基于冷鏈模式的某果蔬碳足跡計算

李 斌 劉 斌 陳愛強 趙松松 寧靜紅

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

隨著人們生活質量的提高，消費者對生鮮產品的需求量更大、品質要求更高，推動了冷鏈物流的快速發展，預計至2020年，冷鏈市場的復合增長率將達到17.1%[1]。但隨著冷鏈市場規模的擴大和技術裝備數量的增加，能源消耗所產生的碳足跡也日益增多。我國政府在哥本哈根會議上承諾，至2020年，單位GDP碳足跡將比2005年降低40%～45%，如何協調冷鏈的發展與低碳經濟的關系變得尤為重要。

國內外學者對冷鏈物流領域的能耗和碳足跡進行了相關研究，在冷鏈物流碳足跡計算方面，許茹楠等[2]研究了果蔬冷鏈各環節的碳足跡，發現冷藏運輸環節的碳足跡最多。劉倩晨[3]應用生命周期評估方法對冷鏈物流各環節的碳足跡進行了計算，分析了冷鏈企業考慮碳足跡前后影響利潤的關鍵因素。李斌等[4]研究了某果蔬從生產商到消費者環節的碳足跡，對運輸環節不同供冷方式下的碳足跡進行計算，建議在滿足運輸需求的情況下優先選擇碳足跡小的冷藏運輸方式。蔡依平等[5]計算了番茄生命周期各階段的碳足跡，并對比了海運和公路運輸方式的碳足跡。劉廣海等[6]提出了冷鏈物流系統碳足跡模型，研究了碳稅和腐損率對總成本和碳足跡的影響。陳靜等[7]研究了生鮮肉類食品供應鏈的碳足跡問題，提出了選擇合適的運輸方式，提高生產加工環節效率和冷藏設備空間利用率的減排建議。廖晶等[8]研究了荔枝雙渠道流通模式下冷鏈物流碳足跡，對比分析了荔枝在全程冷鏈和斷鏈時的成本和碳足跡情況。S.Benjaafar等[9]構建了供應鏈中碳足跡的測算模型，計算了牛奶供應鏈的碳足跡并提出減排措施。A.Carlsson-Kanyama[10]研究了不同食品的碳足跡問題，分析了不同環節的碳足跡。在冷鏈物流路徑優化方面，王智憶等[11]在考慮車速、距離、載重量等影響因素的基礎上，構建了碳足跡量最低和總路程最小的目標函數模型。錢光宇[12]以生鮮農產品冷鏈配送總成本最小為目標函數，建立了考慮碳足跡的路徑優化模型，結果表明，在碳稅價格較高時能減少規劃的路線產生的碳足跡。Yang J.等[13]在考慮碳稅的情況下建立了貨物配送路徑優化模型，并以城市果蔬配送為例進行模型驗證。任騰等[14]構建了在客戶服務時間范圍內以碳足跡量最小為優化目標的車輛路徑優化模型。有些學者提出生鮮產品在不同運輸距離下選擇合適的供冷方式可以節約運輸能耗，劉斌等[15]基于冷藏車運輸過程中的能量平衡分析，計算出2 h內可選擇保溫冷藏車，長距離運輸應選擇機械冷藏車。高恩元等[16]通過對3種冷鏈運輸方式下番茄的品質指標進行測定，提出根據不同運輸時長選擇保溫、蓄冷或機械供冷的運輸方式。李慧慧[17]研究了機械式多溫共配和蓄冷式多溫共配兩種配送方式下的經濟成本和碳足跡，結果表明，蓄冷式多溫共配減少了經濟成本，同時也降低了碳足跡。

上述研究集中在計算某產品在生命周期的碳足跡或構建考慮碳足跡的冷鏈物流路徑優化模型，也有學者提出根據運輸時間選擇合適的冷藏運輸方式以減少能耗，但沒有量化運輸環節不同供冷方式的碳足跡。因此，本文在上述研究的基礎上利用生命周期評估方法計算了某果蔬冷鏈各環節的碳足跡，并基于能量平衡方程，研究不同運輸時間下的冷藏運輸方式和碳足跡。目的是為企業和其他利益相關者選擇更環保的冷鏈流通方式提供參考，以減少果蔬生命周期的碳足跡。

1 碳足跡計算方法

碳足跡起源于生態足跡的概念，近年來學術界對碳足跡的定義是某一活動或產品在生命周期內直接及間接排放的溫室氣體量。常用的碳足跡的計算方法有生命周期評估法、投入產出分析法等。投入產出分析法是一種自上而下的計算方法，適用于計算宏觀系統的碳足跡。生命周期評價是一種自下而上的計算方法，適合計算微觀系統的碳足跡，可以分析一項產品從生產到廢棄整個生命周期造成的環境影響。本文采用生命周期評估法，計算依據為PAS 2050∶2008《商品和服務生命周期溫室氣體排放評估規范》，該方法包括目標和范圍定義、清單分析、影響評價和結果解釋4個部分[18]。

碳足跡有面積和質量兩種度量單位，為了和早期的研究統一，國際上一般以溫室氣體(GHG)的質量來衡量碳足跡量。碳足跡除了二氧化碳外還應包括其他溫室氣體，為此政府間氣候變化專門委員會IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)定義了不同溫室氣體的全球變暖潛值GWP(global warming potential)，GWP表示單位溫室氣體對全球變暖的貢獻大小，規定CO2的GWP=1，其余溫室氣體用CO2當量表示[19]，我國采用京都議定書規定6類主要的溫室氣體作為碳足跡的核算范圍。

2 果蔬冷鏈物流碳足跡測算框架

2.1 目標分析與范圍界定

我國果蔬產量大，流通過程中損耗率高，本文以某果蔬為研究對象計算果蔬在生產、預冷、運輸、冷藏、銷售和消耗整個生命周期的碳足跡。

功能單位定義了產品碳足跡的計量基準，使計算數據標準化，本研究以1 kg果蔬為計算的功能單位，系統邊界由果蔬冷鏈流程圖確定，如圖1所示。

圖1 系統邊界

2.2 數據收集

計算果蔬生命周期各環節碳足跡之前，需要收集系統邊界內投入的資源、能量等活動水平數據和對應的碳足跡因子，數據如表1所示。

表1 清單分析中的活動及數據

3 碳足跡計算與分析

3.1 生產過程碳足跡

以某蔬菜為例，生產環節的碳足跡量主要來自于生產過程中投入的化肥、農藥、塑料膜、灌溉用電、柴油以及土地釋放的N2O。生產環節的碳足跡受生產方式和氣候條件等影響較大，數據一般通過實驗測算，測算過程具有難度大、周期長的特點。本文參照Lin Jianyi等[20]的研究，每生產1 kg蔬菜的碳足跡為0.26 kg CO2。

3.2 預冷過程碳足跡

預冷可以快速去除蔬菜的田間熱，有效抑制呼吸作用和微生物生長，減少損耗，提高品質，還可以減少運輸和貯藏環節的冷負荷，降低運輸能耗。目前最常用的預冷方式有強制通風預冷、真空預冷、壓差預冷、冷水預冷、冰預冷等，應根據不同蔬菜的工藝要求選擇合適的預冷方式。本研究采用強制通風預冷，能耗主要來自制冷機消耗的電能，耗電量根據式(1)計算：

(1)

式中：W為耗電量，kW·h；Q為降低蔬菜溫度所需制冷量，kJ；COP為預冷設備能效比。預冷時蔬菜溫度從25 ℃降至4 ℃，某蔬菜比熱容為3.9 kJ/(kg·℃)，計算得預冷1 kg所需冷量Q為81.9 kJ，COP取2.5，需要預冷電耗為9.1×10-3kW·h。根據表1中的數據，1 kW·h電能的CO2排放為785 g，計算出1 kg某蔬菜預冷所產生的碳足跡約為7.144×10-3kg CO2。

3.3 冷藏車運輸過程碳足跡

冷藏汽車運輸具有組織時間短、機動靈活和直達性等特點，適合蔬菜冷藏運輸的市場需求，本研究使用公路冷藏汽車運輸蔬菜。冷藏汽車按照供冷方式可分為隔熱保溫運輸、蓄冷運輸和機械制冷運輸3種類型，應根據蔬菜的運輸時間來選擇合適的運輸方式。運輸階段的碳足跡源于車輛行駛過程的燃油消耗、制冷設備的能源消耗和制冷劑泄漏。

1)行駛碳足跡

假設長距離運輸使用10 t重型冷藏車，短距離運輸使用1.5 t小型冷藏車，使用的燃料為柴油。根據表1中的數據，計算重型、小型冷藏車的行駛碳足跡分別如式(2)、式(3)所示:

kg CO2/(kg·km)

(2)

kg CO2/(kg·km)

(3)

2)制冷碳足跡

冷藏車的熱負荷決定了所需的制冷量，為了維持蔬菜冷藏運輸過程中的低溫環境，對冷藏車的得熱量進行分析。蔬菜的冷藏運輸溫度范圍為0～8 ℃，計算溫度取4 ℃。為使計算具有廣泛性，式(4)定義了冷藏車的體型系數H:

(4)

式中：S為冷藏車的表面積，m2；V為冷藏車的體積，m3；H可以表征冷藏車單位體積的得熱量，m-1。體型系數值H與冷藏車的體型大小相關，1.5 t小型冷藏車(例如，福田奧鈴M4的箱體尺寸為4 085 mm×2 100 mm×2 100 mm)的H=2.39，10 t重型冷藏車(例如，東風雙橋冷藏車的箱體尺寸為9 400 mm×2 220 mm×2 050 mm)的H=2.09。蔬菜運輸過程中，冷藏車單位體積內的能量平衡可由式(5)表示[15]:

(5)

式中：T0為環境溫度，℃；T為蔬菜溫度，℃；mv為單位體積內的某蔬菜質量(堆碼密度)，kg/m3；cp為蔬菜比熱，J/(kg·℃)；λ為保溫材料的導熱系數，W/(m·℃)；dT為某蔬菜的溫度變化，℃；δ為冷藏車保溫層厚度，m；Q為單位體積內的制冷量，J/m3；q0為單位質量的蔬菜呼吸熱，J/(kg·s)；dτ為運輸時間，s。對于不同的供冷運輸模式，式(5)可以變為不同的形式。假設運輸車的保溫層λ=0.08 J/(m·℃)，δ=0.06 m，T0=30 ℃，cp=3.9 kJ/(kg·℃)，蔬菜溫升dT=2 ℃，mv=250 kg/m3，q0=0.09 J/(kg·s)。

3.3.1 隔熱保溫運輸碳足跡

保溫運輸的供冷量Q為0，冷藏車的能量平衡方程由式(5)變為式(6):

(6)

保溫運輸過程中，蔬菜依靠自身的蓄冷來維持運輸過程的低溫，不需要額外的冷量，制冷碳足跡為0。保溫材料選定后導熱系數不再變化，一般通過改變保溫層厚度來改變總傳熱系數，蔬菜在不同保溫層厚度下運輸時間隨溫升的變化如圖2所示。

圖2 不同δ時蔬菜運輸時間隨溫升的變化

由圖2可知，蔬菜溫度升高2 ℃(δ=0.06 m)時，1.5 t小型冷藏車的運輸時間為5.14 h，10 t重型冷藏車的運輸時間為5.70 h)。隨著保溫層厚度的增加，δ=0.12 m時1.5 t的小型冷藏車運輸時間為8.48 h，運輸時間顯著增長。在保溫層厚度相同時，小型冷藏車H較大，單位體積得熱量多，保冷運輸時間短。冷藏車的體形系數H對保冷運輸時間的影響較小，保溫層厚度是影響運輸時間的主要因素。

3.3.2 蓄冷運輸碳足跡

1)蓄冷劑供冷

蓄冷劑的相變溫度低于蔬菜溫度，因此假設蓄冷運輸過程蔬菜溫度不變(dT=0 ℃)，供冷量Q為蓄冷劑釋放的冷量，蓄冷劑的相變潛熱L=270 kJ/kg，顯熱可以不計，能量平衡方程由式(5)變為式(7):

(7)

式中：mpcm為蓄冷劑質量，kg。

根據式(7)可得不同運輸時間下冷藏車單位體積所需要的蓄冷劑質量，如圖3所示。

由圖3可知，在運輸時間相同時，蓄冷劑的相變潛熱L越大，所需蓄冷劑質量越小，相比于10 t重型冷藏車，1.5 t小型冷藏車單位體積需要的蓄冷劑更多。運輸時間60 h(L=270 kJ/kg)，每立方米需要約70 kg的蓄冷劑提供冷量。

圖3 不同L時單位體積的蓄冷劑質量隨時間的變化

假設蓄冷劑的冷量由制冷設備提供，結合式(1)可計算出制冷設備的耗電量，根據表1可知電能的碳足跡為785 g/(kW·h)，計算運輸過程中單位質量某蔬菜的供冷碳足跡如圖4所示。

由圖4可知，保溫層厚度δ對供冷碳足跡的影響較大，蓄冷劑潛熱L對供冷碳足跡的影響較小，因為保溫層厚度直接影響冷藏車熱負荷。碳足跡曲線隨著運輸時間的增加斜率變大是因為蓄冷劑占用了冷藏車的載重量和空間，減少了運送蔬菜的質量，平均到單位質量蔬菜的碳足跡增速變大(在運輸蔬菜質量不變時，供冷碳足跡與運輸時間成正比)。

圖4 不同δ時單位質量蔬菜的供冷碳足跡隨時間的變化

2)車輛行駛

假設1.5 t小型冷藏車的行駛速度v1=60 km/h，10 t重型冷藏車行駛速度v2=80 km/h。根據式(2)的計算結果聯立式(6)，得到10 t重型冷藏車行駛碳足跡y1和運輸時間的關系，如式(8)所示：

(8)

根據式(3)結果聯立式(6)，得到1.5 t重型冷藏車行駛碳足跡y2和運輸時間的關系，如式(9)所示：

(9)

單位質量蔬菜在車輛行駛過程中的碳足跡如圖5所示。由圖5可知，相比于10 t重型冷藏車，1.5 t小型冷藏車運輸單位質量蔬菜的碳足跡更多，因為10 t重型冷藏車的載重量大，平均到單位質量蔬菜上的碳足跡較小，增加保溫層厚度可以減少單位質量蔬菜的行駛碳足跡。

圖5 單位質量蔬菜的行駛碳足跡隨運輸時間的變化

3.3.3 機械制冷運輸碳足跡

1)制冷機供冷

機械冷藏車自身帶有制冷機組，獨立式制冷機組依靠自帶的柴油機驅動制冷，非獨立式制冷機組依靠汽車底盤的發動機帶動，停車時汽車處于怠速狀態供冷。冷藏車制冷機組的運行工況比固定式制冷機組惡劣，因此冷藏車制冷機組的能效低于固定機組，冷藏車制冷系統的COP在0.50～1.75之間[23]。冷藏車制冷機的碳足跡來自燃油消耗，制冷量取決于柴油發動機的熱效率η和制冷系統COP，可由式(10)計算：

Q=mqηCOP

(10)

式中：Q為制冷量，kJ；m為燃料質量，kg；q為燃料熱值，kJ/kg；η為發動機熱效率。驅動冷藏車制冷機組的柴油發動機熱效率一般為40%，柴油的單位熱值為43.2 MJ/kg[23]。

假設制冷運輸過程蔬菜溫度不變，將式(10)帶入式(5)，得到制冷運輸能量平衡方程，如式(11)所示：

(11)

根據式(11)計算出不同COP下機械冷藏車單位體積所需要的制冷油耗隨時間的變化，由表1可知柴油的碳足跡為3.060 kg CO2/kg，制冷碳足跡隨運輸時間的變化如圖6所示。

由圖6可知，在相同運輸時間下制冷機組COP越高，制冷碳足跡越小，制冷機組的COP對碳足跡影響較大，選用能效高的機組更環保。

圖6 不同COP時制冷碳足跡隨時間的變化

2)車輛行駛

不考慮機械冷藏車制冷系統對載荷的影響，車輛行駛碳足跡與式(2)、式(3)相同，10 t重型冷藏車的行駛碳足跡為7.510×10-5kg CO2/(kg·km)，1.5 t小型冷藏車的行駛碳足跡為2.921×10-4kg CO2/(kg·km)。

3)制冷劑泄漏碳足跡

制冷設備對全球變暖的影響約有20%來自制冷劑泄漏，不同的使用環境、不同的系統之間泄漏量差別很大。例如，家用冰箱的泄漏量僅為2%，冷藏車的制冷劑年泄漏量為充注量的10%～37%[26]。冷藏車主要使用R404A和R410A作為制冷劑，R410A的GWP=2 060，R404A的GWP=3 860。

假設1.5 t小型冷藏車的制冷劑(R410A)充注量為2 kg，10 t重型冷藏車的制冷劑(R410A)充注量為5 kg。冷藏車每天行駛400 km，一年行駛250 d，每年總行程為10萬km，制冷劑泄漏率為25%，計算得1.5 t小型冷藏車的制冷劑泄漏碳足跡為6.870×10-6kg CO2/km，10 t重型冷藏車的制冷劑泄漏碳足跡為2.575×10-6kg CO2/km。

3.3.4 運輸過程3種供冷方式碳足跡分析

保溫運輸不需要外界提供冷量，運輸過程的碳足跡最小，運輸時間小于5 h應首先考慮保溫運輸。蓄冷、機械制冷運輸的供冷碳足跡隨運輸時間的變化如圖7所示。

圖7 蓄冷、機械制冷運輸的供冷碳足跡隨時間的變化

在一定時間范圍內，機械制冷的碳足跡大于蓄冷供冷，這是由于蓄冷的冷量來自地面固定制冷設備，COP高于運輸制冷設備。隨著運輸時間的增加，曲線相交于A(橫坐標87 h)、B(橫坐標98 h)點，此時碳足跡量相等，A、B點之后，蓄冷供冷碳足跡大于機械制冷。

3.4 存儲和銷售環節碳足跡

儲存環節的碳足跡源于制冷設備電耗和制冷劑泄漏，由表1可知，批發商和零售商的冷庫存儲電耗為0.3 kW·h/(t·d)，電排放系數為785 g/(kW·h)，計算得蔬菜冷庫存儲碳足跡為2.355×10-4kg CO2/(kg·d)。

假設冷庫容量為10 t，全年可流通存儲100 t蔬菜，使用的制冷劑為R410A，充注量為10 kg，制冷劑年泄漏量為10%，計算得冷庫存儲環節制冷劑泄漏碳足跡為5.644×10-5kg CO2/(kg·d)。

由表1可知，陳列柜銷售階段每天的能耗為4.055 kW·h/m2，假設陳列區高度為0.5 m，蔬菜堆碼密度250 kg/m3，空間利用率0.4，計算出陳列柜中蔬菜質量為50 kg/m2，平均到1 kg蔬菜碳足跡為6.366×10-4kg CO2/d。

根據許茹楠等[2]的研究可知，消費者儲存階段1 kg蔬菜碳足跡為3.175×10-4kg CO2/d，冰箱的制冷劑泄漏量很小，忽略不計。

假設蔬菜生命周期內的損耗按10%計算，由表1可知，每千克蔬菜廢棄碳足跡為4.12×10-3kg。

3.5 某蔬菜冷鏈各環節碳足跡計算

為了更加直觀的分析蔬菜冷鏈各環節的碳足跡，計算出一條典型的蔬菜冷鏈碳足跡，如表2所示。表2說明了冷鏈各環節在不同時間、活動條件下的碳足跡，作為計算依據。圖8所示為某蔬菜冷鏈各環節碳足跡累積及所占比例。

表2 蔬菜冷鏈各環節碳足跡

由圖8可知，1 kg某蔬菜冷鏈各環節碳足跡為0.098 kg，運輸環節占總排放的82%，因為運輸過程既包括批發商運輸，還包括零售商運輸，運輸時間長導致行駛碳足跡較大，并且還要維持運輸過程的低溫環境，制冷系統會產生供冷碳足跡。預冷和存儲銷售環節的碳足跡量分別占總量的7%和6%，碳足跡的來源主要是消耗的電能，消費、廢棄階段的碳足跡占5%。

圖8 某蔬菜冷鏈各環節碳足跡累積及所占比例

3 結論

本文利用生命周期評估方法計算了某蔬菜冷鏈各環節的碳足跡，并基于能量平衡方程，研究了不同運輸時間下的冷藏運輸方式和碳足跡。在此基礎上研究了影響運輸環節碳足跡的因素，得出如下結論：

1)1 kg蔬菜的冷鏈碳足跡為0.098 kg，其中運輸環節的碳足跡最多，占總排放的82%，選擇合適的冷藏運輸方式是減少碳足跡的有效途徑。

2)對于預冷后的蔬菜，若運輸時間在5 h內，可以采用隔熱車保溫運輸，增加保溫層厚度可以有效延長保冷運輸時間，此時的供冷碳足跡為0。

3)對于蓄冷運輸，蓄冷劑的相變潛熱L越大，所需蓄冷劑質量越小。運輸時間60 h可以滿足國內長途運輸需要，相變潛熱L=270 kJ/kg時，每立方米需要約70 kg的蓄冷劑來提供冷量。蓄冷劑會占用冷藏車的載荷，減少蔬菜載重量，增加單位質量蔬菜的行駛碳足跡，保溫層厚度δ對供冷碳足跡的影響較大。

4)對于機械制冷運輸，使用COP高的制冷機組更環保，能夠大幅減小供冷碳足跡。

5)長途運輸時間在98 h以內，10 t冷藏車采用蓄冷供冷的碳足跡小于機械制冷。1.5 t冷藏車主要用于短途配送，采用蓄冷供冷的碳足跡始終小于機械制冷。但蓄冷的行駛碳足跡始終大于機械制冷，且行駛碳足跡占主要因素。

6)1.5 t小型冷藏車的行駛碳足跡是10 t重型冷藏車的3倍多，供冷碳足跡稍高于重型冷藏車，因為兩種冷藏車的體形系數H相差較小，對供冷碳足跡的影響較小。