模塊化方法在燈具低碳設計流程中的應用研究

艾險峰 胡夢蕓 常麗君

摘要：為減少燈具在其生命周期中的碳排放量，提出了一種以模塊化為核心的燈具低碳設計流程。首先，根據燈具設計的特殊需求和規范，使用模塊化設計方法進行燈具的概念設計和具體設計，然后基于設計結果列出材料清單，最后，使用生態評估軟件SustainableMinds進行碳排放評估，用以驗證模塊化設計的產品是否能夠減少碳排放。武漢黑蜻蜓工業設計中心遵循該設計流程為某企業設計燈具，設計過程和結果基本驗證了模塊化設計能有效支持低碳設計。該低碳設計流程為工業設計師提供了清晰的流程和簡易的碳排放量計算方法，能有效支持燈具產品的低碳設計，也能為其他產品的低碳設計提供參考。

關鍵詞：模塊化;低碳設計流程;燈具設計;碳排放

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編碼：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，燈具每年產生碳排放超19億噸，給環境帶來巨大壓力。其碳排放主要有兩類，一是產品制造產生的碳排放，一是燈具耗電導致的碳排放。第一類碳排放與燈具選材和設計相關，而第二類則與發光技術和用戶行為有關。本論文主要討論第一類碳排放，旨在探索-種有效的燈具低碳設計流程。

1相關研究綜述

近年來，研究人員提出了諸多低碳設計流程或方法，如Song提出了一種產品低碳設計流程[1]，它基于材料清單計算碳排放以便于快速識別排放高的零部件;徐鋒等提出了功能結構展開的低碳設計方法[2];朱劍剛等通過歸納優秀案例總結了木質燈具綠色設計的基本方法[3];毛婷婷等探討了低碳設計理念在室內燈具設計中的應用[4]。這些文獻從低碳設計流程、方法和燈具綠色低碳設計等方面做出了頗有價值的論述。然而，以下方面仍然有研究的必要：

1）系統的燈具低碳設計流程。目前的研究有的偏重于識別高碳部件，其解決辦法是替換零部件，而不是產品的整體設計[1];有的偏重于解決因產品技術差異導致的碳排放問題[2]，而較少有提出一個專門的低碳設計流程。

2）模塊化與低碳的關系。模塊化是常見的綠色設計方法[5]，它能否有效減少碳排放還值得研究。

3）低碳設計流程的適用性。目前很多流程或方法依賴復雜的生態數據庫，這使得它們難以被中小企業的設計團隊掌握。此外，生態數據庫往往會增加較多的企業運營成本。

鑒于此，本研究提出了一種適用于中小企業燈具設計師的低碳設計流程。研究以一種經典設計流程為基礎[6]，并整合一些有用的工具。最后，組織本研究團隊（武漢黑蜻蜓工業設計WUST實習中心）的成員遵循該流程為某企業設計了一組燈具，并進行了簡易的碳排放比較。案例演示了流程的使用過程，并初步驗證了流程的有效性。

2以模塊化方法為核心的燈具低碳設計流程

本研究提出的設計流程包含4個環節。

2.1分析燈具設計需求

燈具的設計需求包含市場需求和政策規范要求，前者的獲取途徑與一般產品差異不大，而后者則存在一定區別，需要檢索耗能產品的環保政策和規范來獲取。

2.2在概念與具體設計階段實施模塊化設計

將模塊化的設計方法融入到產品的概念設計中，在此階段，需對燈具的功能模塊進行設計，關于模塊化，有研究指出了多條設計原則[7]，其中適合燈具設計的有：“相似性”、“相對獨立性”可擴展性”、“整體性能最優”、“全生命周期成本最低”、可維護性”、‘可重用性”和“可回收性”。

在具體設計階段，應考慮對應功能的具體原理、結構單元的材料與尺寸。在選材時，應對材料進行初步的環境影響評估。

2.3基于材料清單評估碳排放

在設計完成后，可選取市面上一款燈具與本次設計的模塊化燈具進行比較，為了便于評估，應保證兩款燈具的功能、造型、規格類似。然后列出兩個產品的材料清單，并選擇合適的生態數據庫軟件進行碳排放計算。由于SustainableMinds軟件與Simapro、Gabi等主流環評軟件功能類似，但它有免費版本，且專為產品設計師而開發，簡便易用[8]，因此被選用來做碳排放評價。

2.4選擇低碳方案

對碳排放進行比較后，方案的選擇規則如下：（1）當計算得出模塊化設計方案的碳排放量小于選定對象時，選擇設計方案;（2）當計算得出模塊化設計方案的碳排放量并不小于選定對象時，對單元部件、整體結構進行替換或優化，如圖1。

3設計實踐

3.1項目需求和要求分析

本研究團隊受湖南某公司委托設計一系列具有低碳屬性的燈具，查閱了最新的歐盟家用非定向燈泡的生態設計要求，了解發光器件的壽命、亮度和能耗的規范。

3.2將模塊化設計原則應用于燈具的概念和具體設計根據EMS功能框架[6]，繪制家用燈具的一般功能框架如圖2，其中E表示電能，S表示信號，SF表示提供支撐的靜力。

然后使用2.2節中列出模塊化設計原則考察該功能框架，提出以下幾點問題：（1）目前的幾個單元在物理結構上依賴支撐單元，獨立性不夠，可維護性差;（2）不同單元的結構差異較大，不利于生產系列化產品，可擴展性差;（3）可重用性、可回收性較差。

針對以上問題，研發團隊設計了單個模塊[9]，基本單元模塊結構拆解和組合見圖3中的a、b。以一個體積為2cm×2cm×2cm中空的立方結構為核心，在六個面進行組建。這個基本單元設置有插孔和插針，通過與組件上的插針和插孔相連接形成多個正負極連接點，多個模塊相組合，即可形成串聯、并聯或串并聯電路。光源模塊中，除了發光器件、電路元件外，還包括了平面鏡和透鏡等組件。

除以上結構外，本設計團隊應用模塊件設計了多款燈具，限于篇幅僅舉5例（如圖3中c—g）。圖中方案c為“山”字形幾何主題吊燈;方案d為一款簡約幾何主題吊燈;方案e為一款帶支架功能的夜燈;方案f為一款名為“爬爬熊”的壁燈;方案g為像素風格的植物造型臺燈。用戶購買模塊件后可參照以上設計圖或按自己意圖進行拼裝。

3.3列出材料清單比較碳排放

選取一款外殼主材為PET的節能臺燈EL，據此搭建一個外觀與尺寸基本相當的模塊化燈具ML，稱量節能臺燈EL和模塊化燈具ML的組件，得到產品中各材料的重量。將它們輸入到SustainableMinds軟件中，可得到其生產過程的碳排放量（見表1）。

據表1，ML的碳排放量比EL更低，實現了低碳目的。此外，該設計還在其他方面減少碳排放，如模塊化結構的可擴展性、可維護性更好，立方體模塊減小包裝體積，這些都有助于降低碳排放。

4結論

本文提出了一種整合的低碳設計流程，該流程被用于設計燈具，最后基于材料清單比較碳排放量，基本證實了本研究所提出的以模塊化為核心的設計流程在燈具低碳設計中的有效性。本研究的貢獻如下：它提出了一個適用于中小企業燈具設計師的低碳設計流程;列出了適合燈具產品模塊化的原則;還指出設計師可從材料選擇和結構模塊化兩方面來實現低碳。

本研究仍然存在一些不足，如在概念設計階段生成低碳方案并非只有模塊化一種方法，后續研究還可就此展開以形成更系統的方法。此外，后續工作中還需將低碳與其他的客戶需求屬性進行綜合研究。

本文系2017年度武漢科技大學大學生科技創新基金（項目編號：17ZZB080）資助。

參考文獻

[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]徐鋒，顧新建，紀楊建，等.基于低碳約束的產品概念設計方法研究[J].機械工程學報，2013，49（7）：58-65.

[3]朱劍剛，高偉霞.木質現代燈具綠色創新設計案例解析[J].生態經濟（中文版），2014，30（4）：196-199.

[4]毛婷婷，陸江艷.低碳設計在現代室內燈具設計中的應用[J].家具與室內裝飾，2018（3）.

[5]唐濤，劉志峰，劉光復，等.綠色模塊化設計方法研究[J].機械工程學報，2003，39（11）：149-154.

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

[7]顧新建等.機電產品模塊化設計方法和案例[M].機械工業出版社，2014.

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

[9]李嘉煒.一種模塊化結構的燈具：CN106949443A[P].2017.