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”。
图1 同济大学附近一处电子墨水屏公交站台（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”）
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？
1. 电子墨水屏技术原理及发展
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：
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。
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。
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)
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。
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。
图8 32寸电子墨水屏与55寸LCD显示屏比例对比（作者自绘）
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)
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
图10 理想情况下LCD和EINK碳足迹对比（作者自绘）
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
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。
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。
图14 依据欧盟生命周期基础数据库绘制（作者自绘）
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。
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：
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。
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。
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。
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
图20 当前的设计模式（作者自绘）
图21 参与性设计模式（作者自绘）
[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）
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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