基于產(chǎn)品全生命周期評價的環(huán)境影響分析

王偉晗， 崔偉強， 王清成

(上海應用技術大學 城市建設與安全工程學院， 上海 201418)

當前，面臨著全球工業(yè)競爭的挑戰(zhàn)，中國工業(yè)還需要更深入的研究來提高國際競爭力[1]。近年來，我國也相繼頒布了一些政策文件，逐漸將制造綠色產(chǎn)品理念深入到每個人心中。但工業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)、制造和回收過程中難免會產(chǎn)生廢氣、廢渣等有害物質，而這些有害物質一定程度上損害了人們賴以生存的環(huán)境。面對日益突出的環(huán)境污染問題，以鋼鐵行業(yè)為例，不僅需要解決環(huán)境污染問題，還要承受公眾輿論壓力。產(chǎn)品全生命周期評價方法(life cycle assessment，LCA)非常適合解決中國工業(yè)高污染、高消耗和低附加值等問題[2]。本質上來講，LCA是一種評估產(chǎn)品生產(chǎn)過程和其使用過程給環(huán)境帶來的負面效應的客觀評價方法，主要是通過檢測、識別和評判某種產(chǎn)品在整個生命周期中所帶來的環(huán)境影響或潛在影響。因此對工業(yè)產(chǎn)品全生命周期深度分析能夠有效節(jié)約資源、減少能耗和保護環(huán)境，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。本文以LCA為評價工具，介紹生命周期環(huán)境評價發(fā)展動態(tài)，并從產(chǎn)品全生命周期評價角度深度剖析工業(yè)產(chǎn)品全生命周期(原材料提取與制造、材料加工、包裝運輸、產(chǎn)品使用、廢物回收與利用)所帶來的環(huán)境影響研究進展。

1 LCA發(fā)展歷程

環(huán)境協(xié)調性評價來源于20世紀能源危機時期，最初理論來源于化學工程中“物質-能量流平衡”的概念，基本也是根據(jù)物質不滅定律和能量守恒原理來對產(chǎn)品生產(chǎn)、使用和回收等一系列過程中物質和能量損耗來計算，最后對產(chǎn)品造成的環(huán)境問題或潛在的影響進行評價并給出建議[3]。

產(chǎn)品造成的環(huán)境問題不能僅僅依靠單一步驟來解決，必須依靠生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)、各個過程相互滲透，相互支持。環(huán)境管理制度在一開始只是以“末端治理”為主要措施，強制減少某一污染物的排放，以此來達到治理環(huán)境的目的。但這種方式形成的環(huán)境保護只是分區(qū)而治，不能從根源上解決問題。在實際應用上并未減少污染物的總量，而僅僅轉移了污染源，嚴重缺乏系統(tǒng)性，以致于采用這種管理模式的國家環(huán)境治理尤為艱辛。為提高環(huán)境管理效率，多數(shù)國家開始推行“過程導向”工業(yè)環(huán)境管理模式，其旨在產(chǎn)品生產(chǎn)鏈過程中，單個企業(yè)通過整體系統(tǒng)化的管理模式，來減少工業(yè)產(chǎn)品帶來的環(huán)境污染。當前我國國內產(chǎn)品工業(yè)基本都是“末端治理”和“過程導向”這2種模式。隨著實際應用的推廣，越來越多的企業(yè)發(fā)現(xiàn)，這2種環(huán)境保護措施提升空間有限，工業(yè)產(chǎn)品造成的環(huán)境問題主要原因是上游企業(yè)的管理水平。近幾年，工業(yè)發(fā)達國家產(chǎn)生了一種新的環(huán)境管理模式——產(chǎn)品導向，有效提高了產(chǎn)品全生命周期的整體環(huán)境保護績效。隨之誕生的新制度“生產(chǎn)者延伸責任制度”約束了企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)范，提高了企業(yè)家們環(huán)境保護意識。為提升環(huán)境保護績效，歐盟提出“整合性產(chǎn)品策略( integrated product policy，IPP)”的新模式[4]。這種政策主要以產(chǎn)品系統(tǒng)環(huán)境全生命周期理念為指引，全面減少環(huán)境影響。明確提出在延伸生產(chǎn)者責任的基礎上，讓所有人都能將環(huán)境保護當做自己的責任。從制度的建立角度分析，整合性產(chǎn)品政策使得環(huán)境保護從使用產(chǎn)品過渡到生產(chǎn)設計階段，一定程度上也使得消費者關注所用產(chǎn)品環(huán)境影響的問題，從而適用于產(chǎn)品服務過程。

總的來說，工業(yè)產(chǎn)品全生命周期內所造成的環(huán)境問題治理方式從“末端治理”和“過程導向”階段，發(fā)展為“產(chǎn)品導向”模式。由此顯示出，工業(yè)發(fā)展越來越重視污染物的排放，相關政策也對企業(yè)要求越來越高。從降低某一污染物的排放到整體環(huán)境治理的過程，表現(xiàn)出企業(yè)在環(huán)境管理過程中，重視產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境問題，因此產(chǎn)品全生命周期環(huán)境影響評價的發(fā)展對環(huán)境保護具有重要意義。

2 產(chǎn)品全生命周期評價的環(huán)境影響研究現(xiàn)狀

產(chǎn)品的生命周期評價環(huán)境影響評價發(fā)展迅速，因其在各行各業(yè)的利用率比較高。國內外對產(chǎn)品全生命周期的研究應用也越來越廣泛。

2.1 LCA理念的應用

鋼鐵制品的環(huán)境污染一直是熱點問題，其生命周期評價研究也一直是研究對象。因此楊毅等[5]采用生命周期評價理論分析氧化鋁制備的環(huán)境影響，從不同發(fā)電方法來對原鋁全生命周期內造成的環(huán)境問題進行評估，著重研究了原鋁生產(chǎn)過程中的物料消耗和能源損失，分析了4種環(huán)境污染類型的來源和分布。最終得出原鋁冶煉過程對環(huán)境影響較大，火力發(fā)電煉鋁環(huán)境污染遠高于水利發(fā)電。因此需要采取措施來解決這一問題。唐雅莉[6]將CBR、TRIZ、AHP等創(chuàng)新理念相結合，基于現(xiàn)存的產(chǎn)品全生命周期研究，構建出一種新的綠色設計，通過先進的設計理念和技術找出現(xiàn)存的數(shù)據(jù)難點，構建多種途徑集合的產(chǎn)品綠色設計過程模型并解決產(chǎn)品生命周期內各個階段遇到的問題。Chen等[7]為了讓人能夠更好的了解產(chǎn)品制造和回收時的水消耗，提出產(chǎn)品全生命周期內水足跡的概念。通過統(tǒng)計評價鋼鐵制品水足跡的方法，詳細介紹了產(chǎn)品全生命周期內的詳細評估步驟和計算過程。以具體案例來展示水足跡評價的清單分析和影響評估過程中難點所在。時君麗等[8]為了研究鋼鐵工業(yè)在制造時期所帶來的資源環(huán)境影響，通過建立物耗、能耗和排放為模型，深度分析了能源消耗、富營養(yǎng)化、全球變暖和土壤酸化這4個指標來評價產(chǎn)品在制造過程中所帶來的環(huán)境影響。碳污染問題在環(huán)境影響中尤為嚴重。Zheng等[9]采用LCA方法來計算碳足跡。提出一種以數(shù)據(jù)質量特性為輸入，利用多元統(tǒng)計回歸和拓展傅里葉幅度敏感度實驗來分析該方法的敏感度，使用蒙特卡洛模型來分析該方法的不確定度。最后計算出啤酒發(fā)酵罐的生命周期碳排放量，分析了生命周期庫存數(shù)據(jù)的質量特征，總結出了數(shù)據(jù)的不確定性，使用響應面法對各項參數(shù)進行優(yōu)化設計。

2.2 LCA管理模式

中國企業(yè)缺少先進的綠色管理模式，因此楊曉英等[10]提出基于全生命周期的鋼鐵產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理模型。旨在分析工業(yè)制品全生命周期數(shù)據(jù)關系和集成管理需求，通過實例應用，最終證明了產(chǎn)品全生命數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)取得良好效果。吳俊峰等[11]提出基于LCA，通過對CML評價模型對離心式制冷機全生命周期過程中的環(huán)境影響進行評估評價，最后通過詳細分析計算得出制冷劑選取、能耗水平和運行時長是制冷機組造成環(huán)境影響的重要因素。謝英豪等[12]使用Eco-indiCator99評價模型來對廢舊電池回收進行環(huán)境影響評價，分別從原礦冶煉、傳統(tǒng)濕法回收、傳統(tǒng)火法回收和定向循環(huán)這4種方式對環(huán)境的影響進行比較，清晰地顯示出廢舊電池回收全周期對環(huán)境的影響。Shimako等[13]為了能夠得到最優(yōu)的動態(tài)生命周期清單時間步長，建立起一個包含產(chǎn)品動態(tài)生命周期清單和影響評估框架模型。通過數(shù)據(jù)分析以及模型中動態(tài)生命周期清單時間步長對環(huán)境的影響和對生態(tài)的破壞程度，最后得出最好的動態(tài)生命周期清單時間步長等。趙志強等[14]根據(jù)生態(tài)設計要求，以發(fā)明問題解決理論(theory of inventive problem solving，TRIZ)理論沖突解決原理為基礎，結合創(chuàng)新綠色設計理念，使用最新數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)技術。大量分析鋼鐵制品的全生命周期設計以及對環(huán)境的影響，建立一個新的LCA模型。通過具體事例驗證，最后歸納出產(chǎn)品全生命周期是否符合綠色設計要求，是否能夠補充產(chǎn)品整個生命周期內的環(huán)境影響缺陷。

2.3 LCA模型、軟件和數(shù)據(jù)的應用研究

現(xiàn)代產(chǎn)品全生命周期影響評價需要依靠大量數(shù)據(jù)作基礎，各種模型作為工具，為提高研究效率，國內外已經(jīng)開發(fā)出的軟件包括GaBi、CA-CP、SCP等產(chǎn)品，以及中國研發(fā)的eBalance等?？萍妓降倪M步給產(chǎn)品的生命周期評價研究帶來了極大的幫助。

生命周期理論與建模方法在企業(yè)的應用研究始終得到一些跨國公司、學術團體及其研究者、國家政府和國際組織等的重視，并逐漸向規(guī)范化和標準化邁進。國際上生命周期理論方面的研究較多，Sonnemann等[15]提出了生態(tài)效率分析方法應用于企業(yè)及其伙伴的生命周期管理，并在巴斯夫公司進行了實踐。Labuschagne等[16]對實體制造工業(yè)采用項目生命周期管理進行了研究，建議采用可持續(xù)發(fā)展的項目生命周期管理，資產(chǎn)生命周期和產(chǎn)品生命周期需要被納入綜合考慮，并對項目生命周期管理的方法提出建議和展望。Descateaux等[17]利用生命周期理論分析了美國東北部市場在收取碳稅背景下，采用可再生分布式發(fā)電技術的環(huán)境收益。Mazzi等[18]提出了環(huán)境管理系統(tǒng)與LCA相結合的EMS-LCA模型用于區(qū)域環(huán)境管理，并在意大利北部的威內托大區(qū)進行案例實踐研究。國內北京工業(yè)大學李小青等[19]將LCA應用于生態(tài)材料制備工程，針對企業(yè)的LCA研究涉及生產(chǎn)流程及復雜生產(chǎn)系統(tǒng)建模的集成化、可視化和形象化，基于單個元素過程的LCA清單建模方式，采用反饋式系統(tǒng)清單物質流和多層系嵌套計算的高效算法模式等。曹曉明等[20]以包鋼生產(chǎn)的 U76CrRE 鋼軌為研究內容，分析其鋼鐵制品在生命周期內造成的環(huán)境影響。通過研究1 kg U76CrRE 鋼軌在原材料開采到廢鋼循環(huán)利用的過程。經(jīng)過LCA 結果分析，最后得出70%～80%的資源消耗發(fā)生在產(chǎn)品內部制作過程，土壤酸化在前期制備中產(chǎn)生，富營養(yǎng)化在產(chǎn)品運輸中產(chǎn)生。中科院團隊[21-22]重點關注城市固廢生命周期管理、城市物質流分析(MFA)、城市可持續(xù)交通系統(tǒng)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃與評價，循環(huán)經(jīng)濟與資源效率分析等。文獻[23-25]中致力于基于LCA的產(chǎn)品的生態(tài)設計、綠色制造方法研究。雖然生命周期理論方面的研究很多，但在企業(yè)大多應用在生命周期某個階段或環(huán)節(jié)(如固廢管理、產(chǎn)品生態(tài)設計等)，真正系統(tǒng)化應用在環(huán)境管理與決策方面卻鮮見報道。

汽車廢品回收一直是資源循環(huán)利用的重要問題，李興福[26]通過創(chuàng)建報廢汽車綜合回收利用環(huán)境評價模型，直觀顯示報廢汽車資源回收利用率對環(huán)境影響的程度分析，有效地探索了我國汽車產(chǎn)品回收利用的關鍵問題，在保護環(huán)境的前提下高效的良好的回收報廢汽車。李飛龍等[27]使用Greet環(huán)境評價模型，對汽車產(chǎn)品材料輕量化能耗進行評價研究，分析了汽車回收節(jié)能減排能力。劉璟等[28]使用Greet模型對比分析了純動力汽車和混合動力汽車的能耗情況和溫室氣體排放量，并模擬了2種汽車的節(jié)能減排潛力，為未來電動汽車能源發(fā)展提供有力依據(jù)。楊沿平等[29]為探索汽車零部件生態(tài)效益，創(chuàng)建出一種以汽車零部件生態(tài)效益評價模型為基礎，適用于中國汽車生態(tài)效益評價軟件，可適用于汽車電動座椅等產(chǎn)品。Duval[30]使用不同數(shù)據(jù)模型將3種汽車塑料零件回收的環(huán)境影響進行對比研究，探索到不同模型的使用燃料消耗和CO2排放不同。Luz[31]等從環(huán)境集中影響類別、回收方式和能源消耗等方面研究，并使用Gabi軟件對汽車零件可替代產(chǎn)品進行計算，最后發(fā)現(xiàn)自然纖維復合材料對環(huán)境的影響比聚丙烯材料更小。Puri等[32]使用SimaPro生命周期評價軟件創(chuàng)建汽車產(chǎn)品回收的環(huán)境評價模型，從能源消耗和材料循環(huán)利用的實際情況對鋼材、玻璃等不同原材料進行分析，具有良好效果。為判斷帶有太陽能系統(tǒng)電動汽車的能源消耗，Strecker等[33]創(chuàng)建了以Greet2和 Matlab為基準的環(huán)境評價動態(tài)模型，較好地反映了能源消耗和環(huán)境影響問題。秦雪梅[34]在GaBi軟件和CML2001的基礎上對汽車產(chǎn)品零部件生命周期環(huán)境影響評價模型，更利于汽車零件回收利用和工藝設計。徐樹杰等[35]創(chuàng)建出一種差異模型，用于使用原生材料和再生材料的環(huán)境影響和能源消耗，最后通過對比分析，再生材料的使用增加能夠明顯降低環(huán)境排放，而且在這種模型的基礎上，可再生材料的新能源汽車零件環(huán)境影響更具有研究價值。李娟等[36]在建立了以Gabi軟件為基礎的鋁合金材料環(huán)境評價模型，主要針對汽車產(chǎn)品零件轉化為鋁合金材料全周期的環(huán)境排放問題，更直觀的顯示能源消耗情況。

共享單車市場的崛起刺激了新的經(jīng)濟增長，也越來越受歡迎。而這種現(xiàn)象帶來的環(huán)境問題卻無法知曉。因此，Zheng等[37]通過調研和生命周期評價方法對其進行研究。通過調查數(shù)據(jù)，使用GaBi軟件對共享單車出行行為和生命周期變化對環(huán)境影響進行建模。結果顯示共享單車是一種有利于環(huán)境保護的做法，除了金屬消耗以外，有效減少了碳排放等環(huán)境污染問題，可用來減少汽車產(chǎn)品在生命周期過程中產(chǎn)生的環(huán)境問題。

生命周期評價離不開數(shù)據(jù)支持，商業(yè)數(shù)據(jù)庫和學術界開發(fā)的的數(shù)據(jù)庫主要來源于企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報表統(tǒng)計等，而大多數(shù)企業(yè)都將不愿對外公開這類關乎產(chǎn)品成本等商業(yè)機密。因此，生命周期評價所需要的企業(yè)真實生產(chǎn)成本物料、能源消耗等數(shù)據(jù)很難獲取。在相關政策支持下，“973計劃”“863計劃”、國家支撐計劃和背景自然科技基金的實施，已形成較大規(guī)模數(shù)據(jù)庫。劉夏璐等[38]調研了中國600多種主要工業(yè)材料、能源和運輸?shù)纳芷跀?shù)據(jù)，包含了多種關鍵的環(huán)境影響類型指標，為我國生命周期環(huán)境評價研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。Huang等[39]提出一種數(shù)據(jù)質量評估辦法。具體實施方式是基于產(chǎn)品全生命周期和敏感性分析，從數(shù)據(jù)的原始性和不確定評價性以及譜系矩陣數(shù)學關系開始，對生命周期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和敏感性進行分析。最后通過蒙特卡洛模型對產(chǎn)品的關鍵數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)進行對比研究，得出數(shù)據(jù)質量中的熱點具有非常高的不確定性和高靈敏度。龍?zhí)K華等[40]采用SimaPro8對汽車產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)建模，并利用CALCA數(shù)據(jù)庫和Ecoinvent3 數(shù)據(jù)庫來對某車產(chǎn)品零件進行生命周期環(huán)境影響評價。最后發(fā)現(xiàn)該車零件生產(chǎn)階段對環(huán)境影響較大，而其直接排放的污染非常小。通過實驗得獲取熱成型鋼材料對環(huán)境負荷影響較大，未來應該改進相應的生產(chǎn)方式。

生命周期評價方法在產(chǎn)品系統(tǒng)中的應用越來越得到企業(yè)的認可，這種方法不僅能良好的利用數(shù)據(jù)來反應產(chǎn)品全生命周期對環(huán)境的影響，還能更直觀的顯示產(chǎn)品的不足，以便未來能夠更好的推進綠色設計的進行。

3 結論和建議

針對以上結果，基于產(chǎn)品全生命周期評價的環(huán)境影響，提出以下建議：

(1) 利用軟件來進行產(chǎn)品環(huán)境影響評價分析能夠準確并且迅速地得出結果。國際上的LCA評價軟件主要有GaBi、GREET、TEAM、SimaPro等，而國內的LCA評價軟件卻寥寥無幾。因此，我國亦應投入生命周期軟件的研發(fā)，走向世界科技強國道路。

(2) 產(chǎn)品全生命周期環(huán)境影響評價離不開模型的帶入，一個合適的數(shù)學模型能夠幫助解決大部分問題。應加大對產(chǎn)品環(huán)境影響評價模型的研究，能夠有效提高環(huán)境評估效率，規(guī)范LCA研究過程，以便更準確地進行環(huán)境研究。

(3) 為保證LCA結果的準確性，應重視產(chǎn)品數(shù)據(jù)的真實性和敏感性，在數(shù)據(jù)調研過程中主要確保企業(yè)數(shù)據(jù)不確定性的表示方法、在數(shù)據(jù)不確定性條件下，模型的計算方法以及不確定性結果的解釋及支撐決策方法。