材料生态设计课件.ppt

1、第三章 材料的生态设计Ecodesign of Materials,生态概念和可持续发展 生态设计的概念 材料流理论、资源效率及其综合利用 生态设计的原则、战略、内容及方法,一种设计,什么是生态？,生态（Eco-）一词源于古希腊字，意思是指“家”(house)或者我们的环境。简单的说，生态就是指一切生物的生存状态，以及它们之间和它们与环境之间环环相扣的关系。,生态的产生最早也是从研究生物个体而开始的，“生态”一词涉及的范畴也越来越广，人们常常用“生态”来定义许多美好的事物，如健康的、美的、和谐的等事物均可冠以“生态”修饰。,1866年德国动物学家赫克尔(Ernst Heinrich Haeck

2、el)初次把生态学定义为“研究动物与其有机及无机环境之间相互关系的科学”，特别是动物与其他生物之间的有益和有害关系。,1989年美国通用公司的研究部副总裁Robert Frosch和负责发动机研究的Nicolas Gallopoulos在科学美国人杂志上发表题为可持续工业发展战略的文章正式提出了工业生态学的概念。,工业生态学把整个工业系统作为一个生态系统来看待，认为工业系统中的物质、能源和信息的流动与储存不是孤立的简单叠加关系，而是可以像在自然生态系统中那样循环运行，它们之间相互依赖、相互作用、相互影响，形成复杂的、相互连接的网络系统。工业生态学的目标是通过分析自然界的生物循环系统，将生物圈的

3、循环原理用于工业过程，把现有的工业体系通过工业生态学的途径，转化为可持续发展的体系，最终实现人类社会的可持续发展。,3.1 可持续发展原理,面对资源、能源的加速消耗和生态环境的持续破坏，在新世纪人类的生存和发展遭到前所未有的严重威胁和挑战，迫使人们进行反思，调整高消耗、高污染的粗放型发展模式，代之以人与自然和谐的可持续发展模式。,可持续发展(Sustainable Development)是八十年代提出的一个新概念。年世界环境与发展委员会在我们共同的未来报告中第一次阐述了可持续发展的概念，得到了国际社会的广泛共识.,“既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要能力构成危害的发展”。江泽民同志指

4、出：“决不能吃祖宗饭，断子孙路”。,可持续发展的核心是发展，但要求在严格控制人口、提高人口素质和保护环境、资源永续利用的前提下进行经济和社会的发展。,现代设计:,通过技术设计、成本设计和生态设计，把性能、利润和环境等目标融为一体，实现经济活动的可持续发展，最终实现人类社会的可持续发展。,影响材料的可持续发展有许多因素，主要有材料的环境影响评价，投入的资源和能源利用效率、工艺过程的环境负担性以及产品的环境设计等。,山本良一：设计+LCA,生态设计,设计：先进性环境协调性经济性舒适性,LCA：环境负荷,生态设计的目标就是在材料和产品的设计阶段就考虑到降低生命周期中的每个过程的综合环境负荷。设计者根

5、据产品的特性，通过LCA预测其环境负荷并力求实现最小的环境负荷。可见，LCA的方法为产品的生态设计提供了有用的工具，产品的生态设计也是LCA思想原则的具体实践。,3.2 生态设计的概念,对材料产品而言，先进性是要充分发挥材料的优异性能，满足各行各业对材料产品的要求；经济性即考虑材料产品的成本，能够保证制造商的利润，维持经济活动的运转；协调性就是要保证在材料的生产和使用过程中与环境尽可能协调，维持生物圈循环过程的平衡；舒适性是指材料产品能够提高生活质量，使人类生活环境更加舒适。,生态设计是在产品的生命周期内，着重考虑产品的环境性能，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、质量和使用寿命等的

6、设计。广义上讲，生态设计是指任何与生态过程相协调，尽量使其对环境的破坏影响达到最小的设计形式。这种协调意味着设计尊重生物多样性，减少对资源的剥夺，保持营养和水循环，维持植物生境和动物栖息地的质量，以有帮助改善人居环境及生态系统的健康。不仅涉及产品，还包括原材料、生产过程、产业系统、景观和建筑等。,生态设计的定义：,生态设计是面向产品的整个生命周期，是“从摇篮到再生”的系统设计，是从根本上防止环境污染、节约资源和能源的一种重要的系统过程。生态设计的关键在于如何把环境意识贯穿或渗透于产品和生产工艺的设计之中。设计师必须考虑到产品在其生命周期中的全部环境属性，而这种考虑或许是决定产品成败的关键。,一

7、是社会经济体制的重构或新的社会经济制度的建立，如施行循环再生、生态税制改革，即实行资源消费税，扩大生产者责任及实行排污市场管理等。其次，基于市场机制的环境标识所导致的绿色采购，推行绿色金融如绿色公债，或绿色储蓄等，都会有助于推动产业向可持续发展的生产方向迈进。相关者协作：生态设计是基于产品生命周期链的设计方法，在设计过程中，需要各利益相关者共同参与及协作，这些利益相关者包括：生产者、供应商、消费者、废弃物管理者、资源回收者及政策制订者。,生态设计的驱动力：,扩大了产品的寿命周期（从摇篮到重生）生态设计是并行闭环设计 传统设计（串行开环设计过程）：市场分析 产品设计 生产制造 销售 使用 产品废

8、弃生态设计有利于保护环境，维护生态系统平衡生态设计可以防止地球上矿物资源枯竭生态设计的结果是减少了废弃物数量及其处理的棘手问题（将废弃物的产生消灭在萌芽状态）,生态设计的特点：,产品生产者,产品消费者,废弃物回收、处理,闭路循环,从摇篮到坟墓（传统的产品生命周期）,在一般意义上，资源是指人类可以直接从自然界获得并用于生产和生活的物质。资源是自然环境的重要组成部分，通常又称为自然资源。自然资源通常可以分为三大类，第一类称为取之不尽的资源，如空气、风、太阳能等；第二类称为可再生的资源，如生物体、水、森林、草地、海洋、土壤等；第三类称为非再生资源，如矿物、化石燃料等。无论是矿产能源还是矿产资源，都是

9、材料生产和加工的源头，与环境材料具有密不可分的关系。从生态环境的角度讨论资源短缺，主要指非再生资源的储量、供应与人类需求的矛盾。,3.3.1 材料生产的资源效率,3.3 材料流理论、材料生产的资源效率和综合利用,广义上说，资源效率指在某一生产过程中所产出的有用产品占所投入原料总量的百分比。在材料的生态设计中，资源效率是必须考虑的一个方面。,生产 1t 纯金属材料所消耗的资源及资源效率,资源效率:,就材料的生产和使用而言，资源消耗是源头，环境污染是末尾。材料生产过程的资源效率越低，最终造成的环境污染越重。,3.3.2 材料流理论分析材料的资源效率，最有效的工具就是材料流分析方法。材料流（Mate

10、rials flow），又称物质流(Mass flow)，也称材料链(substance chain)。材料流理论是指用数学物理方法对在工业生产过程中按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量的一种定量分析的理论。主要用于研究、评价工业生产过程中所投入的原材料的资源效率，找出提高资源效率的途径。,（1）4倍因子理论（Factor 4）是德国 WUPPERTAL 气候、能源和环境研究所所长von Weizsaecker 教授于 90 年代初首先提出来的。按 1995 年的数据，占全世界总人口 20%的富人，每年消耗全世界 82.7%的能源和资源；而 80%的其他各阶层人士，每年消耗的能源和

11、资源仅占世界总消耗量的17.3%。为了既保持已有的高质量的生活，又努力消除贫富之间的差异，von Weizsaecker 计算得出，若能通过采取技术措施，将现有的资源和能源效率提高 4 倍，才有可能达到上述的目标。这就是4倍因子理论提出的依据。,几种代表性理论：,17.30%,人类只有一个地球，资源不能无限制提供，环境污染必须治理。,F-4含义：在经济活动和生产过程中，通过采取各种技术措施，将能源消耗、资源消耗降低一半，同时将生产效率提高一倍，将现有的资源和能源效率提高4倍.,R资源效率P产品产出量I原材料,能源投入量,从资源效率角度减少了原材料消耗、增加产品的有效产出；从环境保护角度减少了污

12、染物的排放，治标又治本。所以，提高资源效率是实现社会、经济可持续发展的根本性措施。Weizsaecker 教授的专著 4 倍因子：半份消耗，倍数产出 出版后仅几个月，该书即被列为最佳畅销书。,（2）10倍因子 理论（Factor 10）由前德国 WUPPERTAL 气候、能源和环境研究所副所长 Schmidt-Bleek 教授于 1994 年率先提出的。与 4 倍因子理论类似，10 倍因子理论的核心思想是：我们必须继续减小全球的材料流量，在一代人之内将资源效率提高 10 倍，才能使发达国家保持现有的生活质量，逐步缩小国与国之间的贫富差距，且可以让子孙后代能够在这个星球上继续生存。他认为，到 2

13、050 年，地球上的人口将在现有的基数上增加 1 倍，即 P 等于 2；同时，世界各国的国内生产总值届时将增长 3 6 倍，取平均值为 5；2 乘以 5 等于 10，由此，对环境的影响将增加 10 倍。为了保持现有的生态环境水平，我们必须通过提高资源效率来平衡和补偿对环境的破坏。因此，必须将资源效率和能源效率提高 10 倍，才有可能真正实现社会、经济的可持续发展。,为了实现提高资源效率 10 倍的目 标，Schmidt-Bleek 教授于 1994 年在法国创建了国际 F-10 俱乐部，旨在推行 10 倍因子理论和实践。Schmidt-Bleek 教授于 1994 年还出版了一本书，名为人类需

14、要多大的世界。在这本书中，他提出 了 MIPS（materials input per service）的概念，即单位服务的材料消耗，为材料流理论提出了一个具体的评价指标，由此来定量计算资源效率。,针对投入和产出的效率问题，极值理论指出：对一定的原材料投入，有效产品的产出率越高，废弃物产生量就越小。从环境保护的角度看，就是要求最大的产出率和最小的废物排放率。式中：I 物质总投入量；P 有用产品产出量；W 废物产出量。定义 R=P/I O=W/I 式中：R 资源效率，即有用产品产出量除以物质总投入量；O 废物产出率，即废物产出量除以物质总投入量。,（3）极值理论,通过材料流分析，了解物质和能源的

15、走向，对最初和最终的物质总量进行极值分析，可使该经济活动的资源效率、环境污染状况一目了然。因此，极值理论将资源和环境之间的关系进一步简单化、定量化。而在应用极值理论时，对过程的材料流分析显得必不可少。,获得最小废物产出率,获得最大资源效率,显然，在追求资源效率的过程中，材料流理论提供了定量分 析的工具。,1991 年德国全国材料流分析示意图（单位：亿吨）,1991 年德国的材料流总量为 57.54 亿 t。其中不包括水量的取用，但在材料输出中，仅挥发进入大气的水蒸气即达 6.47 亿 t。另外，1991 年德国从大气中取用的材料量低于向大气中排放的材料量，且取用的是无污染物，而排放的主要是污染

16、物。再有，从材料流分析的数据可见，德国每年产生的固态废弃物的数量也是惊人的。,3.3.3 资源的综合利用:,关于资源的有效利用，从技术方面来考虑，主要包括以下几个方面：首先是节约自然资源，提高单位资源利用的效率。其次是发展替代资源，包括生产中的替代和消费中的替代，需能保证产品的用途和质量等不受影响。第三是延长产品的生命周期，使用寿命的延长，意味着同种产品的原材料消耗降低，产生的废物减少。,一次资源的综合利用将某一生产过程中排出的废弃物直接作为下一生产过程的原料而加以利用称为一次资源的综合利用。从材料与环境的角度看，我国目前的一次资源综合利用主要集中在 3 个方面，即矿业废弃物的综合利用、冶金废弃物的综合利用和化工废弃物的综合利用。,矿业废弃物综合利用的典型示例,二次资源的综合利用所谓二次资源综合利用是指将某种废物经过加工处理使其重新变为资源的过程，也称为废弃资源的再生利用。通过二次资源的综合利用，使物质的生产真正实现生产、消费、废物排放、加工处理、再回到生产的完全循环过程。与一次资源综合利用不同的是，二次资源利用是将已排放进入环境成为污染物的物质进行加工、处理，使之再次成为原料，其意义