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浅谈船舶绿色设计

作者:admin发布时间:2021-09-15 09:16

  20世纪70年代以来,工业污染所导致的全球性环境恶化达到了前所未有的程度,迫使人们不得不重视这种现实。日益严重的生态危机要求全世界采取共同行动来加强环境保护,以拯救人类生存的地球,确保人类的生活质量和经济持续健康发展。进入20世纪90年代以来,各国的环保战略开始经历一场新的转折,全球性的产业结构调整呈现出新的绿色战略趋势。这就是向资源利用合理化,废弃物产生少量化,对环境无污染或少污染的方向发展。在这种“绿色浪潮”的冲击下,绿色产品逐渐兴起,相应的绿色产品设计方法就成为目前的研究热点。

  所谓可持续设计思想,就是在生态学的指导下,将设计纳入“人-机-环境”系统,在实现社会价值的同时强调保护自然价值,促进人与自然的共同繁荣。可持续发展,是人们应该遵循的一种全新的价值观。其本质在于充分利用现代科技,大力开发绿色资源,不断改善和优化生态环境,促使人与自然的和谐发展,人口、资源和环境相互协调,相互促进。

  可持续发展思想的产生,促成了设计理念的根本变革,从而更为深刻地阐明了设计对于认识世界、改造世界的重大意义。人们在转变传统发展模式、实行可持续发展战略的时候,必须纠正过去那种单纯靠增加投入加大消耗实现发展的模式和以牺牲环境来增加产出的错误做法,从而使经济发展更少地依赖地球上有限的资源,而更多地与地球的承载能力达到有机的协调。

  要实现可持续发展,就要求企业改变传统的生产方式[NextPage]和经营观念,走可持续生产之路,为了增加市场竞争力,做到生产成本低、生产周期短、产品质量高的同时,还要重视提高产品的制造技术水平以及不影响生态环境,即进行绿色设计,这是实现可持续发展的关键。

  绿色设计,是指在保证产品功能、质量、成本的前提下综合考虑环境影响和资源效率,使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生或使环境污染最小化,符合环境保护要求,对生态环境无害或危害极小,节约资源和能源,对资源利用率最高,能源消耗最低的设计技术,通常也称为生态设计,在这一周期内着重考虑产品环境属性,即可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等。

  按照绿色设计技术的思维方式,要求从选材开始到产品报废整个生命周期中的每一个环节的输入和输出要对环境影响和资源效率给予充分的考虑。与传统设计技术所考虑的设计方案,即原料—工业生产—产品使用—报废—弃入环境的开环系统那种只追求产品属性(功能、质量、成本)而不考虑或很少考虑环境属性的做法不同的是,绿色设计技术考虑的设计方案是一个闭环系统,即原料—工业生产—产品使用—报废—二次原料投资,从设计、制造、使用一直到产品报废回收整个生命周期对环境影响最小、资源效率最高,也就是说要在产品整个生命周期内,以系统集成的观点考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性、人身健康及安全性等)和产品基本属性,使产品[NextPage]在满足环境目标要求的同时,并保证应有的功能、质量、成本、寿命等。

  绿色设计的最终体现是绿色产品,它是产品绿色程度的载体。作为绿色产品,需要能合理使用材料,以最贴近自然的、对人体无害的、节省能源的材料满足产品功能的需要。就船舶来说,它在为人类交通运输业做出巨大贡献的同时,也能给人类环境造成巨大破坏。目前,航运业和造船业正在全球范围内发起一场新的“绿色革命”。中国在跨入世界造船业第一方阵之后,也正加速船舶产品结构调整与优化升级,瞄准绿色安全这一船舶未来发展方向,促进船舶从建造到运营、拆解全寿命周期的绿色环保。积极研制开发“绿色”航运工具便成为可持续设计思想引导下的必然趋势。

  绿色船舶,是指在其全寿命周期中(包括设计、制造、营运、报废拆解) , 通过采用先进技术,能经济地满足用户功能和使用性能的要求, 并节省资源和能源, 减少或消除环境污染, 且对劳动者(生产者和使用者) 具有良好保护的产品。

  开展绿色船舶,首先要求设计者灵活运用可持续设计意识,即在开发设计过程中,每一个环节都要充分考虑到环境效益,尽量减少对环境的破坏,这包括尽量减少能量消耗,提高能源使用效率,广泛使用绿色新材料,充分考虑加工制造过程中的材料利用率,以降低物质消耗,考虑船舶在使用过程中的能源消耗,同时还必须考虑船舶产品在营运寿命终止后,报废、拆解不对环境造成负面影响,以及部分材料、零部件和设备能够再生利[NextPage]用。

  船舶的绿色设计是从产品需求、设计、制造、营运到回收再生整个寿命周期一起考虑的, 把产品、环境与人类一起, 并行考虑寿命周期内每一阶段的相互影响。

  材料的选择。材料的绿色特性对船舶的绿色性能具有重要的影响,在材料选择时应注意以下几点:选用废弃后能自然分解并为自然界吸收的材料;选用无毒无害材料, 避免生产过程对人体造成危害和对环境造成污染;选用可再生的材料;选用较少种类的材料, 简化设计。尽可能少用复合材料;选用工艺性能优良的材料, 以降低零件加工的难度与废品率, 节约加工过程的能源消耗。

  能源的利用。近年来,国内外在新能源开发和利用方面,将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向,并取得了重要的成果,而船舶可利用的环保能源主要是指太阳能、核能、氢能和液压天然气。将来利用太阳能制氢,再利用氢氧化还原反应产生能量的系统有可能成为一种绿色新型船舶能源系统。

  标准化、模块化设计。随着科学技术的进步, 世界各国对海洋保护意识的日益提高, 对船舶结构、性能提出了更高的要求。由此, 船舶更新换代的周期越来越短。为了避免由此造成的不良后果, 船舶在设计时, 有必要采用标准化、模块化的设计。

  并行设计。根据并行工程的思想, 由设计者、制造者和环保工程师参与船舶的初步设计、详细设计和生产设计整个过程,通过相互协调,综合考虑船舶由初步设计到报废拆解[NextPage]的整个寿命周期中影响资源利用与环境污染的所有因素,优化各个设计环节,减少产品生产的往复过程,提高整个制造系统的资源利用率,降低废品率,节约资源。另外,还应综合考虑产品的结构设计、材料选择、制造环境设计、工艺设计、回收处理设计等各个方面, 实现并行式绿色制造设计。

  近年来,越来越多的进行可持续设计尝试的工程实例表明:计算机系统在可持续设计中的广泛、深入的应用已成为不可逆转的潮流,并且在很大程度上影响了可持续设计的最终水准。当人们设计和构造复杂系统的时候,需要制造一个模型来进行各种试验,利用计算机,人们可以建立各种数学模型,在特定的虚拟环境中,计算机模拟经过反复试验,帮助人们了解系统的性能,检验预想的假设,进行系统的分析、设计、预测或评估。

  CFD,即计算流体力学(Computational Fluid Dynamics),是一种重要的计算机模拟技术,它是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。传统船舶设计研究方法需要进行大量的模型试验, 耗费大量的人力、财力, 周期长。过去十几年来对船舶水动力学数值方法的不断探索和研究, 计算机硬件、网络和数据库的显著发展,使得分析船舶及其附体的性能和流动细节的CFD软件的功能越来越强,CFD方法在计算能力和实用化方面都发生了深刻的变化, 虽然现在还不能达到拖曳水池的精度(但已达到实用的最低精度),[NextPage] 但是它的诱人前景(高经济效益和丰富的流场信息)和迅猛有效的发展态势,受到国际造船界的高度重视。

  CFD技术具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同工况等独特的优点,在可持续设计中大有用武之地。利用CFD方法可以对处于流场中的设计船周围的流体波形, 兴波阻力, 尾流局部流动, 粘性阻力等进行模拟和预报,从而可以得到各种物理量的详细分布情况,获得直观、科学、可靠的决策依据,真正提高可持续设计的有效性。这对于保证所设计船舶具有良好的水动力性能,提高设计效率,减少模型试验能耗及材料消耗都有着重要的指导意义。

  我国是一个发展中国家,同时也是一个人口众多、资源相对匮乏、工业基础比较薄弱的大国,在发展中所面临的环境压力特别巨大。这种严峻的形势,使我国加快进行可持续设计的研究迫在眉睫。然而,目前我国的可持续设计的理论和实践都处在初级阶段,发展速度也不尽人意,究其原因,主要是人们的环保意识相对薄弱,不了解国情,不了解环境,缺乏危机感,同时也与设计手段的相对滞后不无关系。改变这种状况需要政府、学术界和每一个有责任感的设计人员一齐行动起来,树立可持续设计观念,努力提高自己的知识水平,使得以CFD为代表的计算机应用技术早日成为提高我国可持续发展水平的有力工具,积极参与到中国乃至世界的“绿色行动”中去。(作者单位:安徽省皖江船舶检验局)

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