家電產品綠色設計技術的研究與應用

董瑋利 李玉祥 宋尚義 劉振宇

1.青島海爾智能技術研發有限公司 山東青島 266101；2.數字化家電國家重點實驗室 山東青島 266101

1 引言

人類社會在發展進步的過程中，始終伴隨著環境能源約束和社會經濟發展之間的矛盾，近三十年來，我國經濟發展迅猛，這一矛盾也不斷凸顯，當前我國社會經濟發展模式正發生深刻變革，從粗放型經濟增長向集約型增長方式轉變，這為制造業的生產提出了更高的要求，同時也帶來了不少機遇。

傳統產品及其設計往往更偏重產品功能與生產成本，忽視了產品的環保性能，某些產品在生產制造過程中甚至引入了對人體和環境有害的物質，如各種揮發性有機溶劑、重金屬、有毒化學物質、放射性物質等，使人們在享受其功能的同時，也付出沉重的健康代價。在綠色設計原則指導下生產的綠色產品則可以很大程度上規避上述情況的發生。

為防止或減少報廢電子電氣產品對環境的污染，歐盟在2003年2月13日發布了《報廢電子電氣設備指令》（WEEE指令）和《關于在電氣電子設備中禁止使用某些有害物質指令》（RoHS指令）。RoHS指令要求自2006年7月1日起在歐盟市場禁止銷售含有鉛、汞、鎘、六價鉻、聚溴二苯醚和聚溴聯苯6種有害物質的電子電氣設備；WEEE指令要求對報廢的電子電氣設備分類回收和循環利用。美國、日本等國也較早建立了環保法規體系，對綠色產品及其設計提出了嚴格的法律要求。這些國家和地區是我國家電產品的主要出口市場，我們無論從適應出口國的法律法規要求方面考慮，還是從我國經濟模式轉型的宏觀視角出發，我們企業都應該采取積極措施改進設計和工藝，嚴把原材料采購和產品制造質量，對家電產品進行綠色設計。

2 綠色設計

綠色設計是指在產品及其生命周期全過程的設計中，要充分考慮對資源和環境的影響，在充分考慮產品的功能、質量、開發周期和成本的同時，優化各種相關因素，使產品及其制造過程中對環境的總體負影響減到最小，使產品的各項指標符合綠色環保的要求，也就是高效利用資源和能源以獲得與環境相協調的產品為目的的設計。綠色設計考慮了產品的整個生命周期過程（包括設計、制造、運輸、銷售、使用、廢棄處理、資源再生），它在傳統設計的基礎上更加突出了產品的環境屬性（自然資源的合理利用、對環境和人的影響、可拆卸性、可回收性、可重復利用性等），并將其作為設計目標。因此，綠色設計的原則既包括傳統設計所要求的技術先進性，又被賦予新的環境協調性內涵，其設計原則如下。

2.1 技術先進性原則

技術先進性是傳統設計所追求的目標之一，也是綠色設計的基本要求。綠色設計特別強調在產品的生命周期過程中采用先進的技術或裝備，來保證安全、可靠、高效、經濟地實現產品的各種功能要求，保證產品生命周期全過程具有很好的環境協調性。

2.2 環境協調性原則

綠色設計強調在設計中通過在產品生命周期的各個階段中應用各種先進的綠色技術和措施使得所設計的產品具有節能降耗、保護環境和人體健康等特性。環境協調性原則主要體現在對資源和能源的有效合理利用、對環境污染最小、產品安全舒適等方面。

2.3 最佳綜合效益原則

綠色產品及其設計并不排斥經濟合理性，也不是人們想象中的高投入低效益。經濟合理性是綠色產品及其設計中必須考慮的因素之一，一個產品或設計方案若不被市場接受，就沒有生命力，不可能有長遠的發展。綠色產品及其設計不僅要考慮企業自身的經濟效益，更要從環境角度出發，考慮產品全生命周期的環境影響，實現經濟效益、生態效益和社會效益的統一。

3 綠色設計關鍵技術

綠色產品及其設計的技術先進性、環境協調性和最佳綜合效益原則是由一些關鍵技術來實現和保證的，包括環保材料的選擇、易拆卸設計、產品的可回收設計、廢棄物再生及其資源化處理、產品的生命周期評價等。

3.1 環保材料的選擇

綠色產品中原材料必然是環保的，難以想象由含有各種有害物質的零部件組成的產品會成為綠色產品。環保材料的選擇包括各種易降解或生物降解材料、天然材料、易于回收和再利用的材料，或者無法回收和再利用但廢棄后對環境影響小的材料。

中國家電企業在不斷搶入國際市場的過程中面臨非常多的挑戰，其中RoHS指令中禁止使用的六類有害物質在我國家電中的使用是很普遍的，雖然已經有了一些相應的替代技術，如表1所示，但仍需要在實際中進一步驗證和完善，需要產業鏈上的諸多配套企業集體努力，同時這將極大地影響我國機電產品在價格方面的競爭力。

3.2 面向拆卸的設計

家電企業設計產品時往往只關注產品中零部件的裝配性，很少考慮將來產品的拆卸問題。但隨著國家廢舊家電基金政策的實施，廢舊家電拆解企業在實際拆解家電過程中遇到了許多難拆解問題。因此，產品的拆卸是產品回收再利用的前提，直接影響產品的拆解效率和再利用率。

產品零部件的良好裝配性與易拆卸性這兩個方面往往是矛盾的，但若要使廢棄產品的零部件可以被再使用，那么這些零部件必須能夠并且方便地拆卸；如果廢棄產品的材料經過采用一定的再生技術可以被再利用，這就需要組成這些零部件的材料能夠并且方便進行分離。因此，面向拆卸的設計思想和方法也就必不可少。

拆卸性設計就是在產品的設計階段，讓產品具有良好拆卸性能的設計方法，主要包括以下原則：

（1）盡可能使用兼容性能好的材料。這一點與回收性設計的原則相同，材料種類越少，越有利于拆卸與分離。使用兼容性能好的材料組合，則可以減少拆卸回收的工作量。

（2）在產品功能滿足要求的前提下，考慮到將來的拆卸和回收，盡量簡化設計，以減小拆卸難度。如盡量采用可拆卸性聯接(螺紋聯接、機械扣合等)來代替不可拆卸聯接(鉚接、焊接與粘結等)，盡量采用容易拆卸的聯接(機械扣合等)來代替費時費力的聯接(螺紋聯接、鉚接等)；

（3）盡量使用結構和功能相近的標準化、模塊化、通用化零部件，這可減少拆卸工具的數量和種類，易于實現拆卸、更換和重用。

3.3 面向回收的設計

面向回收設計是指在產品的設計階段，就要充分考慮零部件和材料回收的可能性、回收價值和回收處理方法等，以達到零部件和材料的有效再利用，并在回收過程中對環境污染最小的一種現代設計方法。

減少產品對環境的影響，節省能源和資源是綠色產品設計的根本目標，合理的回收設計和方法會產生巨大的經濟和社會效益。我國目前廢棄產品幾乎全部采用手工野蠻分解，氟利昂等有害物質隨意排放到大氣中，環保效果不理想。歐盟WEEE指令要求資源再利用率在80%左右，而我國剛開始這方面的實踐，在環保材料的選擇、安裝連接形式、易于回收利用的結構設計等方面都是剛剛起步，還有很多急需開展的工作。

表1 RoHS指令中六類有害物質的危害和解決方法

機電產品回收利用的層次由高到低分別是產品級、部件級、零件級和材料級。對于前三種，回收的目的在于整體重新利用，繼續利用其功能，屬于較深層次，重用的程度與它們的性能、可靠性和剩余壽命相關。材料級回收利用則是經過分類回收后直接進入原材料領域，用于再生產新零部件。

國內外大型家電公司均在積極推動面向回收的設計。回收設計的原則包括盡量采用可回收材料制造、零部件盡量采用同一種材料、所有可回收零部件上標明材料名稱及回收標志、將零部件結構設計得易于拆卸、減少回收的成本；對個別含有有害物質的零部件采用密封設計，以防回收過程中對環境造成污染；另外一點就是避免金屬和塑料相互嵌入而造成材料分離困難。

筆者所在的項目小組在廢舊冰箱的回收利用中也進行了諸多卓有成效的探索，如：用制冷劑回收機集中回收制冷劑，過濾檢測后可用于維修部門；拆下的主要零部件（如壓縮機、蒸發器、冷凝器、玻璃、線路板等）做修理時的備件重用；將冰箱殼體破碎并集中回收發泡劑，然后利用磁力、風力、比重等分選技術將鋼鐵等金屬材料及各種塑料分類分選出來，作為再生原料使用。通過這些嘗試，廢舊冰箱真正實現了變廢為寶，最大程度上減少了對環境的危害。

3.4 面向產品的生命周期評價

生命周期評價（LCA）主要是針對環境問題提出的，但它也是綠色設計分析和評價的方法。LCA不僅包括環保材料的選擇、易拆卸設計、可回收設計、廢棄物再生及其資源化處理等綠色設計的內容，更強調了在產品的生命周期全過程實現技術、經濟和環境的最佳匹配。也就是說，生命周期評價既要考慮產品從原材料提取到報廢后回收處理及再利用的整個過程，還要考慮產品自身的功能和性能。它是在產品整個生命周期中對與產品有關的各類技術、環境和經濟信息進行匯集、測定和分析的一種系統方法。生命周期評價有助于獲得目標信息在產品生命周期各個階段中的具體情況和在整個過程中的總體情況，為產品改進提供完整、正確信息。

4 結束語

資源短缺、環境污染加重、人民生活水平和環境意識的提高，從不同方面推動了綠色產品的應用及普及。綠色和環保產品已經成為一種消費時尚，綠色設計是家電行業甚至制造業可持續發展的必然趨勢，綠色設計現已成為廣大用戶對未來產品的共識定義。做好家電產品的綠色設計工作將會對環境和資源產生積極影響，為循環經濟提供強有力支持。

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