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“双碳”战略背景下的家具减量化设计技术研究
类别:家具设计 | 录入者:fid | 发布时间:2022-11-05 [994]


2020年9月22日,中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣示:中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。中国正在为实现这一目标而付诸行动,中国从此进入双碳时代。据估算陆地生态系统中总“碳库”的56%被森林所贮存,故其面积的变化直接影响到陆地生态系统的碳源碳汇作用[1],而木材本身及木制品具有“低碳”价值和重要的储碳与减缓气候变化的作用,木材工业也具有碳汇产业特征[2]。提高木材利用率、减少木材消耗,实现家具工业的减量化,成为实现碳中和目标的重要一环。

2022年6月,由国务院印发的《工业能效提升行动计划》指出:“积极推进用能高效化、低碳化、绿色化。推进重点领域能效提升绿色升级,支持制造企业加强绿色设计,支持大型企业全面推行绿色制造”[3] 。作为传统制造业的典型代表,高能耗的家具制造企业推进“双碳行动”已不是一道“加分题”,而是一道“必答题”。现阶段,我国家具(家居)产业正由传统制造业向具有大规模、大批量、定制化、数字化、智能化的方向转型升级,低碳、绿色、可持续化是现代木材工业生产体系的发展方向[4]。

1.1“1+1+N”政策体系与家具减量化原则

关于减量化,在碳达峰碳中和的“1+1+N”政策体系指出:“发展循环经济,提高资源利用效率并推动绿色低碳技术创新。”同时,《“十四五”循环经济发展规划》提出:要遵循“减量化、再利用、资源化”的“3R”原则,最大限度地利用进入系统的物质和能量,以低消耗、低排放、高效率为基本特征[5]。在《循环经济促进法》中也提到:“发展循环经济应当在技术可行、经济合理和有利于节约资源、保护环境的前提下,按照减量化优先的原则实施。”

在“双碳”战略背景下,家具减量化是指:在保证安全性、人机关系协调和满足所需功能性的前提下,体现在产品生产过程中的能源及资源消耗的降低、减少流通中的成本损耗及消费中的污染[6],实现以环境资源为核心的家具产品绿色设计,发挥木质资源固碳作用的同时,实践家具产品从设计到生产、使用、回收全流程的低碳化。因此,对家具进行“减量化”设计,丝毫没有偷工减料之意,而是在不改变家具总体造型、使用功能、安全性的前提下,通过优化设计,使用智能优化开料、大规模定制订单组批等技术,结合智能生产和智慧管理系统,实现材料、人工消耗的降低,并有效控制进入家具生命周期各环节的物质流和能量流,综合考虑碳排放问题,进而达到低碳绿色制造、降低产品成本、提高市场竞争力的目的[7]。

1.2 家具设计阶段减量化中的减碳体现

随着低碳设计理念和“双碳”战略的实施,消费者更倾向和购买绿色度更高的低碳产品[8]。以“双碳”为目标的家具产品低碳化转型,需把环境性能优化作为产品设计的目标和出发点,力求在设计环节就考虑到使产品对环境产生的负面效应降到最低。尽管家具产品在设计阶段的支出一般仅占总成本的5%,但其对环境保护的贡献率可达80%~90%。

从设计源头开始控制和规划家具全生命周期的碳排放,充分考虑家具产品的功能、质量、研发周期及成本的同时,优化产品各设计因素,对包括家具的选材、生产制造、包装与仓储、物流与运输、安装、回收再利用等环节进行系统化的减量设计[9]。使其本身及未来各环节对环境的总体影响更小、资源利用率更高、功能价值更佳[10],实现从家具设计的源头对木材资源的节约、对能源节制,以提高家具整体绿色化程度。

原材料的采集与制备是家具生产的第一步,不同的材料特性可能会在家具产品加工过程中带来复杂的工艺瓶颈和不必要的能源浪费;而在家具报废环节,若前期未针对废弃家具本身的材料制定回收计划,或采用本身就难降解、难重新利用的材料,势必增加家具生产的总碳排放。

有关研究表明,家具生产过程中“材料制备”环节是碳排放主要来源之一。如人造板生产过程中,约有70%能耗发生在干燥和热压工序[11];另一项对不同生产工艺下的木基材料研究中,测量以木质板材为主要制造用材的家具产品(包含多种家具类型)生命周期的等效CO2排放清单数据后,指出:需在生产环节减少、回收内部产生的废物并优化使用的材料数量和种类以尽量减少对环境的影响[12];而关于强化木地板产品全生命周期碳排放的研究也指出,在其生产的原辅材料使用阶段的碳排放约占总生产的50%[13]。可见,对家具材料进行减量化是实现“双碳”目标下的家具低碳绿色设计的基础环节也是重要途径之一。

2.1 低碳人造板材

材料选用的低碳性,在很大程度上决定了产品最终的低碳程度,也是实现材料减量化的重要途径。相对水泥、钢铁行业而言,从生物固碳、减少温室效应方面考虑,木质材料是更为清洁且绿色的材料。木质林产品固碳和替代效应是通过代替传统能源密集型材料并以减少CO2的排放量来实现的。一项以芬兰木质家具行业温室气体排放的主要因素研究中指出,材料对产品的温室气体排放有着重大影响[14]。

板式家具使用板材为主材,一般以木材剩余物、小径材等作为主要原材料,故与实木家具相比能有效减少优质木材的使用[15]。而从“双碳”角度综合比较,板式家具的生产总碳排放相比实木家具的生产更具减量优势。一项研究比较和测定了三聚氰胺板、木皮板、拼板和嵌条板等四种材料制造家具的综合原材料碳排放和生产电力碳排放总量后得出:人造板类家具碳足迹更小,是实木类家具的55%~82%[16]。

2.2 材料的高效化利用

2.2.1 综合规划材料利用

提高木材利用率,要从开采原木阶段就充分挖掘其每项可利用价值。树皮、树枝等可制作碎料板材、刨花板,主料部分则可制造各种板材;回收报废木质家具,也要充分考虑其回收的价值,通过改造、再加工使其达到一定程度上的循环使用,对于不能直接利用的零件可以经过改造、分离再提炼,重新形成原材料。

2.2.2 材料加工性能

相比板式家具,木材的机械加工性能是影响实木家具的生产中木材利用率和生产工艺的重要因素,选择加工性能良好性的木材材种,能有效减少加工工时、木工机械耗损及简化涂饰环节,对实木家具生产减量化有直接的影响。当然,除了木材本身具有较好的加工性能外,还需要进一步提升加工设备性能、提高木材加工机械水平,这不仅是对材料节约利用、减少后期生产环节加工投入,也可提升木材制品成品的品质、延长家具使用寿命,是实现木材高效化利用,达到减碳的有效途径。

2.2.3 减少材料种类

2021年,我国定制家具行业规模突破4000亿元,其中板式家具达到了80%~90%[17]。在定制生产过程中,企业为了满足不同消费者的需求,其所用板材种类也会增多,如板材基材的种类和饰面种类。但是,繁杂的材料种类会造成拼单困难,导致材料利用率降低。因此,在满足消费者需求的前提下,家具企业可以控制并减少板材基材与饰面的规格、种类或将其限制在一定范围内,以实现家具板材库存和品类的减量化。

2.2.4优化开料与揉单生产

除少数头部定制家具企业的板材利用率能够达到80%~90%外,我国多数家具企业以工人的经验为主,其板材利用率只有60%~70%,普遍存在开料与制造为“非标准化、单件化”及材料浪费大、出错率高等问题[18]。

优化开料。在个性化定制时代,客户需求的多样性使得订单内容变得繁多且复杂,进而导致排样、开料难度加大,开料方案的好坏直接影响到板材出材率,进而影响整体材料利用率。随着智能算法在家具行业尤其是排板阶段的深入研究与推广应用,板材的利用率也不断提升。如Buehlmann提出基于成组技术优化的裁板方法[19]、还有学者在基于蚁群算法[20]、灰狼算法[21]的板材排料优化方法及与订单组批和排样的协同优化等方面的研究[22],都在提升材料利用率,推进开料减量化。

揉单生产。揉单生产是将多个订单混合在一起进行排单生产的模式,企业系统后台会分析并统计每个订单,将不同订单中相同的零部件组批,统一安排生产任务。揉单生产带来的减量化优势主要体现在提高材料利用率上,有研究在测试了在订单数一定的情况下,揉单生产比订单式生产(即“一单一生产”模式)的板材平均利用率会有大幅提升[23]。

现阶段,一些头部的家具企业,如索菲亚、尚品宅配,通过使用先进的开料软件融合拆单、拼单的生产方式来优化板材开料,并结合企业生产实际不断改进相应软件的算法,在理论上实现了订单量足够大的情况下,将板材利用率提升到95%以上,大幅提高板材利用率,实现材料的减量化,大大减少这部分材料浪费而产生的额外碳排放,也是实现“双碳”目标的有效途径之一。

2.3 材料的高值化利用

材料减量化的内涵不仅仅在于节约“优材”,更在于充分利用“次材”和边材、回收利用“弃材”,即对材料进行“高值化”利用。

2.3.1 劣材优用

实木拼接。实木家具的范围不单指基材采用实木锯材等天然木材,还包括实木板材,其主要有指接材、集成材、细木工板等。鉴于木材资源数量的有限性,实施“小材大用”“劣材优用”,如使用指接材、集成材,可实现优质木材的减量化和生产工艺简化,提高生产效益。

2.3.2 边角料有效利用

木质边角料是家具企业产生的主要固体废弃物之一,分布在家具生产各工段。因其种类多、尺寸不一、难分类、精细处理方式复杂等因素影响,常规的处置方式较为粗放,且存在大材小用现象。应根据边角料特点,在设计阶段对其用途进行预判,尽可能使得边角料的形状大小能接近二次加工产品的形状,以有效提高其利用率。如大型余料重新入余料库存区以制作家具零部件、锯材实木装饰用品;中型余料或制成木条、木方用于生产空心板或根据木材边角料的特殊处理方式由第三方回收企业的进行回收再利用等;而对于一些小料,其作为柴薪利用过于低值化,但用作复合材料的生产原料的制备工艺相对复杂又可能会增加生产成本,则可以考虑将这类尺寸的木材加工剩余物应用于人造板或纸浆生产中[24]。

2.3.3 贴面装饰

使用贴面材料对家具表面进行处理是一种快速又易加工的方式。对于珍贵的树种来说,其纹理美丽、加工性能好,可以考虑通过旋切、刨切、粘贴等工艺制造出相应的薄木材,覆贴在一般木材表面,这一方面可以节省珍贵木材,另一方面在不影响实木家具表面效果的同时使用轻质材或集成材做基层材料,减轻了家具的重量,降低了成本,节约了珍贵木材资源,使更多人能享受到优质木材的天然美。

可以选择木质类的贴面材料,如天然薄木、人造薄木、集成薄木、单板等,使用这些贴面材料能使家具表面保留是木材的优良触感和特性,具有天然的木纹和自然的色调。实际上,在木家具的生产中往往是几种处理方式结合使用,如贴薄木后再进行涂饰,这样的处理能得到更好的家具外观质量和装饰效果。从减量化角度来看,它提高了优质木材的使用,可快速、大面积地完成家具表面处理,改善家具表面质量,为后面的工序提供了良好的基础,减少了处理环节的碳排放。

2.3.4 速生材改性利用

速生材改性技术是改善木材天然材质缺陷、提高木材使用性能和产品附加值的主要手段。质轻木材的特点一般为“速生”,如常见的有杨木、松木、泡桐木、杉木等。以杨木为例,它是我国重要的速生人工林树种,但因其材质疏松、轻软、易变形且装饰性能差,一般难以直接应用于家具这类有高附加值的产品中。

不过近年来对这类速生材的改性技术研究不断推进,有效提高了材料的使用性能,已经可以部分替代常用阔叶材的使用,主干的木质部分可以被用来制造家具,而其他的边角余料也可以被作为各种人造板材的原料。

2.3.5 生物质材料制板

中国是农业大国,每年产生大量农作物加工剩余物(秸秆、玉米杆、甘蔗渣等)。然而,针对农作物秸秆的处理方式多为就地掩埋或集中焚烧,对环境造成严重污染。秸秆材料化利用是实现农作物剩余物高值化利用的重要途径,其中,开展以秸秆、蔗渣等为剩余物主要原料代替木材制备秸秆基人造板的研究对实现秸秆代木、废物高值化利用具有重要意义。中南林业科技大学的相关团队研究开发了秸秆人造板、甘蔗渣轻质无胶板和阻燃无胶高密度板等,已在建筑、室内、家具等领域得到应用。农作物秸秆剩余物在木质人造板领域的广泛研究与应用,不仅在某种程度上缓解了木材资源短缺的问题,并有效拓宽了农作物加工剩余物材料化的使用途径,同时也是家具工业生产中减碳的思路。

2.3.6 废弃板材回收利用

我国人造板产量保持在每年3亿立方米左右,但约有10%的人造板及其相关制品会在数年后被废弃,因此我国每年就会产生约3000万立方米的废弃人造板[25-26]。相较于把这些废弃人造板再生产制成传统的木基人造板材,把其作为填充、增强的原料,使用到复合板材的生产中,其再制品的性能会更优越且碳排放也更低[27]。

2.4 轻质材料应用

在不影响家具整体安全性和使用性的前提下,使用轻质材料不仅可以节约材料并且在家具运输环节节约大量物流消耗的能耗,减少碳排放。

2.4.1 轻质天然材料

在合理使用常规木材的同时,在家具中全部或局部使用轻质材料替代重质木材和一些珍贵木材,可实现材料减量化和家具的轻量化。还有一些轻质的生物质材料也可使用在家具生产中,如使用藤、麻、竹条等生物轻质材料,由其编制的网状结构拥有比使用轻质木材还轻巧的形态,同时也是一种装饰的手段。可以在家具面板等非承重处使用,以代替原本需大面积使用木材的部分,以减少木材资源消耗、减轻产品重量,同时实现了家具的减量化与轻量化目标。

2.4.2 轻质人造板

制板技术的提升使得胶合板、空心板材的界限逐渐淡化,轻质木质材料(轻质刨花板的密度约为500kg/m3,轻质纤维板的密度一般等于或低于450 kg/m3)取代原先密度较大的人造板(传统刨花板大多在620 kg/m3~720 kg/m3之间,纤维板大多为650 kg/m3左右)作为家具的非受力部件应用于家具之中,可以节约木材资源,且还能降低加工能耗和运输成本。如Hao等研制的空心板在保证强度的同时可减少自重[28],使得板式家具的主要材料从传统人造板向轻质高强人造板转变,为减量化和轻量化设计提供了应用基础。

当前,随着电商行业膨胀式发展以及板式家具的大量普及化,家具产品更新换代频繁,木质家具由高端保值产品逐渐成为低价易耗品,并由此产生了不少废弃木质家具。这些废弃家具的材料种类繁多,需根据不同的材料进行分离和收集。虽然我国先后颁布并实施了《废弃木质材料回收利用管理规范》等一系列国家标准,以引导、规范和推进废弃木质材料资源的高效再利用,但从实际看来,现阶段对废弃家具制品在内的木材循环利用依旧较少。在目前的“双碳”目标背景下,需要意识到处理这部分“废弃资源”会产生大量碳排放,需要在家具的前期设计环节就综合考虑到这一部分资源的可回收和可再利用性,对废旧木材的回收并资源化利用提前预判并规划[29]。

现阶段,我国废旧木家具回收与利用主要有:通过木材回收站或与环卫系统合作,将回收的废旧木料,按照市场需求加工成木料、木塑产品或者作为人造板生产的原料。从家具的回收与利用的减量化角度来看,家具生产制造过程中胶黏剂、油漆、表面涂饰等的应用,若要将木材处理还原到木材原始材料状态,需进行一系列繁琐的拆分处理、化学处理,所以回收的废旧家具较为理想的处理方式还是以直接地修复与翻新后,重新加以使用。

尽管对废弃木家具回收利用环节的减碳需求较大,但是目前基于废弃木家具或木材回收的实践案例调研和理论研究都比较少,到底是由生产制造的主体即家具制造企业主导的回收模式、还是由家具零售企业主导还是要由家具制造企业将废弃木家具回收外包给专业第三方回收企业或是基于供应链动态联盟战略联盟企业式的回收模式[30] ,在家具回收与再利用阶段的全路径碳综合效益最佳、最终的碳排最小,尚值得深入研究。现阶段,虽然已经有学者从木质家具的再制造设计、木材回收的逆向物流模型着手,并以最大化供应链的利润和所有参与者双赢为目标对废弃木材的回收利用及如何提高整个回收链上的效率等展开了研究[31],但对于如此大体量的废旧家具淘汰规模而言,还是远远不够的,且需要从设计源头就进行规划与预测,而非在最终环节进行“弥补”。

此外,通过提高家具产品耐用性、推迟其老化期,有效减少家具产品的废弃和处理量;或通过对家具进行可持续性升级、增强可维修性,进一步研究和提升家具设计环节中对于家具零部件的模块化、标准化、通用化等应用的方法,从而降低制造新家具和处理回收废旧家具所产生的碳排放。

在碳达峰碳中和“1+1+N”政策体系指出:“加快完善节能提效体制机制,健全完善工业节能标准体系”。《“十四五”循环经济发展规划》中也明确提出:“要加快完善重点产品绿色设计评价技术规范,鼓励行业协会发布产品绿色设计指南,推广绿色设计案例。”因此,建立切实有效的与家具绿色低碳发展直接相关并贴合目前“双碳”战略背景下的的家具减量化设计评价体系,对延伸和拓展家具绿色化内涵提供可靠的评价方式与优化路径具有一定的理论和实践意义。

信息技术不断发展和“双碳”目标背景下对循环经济、绿色设计等各项要求,对于促进可持续发展目标的指导性作用尚停留在定性的理论层面,同时通过对绿色家具产业发展的研究表明,中国家具行业实施绿色制造的关键是系统性地提高绿色技术[32],而作为可实践的具体指标及相关评价方法的定量研究值得深入挖掘。

4.1 家具的评价方法

对于家具的审美感受的不同、主观认识上的差异和涉及到人类多种情感、感官因素以及评价者自身及社会因素等的影响,对家具产品的评价一直是个难题[33],若刻板地按照量化的评价指标体系去套用,很难得到满意的结果,并会出现许多不确定评价因素。且人们的主观认识会随着内外环境的变化而不断发生变化,哪怕是行业内的不同专家,对各评价因素、指标、指标间的因果关系和互相间影响的权重等关键问题的看法也是不同的。如绿色家具就是一个相对的概念,其绿色度具有相对性,评价体系具有层次性,评价指标具有不完全性和模糊性评价标准的不完善。

对于不确定性问题的研究,20世纪60年代,美国学者扎德(L·A·Zadeh)创立了模糊集合(Fuzzy Sets)理论,为解决此类模糊、不确定性问题提供了新的工具[34]。此外,灰色关联理论、人工神经网络评价法等也在家具评价中展开了应用。而基于生命周期的评价方法在产品绿色设计的评价中,尤其近年来在碳排放量计算模型时也多有提及,产品的生态性、绿色性以及面向环境性都要在产品的整个生命周期中体现出来[35]。

4.2 基于“双碳”目标的家具减量化设计评价体系

目前,绿色低碳制造标准化体系工作经历了从单一维度到多维度、定性与定量逐步融合的发展过程,推动了包含绿色低碳、绿色企业、绿色园区、绿色供应链从设计规划到评价服务等重点领域标准制修订[36]。我国国家标准GB/T 35607-2017《绿色家具产品评价》对绿色家具产品进行了明确定义。同样,对基于基于“双碳”目标下的“家具减量化设计评价”也应该尽快出台相应的标准,才能从根本上规范和量化家具行业减碳减排的目标。

研究绿色设计、绿色家具的相关内涵,结合循环经济、“双碳”理念,对目前“双碳”目标下的家具减量化概念进一步拓展和延伸,针对家具的绿色化、低碳化、减量化等科学的评价方法在产品设计领域进行理论的探索,为实现“双碳”目标下的家具绿色化提供一个理论方面的拓展。

构建和完善基于碳中和碳达峰目标特征下的家具绿色化设计评价体系的理论基础,研究在绿色减碳范畴下的家具工业绿色化的具体定义、内涵和定量评价的实现方式,以获得基于“双碳”理念下的绿色家具多目标优化问题的解决范式。但如前文所述,对家具产品的评价和认识必定会出现模糊不清、难以定量的情况,对于家具绿色、低碳、减量化评价的定义与评价也具有这样的不确定性,需要有一套科学合理的方法来解决其中的不确定性问题,以定性和定量结合的评价方式建立起评价系统。

因此,这里我们可以考虑参照关于国际国内关于绿色发展指标体系来构建减量化设计评价体系。国内外关于绿色经济评价指标体系的研究非常多,近年来备受众多国际组织的重视,包括由世界环境和发展委员会(WCED)构建的“城市绿色发展评价指标体系”、由联合国环境规划署(UNEP)构造的“绿色经济衡量框架”[37];还有,国内相关部门与研究也积极跟进绿色发展指标体系研究,如由国家发展改革委、环境保护部等同制定了《绿色发展指标体系》,以及国内外一些学者也尝试进行了与绿色发展相关指标的构建。可以看出,对于同一领域的问题,不同机构或研究团体会有不同的评价和构建方法,从这些构建的方法和指标中,也给予进一步完善适合“双碳”目标下的家具的绿色低碳评价构建评价指标和体系以借鉴和参考。

自提出“双碳”战略目标以来,我国家具制造业向着节能减碳目标转型,本文从家具减量化设计角度梳理了“双碳”战略目标下家具实现绿色优化的原则,并从家具设计的材料减量化和回收利用减量化角度阐述了家具减碳的途径。可以看到,“双碳”重大战略的决策大力推动经济结构、能源结构、产业结构转型升级的同时,也将有力推动中国家具制造业向着基于节能、降耗、减排的智能制造转型升级。而家具的绿色设计及延伸的家具减量化设计,将从设计理念的源头指导家具全生命周期中对于减碳减排理念的落实,随着大规模定制家具制造模式和信息化管理技术的发展,以数字化设计为开端,也引导家具产品从源头来设计制造环节的“减碳”目标。但也要看到,对于废旧家具的回收与再利用环节如何实现减量化处理及废旧家具产生的碳排放量的综合核算,还有待更加深入与细致的研究。此外,重视并加快构建基于“双碳”目标背景下的家具减量化设计评价体系,能从根本上推进家具行业实现碳中和和碳达峰目标。


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注:本文来自《家具与室内装饰》杂志2022年第09期

 
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