綠色制造的生態評價體系及方法研究

吳小珍，張 華

WU Xiao-zhen, ZHANG Hua

（武漢科技大學，武漢 430081）

0 引言

生態文明是指以尊重和維護自然為前提，是人與人、人與社會、人與自然和諧共生、可持續發展的一種人類文明的形態。隨著工業文明下生態危機等問題逐步凸顯，人類社會迫切需要向高級的文明形態即生態文明邁進[1]。綠色制造是一種現代化的制造模式，是人類進行可持續發展戰略在制造業中的體現。而生態文明下的綠色制造則涵蓋了與人類生產生活相關的各個行業領域，是一種全新的“大制造”理念。與以往的綠色制造相比，基于生態文明的綠色制造作為一種先進的制造技術，其技術內涵沒有變化，其目標是資源消耗極少、生態環境負面影響極小、人體健康與安全危害極小，并實現經濟效益和社會效益的持續協調優化的技術，它是人類要進入生態文明社會的必要技術手段；其不同之處主要體現在研究角度發生了變化，即人類要進入生態文明，如何進行綠色制造，怎么做，怎么改進，才能更快更好地進入生態文明社會。因此，建立綠色制造的生態評價體系及評價方法就顯得尤為重要，通過評價可以找出產品與制造過程中存在的與生態文明不符合的缺陷，為優化提供依據，它是生態文明下綠色制造得以實現的非常重要和關鍵的一環。

我們知道，生態文明下的綠色制造體現在與人類生產生活相關的工業、農業、服務業、信息業等各個方面。針對不同系統如工業制造系統、農業生產系統、物流系統等，綠色制造的生態評價體系、指標等會有不同，下面均以工業制造系統為例展開分析。

1 綠色制造的生態評價體系

綠色制造的生態評價過程相較于傳統的綠色評價，其特點在于需要追溯綠色產品與制造過程的生態源頭，考慮其在源頭獲取原材料時對生態系統資源與能源的消耗，將這些消耗類項目折算成生態生產性土地來進行定量核算，并且在生命周期的各個階段都要考慮對生態環境造成的影響，尤其對于不能再制造再利用的需要掩埋的排放物以及經過處理之后的空氣排放物和水排放，要考慮生態的自凈化能力。基于此，本文以生態文明的實現為核心，構建綠色制造生態評價體系如圖1所示。

由圖1可知，綠色制造產品的生態友好性應貫穿于其整個生命周期內，所謂的產品生命周期是指產品從開發設計到廢棄處置所經歷的全部時間。具體來說，包括了產品開發和設計、原材料采購、生產制造、裝配、包裝、銷售運輸、回收再利用或廢棄等七個主要階段，這七個階段中還都有各自不同的制造過程，它們構成了一個循環的過程，循環主要表現在以下三個層面：1）本產品內部的循環。產品在生命周期各個階段輸出的廢棄物，或是報廢后的零部件應該可以回收再利用，作為新的輸入條件，參與到本類產品下次生命周期的循環；2）產品間的循環。產品在生命周期各個階段輸出的廢棄物，或是報廢后的零部件可以作為輸入，參與到下一代產品或是其他種類產品的生命周期循環；3）生態環境的循環。產品在生命周期各個階段輸出的不可再利用的廢棄物，應該對其量和成分都有嚴格的控制，與生態環境的自凈化能力相協調，最終使這些輸出作為輸入參與到整個生態系統的大循環過程中來。我們以這七個主要階段為橫向，以它們各自不同的制造過程作為縱向，構成了完整、全面的評價體系。

文獻[2]（嚴耕，楊志華，2009）指出：目前人類面臨的生態危機包括糧食安全問題、荒漠化、淡水危機、能源危機、氣候變暖以及物種滅絕6大類。接下來，我們以緩解這6大生態危機評價核心建立相應的生態評價方法。

圖1 綠色制造生態評價體系

2 基于LCA的生態評價方法

目前針對綠色制造產品與過程的評價方法主要分為兩類：一類是常用的綜合評價方法，對產品的綠色屬性進行多目標的評價，最終得到產品的綠色性評價結果。另一類是產品生命周期評價（life cycle assessment，LCA）的方法，它是一種對產品全生命周期的資源消耗和環境影響進行評價的環境管理工具[3]。本文提出的生態評價方法是在充分考慮了生態文明的前提下，將產品生命周期（LCA）與層次分析法結合起來，對綠色制造產品/過程進行評價的一種方法。該方法首先用LCA的清單分析得到各個環境問題類指標的歸一化數據，然后用層次分析法構造判斷矩陣確定環境影響類各級指標層的權重，最后通過逐級加權求和得到綠色制造產品/過程生態文明指數，如圖2所示。

關于LCA理論與方法的研究已經很深入了，這里就不再贅述[4,5]。本文僅針對權重部分進行說明。在Eco-indicators99方法中，對三類環境影響類的權重分別是：資源耗竭0.2；生態影響0.4；生物體健康0.4[6,7]。下面分別進行計算6大生態危機對資源耗竭、生態影響、生物體健康的權重，以下各指標的比較、判斷均以工業制造系統為例，得到的權重值僅供參考。

采用層次分析法通過建立權重判斷矩陣來對位于同一級別上的評價指標進行權重的確定，得到淡水危機、能源危機、荒漠化、氣候變暖、糧食安全問題和物種滅絕這6大生態危機分別相對資源耗竭、生態影響和生物體健康這3大環境影響類的權重值如表1所示。

圖2 綠色制造的生態評價方法

表1 六大生態危機相對環境影響類的權重值

在確定了六大生態危機相對環境影響類指標的權重后，可以得到環境影響類指標層的各自指數Vic，再將各類指數按權重值Wi相加就可以得到綠色制造產品/過程的生態文明指數（ECI）。

3 評價案例

本案例選取某閥體改進前后的車削工藝為評價對象，利用之前建立的生態評價方法，對改進前后的工藝過程進行評價，過程如下。

1）評價對象的確定

某閥體改進前的車削工藝采用的機床、刀具等加工裝備老化，精度低而能耗高，而且會產生較多金屬切屑，浪費資源；大量切削液的使用缺乏有效的領用監管措施和回收處置方法，造成廢棄切削液在生產過程中泄露大、損耗大，泄露損耗的切削廢液對車間及周邊環境產生不良影響，同時，由于切削液主要是皂化液和硫化油等，在切削區的高溫作用下也會產生一定量的油霧污染；此外，大量機床同時工作也會產生很大的噪音。而改進后的車削工藝加工機床以數控車床等高精度數控裝備為主，對加工環境進行封閉處理，避免固體污染物漂浮到車間環境當中。刀具以硬質合金高速刀具為主，切削液以極壓乳化液為主。在機加工工藝中廣泛使用極壓乳化液噴霧冷卻方式對加工區域實施冷卻和潤滑，以實現機加工過程中的少無切削液加工方法，從而減少機械制造車間切削液使用量，降低車間液體廢棄物排放。改進后的車削工藝既能增加材料的利用率，也可以降低噪聲，減少氣體、液體、固體等污染物的產生[8]。

2）確定車削工藝各評價指標的度量值及歸一化值

在搜集了相關實際數據之后，對各指標進行量化或模糊處理后的結果及歸一化結果如表2所示。

表2 某閥體改進前后車削工藝評價的指標度量值

表3 改進后車削工藝評價綜合得分求解表

表4 改進前車削工藝評價綜合得分求解表

3）確定指標權重及結果分析

按照指標權重確定的方法對車削工藝評價的指標層進行權重確定。將下一層指標的度量值（得分）與其對應的權重相乘后相加求和得到上一層指標的得分，然后將這一層指標的得分再與其對應的權重相乘后相加求和就可以得到更上一層指標的得分，以此類推，就可以算出三大環境影響類的得分。最后三大環境影響類的得分與其權重分別相乘后相加就可以得到生態文明指數。下面以表格的形式簡單給出計算過程與結果。

最終得到的改進后車削工藝的生態文明指數為0.78，而改進前的則為0.44。說明改進后的車削工藝比改進前具有更好的生態友好性，更能滿足生態文明對綠色制造過程提出的要求。

4 結論

1）基于生態文明的理念，以產品生命周期的七個主要階段為橫向，以它們各自不同的制造過程作為縱向，建立了完整、全面的綠色制造生態評價體系。

2）以緩解6大生態危機為目標，將LCA與層次分析法相結合，建立了生態評價方法，得到了綠色制造產品與過程的生態文明指數，并通過某閥體車削工藝過程的實例分析證明了該方法可以評定其是否符合在生態文明下的綠色性要求。

[1] 盧風.從現代文明到生態文明[M].北京:中央編譯出版社,2009.

[2] 嚴耕,楊志華.生態文明的理論與系統構建[M].北京:中央編譯出版社,2009.

[3] 沈德聰,阮平南.綠色制造系統評價指標體系的研究[J].機械制造.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] 劉飛,曹華軍,何乃軍.中國機械世紀大典(第6卷)面向環境設計[M].江西:江西科學技術出版社,2002.