基于冷链模式的某果蔬碳足迹计算

2021-04-17陈爱强赵松松宁静红

制冷学报 2021年2期

李斌刘斌陈爱强赵松松宁静红

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室天津 300134)

随着人们生活质量的提高，消费者对生鲜产品的需求量更大、品质要求更高，推动了冷链物流的快速发展，预计至2020年，冷链市场的复合增长率将达到17.1%[1]。但随着冷链市场规模的扩大和技术装备数量的增加，能源消耗所产生的碳足迹也日益增多。我国政府在哥本哈根会议上承诺，至2020年，单位GDP碳足迹将比2005年降低40%～45%，如何协调冷链的发展与低碳经济的关系变得尤为重要。

国内外学者对冷链物流领域的能耗和碳足迹进行了相关研究，在冷链物流碳足迹计算方面，许茹楠等[2]研究了果蔬冷链各环节的碳足迹，发现冷藏运输环节的碳足迹最多。刘倩晨[3]应用生命周期评估方法对冷链物流各环节的碳足迹进行了计算，分析了冷链企业考虑碳足迹前后影响利润的关键因素。李斌等[4]研究了某果蔬从生产商到消费者环节的碳足迹，对运输环节不同供冷方式下的碳足迹进行计算，建议在满足运输需求的情况下优先选择碳足迹小的冷藏运输方式。蔡依平等[5]计算了番茄生命周期各阶段的碳足迹，并对比了海运和公路运输方式的碳足迹。刘广海等[6]提出了冷链物流系统碳足迹模型，研究了碳税和腐损率对总成本和碳足迹的影响。陈静等[7]研究了生鲜肉类食品供应链的碳足迹问题，提出了选择合适的运输方式，提高生产加工环节效率和冷藏设备空间利用率的减排建议。廖晶等[8]研究了荔枝双渠道流通模式下冷链物流碳足迹，对比分析了荔枝在全程冷链和断链时的成本和碳足迹情况。S.Benjaafar等[9]构建了供应链中碳足迹的测算模型，计算了牛奶供应链的碳足迹并提出减排措施。A.Carlsson-Kanyama[10]研究了不同食品的碳足迹问题，分析了不同环节的碳足迹。在冷链物流路径优化方面，王智忆等[11]在考虑车速、距离、载重量等影响因素的基础上，构建了碳足迹量最低和总路程最小的目标函数模型。钱光宇[12]以生鲜农产品冷链配送总成本最小为目标函数，建立了考虑碳足迹的路径优化模型，结果表明，在碳税价格较高时能减少规划的路线产生的碳足迹。Yang J.等[13]在考虑碳税的情况下建立了货物配送路径优化模型，并以城市果蔬配送为例进行模型验证。任腾等[14]构建了在客户服务时间范围内以碳足迹量最小为优化目标的车辆路径优化模型。有些学者提出生鲜产品在不同运输距离下选择合适的供冷方式可以节约运输能耗，刘斌等[15]基于冷藏车运输过程中的能量平衡分析，计算出2 h内可选择保温冷藏车，长距离运输应选择机械冷藏车。高恩元等[16]通过对3种冷链运输方式下番茄的品质指标进行测定，提出根据不同运输时长选择保温、蓄冷或机械供冷的运输方式。李慧慧[17]研究了机械式多温共配和蓄冷式多温共配两种配送方式下的经济成本和碳足迹，结果表明，蓄冷式多温共配减少了经济成本，同时也降低了碳足迹。

上述研究集中在计算某产品在生命周期的碳足迹或构建考虑碳足迹的冷链物流路径优化模型，也有学者提出根据运输时间选择合适的冷藏运输方式以减少能耗，但没有量化运输环节不同供冷方式的碳足迹。因此，本文在上述研究的基础上利用生命周期评估方法计算了某果蔬冷链各环节的碳足迹，并基于能量平衡方程，研究不同运输时间下的冷藏运输方式和碳足迹。目的是为企业和其他利益相关者选择更环保的冷链流通方式提供参考，以减少果蔬生命周期的碳足迹。

1 碳足迹计算方法

碳足迹起源于生态足迹的概念，近年来学术界对碳足迹的定义是某一活动或产品在生命周期内直接及间接排放的温室气体量。常用的碳足迹的计算方法有生命周期评估法、投入产出分析法等。投入产出分析法是一种自上而下的计算方法，适用于计算宏观系统的碳足迹。生命周期评价是一种自下而上的计算方法，适合计算微观系统的碳足迹，可以分析一项产品从生产到废弃整个生命周期造成的环境影响。本文采用生命周期评估法，计算依据为PAS 2050∶2008《商品和服务生命周期温室气体排放评估规范》，该方法包括目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解释4个部分[18]。

碳足迹有面积和质量两种度量单位，为了和早期的研究统一，国际上一般以温室气体(GHG)的质量来衡量碳足迹量。碳足迹除了二氧化碳外还应包括其他温室气体，为此政府间气候变化专门委员会IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)定义了不同温室气体的全球变暖潜值GWP(global warming potential)，GWP表示单位温室气体对全球变暖的贡献大小，规定CO2的GWP=1，其余温室气体用CO2当量表示[19]，我国采用京都议定书规定6类主要的温室气体作为碳足迹的核算范围。

2 果蔬冷链物流碳足迹测算框架

2.1 目标分析与范围界定

我国果蔬产量大，流通过程中损耗率高，本文以某果蔬为研究对象计算果蔬在生产、预冷、运输、冷藏、销售和消耗整个生命周期的碳足迹。

功能单位定义了产品碳足迹的计量基准，使计算数据标准化，本研究以1 kg果蔬为计算的功能单位，系统边界由果蔬冷链流程图确定，如图1所示。

图1 系统边界

2.2 数据收集

计算果蔬生命周期各环节碳足迹之前，需要收集系统边界内投入的资源、能量等活动水平数据和对应的碳足迹因子，数据如表1所示。

表1 清单分析中的活动及数据

3 碳足迹计算与分析

3.1 生产过程碳足迹

以某蔬菜为例，生产环节的碳足迹量主要来自于生产过程中投入的化肥、农药、塑料膜、灌溉用电、柴油以及土地释放的N2O。生产环节的碳足迹受生产方式和气候条件等影响较大，数据一般通过实验测算，测算过程具有难度大、周期长的特点。本文参照Lin Jianyi等[20]的研究，每生产1 kg蔬菜的碳足迹为0.26 kg CO2。

3.2 预冷过程碳足迹

预冷可以快速去除蔬菜的田间热，有效抑制呼吸作用和微生物生长，减少损耗，提高品质，还可以减少运输和贮藏环节的冷负荷，降低运输能耗。目前最常用的预冷方式有强制通风预冷、真空预冷、压差预冷、冷水预冷、冰预冷等，应根据不同蔬菜的工艺要求选择合适的预冷方式。本研究采用强制通风预冷，能耗主要来自制冷机消耗的电能，耗电量根据式(1)计算：

(1)

式中：W为耗电量，kW·h；Q为降低蔬菜温度所需制冷量，kJ；COP为预冷设备能效比。预冷时蔬菜温度从25 ℃降至4 ℃，某蔬菜比热容为3.9 kJ/(kg·℃)，计算得预冷1 kg所需冷量Q为81.9 kJ，COP取2.5，需要预冷电耗为9.1×10-3kW·h。根据表1中的数据，1 kW·h电能的CO2排放为785 g，计算出1 kg某蔬菜预冷所产生的碳足迹约为7.144×10-3kg CO2。

3.3 冷藏车运输过程碳足迹

冷藏汽车运输具有组织时间短、机动灵活和直达性等特点，适合蔬菜冷藏运输的市场需求，本研究使用公路冷藏汽车运输蔬菜。冷藏汽车按照供冷方式可分为隔热保温运输、蓄冷运输和机械制冷运输3种类型，应根据蔬菜的运输时间来选择合适的运输方式。运输阶段的碳足迹源于车辆行驶过程的燃油消耗、制冷设备的能源消耗和制冷剂泄漏。

1)行驶碳足迹

假设长距离运输使用10 t重型冷藏车，短距离运输使用1.5 t小型冷藏车，使用的燃料为柴油。根据表1中的数据，计算重型、小型冷藏车的行驶碳足迹分别如式(2)、式(3)所示:

kg CO2/(kg·km)

(2)

kg CO2/(kg·km)

(3)

2)制冷碳足迹

冷藏车的热负荷决定了所需的制冷量，为了维持蔬菜冷藏运输过程中的低温环境，对冷藏车的得热量进行分析。蔬菜的冷藏运输温度范围为0～8 ℃，计算温度取4 ℃。为使计算具有广泛性，式(4)定义了冷藏车的体型系数H:

(4)

式中：S为冷藏车的表面积，m2；V为冷藏车的体积，m3；H可以表征冷藏车单位体积的得热量，m-1。体型系数值H与冷藏车的体型大小相关，1.5 t小型冷藏车(例如，福田奥铃M4的箱体尺寸为4 085 mm×2 100 mm×2 100 mm)的H=2.39，10 t重型冷藏车(例如，东风双桥冷藏车的箱体尺寸为9 400 mm×2 220 mm×2 050 mm)的H=2.09。蔬菜运输过程中，冷藏车单位体积内的能量平衡可由式(5)表示[15]:

(5)

式中：T0为环境温度，℃；T为蔬菜温度，℃；mv为单位体积内的某蔬菜质量(堆码密度)，kg/m3；cp为蔬菜比热，J/(kg·℃)；λ为保温材料的导热系数，W/(m·℃)；dT为某蔬菜的温度变化，℃；δ为冷藏车保温层厚度，m；Q为单位体积内的制冷量，J/m3；q0为单位质量的蔬菜呼吸热，J/(kg·s)；dτ为运输时间，s。对于不同的供冷运输模式，式(5)可以变为不同的形式。假设运输车的保温层λ=0.08 J/(m·℃)，δ=0.06 m，T0=30 ℃，cp=3.9 kJ/(kg·℃)，蔬菜温升dT=2 ℃，mv=250 kg/m3，q0=0.09 J/(kg·s)。

3.3.1 隔热保温运输碳足迹

保温运输的供冷量Q为0，冷藏车的能量平衡方程由式(5)变为式(6):

(6)

保温运输过程中，蔬菜依靠自身的蓄冷来维持运输过程的低温，不需要额外的冷量，制冷碳足迹为0。保温材料选定后导热系数不再变化，一般通过改变保温层厚度来改变总传热系数，蔬菜在不同保温层厚度下运输时间随温升的变化如图2所示。

图2 不同δ时蔬菜运输时间随温升的变化

由图2可知，蔬菜温度升高2 ℃(δ=0.06 m)时，1.5 t小型冷藏车的运输时间为5.14 h，10 t重型冷藏车的运输时间为5.70 h)。随着保温层厚度的增加，δ=0.12 m时1.5 t的小型冷藏车运输时间为8.48 h，运输时间显著增长。在保温层厚度相同时，小型冷藏车H较大，单位体积得热量多，保冷运输时间短。冷藏车的体形系数H对保冷运输时间的影响较小，保温层厚度是影响运输时间的主要因素。

3.3.2 蓄冷运输碳足迹

1)蓄冷剂供冷

蓄冷剂的相变温度低于蔬菜温度，因此假设蓄冷运输过程蔬菜温度不变(dT=0 ℃)，供冷量Q为蓄冷剂释放的冷量，蓄冷剂的相变潜热L=270 kJ/kg，显热可以不计，能量平衡方程由式(5)变为式(7):

(7)

式中：mpcm为蓄冷剂质量，kg。

根据式(7)可得不同运输时间下冷藏车单位体积所需要的蓄冷剂质量，如图3所示。

由图3可知，在运输时间相同时，蓄冷剂的相变潜热L越大，所需蓄冷剂质量越小，相比于10 t重型冷藏车，1.5 t小型冷藏车单位体积需要的蓄冷剂更多。运输时间60 h(L=270 kJ/kg)，每立方米需要约70 kg的蓄冷剂提供冷量。

图3 不同L时单位体积的蓄冷剂质量随时间的变化

假设蓄冷剂的冷量由制冷设备提供，结合式(1)可计算出制冷设备的耗电量，根据表1可知电能的碳足迹为785 g/(kW·h)，计算运输过程中单位质量某蔬菜的供冷碳足迹如图4所示。

由图4可知，保温层厚度δ对供冷碳足迹的影响较大，蓄冷剂潜热L对供冷碳足迹的影响较小，因为保温层厚度直接影响冷藏车热负荷。碳足迹曲线随着运输时间的增加斜率变大是因为蓄冷剂占用了冷藏车的载重量和空间，减少了运送蔬菜的质量，平均到单位质量蔬菜的碳足迹增速变大(在运输蔬菜质量不变时，供冷碳足迹与运输时间成正比)。

图4 不同δ时单位质量蔬菜的供冷碳足迹随时间的变化

2)车辆行驶

假设1.5 t小型冷藏车的行驶速度v1=60 km/h，10 t重型冷藏车行驶速度v2=80 km/h。根据式(2)的计算结果联立式(6)，得到10 t重型冷藏车行驶碳足迹y1和运输时间的关系，如式(8)所示：

(8)

根据式(3)结果联立式(6)，得到1.5 t重型冷藏车行驶碳足迹y2和运输时间的关系，如式(9)所示：

(9)

单位质量蔬菜在车辆行驶过程中的碳足迹如图5所示。由图5可知，相比于10 t重型冷藏车，1.5 t小型冷藏车运输单位质量蔬菜的碳足迹更多，因为10 t重型冷藏车的载重量大，平均到单位质量蔬菜上的碳足迹较小，增加保温层厚度可以减少单位质量蔬菜的行驶碳足迹。

图5 单位质量蔬菜的行驶碳足迹随运输时间的变化

3.3.3 机械制冷运输碳足迹

1)制冷机供冷

机械冷藏车自身带有制冷机组，独立式制冷机组依靠自带的柴油机驱动制冷，非独立式制冷机组依靠汽车底盘的发动机带动，停车时汽车处于怠速状态供冷。冷藏车制冷机组的运行工况比固定式制冷机组恶劣，因此冷藏车制冷机组的能效低于固定机组，冷藏车制冷系统的COP在0.50～1.75之间[23]。冷藏车制冷机的碳足迹来自燃油消耗，制冷量取决于柴油发动机的热效率η和制冷系统COP，可由式(10)计算：

Q=mqηCOP

(10)

式中：Q为制冷量，kJ；m为燃料质量，kg；q为燃料热值，kJ/kg；η为发动机热效率。驱动冷藏车制冷机组的柴油发动机热效率一般为40%，柴油的单位热值为43.2 MJ/kg[23]。

假设制冷运输过程蔬菜温度不变，将式(10)带入式(5)，得到制冷运输能量平衡方程，如式(11)所示：

(11)

根据式(11)计算出不同COP下机械冷藏车单位体积所需要的制冷油耗随时间的变化，由表1可知柴油的碳足迹为3.060 kg CO2/kg，制冷碳足迹随运输时间的变化如图6所示。

由图6可知，在相同运输时间下制冷机组COP越高，制冷碳足迹越小，制冷机组的COP对碳足迹影响较大，选用能效高的机组更环保。

图6 不同COP时制冷碳足迹随时间的变化

2)车辆行驶

不考虑机械冷藏车制冷系统对载荷的影响，车辆行驶碳足迹与式(2)、式(3)相同，10 t重型冷藏车的行驶碳足迹为7.510×10-5kg CO2/(kg·km)，1.5 t小型冷藏车的行驶碳足迹为2.921×10-4kg CO2/(kg·km)。

3)制冷剂泄漏碳足迹

制冷设备对全球变暖的影响约有20%来自制冷剂泄漏，不同的使用环境、不同的系统之间泄漏量差别很大。例如，家用冰箱的泄漏量仅为2%，冷藏车的制冷剂年泄漏量为充注量的10%～37%[26]。冷藏车主要使用R404A和R410A作为制冷剂，R410A的GWP=2 060，R404A的GWP=3 860。

假设1.5 t小型冷藏车的制冷剂(R410A)充注量为2 kg，10 t重型冷藏车的制冷剂(R410A)充注量为5 kg。冷藏车每天行驶400 km，一年行驶250 d，每年总行程为10万km，制冷剂泄漏率为25%，计算得1.5 t小型冷藏车的制冷剂泄漏碳足迹为6.870×10-6kg CO2/km，10 t重型冷藏车的制冷剂泄漏碳足迹为2.575×10-6kg CO2/km。

3.3.4 运输过程3种供冷方式碳足迹分析

保温运输不需要外界提供冷量，运输过程的碳足迹最小，运输时间小于5 h应首先考虑保温运输。蓄冷、机械制冷运输的供冷碳足迹随运输时间的变化如图7所示。

图7 蓄冷、机械制冷运输的供冷碳足迹随时间的变化

在一定时间范围内，机械制冷的碳足迹大于蓄冷供冷，这是由于蓄冷的冷量来自地面固定制冷设备，COP高于运输制冷设备。随着运输时间的增加，曲线相交于A(横坐标87 h)、B(横坐标98 h)点，此时碳足迹量相等，A、B点之后，蓄冷供冷碳足迹大于机械制冷。

3.4 存储和销售环节碳足迹

储存环节的碳足迹源于制冷设备电耗和制冷剂泄漏，由表1可知，批发商和零售商的冷库存储电耗为0.3 kW·h/(t·d)，电排放系数为785 g/(kW·h)，计算得蔬菜冷库存储碳足迹为2.355×10-4kg CO2/(kg·d)。

假设冷库容量为10 t，全年可流通存储100 t蔬菜，使用的制冷剂为R410A，充注量为10 kg，制冷剂年泄漏量为10%，计算得冷库存储环节制冷剂泄漏碳足迹为5.644×10-5kg CO2/(kg·d)。

由表1可知，陈列柜销售阶段每天的能耗为4.055 kW·h/m2，假设陈列区高度为0.5 m，蔬菜堆码密度250 kg/m3，空间利用率0.4，计算出陈列柜中蔬菜质量为50 kg/m2，平均到1 kg蔬菜碳足迹为6.366×10-4kg CO2/d。

根据许茹楠等[2]的研究可知，消费者储存阶段1 kg蔬菜碳足迹为3.175×10-4kg CO2/d，冰箱的制冷剂泄漏量很小，忽略不计。

假设蔬菜生命周期内的损耗按10%计算，由表1可知，每千克蔬菜废弃碳足迹为4.12×10-3kg。

3.5 某蔬菜冷链各环节碳足迹计算

为了更加直观的分析蔬菜冷链各环节的碳足迹，计算出一条典型的蔬菜冷链碳足迹，如表2所示。表2说明了冷链各环节在不同时间、活动条件下的碳足迹，作为计算依据。图8所示为某蔬菜冷链各环节碳足迹累积及所占比例。

表2 蔬菜冷链各环节碳足迹

由图8可知，1 kg某蔬菜冷链各环节碳足迹为0.098 kg，运输环节占总排放的82%，因为运输过程既包括批发商运输，还包括零售商运输，运输时间长导致行驶碳足迹较大，并且还要维持运输过程的低温环境，制冷系统会产生供冷碳足迹。预冷和存储销售环节的碳足迹量分别占总量的7%和6%，碳足迹的来源主要是消耗的电能，消费、废弃阶段的碳足迹占5%。