基于综合效益评价的陶瓷产品全生命周期理论研究及应用

摘要

建筑材料工业是重要的基础材料工业和原材料工业。近年来，经济的高速发展以及大规模的基础设施建设虽然推动了传统建筑材料的发展，但是也带来了资源过度消耗、能源短缺和环境污染等一系列问题。陶瓷是重要的建筑材料。近些年来，我国陶瓷制造业取得了较大的发展，自1993年来生产和出口一直位居世界首位，但在热耗、电耗、污染物排放等指标方面同国际先进水平仍存在较大的差距。热工过程是实现节能、降耗、减少污染物排放的关键过程，也是生产优质产品的重要保证，因此开展热工过程关键技术的研究不仅能促进我国陶瓷制造技术的发展，增强我国陶瓷装备和陶瓷产品的国际竞争力，而且对实现我国陶瓷制造行业的节能、降耗、清洁生产发展目标也具有重要的现实意义。
　　 本文基于陶瓷行业的国内外研究现状，针对陶瓷产品综合效益相关的理论及其若干关键问题进行了深入研究，主要内容如下：
　　 (1)研究了陶瓷烧成的工艺过程，分析了窑炉内流体流动、传热、传质和物理、化学反应等要素以及它们之间相互作用机理，结合烧成过程的建模方法，根据实际工况，推导了窑炉内的换热与气体流动方程，建立了烧成过程的广义数学模型，并确定了窑内气体流动与传热控制方程及其离散方法。在此基础上，构建了基于CFD的陶瓷窑炉热工过程建模与仿真平台。
　　 (2)研究了陶瓷热工生产过程的特点，分析了基于机理建模的局限性，考虑到陶瓷烧成过程具有强非线性、强耦合性、不确定性和大滞后性的特点，建立了基于动态优化的陶瓷烧成过程炉温预测模型，并通过改进的学习算法取得了较高的预测精度，实现了预测模型的自适应性。
　　 (3)探讨了建筑陶瓷产品全生命周期理论，提出并分析了绿色陶瓷的生态友好性、美学艺术性和经济性这三大基本要素和特点；研究了建筑陶瓷产品生命周期评价LCA(Life Cycle Assessment LCA)的特殊性，并根据ISO14040系列标准提供的生命周期评价的技术基础，评价了我国建筑陶瓷产品全生命周期的环境表现；分析了基于全生命周期的建筑陶瓷涉及的生命周期成本构成，提出把建筑陶瓷生命周期成本分为生命周期财务成本和生命周期环境成本，并分别建立了各成本构成的相应计算方法和计算公式；根据建筑陶瓷全生命周期，建立了建筑陶瓷生命周期成本分析的流程。
　　 (4)研究了生命周期评价LCA与生命周期成本LCC(life cycle cost LCC)的集成框架，提出了基于时间系数矩阵的清单分析的集成算法；构建了LCA与LCC集成评价体系并应用于建筑陶瓷综合效益评价，探讨了相关指标权重的确定方法，从经济成本、能源消耗和环境排放三个层面出发，将主观赋权法与客观赋权法结合起来，提出了集成模糊层次分析法与信息熵权法评价指标权重的方法，全面细致地讨论了指标权重的计算过程；提出了根据全生命周期中财务成本最小、生命周期环境排放最小、美观性能最优和能源消耗最少这四个目标，并确立了基于全生命周期的建筑陶瓷产品综合效益的多目标优化方法。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 论文相关领域国内外研究现状

1.3.1 陶瓷制造业总体现状

1.3.2 窑炉热工烧成过程的数值模拟

1.3.3 烧成过程炉温制度的研究

1.3.4 全生命周期的研究

1.4 当前研究存在的不足

1.5 课题的项目支撑

1.6 论文的结构框架与主要研究内容

第2章 基于CFD的陶瓷烧成过程建模与仿真平台研究

2.1 烧成过程建模方法的研究

2.2 陶瓷烧成过程特点

2.3 窑炉内的传热模型

2.3.1 热传导基本方式及理论

2.3.2 窑炉内传热计算

2.3.3 窑炉内气体流动和传热的控制方程

2.4 陶瓷窑炉建模与仿真平台的开发

2.4.1 陶瓷窑炉CFD-NHT分析技术

2.4.2 Fluent软件的特点

2.4.3 陶瓷窑炉建模与仿真平台的总体结构

2.4.4 陶瓷窑炉建模与仿真平台的功能模块

2.4.5 仿真平台案例研究

2.5 本章小结

第3章 基于动态优化的陶瓷烧成过程炉温预测

3.1 陶瓷的热工生产过程特点

3.2 面向窑炉热工过程的动态预测模型

3.2.1 动态神经网络

3.2.2 陶瓷烧成过程炉温分布预测模型

3.3.3 预测模型中的神经网络结构

3.3.4 预测模型中的数据集（输入输出样本）

3.4 回归神经网络的学习算法

3.4.1 BP学习算法及其收敛性分析

3.4.2 RBF神经网络

3.5 改进的GGAP-RBF的学习算法

3.6 基于改进学习算法的陶瓷烧成过程炉温预测与仿真

3.6.1 预测模型的实现

3.6.2 网络参数的设置及结果讨论

3.6.3 基于时间窗的自适应组合预测模型

3.7 本章小结

第4章 建筑陶瓷产品全生命周期评价

4.1 产品生命周期评价的相关理论与方法

4.1.1 生命周期评价的概念及产生的背景

4.1.2 生命周期评价的实施框架

4.1.3 生命周期评价的指标体系

4.1.4 生命周期评价的应用领域

4.1.5 生命周期评价的意义及其局限性

4.2 建筑陶瓷产品全生命周期理论

4.2.1 生命周期评价对建筑陶瓷生产企业的作用

4.2.2 我国建陶企业的绿色战略

4.3 建筑陶瓷产品生命周期评价的特征

4.4 建筑陶瓷产品生命周期评价

4.4.1 目标与范围

4.4.2 清单分析

4.4.3 环境负荷分析

4.5 建筑陶瓷产品生命周期成本评估

4.5.1 建筑陶瓷产品成本评估的概念

4.5.2 建筑陶瓷产品生命周期成本的构成

4.5.3 建筑陶瓷产品生命周期成本分析的流程

4.6 本章小结

第5章 生命周期评价和生命周期成本评估的集成

5.1 LCA与LCC集成框架

5.2 基于矩阵的LCA与LCC集成框架的实现

5.3 陶瓷制造阶段集成评价模型

5.4 基于模糊层次分析法和信息熵法的影响评价集成

5.4.1 建筑陶瓷综合效益评价指标体系确定原则及方法

5.4.2 影响评价指标体系的集成

5.4.3 评价指标赋权方法

5.4.4 层次分析法AHP

5.4.5 模糊层次分析法FAHP

5.4.6 基于模糊层次分析法FAHP和信息熵权Entropy的组合赋权

5.5 基于多目标决策的陶瓷产品综合效益评价

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 本文研究的创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目