模塊化方法在燈具低碳設(shè)計(jì)流程中的應(yīng)用研究

艾險(xiǎn)峰 胡夢(mèng)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(shè)計(jì)流程。首先，根據(jù)燈具設(shè)計(jì)的特殊需求和規(guī)范，使用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行燈具的概念設(shè)計(jì)和具體設(shè)計(jì)，然后基于設(shè)計(jì)結(jié)果列出材料清單，最后，使用生態(tài)評(píng)估軟件SustainableMinds進(jìn)行碳排放評(píng)估，用以驗(yàn)證模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否能夠減少碳排放。武漢黑蜻蜓工業(yè)設(shè)計(jì)中心遵循該設(shè)計(jì)流程為某企業(yè)設(shè)計(jì)燈具，設(shè)計(jì)過程和結(jié)果基本驗(yàn)證了模塊化設(shè)計(jì)能有效支持低碳設(shè)計(jì)。該低碳設(shè)計(jì)流程為工業(yè)設(shè)計(jì)師提供了清晰的流程和簡(jiǎn)易的碳排放量計(jì)算方法，能有效支持燈具產(chǎn)品的低碳設(shè)計(jì)，也能為其他產(chǎn)品的低碳設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：模塊化;低碳設(shè)計(jì)流程;燈具設(shè)計(jì);碳排放

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(chǎn)生碳排放超19億噸，給環(huán)境帶來巨大壓力。其碳排放主要有兩類，一是產(chǎn)品制造產(chǎn)生的碳排放，一是燈具耗電導(dǎo)致的碳排放。第一類碳排放與燈具選材和設(shè)計(jì)相關(guān)，而第二類則與發(fā)光技術(shù)和用戶行為有關(guān)。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(shè)計(jì)流程。

1相關(guān)研究綜述

近年來，研究人員提出了諸多低碳設(shè)計(jì)流程或方法，如Song提出了一種產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)流程[1]，它基于材料清單計(jì)算碳排放以便于快速識(shí)別排放高的零部件;徐鋒等提出了功能結(jié)構(gòu)展開的低碳設(shè)計(jì)方法[2];朱劍剛等通過歸納優(yōu)秀案例總結(jié)了木質(zhì)燈具綠色設(shè)計(jì)的基本方法[3];毛婷婷等探討了低碳設(shè)計(jì)理念在室內(nèi)燈具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[4]。這些文獻(xiàn)從低碳設(shè)計(jì)流程、方法和燈具綠色低碳設(shè)計(jì)等方面做出了頗有價(jià)值的論述。然而，以下方面仍然有研究的必要：

1）系統(tǒng)的燈具低碳設(shè)計(jì)流程。目前的研究有的偏重于識(shí)別高碳部件，其解決辦法是替換零部件，而不是產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)[1];有的偏重于解決因產(chǎn)品技術(shù)差異導(dǎo)致的碳排放問題[2]，而較少有提出一個(gè)專門的低碳設(shè)計(jì)流程。

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

3）低碳設(shè)計(jì)流程的適用性。目前很多流程或方法依賴復(fù)雜的生態(tài)數(shù)據(jù)庫，這使得它們難以被中小企業(yè)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)掌握。此外，生態(tài)數(shù)據(jù)庫往往會(huì)增加較多的企業(yè)運(yùn)營成本。

鑒于此，本研究提出了一種適用于中小企業(yè)燈具設(shè)計(jì)師的低碳設(shè)計(jì)流程。研究以一種經(jīng)典設(shè)計(jì)流程為基礎(chǔ)[6]，并整合一些有用的工具。最后，組織本研究團(tuán)隊(duì)（武漢黑蜻蜓工業(yè)設(shè)計(jì)WUST實(shí)習(xí)中心）的成員遵循該流程為某企業(yè)設(shè)計(jì)了一組燈具，并進(jìn)行了簡(jiǎn)易的碳排放比較。案例演示了流程的使用過程，并初步驗(yàn)證了流程的有效性。

2以模塊化方法為核心的燈具低碳設(shè)計(jì)流程

本研究提出的設(shè)計(jì)流程包含4個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1分析燈具設(shè)計(jì)需求

燈具的設(shè)計(jì)需求包含市場(chǎng)需求和政策規(guī)范要求，前者的獲取途徑與一般產(chǎn)品差異不大，而后者則存在一定區(qū)別，需要檢索耗能產(chǎn)品的環(huán)保政策和規(guī)范來獲取。

2.2在概念與具體設(shè)計(jì)階段實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)

將模塊化的設(shè)計(jì)方法融入到產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)中，在此階段，需對(duì)燈具的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，關(guān)于模塊化，有研究指出了多條設(shè)計(jì)原則[7]，其中適合燈具設(shè)計(jì)的有：“相似性”、“相對(duì)獨(dú)立性”可擴(kuò)展性”、“整體性能最優(yōu)”、“全生命周期成本最低”、可維護(hù)性”、‘可重用性”和“可回收性”。

在具體設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮對(duì)應(yīng)功能的具體原理、結(jié)構(gòu)單元的材料與尺寸。在選材時(shí)，應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行初步的環(huán)境影響評(píng)估。

2.3基于材料清單評(píng)估碳排放

在設(shè)計(jì)完成后，可選取市面上一款燈具與本次設(shè)計(jì)的模塊化燈具進(jìn)行比較，為了便于評(píng)估，應(yīng)保證兩款燈具的功能、造型、規(guī)格類似。然后列出兩個(gè)產(chǎn)品的材料清單，并選擇合適的生態(tài)數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行碳排放計(jì)算。由于SustainableMinds軟件與Simapro、Gabi等主流環(huán)評(píng)軟件功能類似，但它有免費(fèi)版本，且專為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師而開發(fā)，簡(jiǎn)便易用[8]，因此被選用來做碳排放評(píng)價(jià)。

2.4選擇低碳方案

對(duì)碳排放進(jìn)行比較后，方案的選擇規(guī)則如下：（1）當(dāng)計(jì)算得出模塊化設(shè)計(jì)方案的碳排放量小于選定對(duì)象時(shí)，選擇設(shè)計(jì)方案;（2）當(dāng)計(jì)算得出模塊化設(shè)計(jì)方案的碳排放量并不小于選定對(duì)象時(shí)，對(duì)單元部件、整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行替換或優(yōu)化，如圖1。

3設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1項(xiàng)目需求和要求分析

本研究團(tuán)隊(duì)受湖南某公司委托設(shè)計(jì)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(tài)設(shè)計(jì)要求，了解發(fā)光器件的壽命、亮度和能耗的規(guī)范。

3.2將模塊化設(shè)計(jì)原則應(yīng)用于燈具的概念和具體設(shè)計(jì)根據(jù)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(hào)，SF表示提供支撐的靜力。

然后使用2.2節(jié)中列出模塊化設(shè)計(jì)原則考察該功能框架，提出以下幾點(diǎn)問題：（1）目前的幾個(gè)單元在物理結(jié)構(gòu)上依賴支撐單元，獨(dú)立性不夠，可維護(hù)性差;（2）不同單元的結(jié)構(gòu)差異較大，不利于生產(chǎn)系列化產(chǎn)品，可擴(kuò)展性差;（3）可重用性、可回收性較差。

針對(duì)以上問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了單個(gè)模塊[9]，基本單元模塊結(jié)構(gòu)拆解和組合見圖3中的a、b。以一個(gè)體積為2cm×2cm×2cm中空的立方結(jié)構(gòu)為核心，在六個(gè)面進(jìn)行組建。這個(gè)基本單元設(shè)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(gè)正負(fù)極連接點(diǎn)，多個(gè)模塊相組合，即可形成串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)電路。光源模塊中，除了發(fā)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(jié)構(gòu)外，本設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用模塊件設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(fēng)格的植物造型臺(tái)燈。用戶購買模塊件后可參照以上設(shè)計(jì)圖或按自己意圖進(jìn)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(jié)能臺(tái)燈EL，據(jù)此搭建一個(gè)外觀與尺寸基本相當(dāng)?shù)哪K化燈具M(jìn)L，稱量節(jié)能臺(tái)燈EL和模塊化燈具M(jìn)L的組件，得到產(chǎn)品中各材料的重量。將它們輸入到SustainableMinds軟件中，可得到其生產(chǎn)過程的碳排放量（見表1）。

據(jù)表1，ML的碳排放量比EL更低，實(shí)現(xiàn)了低碳目的。此外，該設(shè)計(jì)還在其他方面減少碳排放，如模塊化結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)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(jié)論

本文提出了一種整合的低碳設(shè)計(jì)流程，該流程被用于設(shè)計(jì)燈具，最后基于材料清單比較碳排放量，基本證實(shí)了本研究所提出的以模塊化為核心的設(shè)計(jì)流程在燈具低碳設(shè)計(jì)中的有效性。本研究的貢獻(xiàn)如下：它提出了一個(gè)適用于中小企業(yè)燈具設(shè)計(jì)師的低碳設(shè)計(jì)流程;列出了適合燈具產(chǎn)品模塊化的原則;還指出設(shè)計(jì)師可從材料選擇和結(jié)構(gòu)模塊化兩方面來實(shí)現(xiàn)低碳。

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

本文系2017年度武漢科技大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金（項(xiàng)目編號(hào)：17ZZB080）資助。

參考文獻(xiàn)

[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(jì)楊建，等.基于低碳約束的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（7）：58-65.

[3]朱劍剛，高偉霞.木質(zhì)現(xiàn)代燈具綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例解析[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì)（中文版），2014，30（4）：196-199.

[4]毛婷婷，陸江艷.低碳設(shè)計(jì)在現(xiàn)代室內(nèi)燈具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].家具與室內(nèi)裝飾，2018（3）.

[5]唐濤，劉志峰，劉光復(fù)，等.綠色模塊化設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法和案例[M].機(jī)械工業(yè)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(jié)構(gòu)的燈具：CN106949443A[P].2017.