基于LCIA的多目标环境影响评价

刘志峰, 孙 博

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)

基于LCIA的多目标环境影响评价

刘志峰, 孙 博

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)

文章引入多目标评价的思想,在生命周期环境影响评价中,突破传统的只注重危害性单一目标的评价方法,综合考虑各类环境影响的治理难易性目标及危害性目标,在设计阶段,遵循危害大且难处理的环境影响应最优先考虑(如温室气体),危害小且易处理的环境影响应最少考虑的原则,建立了一套新的多目标的环境影响评价方法,用以支持绿色设计方案的选择;最后引用该方法对一款典型洗碗机产品进行了分析,得出该款洗碗机产品各环境影响综合重要度排序及总的综合环境影响指数。采用该方法可直观地找出设计中最需要关注的改进点及该款洗碗机总的绿色水平,因此可有效地支持机电产品的绿色设计。

绿色设计;生命周期影响评价;AHP方法

几乎所有的生命周期影响评价(life cycle impact assessment,LCIA)方法都是仅从各类环境影响的危害性角度来考虑问题,将各类环境影响归类为环境负荷大小,如Eco-indicator 99[1,2]等方法,就是将最终的评价结果归结为标准生态指标值。标准生态指标值是一组基于生命周期评估得到的数据,用以表明一个产品或一个加工过程对环境产生负影响的程度。本文认为这种单纯从某项环境影响对环境造成危害的角度出发来考虑问题是较片面的,不能全面地反映出各类环境影响需要被重视的程度。例如,分析某产品对环境的影响主要有A、B两类,A类环境影响的危害性较大,但后期治理较为容易;B类环境影响的危害性较小,但后期治理非常困难。因此遇到A、B类问题的时候,单目标的LCIA方法就不能直接给出最需要关注的显著环境影响因子。为克服上述问题,本文引入环境影响的治理难易程度目标,对各类环境影响进行多目标的综合评价,最终找出最需要关注的显著环境影响因子及总的环境影响指数。

目前在LCIA中,第3步权重的计算基本都是用如下公式:EI=∑VkNk或EI=∑VkSk[3]。其中,EI是总环境影响指标;Vk是影响类型k的权重因子;Nk是归一化的类型参数结果(终点型LCIA方法中的生态系统、人类健康等);Sk是特征化阶段的类型参数结果(中点型LCIA方法中的温室气体、酸雨、富营养化等)[4]。

本文在LCIA第3步中引入了处理难易目标后,给出如下公式:其中,W 1k是影响类型k的危害性目标权重因子,∑W 1k=1;W 2k是影响类型k的治理难易性目标权重因子,∑W2k=1;W3是危害性相对于治理难易性的相对权重,这里取W 3=(0.7,0.3)。改进前、后 LCIA方法的模型,如图1、图2所示。

图1 传统LCIA方法模型 图2 改进LCIA方法模型

1 多目标环境影响评价模型的建立

运用改进的LCIA方法模型对一款典型洗碗机产品进行分析。模型分为4层,如图3所示。

第1层为待评价产品各环境影响因子,通过软件中输入洗碗机产品的基本信息得出,该层信息纷繁复杂,需要经过特征化处理后才可使用;第2层为经过特征化处理后的各环境影响类型;第3层为指标层,用于第2层各环境影响类型的加权参考。第4层为总的目标层,得出评价结论。

1.1 研究内容

(1)评价产品各环境影响类型的综合重要程度,通过AHP层次分析法,综合考虑危害性指标和处理难易指标,对各环境影响类型进行综合评定,得出它们的综合重要指数并排序,方便设计人员找出产品最需改进之处。

(2)评价产品总的环境影响指数,对前面计算得出的各环境影响类型的综合重要指数进行相加,可以得出产品总的环境影响指数,方便对相似产品进行优劣比较。

1.2 模型结构

(1)第1层到第2层。相当于对清单的数据进行特征化,将第1层各纷繁复杂的环境影响因子进行归类计算,特征化为第2层的各环境影响类型。该步骤可通过VHK的EuP-EcoReport软件、荷兰 Leiden大学的SimaPro等软件进行计算[5],最终可得各环境影响类型的当量质量Sk=(m1,m2,…,mn)。

(2)第2层到第3层。首先以每千克该类环境影响物质的危害性为指标,采用专家打分法对各类环境影响相互间的重要度进行打分,然后计算得出该指标下各类环境影响的一组权重W1k=(X1,X2,…,Xn);再以每千克该类环境影响物质的处理难易性为指标,采用同样方法计算得出各类环境影响的另一组权重W2k=(Y1,Y2,…,Yn);定义危害性指标与处理难易性指标的权重分配为W3=(Z1,Z2),最终计算得出各环境影响类型的综合权重

(3)第3层到第4层。根据S k与W计算得出各环境影响类型的综合重要指数Q=WSTk=(q1,q2,…,qn),对计算结果Q进行排序,可找出该款产品需要注意的方面,提醒设计人员此方面有待改进。

对各环境影响类型的综合重要指数Q进行相加,可得到产品总的环境影响指数EI,该指数的计算可用于对不同款洗碗机进行优劣比较。

2 多目标环境影响评价模型的求解方法

2.1 显著环境影响类型S k的定量化

根据 ISO14000技术框架,运用 Gabi、Sima-Pro等生命周期软件对产品清单数据进行生命周期分析,得出特征化后的各环境影响类型当量值,即第2层数据Sk=(m1,m2,…,mn)。

2.2 显著环境影响的权重分析

(1)危害性目标下的权重分析。对于危害性这一目标,环境元素i和j哪一个更重要,重要的程度如何,通常按1～9比例标度对重要性程度赋值,其1～9标度的含义见文献[6,7]。

以每千克各环境影响物质对环境造成危害的相对大小为准则,对各环境影响进行打分,具体打分见表1所列。

表1 危害性准则下的打分表格

由此打分结果可得判断矩阵为:

(2)治理难易性目标下的权重分析。采用同样方法,以每千克各环境影响物质治理难易的相对大小为准则,对各环境影响进行打分。笔者认为难治理的环境影响更应受到重视,所以这里打分时认为越难治理的环境影响越重要,相对分值越高。同理可得出治理难易准则下的各环境影响类型的权重向量为:

(3)不同环境影响类型的优先顺序及综合重要度。对于危害性目标和治理难易性目标,定义它们之间的权重关系W3=(0.7,0.3),并根据上述权重向量W1k,W 2k,计算得综合权重向量W=

2.3 显著环境影响及综合环境影响指数计算

由上述数据Sk、W可得,各环境影响类型的综合重要指数Q=WSTk=(q1,q2,…,qn),对向量Q内的数据进行排序,可找出设计方案最需要的改进点。对Q进行加和可得产品的综合环境影响指数E I=∑Q,最优的设计方案=min{EI}。

3 实 例

3.1 洗碗机显著环境影响类型Sk

以洗碗机EuP研究报告中容量为12套的典型产品为例,运用上述模型自下而上,层层进行求解。另外需要指出的是,本文主要研究的是在多指标下计算洗碗机的综合环境影响及对环境影响类型进行优选,直接采用EuP研究报告中EuPEcoreport软件计算出的结果,第2层的基础数据具体见表2所列[8]。

由此可以得出各环境影响类型的当量质量Sk=(m1,m2,…,m8)。

表2 容量为12套的典型洗碗机全生命周期环境影响kg

3.2 洗碗机显著环境影响的权重分析

采用专家打分法,以每千克各环境影响物质对环境造成危害的相对大小为准则,对各环境影响进行打分。具体打分结果见表3所列。

表3 危害性准则下的打分结果

由此打分结果可得判断矩阵为:

对此判断矩阵进行一致性检验,经计算得出一致性比例 CR=CI./RI=0.006 662＜0.1,因此可认为该判断矩阵的一致性较好,故不需再对矩阵A进行修改。然后利用根方法,可得

计算危害性准则下的各环境影响类型的权重向量W1k=(X1,X2,…,X8)=(0.024 2,0.045 709,0.052 438,0.059 945,0.130 485,0.092 448,0.239 443,0.355 331)。

采用同样方法,以每千克各环境影响物质治理难易的相对大小为准则,对各环境影响进行打分。同时可以认为难治理的环境影响更应受到重视,所以这里打分时可以认为越难治理的环境影响越重要,相对分值越高。打分结果见表4所列。

表4 治理难易准则下的打分结果

同理可得出治理难易准则下的各环境影响类型的权重向量,即W2k=(Y1,Y 2,…,Y8)=(0.3,0.041 015,0.075 223,0.130 087,0.100 311,0.168 702,0.084 351,0.100 311)。

对于危害性准则和治理难易性准则,定义它们之间的权重关系W3=(0.7,0.3),并根据上述权重向量W1k、W 2k,计算得各环境影响类型的综合权重向量(0.106 940,0.044 301,0.059 273,0.080 988,0.121 433,0.115 325,0.192 916,0.278 825)。

最终计算各环境影响类型的综合重要指数Q=STkW=(q1,q2,…,q8)=(1.83×103,1.11×10,4.92,3.70×10-2,3.22×10-4,6.69×10-10,4.02×10-3,4.78×10-2)T×(0.106 940,0.044 301,0.059 273,0.080 988,0.121 433,0.115 325,0.192 916,0.278 825)。

将上述计算结果按大小排序,见表5所列。

表5 各环境影响类型的综合重要指数排序

由上述计算结果可知,温室气体、酸雨主要产生于洗碗机产品使用阶段电能的消耗(火力发电排放的二氧化碳、氮化物、硫化物等);富营养化主要产生于洗碗机产品使用阶段洗涤剂的使用;重金属(水、空气中)主要产生于洗碗机产品生产阶段切削加工等工艺过程;挥发性有机化合物来自洗碗机产品使用阶段机体的挥发(涂层及易挥发材料的使用);PAHs主要产生于洗碗机产品生产阶段塑料件的加工工艺过程;持久性有机污染物主要来源于洗碗机产品生产阶段工艺加工的副产品。了解这些之后,就可有针对性地对显著环境影响进行改进。此外,该款产品总的环境影响指数大小为EI=∑Q=1.97×102,在比较同款产品设计方案优劣时,该值可作为重要指标,即最优方案=min{EI}。

4 结束语

本文在传统LCIA方法的基础上,引入了治理难易目标的思想。在对产品的环境影响进行评价时,综合考虑传统的目标与新引入的目标,实现了全方位多角度的综合评判,同时又保留了Eco-indicator 99等传统方法的优点,不但可以对产品各环境影响进行综合重要度排序,帮助设计人员找出最需要关注的改进点,还能给出总的综合环境影响指数EI来描述产品的综合环境特性,帮助决策者对不同设计方案的优劣进行选择。

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M ulti-objective environmental impact assessmentbased on LCIA

LIU Zhi-feng, SUN Bo

(School of Machinery and Automobile Engineering,H efei University of Technology,H efei 230009,China)

This paper introduces the idea of mu lti-ob jective assessment in the process of life cycle impact assessment(LCIA).This method takes various targets of harm fulness and difficulty of dealing with the harm fulness into account,w hich isabreakthrough of the traditionalmethod thatonly focuses on sing le ob jective of harm fu lness.In the design phase,follow ing the p rinciple that the environmental impactsmore harm fulandmore difficult to be dealtw ith should be allocated w ith top priority and the environmental impacts less harm fuland easy to be dealtw ith be taken least consideration,the paper estab lishes a new multi-objective assessmentmethod,that can be used to support the choice of green design programs.A typical product of dishwasher isassessed via thismethod,and the overall im portance sequence and total index o f environmental impacts are acquired.The imp rovement points in the design program and the overall green level of the dishwasher can be found out by the presented method,which effectively supports the green design of electromechanical products.

green design;life cycle impact assessment(LCIA);Analytic Hierarchy Process(AHP)method

TH 12

A

1003-5060(2011)01-0001-05

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.001

2010-02-26;

2010-04-07

国家自然科学基金资助项目(50775061);广东省经贸委资助项目(20070105-1)

刘志峰(1963-),男,陕西宝鸡人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

(责任编辑 吕 杰)