摘 要 为了给低碳产品开发提供辅助支持采用模块化思想和生命周期分析方法建立了基于产品结构的碳足迹分析模 型基于敏感性分析方法研究关键低碳设计参数变化与碳排放变化之间的映射关系在对分析结果进行处理的基 础 上以各低碳设计参数改进引起的碳足迹最小为优化目标构建关键模块单元低碳设计改进的多约束目标优化模 型并采用回溯算法和遗传算法对优化模型进行求解 最后以洗碗机为例 验证了文中方法的可行性和有效性

关 键 词 碳 足 迹产 品 结 构低 碳 设 计敏 感 性 分 析 优 化 建 模

开展绿色设 计 开发环境友好的产品已被公认为解决制造业能 源 及 资 源 利 用 率 低 污 染 严 重 等 环境问题的根本途 径 也是产品设计领域的研究热点之一随着全球变暖问题的日益严重 如何减少产品生命周期碳排放已成为亟待解决的重要问题 在 设计阶段考虑能源 与 材 料 消 耗将产品碳足迹分析与设计过程相集成 开展低碳设计技术与工具研发 是绿色设计研究领 域 的 趋 势 和 难 点对于支持设计人员进行低碳产品开发具有重要的理论与现实意义

国内外许多学者对此领域进行了研究等 分析碳足迹与人体毒性等其他环境影响指标之间的关系探讨将碳足迹作为一种产品或生产行为的环境性能指标的可能性 等 分 析 和 对 比 了标准 和 框架中定义的 种碳足迹计 算 结 果 和 应 用 情 况并 对 种 方法差异性产生的原因及如何提高计算结果的一致性进行 探 讨 等 采 用 层 次 分 析 法 对 连 接 单 元的碳足迹进行递 归 分 配 提出一种连接单元的碳足迹计算方 法 等 提 出 采 用 零 部 件 温 室 气 体 排放当量的估算模 型 进 行 产 品 低 碳 设 计 并 开 发 相 应的电子产 品 生 命 周 期 低 碳 设 计 系 统 等 提出一种应用全球变暖和经济性 个指标进行低碳设计评估改进的方 法 并与生命周期成本方法进行集成曹 华 军 等 在 对 机 床 构 成 及 其 生 命 周 期 特 点 进行分析的基础上 提出一种机床生命周期碳排放评估 方 法尹 久 等 通 过 分 析 机 械 制 造 系 统 碳 流 动 态特性提出 基 于 扩 展 一 阶 混 合 网 构 建 碳 流 动态 模 型戚 赟 徽 等 从 能 量 聚 类 优 化 角 度 提 出 了 低碳产品结构组合设计方法

现有的低碳设计方法主要侧重于产品碳排放建模分析和计算涉及到产品碳排放变化与低碳设计参数变化的映射 关 系 研 究 方 面 的 文 献 较 少 仅 针 对碳排放的减少而没有考虑成本 性能等设计约束 缺乏采用有效的数学规划方法来找到关键模块单元的最佳低碳设计改 进 方 案 本文从产品结构和生命周期思想出发提出 产 品 碳 足 迹 分 析 模 型 并 采 用 敏 感性分析和优化建模方法进行关键模块单元低碳优化设计

基于产品结构的碳足迹

分析产品碳足迹是指在某个产品的特定系统边界内该产品生命周期各阶段产生的温室气体排放之和以二氧化碳当 量 表 示 以测度它们对全球变暖影响的贡献 这里系统边界为原材料及能源 获 取制造和装配运输使用和回收阶段 根 据 功 能 结 构映射关系产品族可分解为若干功能模块单元通过需求驱动各功能模块单元又可派生出功能相同而碳足迹不同的若干 模 块 单 元 实 例在确定统一的功能单位及系统边界 的 基 础 上 本文采用基于过程的清单分析方法及基于碳排放因子的计算方法得到产品系统或模块单元中每一过程的碳排放 为 了 计 算 的方便需要根据每一类产品的具体特点构建对应的输入输出清单分析模板 列出 对 产 品 碳 排 放 影 响 较大的重要过程及 其 数 据 输 入 项并规定统一的数据格式和质量要求 当产品数据不全时 可参考企业同类相似产品的已有数据项或该数据项行业平均水平进行数据补偿基于产品结构的碳足迹分析模型如图 所示图 基于产品结构的碳足迹分析模型图 中以原材料及能源获取阶段为例其中是该 阶 段 的 总 输 入 是 该 阶 段 输 出 的 碳 排 放 根据碳排放的产 生 原 因 可 分 为 材 料 消 耗 和 能量消耗 包括两部分其中 分 别 表 示 材 料 消 耗 引 起 的 直 接 碳 排放和能源消耗引起的间接碳排放单位为在 收 集 各 阶 段 的 材 料 能 源 消 耗 种 类 及 消 耗 量等碳排放活动数 据 的 基 础 上采用碳排放因子对碳排放进行间接计 算 本文将碳排放因子划分为材料生产排放因子能源生产排放因子和二氧化碳当量因子 类产品在原材料及能源获取 制造装配阶段或回收阶段的碳排放可分解为各模块单元及其组成零部件的碳排放 其直接和间接碳排放的通用计算第 期 鲍 宏等采用碳足迹分析的产品低碳优化设计公式分别为其中 分 别 表 示 产 品 在 原 材 料 及 能 源 获 取制造装配或回收 阶 段 直 接 和 间 接 碳 排 放 和分别表示第 个模块单 元 在 原 材 料 及 能 源 获 取制造装配或回收阶段消耗的第 类材料实物量第类能源 实 物 量 和 排 放 的 第 类 温 室 气 体 实 物 量和 分 别 表 示 第 类 材 料 生 产 排 放 因 子第类能源生产排放因子 和 第 类 温 室 气 体 的 二 氧化碳当量因子单位为通过收集各加工过程所加工的质量及加工单位质量零部件所消耗的能量和电力生产排放因子等清单数据可计算产品加工过程的间接碳排放并采用平均分配方式对整个生产线上的单个产品装配过程的能耗进行估算 产品运输阶段的碳排放主要取决于交通工具种类 运输距离和产品质量 各模块单元在该阶段的碳排 放 根 据 其 质 量 进 行 分 配 产 品 使 用阶段碳排放需分 析 产 品 运 行 能 耗 组 成 情 况 建 立 各模块单元的能量 因 素 集 并根据其在不同使用模式下的功率及运行时间建 立 相 应 的 能 量 函 数 通 过确定各模块单元内的产生碳排放的介质源及其消耗的实物量进行相 应 的 二 氧 化 碳 当 量 的 换 算 产 品 使用阶段碳排放计算公式为其中 分 别 表 示 产 品 在 使 用 阶 段 的 第 个 模块单元在第 种使用模 式 下 的 功 率 和 运 行 时 间表示处于关机模式 表 示 处 于 开 机 模 式表示处于待机模式 表示全国电网 平 均 电 力 生 产排放因子单位为本文方法根 据 产 品 及 模 块 单 元 的 碳 足 迹 分 析 结 果 可 以确定对产品碳足迹贡献较大的生命周期阶段及相应的需低碳设计改进的关键模块单元针 对 关 键 模 块单元分别从能量消耗与材料消耗两方面分析其碳排放产生形式并识别与提取关键低碳设计参数 基于敏感性分析方法得到关键低碳设计参数变化与碳排放变化之间的 映 射 关 系 以关键模块单元的各低碳设计参数改进引起的碳排放减少量最大为优化目标并考虑敏感性分析结果对优化目标进行量化分析在确定各参数改进范围约束的基础上构建低碳设计改进多目标 优 化 模 型 通过模型求解确定关键模块单元的各低碳设计参数改进的最优解 基 于 碳足迹分析的产品低碳优化设计与概念设计阶段和详细设计阶段相集 成 旨在设计早期提高产品低碳排放性能其过程如图 所示图 基于碳足迹分析的产品低碳优化设计过程产品低碳优化设计关键低碳设计参数的确定在 确 定 关 键 模 块 单 元 之 后就 可 以 根 据 其 碳 排放产生的形式在碳排放分析的基础上确定与材料消耗及能量消耗有关的关键低碳设计参数 关 键 低碳设计参数的确定由碳排放影响因素识别和低碳设计参数处理 个 阶 段 组 成 第一阶段是碳排放影响因素识别根据产品碳足迹分析结果得出影响材料计算机辅助设计与图形学学报 第 卷消耗及能量消耗 的 碳 排 放 影 响 因 素 集 从 中 剔 除 出不由设计过程控 制 的 碳 排 放 影 响 因 素 并 采 用 可 拓层次分析法 对其中的碳排放影响因素进行重要度评价筛选出重要度较高的关键低碳设计参数集第二阶段是低碳 设 计 参 数 处 理对关键低碳设计参数集进行定量与 定 性 分 析 其中仅与产品某一设计参数相关的低碳设计参数的变化可独立地影响碳排放会直接为低碳优化设计建模所用而与多项设计因素存在耦合关系的低碳设计参数可采用公理设计方法 进行耦合分解处理 将 其 转 换 为 可 行 的 具 体低碳设计参数及 相 应 的 量 值 范 围从而优化产品的低碳性能关键低碳设计参数的敏感性分析根 据 各 低 碳 设 计 参 数 对 碳 足 迹 影 响 类 型 的 不同可将其划分为正相关参数和负相关参数正相关参数越小则碳足迹会随之减小 负相关参数对碳足迹的影响趋势与 之 相 反 设模块单元的关键低碳设计参数 集 合 为 且 各 设 计 参数在指定范围内独立地连续变化不会影响设计可行性则各关键低碳设计参数与碳排放之间的敏感性关系即各低碳设计参数的变化如何对产品碳排放的变化产生影响 可由求偏导函数获得 模块单元的碳排放与其关键低碳设计参数之间的函数关系可表示为其中 表示模块单元的碳排放 表 示 模 块 单元的 碳 排 放 与 其 关 键 低 碳 设 计 参 数 之 间 的 函 数 表达式第个关键低碳设计参数的极小单位变化对应碳排放改变的比率 可由敏感性指标公式计算为在式 右侧变换式中代入基准模块单元参数值则正相关与负相关低碳设计参数在极小变化下所引起的基准模块单元的碳排放变化值计算公式为其中 和 分 别 为 第 个关键低碳设计参数在极小变化下引起模块单元的碳排放变化 敏感性程度和极小变化优化设计模型的建立与分析设模块单元的各关键低碳设计参数在单位变化比率为 时 对 应 的 敏 感 性 指 标 量 值 集 合 为关 键 低 碳 设 计 参 数 的 改 进 备选方案集合为 并 相应地计算其相对于基准参数值的变化比率及其单位变化倍数从而得到各关键低碳设计参数的改进备选方案的碳排放 的 变 化 值 通过对不同低碳设计参数的多个改进备选方案进行组合可计算得到关键模块单元的多个低碳设计改进方案的碳排放量化值低碳优 化 设 计 综 合 考 虑 成 本 相 关 环 保 法 律 法规参数改进范围等因素 以关键模块单元低碳设计参数改进备选方案组合的碳足迹最小为优化目标构建优化设计模型为其中 分 别 表 示 基 准 模 块 单 元 的 碳 足 迹 量 化值和低碳设计参数值 表示决策变量当选择第个低碳设计参数的第 个改进 方 案 时 否 则低碳优化设计中的主要约束条件分析如下成本约束低碳设计改 进 不 仅 需 要 考 虑 碳 足迹的减少而且其各参数改进引起的成本不能超过一定范围改进后关键模块单元的总成本应控制在企业所能承受的限值内 该约束关系可表示为其中 表示低碳设计改进后的关键模块单元成本最大限值 表 示 第 个低碳设计参数的第个备选改进方案对应的成本设计参数改进范围约 束 针 对 具 体 的 模 块 单元其低碳设计参数改进有着相应的合理变化范围该约束关系可表示为其中 表 示 关 键 模 块 单 元 的 第 个 低碳设计参数改进的最小值和最大值碳排放相关法律法规 约 束 关 键 模 块 单 元 的低碳设计改进需满足碳排放相关法律法规要求 如欧盟近年 颁 布 了 用 能 产 品 的 生 态 化 设 计 指 令并根 据 具 体 的 产 品 类 别 出 台 了 相 应 的 特定生态设计要求 对其能效干燥性能及清洗性能指数等方面进行分级限定 该约束关系可表示为其中 和 分别为基准产品的能量消耗第 期 鲍 宏等采用碳足迹分析的产品低碳优化设计量化值产品能 耗 限 定 值 和 关 键 模 块 单 元 的 第 个低碳设计参 数 的 第 个改进方案对应的能耗变化值 表示 法规中限定的产品能效指数值改进方案选择性约束 每个低碳设计参数的备选方案中必须而且最多选择一个改进方案优化设计模型的求解上述 模 型 属 于 多 约 束 优 化 问 题 遗 传 算 法是一种 基 于 生 物 进 化 思 想的全局寻优算法 处理这 类 问 题 具 有 较 强 的 求 解能力其缺点是易于收敛于局部最优和收敛速度较慢 回溯算 法 通 过 对 问 题 的系统搜索得到问题的所有正确解根据约束条件本文采用 算法 进 行 过 滤 计 算 找 到 可 行 解 集 然 后在可行解集内采用 求解多约束优化目标问题的最优解可提高求解的收敛性和高效性算法主要包括 个步骤对低碳优化设计约束进行描述与分析 确 定 约 束的类型及其作用的对象将所有低碳设计参数改进备选方案与相关设计约束进行约束过滤计算获得可用改进方案备选集约 束 过滤计算模块如下＿为约束条件的个数为关键低碳设计参数的个 数为各低碳设计参数改进备选方案的个数不 满 足 约 束从 中 移 出染色体编码 是 采 用 求 解 问 题 的 关 键 要 素将染色体长 度 设 为 低 碳 设 计 参 数 的 个 数 各 低 碳设计参数改进 备 选 方 案 的 个 数 为 各 低 碳 设 计 参数备选方 案 的 基 因 值 为 中产生的随机自然数适应度函数的构建不仅需要考虑碳足迹目标优化函数还需使用罚函数对相关约束条件进行处理罚函数旨在目标 函 数 中 增 加 约 束 违 背 函 数 将 约 束优化问题转化为无约束优化问题进行求解 适 应 度函数其中 分别为第 个染色体和罚函数在 中交叉和变异运算用于新一代种群的生成每个染色体具有相应的选中概率 适 应 度 越高的染色体具有更高的选中概率设解生成的种群大小为 则选中的概率本文算法的具体求解流程如图 所示图 低碳优化设计模型的算法求解流程图实例分析下面以洗碗机为产品实例来说明基于碳足迹分析的产品低碳优化设计过程 通过功能结构映射 洗碗机产品可分解为洗涤模块 结构模块动力模块和预处理模块 个部分其三维模型如图 所示该款洗碗机为独立型 套 容 量整 机 质 量 为 标 准循环时间为 各模块单元主要零部件及材料清单如表 所示其中编号对应于图 中的零部件编号 和 为非金属塑料计算机辅助设计与图形学学报 第 卷图 洗碗机的三维模型图 部 分 零 件 简 化表 洗碗机各模块单元主要零部件及材料清单编 号 名 称 材 料 数 量 质 量洗 涤 模 块结 构 模 块动 力 模 块预 处 理 模 块上 下 碗 篮 铁配 水 器 组 件外 水 管筷 叉 篮 组 件上 下 喷 臂内 胆 不 锈 钢左 右 侧 板 铁顶 板下 前 横 档 铁脚 踢 板加 强 筋 冷 轧 钢 板内 门 铁外 门 铁杯 组 件电 机 泵 组 件 铁可 调 软 水 器 铁 铜呼 吸 器基于产品结构的碳足迹分析构建洗碗机碳足迹清单分析模板如表 所 示由于装配关键零部件的生产等工 艺均在同一生产线不同型号 产 品 的 工 艺 能 耗 相 差 在 以 内故认为各型号产品 的 生 产 能 耗 相 同电能供应设定为华东电网利用相关数据库中碳排放因子数据并采用式 进行产品及各模块单元碳足迹评估分析结果如图 所 示分析过程可通过相应的软件工 具 来 辅 助 实 现 图 所示为基于浏览器服 务 器模式开发的洗碗机碳足迹评估系统为了验证本文方法的有效 性 采用生命周期评价系统对碳足迹进行核算如图 所示表 洗碗机碳足迹清单分析模板简 化生 命 周 期 阶 段 数 据 项 量 值制 造 装 配 阶 段钣 金 件 加 工装 配 过 程电 耗使 用 阶 段标准工作循环电耗待 机关 机 电 耗设 计 使 用 寿 命年每 天 洗 涤 时 间回 收 处 理 阶 段 回 收 总 电 耗第 期 鲍 宏等采用碳足迹分析的产品低碳优化设计图 中应用本文方法计算得到的洗碗机碳足迹量值为 而图 中生命周期评价系统计 算 得 到 的 碳 足 迹 量 值 为 这种方法的计算结果存在的差异较小属 于 合 理 的误差范围之内根据图 的计算结果洗碗机在使用阶段 的 碳 排 放 最 高 其 量 值 为 占产品碳足迹总量的比例 为 是 需 要 重 点 关 注的 生 命 周 期 阶 段 该阶段的碳排放贡献比率以动力 模 块 和 洗 涤 模 块 最 多 对 该 阶 段 的 贡 献 比 率 合计 约 为关键低碳设计参数的确定及敏感性分析根 据 碳 足 迹 分 析 结 果 本 文 将 动 力 模 块 和 洗 涤模块作为需要进行低碳设计改进的关键模块单元分析关键模块单元的碳排放产生原因及组成 建 立相应的碳排放影 响 因 素 集 分析碳排放与各低碳设计参数之间的函数关系采 用 第 节 方 法 提 取 出能为设计过程所控制的对碳排放影响较大的关键低碳设计参数如表 所示表 洗碗机关键低碳设计参数的提取关键模块单元 碳排放组成 碳排放影响因素集 关键低碳设计参数动力模块电 机 泵洗涤泵电耗引起的碳排放 排 水泵电耗引起的碳排放电 机 性 能 参 数 运 行 时 间匝比 系 数 铁 心 厚 度 副 绕 组线 径 运 行 时 间洗涤模块内 胆水加热耗能引起的碳排放 与 内外部环境热交换引起的碳排放电热管性能参数 热 传 导 相 关 影响 因 素传 热 面 积 传 热 层 厚 度 内胆材料的传热系数喷 臂 喷射水流耗能引起的碳排放 水流平均速度 喷 嘴 因 素 喷 嘴 个 数根据各低碳设计参数与其对应的模块单元碳排放之间的函数关系式 采 用 式 对 各 关 键 低碳设计参数进行 敏 感 性 指 标 计 算以该款洗碗机为基准产品并代入 各 低 碳 设 计 参 数 输 入 值 得 到 各 关键低碳设计参数在单位变换下与使用阶段碳排放之间的敏感程度结果如表 所示表 各关键低碳设计参数与使用阶段碳排放之间的敏感程度编 号 参 数 参 数 类 型正 相 关正 相 关正 相 关负 相 关正 相 关负 相 关正 相 关负 相 关低碳优化设计建模与求解该 款 洗 碗 机 低 碳 优 化 设 计 要 求 如 下 满 足 能 效指数洗涤性能指数和干燥性能指数等生态设计要求在将成本控制在企业所能承担的范围的前提下降低洗碗机产品 生 命 周 期 碳 排 放洗碗机的低碳优化设计要求和关键技术参数分别如表 所示设关键低碳设计参数集 合 为第个 低 碳 设 计 参 数表 洗碗机低碳优化设计要求编 号 设 计 要 求 数 值 范 围能 效 指 数水 耗 要 求 循 环洗 涤 性 能 指 数干 燥 性 能 指 数回 收 率 要 求改 进 成 本 元表 洗碗机关键技术参数及其取值范围编 号 关 键 技 术 参 数 取 值 范 围容 量 套的改进备选方案集合为对企业现有技术改进选择项分析采用约束过滤计算模块得到关键模块单元的低碳设计参数改进备选可行方案如表 所示按式 建立低碳优化设计计算机辅助设计与图形学学报 第 卷模型根据表 中生态设计要求建立相关设计约束采用 工具箱 求 解得 到 一 组 最 优 解该 款 洗 碗机关键模块单元低碳优化设计方案如表 所示表 洗碗机关键模块单元的低碳设计改进备选可行方案方 案表 洗碗机关键模块单元低碳优化设计方案设 计 参 数 优 化目 标分析与对比洗 碗 机 产 品 优 化 设 计 前 后 的 方 案 对 比 结 果 如表 所示其中差异表示从原方案到优化设计方案的变化百分比与原方案相比优化设计方案的能效指数水耗及洗涤性能指数均有不同程度的改善且干燥性能及回收率的降低均控制在设计要求范围内产品使用阶段碳排放由初始的减少到 达到了在不影响产品性能的前提下减小产品碳足迹的目的表 洗碗机关键技术参数及其取值范围参 数 原 方 案 优 化 设 计 方 案 差 异使用阶段碳排放能 效 指 数水 耗洗 涤 性 能 指 数干 燥 性 能 指 数回 收 率 要 求

结 语

本 文 在 基 于 产 品 结 构 的 碳 足 迹 分 析 基 础 上 将低碳优化设计方 法 与 传 统 设 计 过 程 相 结 合 利 用 敏感性分析结果对关键模块单元的低碳优化设计目标及约束建模并采用 和 进 行 求 解最 后 以 洗碗机为例运用本文方法对其低碳优化设计结果表明该方法为洗碗机低碳设计优化设计提供了有效的支持为了提高本文方法的应用效率 开发实用化的低碳优化设计辅助软件以及与碳足迹评价基础数据库的集成是我们后续研究工作的重点

    参考文献曹 华 军 李 洪 丞 宋 胜 利 等 基于生命周期评价的机床生命 周 期 碳 排 放 评 估 方 法 及 应 用 计算机集成制造系统尹 久曹 华 军 杜 彦 斌 基于扩展一阶混合 网 的 机械制造系统碳流动态建模方法 机 械 工 程 学 报戚 赟 徽 王 淑 旺 刘 光 复 等 面向能量优化的产品结构要素组合设计研究 机 械 工 程 学 报第 期 鲍 宏等采用碳足迹分析的产品低碳优化设计龚 勋冯 毅 雄 谭 建 荣 等 基于全生命周期的质量驱动产品模型构建方法 计算机辅助设计与图形学学报周 明 孙 树 栋 遗传算法原理及应用 北 京 国 防 工业 出 版 社邢 彦 锋 来 新 民 金 隼等 改进遗传算法在装配操作优化 中 的 应 用 计算机辅助设计与图形学学报计算机辅助设计与图形学学报 第 卷