基于生命周期的低碳产品应用研究——以稻壳制一次性餐具为例.pdf

74基金课题0 引言2020 年 9 月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上作出中国力争于 2030 年前实现“碳达峰”，于 2060 年前实现“碳中和”目标的庄严承诺1；2022 年，党的二十大报告提出“积极稳妥推进碳达峰碳中和”的系统论述。为体现大国担当、重信守诺的严肃态度，我国逐步建立健全节能减排体制机制，同时各行各业积极行动，以助力国家“双碳”目标的达成。为助力我国早日实现“双碳”目标，产品设计界要进一步挖掘自身潜力。随着人类工业化进程的逐步加快，产品飞速更新，能源资源供给日趋紧张，全球环境治理刻不容缓。为助力节能减排，各行各业不断努力，低能耗、低污染的产品逐渐成为主流。基于生命周期的低碳产品应用研究，为实现中国“双碳”目标提供了重要动力。作为一项基于节能概念的生态化工业设计技术，低碳产品设计在保留产品基本功能的同时，全面考虑了环境影响和碳排放等问题2。随着世界工业经济的发展与人类社会的进步，由稻壳制成基金项目：本论文为2019年度华东理工大学国家社会科学基金项目“碳平衡 框架下特大城市空间布局研究”成果，项目编号：19BJY063的餐具出现。稻壳制一次性餐具凭借无二次污染且不消耗木材的优势，成为发泡塑料餐具及一次性木制筷的有力替代品。1 低碳设计概述1.1 低碳设计的含义低碳设计是指以减少人类碳排放，降低温室效应带来的破坏效应为目标进行的设计。面对严峻的碳减排形势和“双碳”目标带来的压力，低碳设计理念被不断提及，旨在促进节能减排，提高能源利用率。低碳设计技术要求以减量化、再利用、低排放和再循环为基本原则，通过先进的设计理念和技术手段，使产品、使用者、环境构成一个有机整体3，有效降低产品的碳排放量。1.2 产品中的低碳设计产品的低碳设计主张以“减碳”为核心目的，考虑产品全生命周期中的碳排放量及其对周围环境的影响，此过程涵盖材料选用、工艺设计、加工工艺流程、产品包装等，并鼓励采用与时俱进的设计理念，设计出与自然和谐共生的产品，从而使人们享受以经基于生命周期的低碳产品应用研究以稻壳制一次性餐具为例汪军，张梓茜（华东理工大学 艺术设计与传媒学院，上海 200237）摘要：目的：为贯彻落实我国推出的“双碳”战略，体现信守不渝的大国担当和严谨态度，全面推广低碳材料和低碳产品，形成节能降耗、利国利民的系统性机制，提高中国绿色创新设计在全球的产业竞争力。方法：选取符合低碳理念的新型生物质材料稻壳材料，并结合生命周期评价模型理论，引入“从摇篮到坟墓”这一涵盖产品全部生命周期为介质的理论方法，详细描述稻壳制一次性餐具产业在中国大环境下的发展现状，对比同类竞品生物有机材料及人造材料，进行适用性及耗能方面的筛选，分析生物有机材料在低碳产品设计中的发展潜力，进一步讨论稻壳制一次性餐具在低碳设计理念下的设计实践。结果：文章构建了产品生命周期模型与稻壳制一次性餐具的映射关系。针对仍处于新生阶段的稻壳制一次性餐具产业，从宏观和微观角度，提出了相应的稻壳制一次性餐具的低碳设计优化方法，如改进研发设计工艺，逐步使产业向规模化转型，为产业绿色低碳化提供基础性的战略支撑。结论：文章验证了产品生命周期评价方法的广泛适用性，为设计师提供了低碳餐具产品材料选择的理论依据和创意指导，以及新时代低碳材料应用的新赛道和新思路，拓展了低碳材料与低碳产品的应用范围。关键词：“双碳”；低碳设计；低碳产品；生命周期评价；稻壳制一次性餐具中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：1004-9436（2024）03-0074-0575第 37 卷第 3 期 2024 年 2 月Vol.37 No.3February 2024艺术科技济能源和绿色能源为主题的低碳生活4。1.2.1 产品生产中的低碳设计工业产品的生产涵盖原材料的选用、工艺设计、加工组装等环节。基于“减碳”理念，要在不降低产品性能、不影响产品使用的情况下，优先选择低能耗、少污染的材料，提高能源利用率，助力低碳目标的实现。新兴的可回收材料如海草纤维、咖啡渣（见图 1）等，和传统材料相比，对环境的影响相对较小。在产品设计和装配过程中，结构也是影响产品生产碳排放量的重要因素之一，在结构设计上运用低碳理念，就是在结构设计阶段合理评估产品部件或模块，最终使用对环境影响较小的部件5。产品的结构组装越便捷，拆卸过程越简单，产生的废弃物越少，越有利于保护环境，减少碳排放。图 1 星巴克推出的咖啡渣原料吸管1.2.2 产品流通中的低碳设计产品的流通过程包括包装、运输和销售三个环节。随着世界工业经济的发展以及人们对产品整体质量要求的不断提升，市面上的产品包装设计逐渐呈现出烦琐累赘、空洞华丽的趋势。包装是产品与消费者之间的媒介，为助力实现“双碳”目标，可以尽量选用简约的包装形式。例如 GardensinaBag 产品包装内含有种子和土壤，消费者可将包装袋改装为花盆重复利用（见图 2）6。此外，在运输过程中，合适的运输方式和包装也可以提高产品的运输效率，减少该过程中的碳排放量。图 2 GardensinaBag包装设计1.2.3 产品使用过程中的低碳设计产品用法及其使用寿命是产品使用阶段最受关注的两大热点。人们的审美品位随着生活条件的改善日渐提高，表达文化内涵和个性化需求的愿望也越来越强烈，新产品飞速更新和旧产品没落的市场环境刺激着人们的消费欲望，极容易使人喜新厌旧，从而造成资源浪费。因此，产品设计师需要考虑以下问题：如何设计出一种新的产品使用方式，可以高效地利用低碳能源和低碳材料，让其使用起来更加便捷；如何紧密围绕用户需求，让低碳材料和低碳能源协助加深用户购买时产生的情感，延长产品的使用寿命。1.2.4 产品回收过程中的低碳设计回收再利用和废弃后再处理产品是回收阶段不可或缺的部分。低碳设计要考虑如何回收和再利用废弃物，在大幅降低生产成本和减少污染的同时，提高经济效益，充分有效运用资源和能源，减少污染。另外，还要评估不能回收利用的废弃物可能造成的环境影响，并积极采取行动，最大限度避免环境污染。不断创新设计方法，推动生态产品价值实现，践行低碳生活理念。2 产品生命周期评价（LCA）理论与模型2.1 产品生命周期评价理论统计资源和能源使用情况以及碳排放，评估由此引发的环境影响，并为研究或实践指明减轻环境负荷的方向，即生命周期评价（LifeCycleAssessment，简称“LCA”）。这是一种避免以主观视角评价产品、过程或活动的环境负荷的方法71044。LCA 理论关注的是垂直活动对环境资源的影响，即对产品进行“从摇篮到坟墓”的研究，包括选取材料、生产加工、产品运输、使用、循环的整个过程。产品生命周期评价（LCA）框架见图 3。图 3 产品生命周期评价框架由图 3 可知，LCA 共由 4 个步骤组成，即目的与生命周期评价框架目的与范围的确定清单分析结果解释直接应用1.产品研发、工艺改进2.策略性规划3.政策确定4.市场5.其他影响评价76基金课题表 1 产品生命周期综合因素分析生命周期设计步骤技术因素措施与成本产品设计阶段1.前期调研2.明确产品低碳设计指标3.确保使用功能，迎合消费者心理需求4.优先选择低能耗材料，方便产品后续回收1.产品功能和工艺造型落地实施的可能性2.合理安排产品结构，考虑产品使用安全和耐用性1.建立调研小组并建立评估模型2.人力、物力预算材料选择与生产1.使用生物基材料，严格控制人工材料如化合物形式的使用2.从产品生产能耗、碳排放量方面考虑，优先考虑使用清洁能源1.减少或规避材料搭配中的添加剂使用2.推崇低能耗、无污染的清洁资源1.实时监测污染指数，并及时采取改进措施2.材料创新成本、研发技术改进成本、监测成本和清洁成本等产品包装与销售1.包装轻量化设计2.运输方式设计1.使用可回收再利用的优质材料2.合理规划运输站点与运输路线1.建立包装及运输管理小组，控制能源损耗2.监督管理成本、包装成本、运输成本等产品使用与维修回访调研，对便捷性、舒适度及安全隐患进行了解1.维修与更换零部件2.改善产品功能与结构1.建设服务站点，开展产品用户评价调研并收集数据2.建立站点成本、数据收集成本产品回收再利用回收处理老化或报废的产品针对性分类处理分解回收过的产品1.建立产品回收系统，制定环境治理措施2.回收成本、环境治理成本等表 2 稻壳制一次性餐具的优点稻壳餐具的优点谷壳纤维，纯天然、无辐射、无毒素，环保健康产品可生物降解，循环再利用，环境友好型产品综合时尚元素，可进行个性化、多元化设计表 3 不同材质一次性餐具性能对照表序号材质耐热温度（）耐酸碱程度使用后产生的废弃物刚性毒性能否微波使用1稻壳制品90150不影响使用全降解较好无能2发泡塑料6090不影响使用不降解一般有不能3纸制品60影响使用可降解水污染差无不能4淀粉制品8090影响使用可降解一般无不能5植物纤维90110不影响使用可降解较好无未成熟77第 37 卷第 3 期 2024 年 2 月Vol.37 No.3February 2024艺术科技范围的确定、清单分析（LifeCycleInventory，简称“LCI”）、影响评价、结果解释。各阶段的结果解释可指导提出优化方案，LCA 每个阶段都会受到优化方案施加的影响，是一个循环往复的过程71044。确定目标和范围需要明确产品功能信息，并对生命周期评价的原因以及运用何种方法进行解析，在分析过程中会出现哪些限制因素，以报告的形式逐一列出目标、数据、预期等；清单分析这一步是收集与统计与环境污染排放、能源消耗量和资源使用量相关的数据，统计投入产出比，基于数据之间的相关性整合信息，实现结果最优821；影响评价环节是在前两个步骤的基础上继续深入细化数据的分类，所得结果描述的准确性和细化程度呈正比，此时提出的解决方案可参考性更强；结果解释即甄别研究过程中发现的问题，基于所得结论提出针对性的环保建议，对结果进行二次评估，尽可能规避其他潜在因素对实施改进措施的制约作用821。2.2 产品生命周期评价模型根据上述介绍的生命周期评价方法，考虑环境等影响因素，定义并量化能源消耗、物质消耗、废弃物等数据评估，建立生命周期产品模型。与此同时，在评估过程中平衡技术、环境与经济的关系等，产品生命周期综合因素分析见表 1。3 实例应用3.1 稻壳制一次性餐具的发展现状稻壳制一次性餐具（全称“稻壳制一次性全降解环保餐具”）是以稻壳粉为原材料，将其与符合国家食品卫生标准的无毒可食用的高分子有机热熔胶混合搅拌均匀轧片、切料、模压成型预干后，经表面涂层，烘干获得的多种形状的餐具。限塑令的升级使得寻求塑料餐具替代品迫在眉睫。安全环保、应用范围广且能促进节能减排的餐具受到欢迎91。而稻壳制一次性餐具恰能替代塑料餐具，大幅降低滥用发泡塑料造成的负面影响，进一步协助治理白色污染91-2。稻壳制一次性餐具比其他竞品如纸质餐具更具优势，造纸工业会产生大量工业废水，消耗大量森林资源。稻壳制一次性餐具的优点见表 2。作为稻米生产大国的中国拥有较为丰富的稻壳资源。如何高效集中处理稻谷资源是各大城市、乡镇的热议话题。稻壳不易吸水，富含不易腐坏的木质素及硅质，可直接作为肥料使用。经粉碎处理后，稻壳的材质特性发生了变化，抛掷田野中能完全降解，填埋地下能够沤成有机肥，是真正意义上的符合环保理念的资源。稻壳制一次性餐具的原材料稻壳来源广泛，是一种天然生物质，可再生、周期短、易降解。根据产品低碳设计的原则，与木材、金属、陶瓷、玻璃等相比，稻壳制产品能够充分满足人类的使用需求以及对自然的憧憬、向往之情。稻壳的硬度及耐磨性与其硅含量呈正比，并且密度小，不易吸水，在被粉碎后，堆积密度可达 384 400kg/m。不同材质的一次性餐具性能对照见表 3。稻壳制一次性餐具主要以天然稻壳为原材料，混以植物淀粉、天然树脂等材料，最后通过一体注塑使其成型，具有可自然降解、不易发霉、耐冷耐热耐腐蚀等诸多优点。这是因为稻谷壳在热压过程中，表面会形成一层光滑的植物纤维蜡，这能使餐具更加光滑，产生隔绝作用，从而预防霉菌和各类细菌滋生。综上所述，稻壳制一次性餐具价值高、性能好，是符合国家标准的绿色产品。3.2 稻壳制一次性餐具的生命周期模型稻壳一次性餐具全生命周期模型的建立，必须从低碳设计理念的角度考虑。该模型的建立将为研究产品生态特性和每一环节的碳排放量提供重要参考依据。在不同环节，产品使用的材料、生产工艺不同，侧重点也不尽相同。稻壳制一次性餐具生产仍处于初级发展阶段，工艺、技术、设备仍在不断更新，具有潜在的市场价值。3.2.1 产品制造产品制造的首要步骤是选取材料。来源广泛的稻壳材料是一种有机类物质，在农业生产中往往作为废料被丢弃。稻壳虽质量较轻但占地面积大，难以进行长途运输，过去一般采用统一在郊区填埋或焚烧的处理方式，这种方式会对环境造成极大的危害。如今立式打包改进为卧式打包，便于各个车间进行不同的稻78基金课题壳制一次性餐具生产，在简化生产环节的同时助力“双碳”目标的实现。3.2.2 包装运输包装和运输是相辅相成的两个环节。部分商家为提高产品销量，获取更多的经济利润，倾向采用烦琐、复杂的产品包装，这种行为增加了产品运输的负担，大幅降低了材料资源的利用率，与低碳设计理念相悖。因此稻壳制一次性餐具包装要遵循轻量化设计原则，优先使用碳排放量较小的材料，达到低碳节能的目的。纸包装大多采用瓦楞纸，现在蜂窝瓦楞纸技术可一次性成型，能源利用率大幅提升。目前，在美国、日本等国家，蜂窝瓦楞纸已成为常用的新型绿色包装材料。3.2.3 产品使用产品使用会造成能源消耗，相较于更改产品使用功能或方式，引导人们自发保护环境成为最优选择，这要求产品承担更多的责任。稻壳制一次性餐具可回收处理，对环境造成的负担小，可降解且物理特性优秀，适宜进行推广。3.2.4 回收处理产品回收处理是指回收失去使用价值和物质功能的产品，产品回收涉及收集、分拣、拆解、处理和再利用等环节，需要进行人员、设备等多方投入，同时还要进行合规处理，做到高要求、高标准、高效率。中国资源浪费问题日益严峻，由于缺乏系统组织管理，回收日常生活用品难度大，埋下了隐患。因此在设计时要注重提高产品的可回收率，以进一步促进节能减排。3.3 讨论与分析分析稻壳制一次性餐具全生命周期模型可以发现，该产品实现了对农业生产废弃物的高效利用，是一种可以变废为宝和减少木材消耗的环保产品，对提高森林覆盖率具有积极作用，兼具经济效益和社会效益。第一，稻壳餐具生产行业逐渐呈现规模化发展趋势，在机械化和自动化技术的助力下，低成本、高效率的发展方式得以实现，能在遵循低能耗原则的基础上系统提升产品质量。第二，工艺开发低碳化。加热烘干设备用电量较大，为降低电耗，可采取其他加热方式（如微波）。第三，进一步探索工艺技术。稻壳制一次性餐具的制作工艺及生产设备仍需不断完善，其生产技术也亟须迭代更新。以节能节电、缩短工艺流程、提质增效为目标进行开发，是稻壳制一次性餐具加工技术重要的突破方向。4 结语“双碳”背景下，低碳理念在工业设计中逐渐受到关注，与传统工业设计行业标准相比，低碳设计加强了对材料选择、生产加工、产品运输及回收的全生命周期的标准控制。本文以稻壳制一次性餐具为例，基于产品全生命周期评价的方法与流程，分析包含生产销售、使用、回收等环节的影响因素以及低碳优化方法，在性能方面对稻壳制一次性餐具与其他材质的一次性餐具进行对比。通过分析提出，稻壳材质产品具有良好的发展前景，在节能减排、降低成本、提高性能、促进循环利用等方面有较为优越的表现，能够促进工业设计行业绿色低碳发展。参考文献：1 张静文.汇丰碳中和路径分析及启示J.清华金融评论，2021（4）：105-106.2 赵燕伟，洪欢欢，周建强，等.产品低碳设计研究综述与展望 J.计算机集成制造系统，2013，19（5）：897-908.3 马誉銘.面向产品生命周期的可持续性设计探索J.设计，2017（21）：120-121.4 李志强，张少文.低碳理念下农产品绿色包装的创新设计 J.设计，2017（17）：130-131.5 徐兴硕，李方义，周丽蓉，等.产品低碳设计研究现状与发展趋势J.计算机集成制造系统，2016，22（7）：1609-1618.6 宋娟，乔洁.绿色包装设计中的“少即是多”：以月饼包装设计为例 J.艺术与设计（理论版），2014，2（9）：53-55.7 王吉凯，刘志峰，鲍宏，等.基于生命周期的家电产品碳排放计算方法研究J.合肥工业大学学报（自然科学版），2012，35（8）：1043-1048.8 温晴.产品生态设计下的稻壳材料应用研究D.景德镇：景德镇陶瓷大学，2019.9 国家发展改革委 生态环境部关于进一步加强塑料污染治理的意见 J.再生资源与循环经济，2020，13（2）：1-2.作者简介：汪军（1981），男，上海人，博士，副教授，研究方向：低碳城市与可持续设计。张梓茜（1999），女，上海人，硕士在读，研究方向：可持续设计。