公交站牌变电子墨水屏黑白,代价是什么?LCD与墨水屏技术的优缺点

einkcn 2020-6-9 2287

可以预报公车到站时间的公交站牌为我们的生活带来了很大的便利,我们再也不用忍受在车站望眼欲穿的痛苦。在享受便利的同时,你有注意过公交站牌屏幕的变化吗?本期让我们来看一看公交站牌变化的背后会有什么样的影响吧。

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01 /选题背景

2019年夏天,我们发现印象里同济南门附近的几个智能公交站牌换成了类似Kindle电子阅读器的黑白屏幕,这种新技术被称作“电子纸技术”。

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图1 同济大学附近一处电子墨水屏公交站台(作者自绘)

该新型屏幕来自电子纸厂商E-Ink元太科技,于2018年5月首次在浦西试点搭建,此前多数使用的是一代的纸质站牌和二代的LCD电子站牌。

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图2 上海公交站牌种类更替迭代图示(作者自绘)

久事公交集团透露,2018年内计划在中心城区建成1500个站杆预报屏(13寸)和1000个站亭预报屏(32寸),2019年还将继续扩大墨水屏的覆盖率。(来自EINK官网报道“上海再增2500个E-Ink电子墨水屏公交站牌阳光下清晰可见”)

公交站牌变电子墨水屏黑白,代价是什么?LCD与墨水屏技术的优缺点  第4张图3 电子墨水站牌在上海的迅速推广(作者自绘)

电子墨水技术在人们心中的形象还停留在电子阅读器的阶段,如今,究竟电子纸技术的原理和发展走到了什么地步?同时,电子墨水屏幕公交站牌的生产和使用,是否真的如企业和新闻所形容的那样,相比普通智能站牌更加环保和可持续呢?

电子墨水屏公交站牌的推广究竟代表了什么?

 

02 /研究部分
大量的的LCD屏幕被电子墨水屏所取代,是否真的更加环保和可持续了呢。本文聚焦于LCD屏幕与电子墨水屏的全生命周期的对比,试图找到答案。

1. 电子墨水屏技术原理及发展

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图4 电子墨水屏技术发展及基本原理(作者根据e-ink官网数据自绘)

电子墨水屏由数百万个微胶囊(microcapsules)所构成,每个微胶囊裡含有电泳粒子──带负电荷的白色以及带正电荷的黑色粒子,悬浮于透明液体中。利用正负相吸的原理,当电场接通时,该区块对应的黑或白粒子会移动至微胶囊的顶端,使用者就能看见白色或黑色。

这种新型屏幕被称为环保的显示科技,主要源于其两大技术特点:

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图5 双稳态技术(图片来源:tw.e-ink.com)

所谓的双稳态,就是即使移除供电来源,电子纸显示屏上的画面仍然能持续显示不会消失,仅在更换画面时才需要消耗电量。在大型电子看板的应用上,画面不变换的时候也是完全不需要消耗电量。长期下来,电子墨水屏与相同尺寸的LCD显示屏看板相比拥有非常优异的节电性能。

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图6 反射式技术(图片来源:tw.e-ink.com)

电子纸显示屏(也常被称为「反射式显示屏」)完全不需要背光源,其原理是利用环境光源打在电子纸显示屏幕上再折射光线至观看者的眼中,环境光源越亮,电子纸也越清晰可见。这与传统纸张的可视原理是一样的。

2.  LCD屏幕与电子墨水屏幕制备过程中对环境的影响

LCD显示屏和电子纸显示屏的前期制作流程基本相同,主要是玻璃基板与ITO薄膜。TFT(Thin Film Transistor)指薄膜液晶显示器,是屏幕能够显示图像的主要模块,ITO(Indium Tin Oxides)在屏幕中作为分压电阻直接影响电路两端电压的大小。

二者对于水、土、气环境的危害主要来源于共有成分生产过程中排放的废水(含重金属离子镍与氟化物)与工业废气(二氧化硫、氮氧化物与氯化物)。

(数据来源:TFT-LCD生产废水深度处理组合工艺优化研究 张巧; 杨晟; 衷从强; 张建; 彭盛华 水处理技术 2019-10-17)

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图7 LCD屏幕与电子墨水屏幕制备过程中对环境的影响(作者自绘)

二者后期工序中的区别在于电子墨水屏的微粒是电泳粒子,而LCD屏幕则使用了液晶分子。

液晶分子:稳定性高且生物降解性低的化学品,它的结构中包含大量苯环、氟、氯和溴。如果被掩埋,这些化学物质可能会渗入地下水系统并影响生态系统。

若采用焚烧处理法,在高温下液晶可能会转化为CFC(氯氟烃),并破坏臭氧;在低温下焚烧,液晶可能会变成二恶英,PCB(多氯联苯),盐酸或氢氟酸。

电泳粒子:相对而言,电泳粒子的主要成分二氧化钛与炭黑则无毒无害,对环境没有太大的影响。
(数据来源:电泳粒子的制备及其在电子墨水中的应用 王静; 冯亚青; 李祥高; 张雪峰 材料科学与工程学报)

3.    LCD屏幕与电子墨水屏幕使用过程中能耗对比

在产品使用阶段,我们对比了在2012年至2018年上海市虹口区一电子公交站台先后使用的两种规格的显示器,分别是55寸户外LCD显示器以及更换后的32寸雀普电子墨水屏。

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图8 32寸电子墨水屏与55寸LCD显示屏比例对比(作者自绘)

55寸的LCD显示器的功率为250W,以每天工作24个小时不断电、生命周期长度为5年计算,共耗能3.942 x 107 KJ。这些能量将使用上海市统一的火力发电标准的电缆供电。根据CLCD数局库中的数据将能耗转化为等效碳足迹,该值将是427 KG CO₂ Eq

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图9 LCD屏幕与电子墨水屏幕使用过程中的能耗(作者自绘)

电子墨水屏能源直接来自于自带的太阳能光伏板;电子墨水屏一天之内有10-12个小时需要开启led背光模块去额外照明。32寸的电子墨水屏本身的功耗为2W,它的取光伏全生命周期的平均值计算,在五年内电子墨水屏及背光模块将耗能 3.15 x 106 KJ + 4.73 x 106 KJ=7.88 x 106 KJ 的能量。(产品功率参数来源:雀普官网SC-55-D电子站台产品说明书)

按照欧盟委员会产品环境足迹计算方法,光伏的上游制造环节占据了光伏全生命周期碳足迹的80%到95%。等效在太阳能电池板的生命周期的碳足迹会达到288 CO₂ kg。(计算依据:欧盟生命周期基础数据库Ecoenvient)
可以看出,电子墨水屏在使用过程中,由于其使用清洁的太阳能作为能源,在能耗方面可以说是优于LCD屏幕,然而由于其生产阶段的高能耗的特点,导致电子墨水屏在使用周期内的碳足迹并没有想象中的那么低。

4.  LCD屏幕与电子墨水屏幕生产和使用过程中总碳足迹对比

 

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图10 理想情况下LCD和EINK碳足迹对比(作者自绘)

 

引入LCD屏幕与电子墨水屏幕的使用寿命参数(LCD:  5-6年、e-ink: 8年)后,计算得出在不同阶段二者对自然资源的消耗程度(以碳足迹GWP为指标),并绘制图表如上。由图可知,无论是生产还是能耗,电子纸屏幕向大气排放的碳排放量都远低于LCD屏幕,且其使用寿命相比LCD屏幕的使用寿命较长。

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图11 理想情况下LCD和 EINK 各项参数对比(作者自绘)

经过对比,我们可以看到,在LCD和电子纸的全生命周期中,无论是生产还是能耗,电子纸屏幕向大气排放的碳排放量都远低于LCD屏幕,且其使用寿命相比LCD屏幕的使用寿命较长。由此得出,在理想情况下,电子纸屏幕公交站牌是更为环保的选择。

5. 公交站牌真实使用寿命

那么在现实生活中,这个结论也同样适用吗?我们找到了三个公交车站牌,通过百度地图街景系统,发现站牌一共经历过三次种类的更替(传统的纸质金属站牌-LCD智能电子站牌-电子墨水站牌)且其中的时间间隔并不长。

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图12 上海市三处电子公交站牌迭代情况(作者自绘)

依据公交站1的各个时间点推测得出其屏幕迭代更换的速率,我们深入推算各个屏幕真实的使用时长,发现皆小于其在理想情况下的使用寿命。

即是说,LCD屏幕在并未失效之前便被弃用了。

公交站牌变电子墨水屏黑白,代价是什么?LCD与墨水屏技术的优缺点  第16张图13 真实使用周期与理想使用周期等效碳足迹对比(作者自绘)

发现了这样的事实后,我们重新绘制了之前的图表。集中在二者重合的区域可以明显地发现,仅仅是间隔的三年中,更换屏幕的碳排放是已经高于完整使用LCD屏幕直至报废的理想状态。也就是说,从现实情况来看,在电子智能公交站牌生命周期结束前更换电子墨水屏幕的做法,从环保可持续的层面来看其实并不是一个合适的决策。对于新技术而言,这样的举措也并不是真正恰当可持续的应用。

对于单个电子智能公交站牌而言,在生命周期结束前更换电子墨水屏幕的做法要比完整使用LCD屏幕直至报废的理想状态多产生312kg碳足迹,如果将全上海市同期更换的电子墨水屏数据引入讨论,这个差值将扩大至340吨

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图14 依据欧盟生命周期基础数据库绘制(作者自绘)

 

03 /设计思考

1. 三种新技术替换模型

在之前的计算中发现,导致电子墨水屏提前替换LCD屏幕造成碳足迹的增长的主要原因,是电子墨水屏生产阶段的碳足迹(GWP)会直接累加在新产品使用阶段的碳足迹,而这个值要大于提前替换的时间里电子墨水屏比LCD屏幕节约的碳足迹。

为了分析新旧产品更换时间对整体碳足迹的影响,我们将旧产品全生命周期的碳足迹标为土黄色,新产品全生命周期的碳足迹标为绿色,共同显示在同一张图表中进行比较。设定t为实际新旧更换时间与理想状况下旧产品使用寿命结束间的时间差,S1是指该时间差t与新旧产品在使用阶段中平均碳足迹差的乘积,代表了使用阶段的碳足迹差值,S2为新产品生产阶段中所产生的碳足迹。

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图15 新旧技术产品更换时间对碳足迹的影响(作者自绘)

当S1>S2时,提前更换是不助于环保的举措,S1<S2时适宜完成更换,S1=S2时则恰好是两者碳足迹相等的时间点,可以作为更换时间的一个参考。对于不同类型的产品,由于前期的生产阶段碳排放和使用阶段碳排放的占比都不同,建议的更换时间也不尽相同。通过比较S1与S2的面积大小,我们得出了以下三种不同情况下的更换建议:

1)如果N值出现在旧产品的使用周期之后,即在产品的使用寿命之中一直维持着S1<S2的情况,那么越早更换新产品越能达到节能减排的效果。
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图16 第一种新旧技术产品迭代模型(作者自绘)

2)当N值出现在旧产品的使用周期之中,即在N值之前进行新旧产品的更换是能达到环保的效果的,而一旦过了这个时间点,就不再建议在旧产品报废前进行更换。

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图17 第二种新旧技术产品迭代模型(作者自绘)

3)当N值出现在旧产品的使用周期之前,即在产品的使用寿命之中只存在S1>S2的状况,提前更换一定是不环保的,建议在旧产品完全结束生命周期后再替换。

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图18 第三种新旧技术产品迭代模型(作者自绘)

2. 城市公共设施生命周期监测系统

在数字模型的基础上,我们设计了一款未来的城市公共设施生命周期监测系统。

设备提供商在该平台上提供产品的生命周期等信息,政府则提供维护和运行数据。通过这个流程,城市的每台公共设施所处的生命周期会清晰地体现出来,以构成智能巡检系统。优势是能够省去一定的人力成本;在数据透明的情况下方便三方监管。

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图19 未来的城市公共设施生命周期监测系统(作者自绘)

3. 参与性设计

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图20 当前的设计模式(作者自绘)

现在已有的设计模式主要是由享有新技术的企业对产品进行革新后,通过政府进行推广生产,最终完成设计并投放到市场上的单线模式。产品的真正使用者用户在其中没有话语权,仅仅被动地接受新技术和新产品。

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图21 参与性设计模式(作者自绘)

我们希望能引入Web平台与数学模型的深化版本,让技术从一开始就公开透明,通过网络渠道让政府和受众了解学习,在设计过程中,受众也可以清晰地看到整个流程并在过程中提出自己的意见与设计方案。

 

参考文献

[1]王宁.一种基于物联网技术的智慧公交系统.科技经济导刊(2019.07)

[2]张俊,袁玉梅.薄膜液晶面板制造业生产工艺废气污染及治理.北方环境(2011.07)

[3]杨林锋.氟污染现状及其治理技术研究进展.江西省环境保护科学研究院(2010.05.01)

[4]Kuldip Singh Sangwan.Life cycle assessment of CRT, LCD and LED monitors(2015.04)

[5]Raquel Rimbach.Liquid Crystal Display (LCD) Recycling System Developed by The Industrial Technology Research Institute of Taiwan(2017.11.15)

 

 

点评:

该组细致地洞察到了真实发生在身边的市政设施变化,并深挖其背后环境影响。先是系统地比较了两种屏幕全生命周期的环境影响,后得出关键性的洞见:造成浪费的真正原因是提前结束了旧产品的使用寿命。分析视角新颖,三种新技术的替换模型使人印象深刻。设计思考更是紧扣前文发现的问题,参与式设计的愿景让人心向往之。(指导老师:曹静)


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