．

［11］聶祚仁，高峰，陳文娟，等．材料生命周期的評價研究［J］．材料導報，2009，23（7）:1－6．