面向机械制造企业的全生命周期低碳运营流程模型

  引言

  机械制造业是国民经济的重要支柱以及国民生活的重要物质基础来源，为社会提供了大量的生产资料。而机械制造企业大多属于传统行业，存在着严重的高能耗、高污染和高排放问题，是当前我国发展低碳经济、实施节能减排的重点领域。随着社会节能低碳意识的深入人心和机械行业内节能意识的逐步加深，我国机械工业的发展方式正发生着悄然变化，逐渐步入节能减排、提高能源利用率的低碳制造发展之路。

  目前，低碳制造已成为工业界及学术界研究的热点问题，并主要集中于低碳制造的概念与理论模型、低碳设计理论与方法、碳排放定量分析与评估方法、制造系统低碳优化理论，以及低碳加工技术与装备等方面［1］。文献［2］对低碳制造进行了定义，认为低碳制造致力于降低制造过程的碳排放强度，高效地利用能源和资源; 文献［3］提出了“零碳制造”的概念，集成物料流、能量流和废物流，建立了一种系统框架模型来分析碳流的输入与输出关系，讨论实现零碳制造的可能性; 文献［4］采用一种基于投入产出与生命周期评价的评估方法，对新产品的碳足迹进行分析，可为低碳产品开发提供方法支持; 文献［5］～ 文献［8］从工艺优化、提高原材料利用率、减少能源浪费、提高工艺能力效率、节能优化调度，以及发展新型制造模式等方面，提出各种制造业的减碳策略与方法。机械制造企业如何运作和实施低碳制造，是一个系统性、综合性及实践性很强的问题，与产品设计、制造技术、企业管理、社会学及环境学等科学知识密切相关，需要解决“多生命周期、多维度及多层次”等诸多问题之间的优化协调。目前针对机械制造企业实施低碳运行的研究，侧重于从单维度出发，实现产品某一生命周期过程的低碳化，而从系统工程角度深入分析制造企业低碳运行及实施模式的相关研究相对较少，因此，本文从生命周期的多维度出发，建立机械制造企业低碳运行的总体框架过程模型，对于机械制造企业实施低碳制造具有一定的指导意义。

  低碳制造是一种综合考虑产品全生命周期资源( 能源) 消耗、污染排放，以及碳排放的可持续制造模式，并且是一次涉及生产模式、生产方式、管理模式、制造工艺、加工设备及人员素质等方面的新的技术革命，致力于通过高效利用能源和资源进而降低产品全生命周期过程的碳排放强度，强调从原材料获取、能源生产、产品设计、制造、装配与包装，以及产品经过使用直到报废处理的产品全生命周期过程中，实施碳排放的减量化与控制［1］。当前机械制造企业如何发展低碳制造，低碳制造如何实施与运行，还存在一系列问题需要解决。总结国内外机械制造企业实施节能减排、发展低碳制造的一些经验以及研究成果，针对我国机械制造业的特点并结合产品生命周期过程，以实现机械制造企业经济效益及社会效益协调最大化为目标，以能源结构低碳化、制造过程低碳化、产品低碳化及产品终期回收处理为途径，强调提高能源利用率及资源利用率，提出一种四层结构的机械制造企业低碳运行总体框架，即机械制造企业低碳运行的总体过程模型，如图 1 所示。模型第一层为目标体系层，其构建了机械制造企业实施低碳制造的目标体系，描述了机械制造企业低碳运行所要达到的具体目标，即经济效益与社会/环境效益的协调最大化，降低物料消耗，提高能耗效率，改善能源结构，最终形成一条综合考虑资源能源消耗、碳排放的低碳发展之路。模型第二层为低碳运行策略层，机械制造企业要实现低碳化主要从源头控制、过程控制、末端控制及产品低碳化四个方面来实施。其中源头控制主要包括选择碳足迹较小的原料代替传统原料、输入更为清洁的能源; 过程控制主要从节能、节材和减排三个方面对生产过程进行全面控制，节约原材料，节约能源，减少污染排放量，实现制造过程低碳化; 末端控制主要通过再利用、再制造和资源化等方式，实现废旧零/部件的重用或资源化处理; 产品低碳化，是指提高产品能效并降低碳排放量，为社会提供更为低碳的产品。模型第三层为生命周期过程层，该层构建了机械制造企业产品生命周期过程。产品生命周期过程涵盖了产品从原材料开采、获取到产品的设计、制造、装配与包装，以及产品经过使用到报废回收处理的全生命周期过程。而机械制造企业发展低碳制造，必须从生命周期过程的各个环节出发，实现全过程的低碳化。模型第四层为支撑系统层，该层主要构建了机械制造企业低碳运行支撑技术平台与系统，主要包括低碳制造运行所涉及的产品数据管理、制造过程管理、能耗及碳排放数据采集、碳排放监控、企业管理与优

化运行相关的支持系统及各类数据库等。

  2． 1 目标体系框架

  机械制造企业实施低碳制造，是在当前气候变化问题愈演愈烈的背景下提出的一种可持续制造模式。与传统的以追求经济利益为最终目的、不考虑资源能源消耗及碳排放的运行模式相比，低碳制造追求的目标是解决制造业长远发展与碳排放增加之间的矛盾，寻求一条经济效益与社会效益协调最大化的低碳发展之路。机械制造企业低碳运行的目标可以表示为:min Z = ( E→，Ｒ→，G→，C→)式中: 总目标由 E→、Ｒ→、G→、C→等子目标所组成，而各子目标看成是由多个组成部分所构成的向量，如 E→= ( E1，E2…，Ee) 表示企业或某个车间的能源消耗，e 为消耗能源种类数，Ee为第 e 种能源的消耗量; Ｒ→= ( Ｒ1，Ｒ2，…，Ｒr) 表示资源消耗，r 为资源种类数，Ｒr为第 r 种资源的消耗量; G→= ( G1，G2，…，Gg) 表示碳排放( 实际为温室气体排放) ，g 为碳排放的来源数，Gg为第 g 种碳排放源的排放量; C→= ( C1，C2，…，Cc) 表示制造成本，反映企业的经济效益，c 为成本的组成数，Cc为第 c 种成本的数值。

  2． 2 低碳运行策略

  2． 2． 1 源头控制

  实现制造企业的低碳化，必须从能量来源( 源头上) 出发，调整能源消费结构，输入更为清洁的能源( 如一次能源可选用天然气等，二次能源如电力能源等的低碳化需从更为宏观的国家能源结构调整出发) ，不断提升清洁能源在能源消费中的比重，降低煤炭等高排放能源的使用，提升改进耗能工艺( 改变能源消费类型) ，实现能源结构的低碳化。在机械制造企业中，把制造资源转变为产品或零件的制造 过 程，实 质 上 是 一 个 物 料 流 动 的 动 态 过程［9］。机械制造系统是一个不断输入制造资源，通过制造过程而输出产品，并同时产生废弃物及二氧化碳排放的输入输出系统。而制造资源的输入、消耗、转化、浪费、回收、处理及这些过程的影响和控制，形成了机械制造系统的资源流，因此，要发展低碳制造，需选择碳排放小的原材料，实现物料输入的低碳化。

  2． 2． 2 过程控制( 制造过程低碳化)提升能耗效率

  制造过程的碳排放主要包括一次能源消耗产生的二氧化碳排放，以及电力能源等二次能源消耗产生的间接碳排放。实现制造过程的低碳化，需要改进工艺过程，优化生产流程，提升制造过程的能耗效率。提高资源利用率。物料资源制备过程中附加大量的碳排放，因此，提高资源利用率，减少物料资源的使

用，实现产品的轻量化，可间接实现制造过程的低碳化。减少污染排放。低碳侧重于碳排放的减量化，而对其他污染物的排放有所淡化。生产所排放的大气污染物中，存在大量气体造成严重的温室效应，因此要发展低碳制造，必须对污染物的排放有所控制。

  2． 2． 3 产品低碳化

  低碳产品是指具有能效高、碳足迹低等低碳特征的产品。从产品全生命周期的角度来看，大部分机械产品的能耗集中于使用阶段，例如，文献［10］指出机床装备使用阶段的能耗占产品全生命周期能耗的90% 以上。目前，低碳产品已得到越来越多的消费者9的青睐，如更为低碳节能环保的家电产品，更为省油、经济的家用轿车等。机械制造企业提供各种生产资料及产品，而这些产品应用于其他行业，是其他行业耗能的主要来源，因此，开发低碳产品是机械制造企业实现产品全生命周期低碳化的重点。而只有推出节能环保的低碳产品，机械制造企业才能在当前低碳成为发展主题的时代背景下取得市场先机。

  3 汽车行业实施低碳制造案例分析