綠色設計在垃圾分類回收系統中的應用

陳興義 楊錦隴

關鍵詞：綠色設計 分類垃圾桶 模塊化設計 TRZI 分類運輸車

引言

伴隨著工業化和城鎮化的不斷推進，人們生產和生活中產生的垃圾不斷增多，垃圾圍城的現象已經屢見不鮮。據有關資料顯示，中國城市垃圾清運量從1979到2015年增長了七倍多，達到19142117;5噸，約2/3的城市被垃圾圍城，累計占用的土地超過5億平方米，每年造成3000億元的經濟損失。目前，收集之后的垃圾處理方式為填埋、焚燒和回收利用三種方式，其中我國以垃圾填埋為主。垃圾采用填埋方式會占用大量的土地資源、污染土壤和地下水，而焚燒會對大氣造成污染。理想的處理方式是回收利用，一方面可以減少垃圾處理的總量，另—方面有利于提高資源循環利用率。目前國內的垃圾分類工作進展緩慢，一方面是人們分類意識差和垃圾分類方式不清晰;另一方面主要是沒有專門的垃圾分類運輸車，垃圾隨意混裝造成的結果是從源頭的垃圾分類將失去其意義。只有站在系統的角度去考慮整個過程，才能保證實施的可能性。基于以上情況，從提高人們垃圾分類意識和分類方式辨識性的角度出發，提出分類垃圾桶的垃圾分類方式;從解決垃圾分類運輸的實際問題出發，提出分類垃圾運輸車的設計方案和分類運輸概念。

一、基于綠色設計理念的垃圾回收系統設計

綠色設計是實現社會可持續發展的一種手段，是未來科技發展的必然趨勢。綠色設計是一個綜合考慮環境影響和資源效率的可持續發展模式，是人類可持續發展戰略在現代制造業中的體現;綠色設計是可持續發展觀念在設計科學中的合理延伸。要將綠色設計的理念融入到產品的設計、制造、使用和回收等整個生命周期中，以減少污染物的產生和節約資源。綠色設計并不是單純的產品材料可回收Ⅲ，簡化復雜的機構、提高使用效率和減少不必要的使用功能等都是綠色設計的內容，針對目前市場上的垃圾清運車存在的問題，結合垃圾清運的實際情況和垃圾分類運輸的需求，對現有垃圾清運車進行優化設計。

（一）垃圾分類存放方式設計

建立需求分析模型，應用需求分析方法獲取用戶潛在需求，為產品創新設計提供理論依據。獲取用戶需求，將用戶需求轉化為創新設計的需求，提高產品的適應能力。通過問卷調查法、現場調研、現有產品的競爭分析等方法，獲取實際用戶需求，運用功能一行為一結構（FBS）進行產品需求分析，從而獲得用戶需求的最優解。通過設計引導行為而減少后續的工作，是綠色設計理念的重要體現。在垃圾分類回收系統設計方面，由于不同地區的垃圾種類差別較大，因此要針對不同地區進行差別化設計，但其設計理念基本相同。本研究選取某大學校園的垃圾分類回收為例，對垃圾分類回收進行設計。

1.實際調研：現有的大部分垃圾分類方式為分兩類一可回收垃圾和不可回收垃圾，對用戶進行調查，大部分用戶都會出現無法分辨垃圾的種類進行準確投放。此外，對于廢舊電池、電子產品等的回收沒有專門的裝置，易污染環境。對垃圾桶內的垃圾進行種類統計發現垃圾隨意混裝，不利于綠色回收，其統計結果和資源回收處理方式如表1。

2.分類垃圾桶設計：國內外研究人員對垃圾分類方式中分類垃圾桶的研究較多，參考譚巍對分類垃圾桶的設計，結合實際需求，提出分類垃圾桶的垃圾分類方式。其具體方案為依據垃圾的同類性，不同類垃圾放在不同的桶內，按照垃圾桶的種類引導性作用進行垃圾分類。以此解決用戶面對垃圾分類時無法準確判定垃圾投放位置。其分類方式具有以下優點：（1）同類垃圾同類存放，減少垃圾分揀的工作;（2）由于同類垃圾的處理方式大致相同，減少了挑選分揀的工作量，降低回收利用成本;（3）便于廢棄資源綠色可回收。

（二）垃圾分類運輸方式設計

垃圾的分類運輸按照傳統的運輸方式，出現的結果為垃圾隨意混裝運輸，垃圾從源頭分類將失去其作用。同類垃圾單一運輸又會造成運輸效率低、占用大量的運輸車輛;不同類垃圾的運輸預處理方式是存在差異性，此需求將增加運輸車輛的種類。基于以上需求，單一的運輸方式不符合綠色設計的理念，不利于資源的有效利用。將模塊化設計的理念運用到垃圾運輸車設計中，以不同功能模塊之間的相互組合滿足不同的運輸需求，模塊化一般指使用模塊的概念對產品或系統進行規劃和組織。運用模塊化設計理論，按照實際使用需求進行功能模塊的劃分，擴展了產品的使用范圍;標準模塊之間的通用性設計保準了功能模塊之間的兼容性，選擇實際需求的功能模塊可以減少資源的浪費和能源的消耗。

1.實際需求調查：通過實際調查和訪談的方式是直接獲取用戶需求的方式，而根據使用功能需求分析可以挖掘和豐富產品功能。—方面對現有垃圾運輸車的使用情況進行調查，通過與環衛司機的訪談，了解產品的優勢和不足，如表2。另一方面，結合分類垃圾桶的垃圾存放方式和資源回收利用的預處理方式，進行使用功能的需求分析，如表3。

2.功能模塊劃分：進行功能模塊的劃分，為方案的整體設計提供劃分依據。模塊化設計通過對目標用戶群體進行調研，了解客戶需求，確定產品的總功能，將總功能分解成若干功能元，得到功能結構模型，最后對模塊進行劃分。產品模塊化縮短產品的革新周期，豐富產品種類，減少工業加工工作量，提高生產效率。在綜合分析表1、表2和表3的基礎上，得出垃圾清運車應該具備裝載、粉碎、壓縮、密閉運輸的總體功能。但存在不同種類的垃圾處理方式也存在差異的問題。除此之外，要降低分類垃圾運輸車的總量，實現一車多用的要求，滿足多樣化的運輸需求?？紤]到以上情況，進行分析整理，使這些模塊之間具有良好的兼容性和通用性且具有獨立的工作能力，得出功能結構模型，如圖1。

類型1只具備裝載功能模塊，運輸無需粉碎和壓縮的垃圾，例如剩飯菜、廢棄玻璃等;

類型2具備裝載功能模塊和壓縮功能模塊，運輸無需粉碎的垃圾，如易拉罐、鋁合金等;

類型3具備裝載功能模塊、粉碎功能模塊和壓縮功能模塊，運輸需要經過裝載、粉碎和壓縮的垃圾，如廢棄紙質品、塑料瓶等。

3.運輸方式劃分：通過垃圾運輸車的模塊化設計，擴展了車輛的用途，同時也降低了整體運輸成本。若垃圾運輸量較大或要求清運速度快，可以依照各類垃圾的日運輸量配備三種類型的垃圾運輸車，劃分依據為相同處理方式的垃圾同類型垃圾運輸車進行運輸;若垃圾運輸量較小或者要求資金投入較小，通過功能模塊之間的自由組合，實現“一車變三車”的要求，滿足不同處理方式的垃圾運輸需求。此外，由于廢舊電池和電子產品的收集量較小，因此在垃圾運輸車的尾部設置專門的收集裝置。

二、技術方案創新設計

TRIZ為產品的創新設計提供了新思路，主要優勢在于它是基于技術的發展演化規律去研究產品的整個設計過程，而不是隨機的行為。Lee CKM，Tai M J E提出TRIZ是綠色工程產品設計的有力工具，它消除了猜測和隨機產生想法來解決問題的本能行為;Ya-chieh Li，Chen-Yeon Chu指出應用TRIZ的主要目的是在概念設計階段有效和高效地支持創新產品設計理念。運用TRIZ解決方案設計過程中遇到的問題，其主要作用不是提供具體的解決方案，而是為方案的解決提供了方向，有利于方案的創新設計。把TRIZ理論運用到垃圾運輸車的綠色設計中，為綠色設計提供了新的創新思路。

（一）沖突矛盾解決

1.問題描述與問題分析

（1）問題描述：在粉碎模塊設計方面，通過訪談和實際調研發現，若采用傳統的粉碎裝置，粉碎效果好的裝置體積大，不適合車載使用;采用簡易的粉碎裝置，其機構簡單，體積小，但是其粉碎效果差，粉碎速度慢，對于長度較長的物體無法自行切斷。

在壓縮模塊設計方面，傳統的壓縮方式由于采用整體粗放式的壓縮，造成部分垃圾受到壓縮，而其他未受到壓縮，因此壓縮不徹底。

以上問題是此次技術方案設計過程中需解決的主要問題。

（2）問題分析：在粉碎模塊的設計方面，傳統的粉碎裝置在粉碎時，沒有考慮到被粉碎物體的形狀對粉碎效果的影響，造成了粉碎過程不連續，另外，有效粉碎接觸面積小造成粉碎效率低;在壓縮模塊的設計方面，傳統的壓縮方式只是考慮到擠壓，沒有考慮擠壓的程度和方式。因此，提高垃圾運輸車的工作效率，必須改變其原有的工作方式。

2.沖突確定與解決思路

（1）技術矛盾：為了解決以上問題，將TRIZ理論中的矛盾矩陣引入其中，以尋找解決思路。根據以上問題的描述與分析，發現其粉碎模塊設計方面的技術矛盾雙方為生產率和功率，待改善參數為39號（生產率）和惡化參數為21號（功率），根據阿奇舒勒矛盾矩陣采用的原理為35、20、10，如表4所示。通過分析垃圾運輸車的設計要求，采用發明原理20（有效作用的連續性），其原理解釋為：（1）連續工作，物體的所有部件均應一直滿負荷工作，（2）消除運動過程中的中間間歇。具體在設計方案中的應用為，為保證粉碎過程的連續性，將原有的粉碎滾子變成三個，其中兩側滾子同時向內轉動，在固定位置上與固定不動的中間滾輪形成一定的傾斜角即三個滾輪形成凹型，即有利于垃圾的向下運動和粉碎，又增加了粉碎的接觸面積，同時產生切斷力，其具體工作方式如圖2所示。

（2）物理矛盾：物理矛盾是指系統為了達到某種性能，要求子系統應該具備某種特性，但同時出現與該特性相反的特性。在解決壓縮模塊的設計方面，壓縮設備的型號選用上，一方面想通過選用更大規格的壓縮設備體高壓縮強度，但另—方面不希望壓縮設備占用太大的車廂空間，出現“大與小”的矛盾。解決物理矛盾的常用方式為空間分離、時間分離、條件分離、整體與部分的分離4個分離原理，解決該問題采用整體與部分的分離原理，其原理解釋為：所謂整體與部分分離，是將矛盾雙方在不同的系統級別分離出來，已獲得問題的解決或降低解決問題的難度。傳統的壓縮方式將車廂作為一個整體或者將局部作為一個整體，沒有考慮到壓縮過程的體積變化和壓力變化，其具體解決措施為將原來與車廂一體的壓縮設備從車廂中分離出來，做成獨立的壓縮功能模塊安裝在車廂前部，使“—次壓縮”變為“多次精確壓縮”，提高垃圾壓縮的效果。

具體方案設計

在TRIZ理論的幫助下，為技術方案的創新設計提供了解決思路，結合具體的結構設計，其具體設計方案如圖3、4所示。粉碎功能模塊和壓縮功能模塊的創新性設計即解決了運輸效率低的問題，又降低了運輸過程中的能源消耗，符合綠色設計的理念。

三、垃圾回收系統設計方案

（一）分類垃圾桶

按照分類垃圾桶的設計思想對現有垃圾進行改進設計目的是方便垃圾的清運過程和增強垃圾分類識別的準確性。在結構設計方面，在兩側增加便于裝載功能模塊夾持的溝槽，其作用是保證垃圾桶在上升和傾倒過程中的穩定性;在分類識別方面，采用形象、真實的圖片來作為垃圾種類的識別，使其便于接受，增強垃圾分類投放的準確性。其設計方案如圖5所示。

（二）分類垃圾運輸車

分類垃圾運輸車是在傳統垃圾運輸車的基礎上重新進行功能模塊的劃分和設計以需要裝載、粉碎、壓縮的垃圾運輸過程為例，其工作過程如下：裝載功能模塊自動裝載垃圾→粉碎功能模塊粉碎垃圾→壓縮功能模塊壓縮垃圾成塊→密閉運輸。整個運輸過程只需司機一個人就能完成，無需垃圾中轉站二次壓縮，可以直接送往工廠作為原料利用。其設計方案如圖6所示。

總結

綠色設計思想在產品設計中的應用是對“產品一人一環境”三者關系的全局思考，體現了設計師對產品生態型的關注，其核心思想是符合生態系統的閉環系統原理。垃圾的分類回收是對資源回收利用的重要形式，是綠色設計對產品生命周期循環實現的重要途徑，是可持續發展理念在產品設計中的重要體現。采用分類垃圾桶的垃圾分類方式可以引導和實現垃圾分類的投放，垃圾分類運輸的方式有利于提高運輸效率和資源的綜合性利用。本文以校園垃圾回收系統設計為例，盡管尤其局限性，但為其他回收系統的設計提供借鑒。