我国果蔬冷链碳足迹分析

(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

随着人们生活水平的不断提高，消费者对食品的品质和安全有了更高的要求，食品冷链技术也在逐步发展。虽然冷链可以提高食品的安全性和新鲜度，但会导致更多能源的消耗和温室气体的排放[1-2]。2009年底在哥本哈根会议中，中国政府承诺2020年我国单位GDP CO2排放比2005年下降 40%～45%，显然冷链的发展与低碳化经济之间存在一定的矛盾。所以将碳减排引入冷链中，不仅可以减少碳排放，也可以降低企业的成本[3-4]。生命周期评价法可以评估冷链过程的碳排放，分析食品系统各个阶段的碳足迹，为冷链碳减排提供依据。目前我国尚未出台碳足迹计算的相关标准，开展的有关组织碳足迹、产品碳足迹工作均以国际标准、PAS2050《商品和服务生命周期温室气体排放评价规范》等为依据[5]。

PAS2050是目前唯一确定的、具有公开具体的计算方法、以及人们咨询最多的评估产品碳足迹的标准[6]。它是建立在生命周期评估(LCA)方法之上的评估商品和服务生命周期内温室气体排放的规范。PAS2050规定了两种评估方法：企业到企业(B2B)和企业到消费者(B2C)。计算一个B2C产品的碳足迹时需要包含产品的整个生命周期，包括原材料的获取、制造、分销和零售、消费者使用、最终废弃或回收等环节[7]。

果蔬冷链使用制冷技术和设备，通过果蔬采摘后的预冷、冷藏、运输、以及冷藏陈列柜销售等阶段，以保证果蔬品质，降低腐损。但同时产生大量温室气体，对环境和人类的健康造成重大危害。中国是果蔬生产大国，每年消费者对果蔬冷链的需求都在增长，伴随产生的温室气体也逐年增加[8-9]。为了顺应低碳经济的发展，量化果蔬冷链过程的环境影响，本文采用生命周期评价法来分析果蔬冷链各环节温室气体排放数据。

1 研究方法

冷链系统碳足迹是指食品在原材料获得、低温加工、包装、低温贮藏、运输、配送及冷藏销售等过程中温室气体排放量，用CO2当量(CO2eq)表示。产品生命周期评估是对产品整个生命周期的所有环境影响进行科学、全面的评估，客观地评价和改善产品的环境性能。它是对产品生命全过程实施环境管理的有力工具，也是推行清洁生产的理论基础。一个完整的LCA一般包括4个步聚，即目标界定、清单分析、影响分析和完善化分析[10-11]。图1所示为产品生命周期评价框架。本文根据PAS2050计算果蔬冷链在整个生命周期内(从原材料的获取，到预冷贮存、运输、销售和消费)温室气体排放量[12]。

图1 生命周期评价框架Fig.1 Life cycle assessment framework

图2 系统边界Fig.2 Research boundary

2 食品冷链碳足迹

2.1 产品选择

本文以我国果蔬为研究对象，进行产品碳足迹核算。由文献[13]全国冷链物流企业分布图2017年数据显示：冷库总容量为36 095 589吨，冷藏车保有量为74 587辆，其中自有冷藏车为31 643辆，企业整合社会冷藏车42 994辆[13]。中国每年果蔬产量巨大，据统计2014 年总产量达到约10亿吨，但由于物流保鲜技术和设备落后，每年冷链流通的果蔬量仅1.46亿吨[14]。据统计，全国每年由铁路调运的易腐货物中能保证用冷藏列车运输的货物占25%；公路冷运易腐食品占运输总量的20%；水路冷运易腐货物冷运量占全年水运总量的1%[15]。

2.2 评价目标

本文评价目标是量化我国果蔬在冷链全生命周期的温室气体排放，核算食品冷链系统中温室气体排放量最大的生命周期阶段或生产流程，识别果蔬从生产到消费全过程对环境的影响，为企业节能减排降低成本提供数据支持。评价涉及果蔬产品的主要生命周期过程包括：原材料获得、预冷、低温贮藏、运输、配送及冷藏销售。

2.3 功能单位

功能单位是对产品系统输出功能的度量[4]，为研究提供一个可以参考的单位。本文找出果蔬冷链温室气体排放热点，不进行产品间的比较，因此对果蔬农产品生命周期分析时，取每千克果蔬为功能单位。

2.4 系统边界

本文取B2C评价模式进行系统边界的划分，如图2所示。系统界定的关键原则是：要包括生产、使用及最终处理该产品过程中直接和间接产生的碳足迹。以下情况可排除在边界之外：碳足迹小于该产品总碳足迹1%的项目、人类活动导致的碳足迹、消费者购买产品的交通碳足迹、动物作为交通工具时产生的碳足迹(如发展中国家农业生产中使用的牲畜)[2]。系统内温室气体排放源包括但不限于：能源利用、燃烧过程、化学反应、制冷剂的损失和其他气体的逃逸、运行、土地利用改变、牲畜和其它农业过程、废物[16]。

2.5 清单分析

清单分析是针对产品生命周期的各个阶段列出其资源、能源消耗及各种废料排放的清单数据[10]。产品生命周期的碳足迹模型被定义为[17]：

G=Gm+Gpr+Gt+Gs+Gc

(1)

式中：G为产品生命周期碳足迹；Gm为原材料获得阶段的碳足迹；Gpr为预冷阶段的碳足迹；Gt为运输过程的碳足迹；Gs为使用贮藏和销售阶段的碳足迹；Gc为消费阶段的碳足迹。

2.5.1原材料获取阶段

果蔬生产的碳源包括来自农业生产投入的CO2(如化肥、农药等)、来自田地的CH4、化肥应用的N2O包括合成肥料和粪肥以及作物残余物和直接能源(电力、柴油、汽油、煤)产生的CO2。为了使不同的排放源具有可比性，采用全球变暖潜能值(global warming potential, GWP)，GWP计作排放到大气中的1 kg温室气体在一段时间(如 100 年)内的辐射效力与 1 kg CO2的辐射效力的比值，利用IPCC2006的100年全球增温潜势系数转换成CO2eq排放[18]。GWP经常用来度量不同温室气体对气候变化的影响。Lin Jianyi等[9]研究得到每生产1 kg蔬菜的碳足迹为0.26 kg CO2eq，每生产1 kg水果的碳足迹为0.8 931 kg CO2eq，间接农业投入的碳足迹占产品生产碳足迹总量的28%～35%。

2.5.2产地预冷和贮藏

1)预冷

预冷是利用低温处理方法将采后果蔬产品的温度(20～30 ℃)迅速降到工艺要求温度(0～15 ℃)的操作过程。预冷通过去除果蔬产品的田间热，降低呼吸强度不仅可以提高果蔬的品质，还可以降低预冷后冷藏车、冷藏船、冷藏库等的冷负荷，实现冷藏储运装置的节能运行[19-20]。预冷阶段的能耗主要为电能，其碳足迹用电力碳排放因子表示。采用强风(差压)预冷方式，在2 h内将果蔬从30 ℃迅速降到5 ℃，耗电量根据式(2)计算：

式中：W为预冷装置耗电量，kW·h；Q为果蔬降温所需制冷量，kW；t为预冷时间，h；COP为预冷装置能效比。

一般的果蔬比热容以水为计算标准，为4.186 kJ/(kg·K)，计算得1 kg果蔬从30 ℃降到5 ℃被带走的热量约为104.65 kJ。COP取2.5，则计算得出1 kg果蔬预冷所消耗的电能约为1.163×10-2kW·h。D. Coley等[21]得出 2010年中国电力碳排放因子为0.766 kgCO2eq/kW·h,则1 kg果蔬预冷所产生的碳足迹约为8.9×10-3kgCO2eq。

2)贮藏

S. J. James等[22]得出每年单位体积冷库的耗电量为57.9 kW·h,换算出冷库每天单位体积的耗电量为0.158 6 kW·h，根据冷库设计规范可知：

式中：G为冷库贮藏吨位，t；V为冷库公称容积，m3；ρ为食品计算密度，kg/m3；η为冷库容积利用系数；1 000为一吨换算成千克的数值，kg/t。

果蔬计算密度取250 kg/m3，1 000 m3以下冷库容积利用系数取0.4，计算得出冷库内每千克果蔬的能耗为6.608×10-5kW·h，碳足迹为5.128×10-5kgCO2eq。

制冷装置对全球变暖的影响约有20%来自制冷剂的泄漏[22]，制冷剂的泄漏是除电力使用外的第二大碳足迹贡献因素，D. Coulomb[23]指出每年制冷剂在商业制冷设备上的泄漏量高达15%。本文采用的制冷剂R22，是当前使用较广泛的中低温制冷剂，常在冷库、食品冷冻，商业制冷、超市陈列展示柜等制冷设备中使用。制冷剂排放的直接影响仅为使用R22制冷剂的年总量的3%～5%[24]。根据文献可知，制冷剂每小时泄漏涉及的直接碳足迹为(2.055～3.425)×10-9kgCO2eq。

2.5.3运输阶段

冷链运输的能耗通过运输工具的油耗来表征，制冷系统能耗在运输工具总能耗中约占1/3[20,25]。制冷系统中消耗的能源为车厢制冷提供能量并承担制冷装置的重量，因此产生的CO2排放量占总阶段CO2排放量的比例较大。制冷剂在食品运输制冷系统中占有重要地位，生活水平提高使食品冷藏运输的需求增加，进而制冷剂的使用增多消耗更多的能源，导致更多的CO2被排放到大气中。国内货车大多数使用柴油，D. Coley等[21]指出柴油的碳排放因子为0.249 kgCO2eq/(kW·h),而燃料的能含量为10.7 (kW·h)/L。该阶段制冷剂泄漏引起的环境影响较小可忽略。

假设冷藏运输车为东风小霸王冷藏车，车厢尺寸为4 000 mm×1 850 mm×1 800 mm，总质量6 495 kg，额定载质量2 865 kg(驾驶室准乘人数2人)，最高车速90 km/h。

式中[26]：L为燃油消耗量，L/h；P0为发动机标定功率，kW；ε为燃油消耗率，g/(kW·h);ρ为柴油的密度，取0.85 g/mL。

已知发动机额定功率为70 kW,全负荷最低燃油消耗率为210 g/kW·h(参考普通发动机参数)，计算可知该冷藏车满负荷时燃油消耗量为17.29 L/h。满载质量取2 505 kg(60 kg/人)，计算得单位质量产品的燃油量为0.002 662 L/h，对应的碳足迹为7.092×10-3kg CO2eq。

2.5.4销售和消费

现代超市占商业领域中制冷能源消耗的比例较大，期间消耗大量的能源产生间接排放，同时制冷剂泄漏产生直接排放，对环境有重大影响。

S. A. Tassou等[27]研究了640家销售面积低于280 m2的商店能耗强度(图3)，得到每年平均能耗强度为1 480 kW·h/m2，每年的标准偏差352 (kW·h)/m2。平均每天的能耗为4.055 (kW·h)/m2，取陈列区高度为1.5 m，根据式(3)计算得出销售区能耗为1.69×10-3kW·h，对应的碳足迹为1.295×10-3kgCO2eq。

图3 80～280 m2便利店销售区域能耗强度[27]Fig.3 Electrical energy intensity of convenience stores of sales area between 80 m2 and 280 m2[27]

图4所示为冷冻青豆的总温室气体排放百分比，其中制冷剂泄漏率为15%[27]，且制冷剂泄漏引起的直接碳排放占总能耗的34%，计算可得相应的碳足迹为4.401×10-4kgCO2eq。

图4 冷冻青豆的总温室气体排放百分比[27]Fig.4 Percentage contributions to total GHG emissions for frozen peas[27]

表1所示为8家家用冰箱24 h的耗电量，平均容积为554.9 L，即0.554 9 m3，平均耗电量为0.057 5 kW·h，取冷藏室能耗占总能耗的1/3，冷藏容积占总容积的2/3，容积系数取0.5，根据式(3)计算每千克能耗为4.145×10-4kW·h，对应的碳足迹为3.175×10-4kgCO2eq。

2.5.5以一条典型的某蔬菜产品冷链为例计算整个生命周期碳足迹

表2所示为1 kg某果蔬经过预冷、贮藏、运输、贮藏、分销以及消费等阶段所产生的碳足迹。其中预冷阶段产生量约为8.9×10-3kgCO2eq，冷库贮存(2，4，6，7)碳足迹约为3.725×10-3kgCO2eq，运输阶段(3，5，8)碳足迹约为2.836×10-2kgCO2eq，消费阶段碳足迹约为3.18×10-4kgCO2eq。根据式(1)计算整个冷链的碳足迹为0.041 3 kgCO2eq。

表1 家用冰箱24 h的耗电量Tab.1 The power consumption of domestic refrigeratorfor 24 h

2.5.6影响分析

本文根据IPCC、PAS2050以及查找相关文献得出各阶段碳排放因子，计算出每千克果蔬产品在其生命周期各阶段的碳足迹。为了更加直观的分析果蔬冷链各环节对环境的影响，计算出一条典型的某蔬菜产品冷链的碳足迹，除原材料获取阶段外冷链各阶段碳足迹比例如图5所示，运输阶段的碳足迹占整个冷链的69%，其次贡献较大的阶段是预冷，占总量的21%，因为运输消耗的柴油不仅用来承受产品和制冷设备的重量还用来保持车厢内较低的温度。冷库部分碳足迹占总量的9%。消费阶段的碳足迹仅占总量的1%。

表2 一条典型的某1 kg蔬菜产品冷链的碳足迹Tab.2 A typical cold chain carbon footprint of an 1 kg vegetable product

图5 一条典型的某蔬菜产品冷链的总碳足迹比例Fig.5 Percentage contributions to total carbon footprint for a typical vegetable product cold chain

3 结论

本研究根据生命周期评价法,进行目标界定、清单分析以及影响分析这3个步骤，分析计算出功能单位果蔬产品各阶段碳足迹，并以一典型某蔬菜冷链为例，详细分析出其生命周期各阶段碳足迹。结果表明：该冷链的碳足迹为0.041 3 kgCO2eq，其中冷藏运输阶段的贡献达69%，预冷阶段碳足迹达21%。从评价结果可知，通过开发清洁型燃料和提高预冷设备效率可以有效减少冷链碳足迹，另外利用环境友好型的制冷剂取代氟利昂，可以减少冷链的碳足迹。

本文受天津市教委项目(170018)、天津商业大学人才启动项目 (R160117)和武清区科技发展项目(WQKJ201633)资助。(The project was supported by the Foundation of Tianjin Educational Committee(No.170018), the Research Foundation for Talents of TUC(No.R160117) and the Science and Technology Program of Wuqing District, Tianjin(No.WQKJ201633).)