电器电子产品生态设计的重要领域探讨

李　芸　张明顺　田　欢

(北京建筑大学环境与能源工程学院/北京应对气候变化研究和人才培养基地/北京电子废物资源化国际科技合作基地，北京　100044)



电器电子产品生态设计的重要领域探讨

李芸张明顺田欢

(北京建筑大学环境与能源工程学院/北京应对气候变化研究和人才培养基地/北京电子废物资源化国际科技合作基地，北京100044)

【摘要】本文采用定性分析法和文献研究法，分析了电器电子产品生态设计的内涵，并着重分析与讨论了电器电子产品生态设计的三大重要领域：能源效率、材料效率和减少有毒有害物质。研究表明，电器电子产品生态设计将成为解决电子行业和电子废物管理难题的重要途径，而资源效率和减少有毒有害物质的使用需要引起我们的重点关注。

【关键词】电器电子产品；生态设计；产品生态设计

我国工业化、城市化进程加快，“大量生产、大量消费、大量废弃”时代已经到来。从2005年起中国已经进入家电更新换代的高峰期。统计数据显示，2007年“四机一脑”保有量已达到14.92亿台，仅2009年销售量达到1.75亿台。大量消费必将导致大量废弃，根据中国家用电器协会推算：按电器产品的正常使用10～15年寿命期计算，全国仅“四机一脑”5种电器的报废量已超过1.5亿台，加上其他类型的废弃电器电子产品数量很庞大。因此，“电子垃圾”的规范化回收、资源化、无害化处理迫在眉睫，要想真正解决电子废物管理的难题，电器电子产品的生态设计将是非常重要的解决途径。电器电子产品的生态设计将为电子产品行业和固体废物领域带来革命性的变化，新的电子产品、废物管理的最优框架将形成[1]。

当今，生态设计已经成为设计活动的一个普遍要求。无一例外，电器电子产品的生态设计也要求低能耗，为了与发展循环经济的新政策保持一致，也要重视低(初级)材料消耗。现在，资源效率是欧洲经济和环境议程的主要议题。资源效率包括两大方面：能源效率和材料效率。能源效率是指在产品全生命周期内的能源消耗效率，以注重产品的能效指标为分析依据，采用科学合理的试验方法，综合评价产品的能效指标，其目的是提高能源利用效率，从而减少温室气体的排放；材料利用效率是指产品在全生命周期内的耗材效率，如产品的设计阶段、生产阶段、运输阶段的耗材，以注重材料的使用效率为分析依据，要求在保证产品的功能性、安全性、耐用性的基础上，将减少材料消耗的理念融入产品设计之中，减少过度的材料浪费[2]。生态设计的核心理念就是降低环境影响，所以与其密切相关的领域无疑包括避免采用有毒有害物质。

因此，电器电子产品生态设计中能显著降低对环境影响的三大领域是：能源效率、材料利用效率和避免采用有毒物质。

1电器电子产品的生态设计概念

电器电子产品生态设计是指在可持续发展的大环境下，按照全生命周期的理念，在电器电子产品的设计意识、设计定位及设计方法等问题上将生态意识、环境因素融入到整个设计理念中，即在电器电子产品生命周期内(设计、制造、运输、销售、使用或消费、废弃处理)，优先考虑产品的资源环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等)，通过改进设计将电子产品的环境影响降至最低，力求最大限度降低资源消耗、尽可能少用或不用含有毒有害物质的原材料，减少污染物的产生和排放，从而实现环境保护的活动，并切实考虑到环境、人类健康和安全，最终引导产生一个更具有可持续性的生产和消费系统[2，4]。生态设计是改变“先污染后治理”的发展方式、实现污染防治的重要措施，是落实生产者责任延伸制度的要求。

2电器电子产品生态设计与传统产品设计的对比

电器电子产品生态设计与传统的产品设计存在很大的不同。电器电子产品生态设计不仅仅注重产品的性能、质量、市场要求、成本、安全要求，更加强调产品对环境的影响、对人体健康的影响以及产品本体、组件、材料与能源的多级循环利用，实现闭合循环的供应链系统[5]，发展循环经济体系。两者之间的区别见表1。

表1电器电子产品生态设计与传统产品设计的比较[6，7，8]

3电器电子产品生态设计的重要领域

3.1能源效率

中国是全球最大的电器电子产品生产和消费国之一，每年制造、使用电器电子产品要消耗大量的能源与材料，同时其拥有量的迅速增长也加重了对环境的污染。因此，我国电器电子产品行业面临的严峻问题是如何降低能源、(初级)材料的消耗，如何降低对环境的污染。世界各国都通过制定和实施能效标准、推广能效标识制度来提高耗能产品的能源效率，促进节能技术进步，减少有害物质的排放，进而保护环境。例如，欧盟2010年6月18日出台了新能源标识框架指令，欧盟的能源标识体系进行了重大调整，新能源标识在原A～G等级基础上增加了A+、A++、A+++三个更高等级，同时与指令配合推出了强制性能源标识制度，共同致力于降低电子产品的能耗；日本由于资源匮乏，石油、天然气等一次能源几乎完全依靠进口，所以日本高度重视电子产业的节能、高效、高附加值，大力开发节能技术、产品，积极推行节能措施，开展了“领跑者”计划、强制性的电器零售商节能标签计划、自愿性节能标签计划、生态标志计划、“能源之星”等节能计划；中国于2005年开始实施《能源效率标识管理办法》，并要求生产、销售、进口的所有家用电冰箱和空调都要贴“中国能效标识”，而且最新强制性能效标识产品目录中包含十种家用电器。所以，能效是当前生态设计中非常重要的领域。

在电器电子产品生态设计的过程中，关于能源效率必须考虑电器电子产品类型、使用者感知等两个方面。

电器电子产品在材料的选取与生产、分配和使用阶段的能耗与碳足迹所占比重，主要取决于电器电子产品的类型(图1)。如图所示，高效节能电器电子产品的开发，其间接生产和使用阶段的能耗与产品生命周期的直接使用阶段能耗之间存在此消彼长的关系。一般高效节能产品在直接使用阶段的能耗低，那么其在材料选取和生产阶段的间接生产能耗和间接使用能耗比重就高，反之亦然。对某些电子产品来说，如热水器或照明产品在使用阶段的总能耗占产品总能耗(产品直接能耗和间接能耗相加)的90%[10]，在间接生产和间接使用阶段的能耗只占10%；对于液晶电视，其直接使用阶段能耗和材料选取与间接生产阶段的能耗比为50%/50%；小型电子设备，如电动钻、手机或数码相机在生产阶段的能耗占主导地位。电子产品的环境生命周期影响是趋于“使用型主导”还是趋于“材料与生产型主导”主要取决于制造过程中使用的大量材料、电子元件的比例、功率需量、使用频率、产品寿命等五个因素。因此，对电器电子产品进行生态设计时要充分考虑其能耗与产品类型，再判断如何设计才能使其能耗与碳足迹降至最低[11]。

与能源效率相关的另一重要因素是使用者感知。消费者对“实用”产品、“娱乐”产品和“动力”产品的能源使用认知不同。消费者愿意支付“实用”产品(电冰箱、洗衣机)的能源消耗，但对于“娱乐”产品群(电视、音响等)，其通常与低质量相关，消费者不能接受预付其能源消耗。“动力”产品(吸尘器、电动工具等)的性能一般认为与能源消耗有关，且功率越大代表性能越好。当前市场需求、法律法规迫使生产商对重新产品进行生态设计与投资，通过技术改造实现较低的直接能源消耗，这对于消费者来说有很大益处(如平板液晶电视)。然而，激烈的市场竞争导致生产商几乎无法收回其前期的设计和投资成本。有时较低的直接能耗甚至会成为一个突破口迫使同类具有较高直接能耗的产品退出市场，如中小型等离子平板电视。因此，电器电子产品生态设计要考虑使用者感知，只有消费者容易接受且愿意购买的产品才能实现其的环境和生态价值。

图1　耗能产品在各个阶段的能耗与碳足迹[12]

3.2材料效率[13]

材料本身特性对提高材料利用效率和降低材料的环境影响来说最重要。因此，材料应用分析(材料类型、重量)是环境基准的重要组成部分。所使用材料(金属、塑料、木材或者玻璃)类型与其表面光洁度对产品的所有“非物理”功能具有显著影响。从这个角度来看，情感因素占主导地位。一般而言，消费者认为金属比塑料拥有更好的“质量”，而木材给人更“自然”、更环保的感觉。材料的回收再利用同样也存在类似问题。一方面，消费者认为木材和塑料的质量不高；另一方面，也代表更“良好的环境”，有利于回收再利用且有助于进一步降低产品价格。材料应用分析作为环境基准必不可少的一部分，是电器电子产品生态设计的重要一步，有利于从源头上降低产品的环境影响。环境基准也显示了所谓的“实用设计带宽”，即为了实现产品的一定功能，实际使用的材料组合种类的多少。通常塑料对环境的影响低于金属。因此，从材料应用角度出发，塑料是环境更友好的材料选择(在能够满足产品物理功能的前提下)。但是，如果综合考虑回收再利用阶段、应用阶段，从回收角度出发，金属比塑料更有利。然而，从环境角度来看，再生塑料更有利于降低环境影响，提高材料的利用效率，实现进行电器电子产品生态设计的目的。

3.3减少有毒有害物质

许多电器电子设备中存在有毒有害物质。材料和组件中的大多数潜在有毒物质都具有特定的物理和化学功能。例如，材料中使用阻燃剂，可以满足社会安全生产和生活的需要，预防火灾发生，确保安全；焊料中的电接头中增加塑料添加剂以提高这些材料和铬、锌层的性能，防腐蚀。虽然这些物质在环保问题上“非议”多端，但在实现某些特定功能方面却必不可少；最典型的例子就是电容器中的电解质[14]。电器电子产品中含有的某些化学物质，若在回收处理过程中处理不当，可能导致一系列环境问题或影响人类健康的问题。只要电器电子产品不能完全循环回收再利用，就需要重视产品中化学物质的种类与含量。当电子废物出口到我国在回收处理电子废物的过程中，可能会释放有毒物质或副产物释放。这就意味着在回收处理时，回收工人会暴露在电器电子产品所含有的有毒化学品中。燃烧废料时，其所含的危险化学品，如塑料中的聚氯乙烯(PVC)和溴化阻燃剂(BFR)会释放出具有剧毒性的二恶英。作为阻燃剂的还有三氧化二锑，是人类公认的致癌物质；在回收处理电子废物的过程中，工人长期暴露于含高浓度灰尘或烟雾的工作场所，会导致严重的皮肤问题或其他健康问题。电子废物中含有的铍和铍化合物，也是公认的人类致癌物，在处理和回收过程中会释放粉尘或烟雾，长期暴露于这些化学物质中，可能会导致铍过敏，严重的可能引起慢性铍病[15]。

随着科学技术的发展，已经找到电器电子产品中某些潜在有毒物质的替代物。例如，实践中应用的无铅焊料和技术；具有阻燃功能的溴和氯的替代品；可充电电池中镉的替代物；塑料染色着色剂的替代物等。所以研发有毒有害物质的替代物，是设计师的一项重要任务。在某些情况下，如果没有找到有毒有害物质的替代品，设计师唯一能做的就是把该物质的使用量限制在其物理或化学功能所要求的最小范围内。

对于设计师来说，在很多情况下，对于是否减少有毒有害物质的决策并不明确。在这种情况下，以下方案(表2)将发挥作用：

表2　对化学物质取舍所采用的设计决策检查表[16]

4结论

迄今，生态设计政策的焦点是能源效率。而对材料利用效率的关注度不够，仍处于起步阶段。减少有毒有害物质的使用也是新兴的领域，应继续加强研究与实践。

电器电子产品生态设计要想获得最好的成果，必须整体统筹产品所有领域的环境影响。此外，还要预评估每个领域与各个环节能够减少环境影响的机会。在能源效率方面，已经开发出许多节能高效措施，且技术开发仍将继续。在材料效率方面，可以预见到很多新的发展机遇。目前，生态设计师面临的挑战是开发新型生物基替代品。在某些情况下，很难避免使用有毒有害物质，若不可能避免或减少有毒有害物质的使用，循环回收设计就变得愈发重要。总之，能源效率、材料效率和减少有毒有害物质将是电器电子产品生态设计非常重要的三大领域[7-23]。

解决方案与建议：①产品中不使用有毒有害原材料，尽可能选择可循环、相容性好、可被生物降解的物质与材料；②在产品设计和运输阶段，将能源和资源消耗最小化，提高能源与资源利用率；③使用模块化设计、采用卡扣连接结构，减少螺钉使用量；使用高质量原材料以减小产品重量与体积；④在产品使用阶段，提高能效，使资源消耗最小化，确保使用阶段污染排放最小；⑤降低产品返修率，提高产品的可维修性、可翻新性、可循环再利用性等；⑥延长产品的使用寿命，增加结构强度，结构应易于产品的维修与保养；⑦发现新材料、新技术，选择节约材料、能源、资源的制造工艺技术；降低制造过程中“三废”排放、降低噪声；利用制造过程中产生的多余能量；⑧在产品设计阶段，充分考虑设备升级、设备返修和设备回收等；材料结构单一化，避免一次性使用的产品设计，采用易于零件替换的结构；⑨在产品废弃与回收利用阶段，将材料分类回收、返修，便于用户进行资源分类与回收；建立完善的回收系统，促使资源回收及循环再生；⑩尽可能减少使用连接材料，易于拆解与处理。

参考文献：

[1](荷)史提文斯，李金惠，曾现来等著.电子产品的生态设计与管理.中国环境科学出版社.2011，402.

[2]杨建新.产品生态设计的理论与方法[J].环境科学进展，1999，01：67-72.

[3]http：//policy.mofcom.gov.cn/export/zl_st/c2.action

[4]王庆斌.产品生态设计的理念与方法[J].郑州轻工业学院学报(社会科学版)，2005，06：69-71.

[5]Guide，V.andWassenhove，L.van.TheEvolutionofClosed-LoopSupplyChainResearch.SocialInnovationCentre.2008，P.5

[6]周仲凡，王吉，陈文明.生命周期设计用于产品环境要求设计初探[J].环境科学研究，1999，03：4-8

[7]吴伟锋.家用电器生态设计研究[D].江南大学，2008，p5-6.

[8]李芸，张明顺.基于LCA的电器电子产品生态设计策略研究[J].环境与可持续发展，2016，v.41；No.67501：90-94.

[9]Prof.Dr.Ir.A.L.N.(‘Ab’)Stevels.AdventuresinEcoDesignofElectronicProducts-1993-2007.2007，p23.

[10]王庆斌.产品生态设计的理念与方法[J].郑州轻工业学院学报(社会科学版)，2005，06：69-71.

[11]Wrap；Environmentalassessmentofconsumerelectronicproducts，Dec.2009，p.7.

[12]VHK，basedonMEErP/EcoReportforindividualproducts.Notethatthelastfourproductswereaddedforcomparison，basedonEcoInventdata

[13]Prof.Dr.Ir.A.L.N.(‘Ab’)Stevels.AdventuresinEco-DesignofElectronicProducts-1993-2007.2007，p47-49.

[14]Prof.Dr.Ir.A.L.N.(‘Ab’)Stevels.AdventuresinEcoDesignofElectronicProducts-1993-2007.2007，p86.

[15]Greenpeace.GreenGadgets：Designingthefuture.Sep2014.P13.

[16]Prof.Dr.Ir.A.L.N.(‘Ab’)Stevels.AdventuresinEcoDesignofElectronicProducts-1993-2007.2007，p88.

[17]中国环境与发展国际合作委员会.中国环境保护与社会发展[J].环境与可持续发展，2014，39(4)：28-45.

[18]中国环境与发展国际合作委员会.可持续消费与绿色发展[J].环境与可持续发展，2014，39(4)：46-60.

[19]中国环境与发展国际合作委员会.促进中国绿色发展的媒体与公众参与政策[J].环境与可持续发展，2014，39(4)：61-73.

[20]中国环境与发展国际合作委员会.中国绿色发展中的企业社会责任[J].环境与可持续发展，2014，39(4)：74-87.

[21]李芸，张明顺.欧盟环境政策现状及对我国环境政策发展的启示[J].环境与可持续发展，2015，40(4)：22-26.

[22]罗庆明.电子废物生产者责任延伸制的国外实践及对我国的启示[J].环境与可持续发展，2013，38(5)：54-56.

[23]刘蕊，张明顺，李惠民.我国电子废物资源化利用的产业化障碍及其政策分析[J].环境与可持续发展，2015，40(3)：113-118.

作者简介：李芸，硕士，主要研究方向为欧盟环境规划与管理；张明顺，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为环境规划与管理、电子废弃物资源化利用等

中图分类号：X21

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)04-0116-04

Discuss on Most Relevant Areas for Eco-design ofElectricalandElectronicProducts

LI YunZHANG MingshunTian Huan

(School of Environment and Energy Engineering/Beijing International Cooperation Base for Science and Technology of ElectronicWasteResourceRecovery，BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044)

Abstract：This paper adopts qualitative analysis method and literature research method and summarizes the definition of Eco-design of EEE. Then the paper emphatically analyzes and evaluates the most relevant areas for eco-design of EEE，including energy efficiency，material efficiency and reduction of hazardous substances. Research shows that ecodesign of EEE will become an important way to solve the problem of electronic waste management. We should focus on resource efficiency and reduction of hazardous substances.

Keywords：Electrical and Electronic Products；Eco-design；Product Eco-design

项目资助：中国清洁发展机制赠款项目-北京市应对气候变化规划思路研究(编号：1112015)；“应对气候变化”北京市研究与人才培养基地；北京市电子废物资源化技术、标准与产业政策研究基地

引用文献格式：李芸等.电器电子产品生态设计的重要领域探讨[J].环境与可持续发展，2016，41(4)：116-119.