冷链碳减排技术途径及成效测算

伴随着我国经济的腾飞，人民生活和消费水平不断提高，对食品的质量和品质有了更高的要求。在此过程中，冷链得到了飞速的发展。但冷链低温环境的获得和保持及其物流运输过程带来了大量的能源消耗和温室气体排放。目前我国冷链物流行业总耗电量保守估计超过2 000亿千瓦时，并会随着我国冷链物流的高速发展而快速增加。

2020年9月，中国中共中央总书记习近平在第七十五届联合国大会上发表重要讲话：“中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。2021年4月，中国决定接受《基加利修正案》，加强HFCs氢氟碳化物等温室气体管控，使得环保制冷剂替代成为制冷领域迫切的大事。“双碳”目标给冷链行业的发展带来了新的机遇和挑战，冷链碳中和方案的研究具有重要意义。

胡百灵等对我国的果蔬冷链物流碳排放进行了预测并计算，结果表明：果蔬冷链物流碳排放量逐年增加；许茹楠等采用生命周期评价法分析果蔬冷链生命周期各环节的碳足迹，发现原材料获取阶段碳排放占比最大；王益文等将肉类消费分解为生产、运输和消费3个阶段,量化了2000—2010年城乡居民肉类消费生命周期的碳排放；陈静等计算了生鲜肉类食品供应链的碳排放，生产、运输、仓储和销售环节中碳排放分别占总供应链的28.68%、52.37%、8.90%和10.04%,运输环节对全供应链的碳排放贡献率最高；金书秦等对我国水产养殖的直接能耗和碳排放进行了研究，测算每吨水产品直接能耗导致的温室气体排放量为319.71 kg CO₂e；邹建城等以包括考虑碳排放成本在内的综合总成本最小和平均顾客满意度最大为目标函数，构建模型求解，为生鲜农产品车辆配送路径优化决策提供参考；国际制冷学会开发的模型表明，如将全球所有国家的冷链提升到发达国家的水平，将使与当前冷链相关的碳足迹减少47%以上，同时避免55%的食品损失；上述文献已经较为全面地概述了冷链环节中的碳足迹，但对我国冷链行业未来的碳减排技术介绍和相应的成效测算还有欠缺。

因此，笔者结合我国的实际情况，分析了有效减少冷链碳排放的主要技术途径，并针对冷冻冷藏、冷藏运输、冷藏销售3个冷链最主要环节和食品腐损减少预期，计算了我国冷链行业采用低碳技术的减排成效。

1  冷链碳减排技术途径

冷链系统碳足迹出现在原材料获得、冷加工、低温贮藏、运输配送以及冷藏销售等过程中，可主要分为能源消耗、制冷剂泄漏和食品腐烂3类碳排放。

冷藏冷冻类产品在冷链各个环节始终处于适宜的低温环境中,以保证质量。“冷”的特殊性使得冷链的能源利用有别于普通供应链，目前的冷链设施设备中，二氧化碳的排放大多来自制冷设备的用电消耗。与此同时，非环保制冷剂大量使用，其泄漏造成的碳排放也不容忽视。长期以来，我国农产品在流通环节中损失严重，对于腐烂废弃的产品，不仅浪费了生产时的能源投入，而且一般通过填埋的方式进行处理，造成能源消耗，同时部分分解成甲烷等温室气体。 

因此，采用低碳能源、提高制冷系统的能效、环保制冷剂替代、易腐食品减损能够显著减少冷链物流的碳排放，下面介绍了目前的一些前沿技术途径。

1.1  低碳能源技术

低碳能源利用技术包括利用风能、太阳能、水能、生物质能、地热能等可再生能源。据国家能源局《电力发展“十三五”规划》数据显示，2020年，非化石能源在我国一次能源消费中的占比约为15.4%。中国国家能源局局长章建华在第二届“一带一路”能源部长会议上正式公开了新的中国能源结构调整目标：“到2025年，努力将中国的非化石能源消费占比提高到20%左右，单位GDP能源消耗和二氧化碳排放分别比2020年降低13.5%和18%”。

目前在冷链物流方面的前沿技术研究，主要有太阳能利用技术、LNG冷能利用技术、自然冷能利用技术等。

1.1.1  太阳能利用技术

太阳能作为一种环保、清洁的可再生能源，其分布广阔，将太阳能应用到制冷系统及动力系统上，将在一定程度上减少煤炭、石油的巨量消耗，同时也将缓和由传统燃料所带来的大气污染问题。太阳能光伏发电获得的电能也可应用于冷库的制冷，如图1。基于太阳能的吸收式制冷技术已经逐渐成熟，同时利用太阳能同时驱动动力系统和制冷系统的太阳能冷藏车方案也日益获得重视，一种太阳能冷藏车示意图如图2所示。太阳能利用技术可以显著降低冷链碳排放，虽然受限于技术水平尚没有广泛应用，但未来具有良好的应用潜力。

图1  冷库光伏发电

图2  太阳能冷藏车

1.1.2  LNG冷能利用技术

LNG冷能利用技术在冷藏车领域具有重要应用潜力。LNG冷藏车是以LNG为动力燃料，附带利用LNG汽化过程中所吸收热量制冷的一种冷藏车，构造图如图3所示。LNG作为汽车燃料，具有能量存储密度大、汽车负载轻、燃烧热值高、连续行驶里程长、安全性能高等特点，在汽化的过程中会吸收大量的热量，将该冷量回收用于冷藏，能减少大量的能源消耗。相关理论和试验研究分析和证明了利用液化天然气燃料冷量回收进行自冷的冷藏车的可行性。LNG冷能利用技术在港口冷链园区的LNG冷能利用领域也具有良好应用潜力。将LNG使用时转化为常温气体释放的冷能用做港口冷链园区的冷源，可以在很大程度上节省冷链园区能耗。LNG冷能利用技术具有节能环保、成本低廉等优点，在未来冷链中可以发挥重要作用。

图3  LNG冷藏车构造图

1.1.3  自然冷能利用技术

我国冬季北方地区气温寒冷具有理想的自然冷源。通过引入单相介质的方法（如采用室外新风、冷水）或引入两相介质的方法（如热管技术）利用室外冷源可以显著降低能耗。例如，冬季北方地区可以采用自然冷能进行果蔬冷藏。

1.2  能耗降低技术

提高冷链设备与设施的能效，可以有效减少冷链设备的碳排放，目前相关的技术有制冷系统优化控制、换热强化与削弱、降低冷量浪费等。

1.2.1  制冷系统优化与控制

制冷系统优化与控制是实现制冷系统性能最优化的方法。一是开展设计与结构优化提升系统能效。发展磁悬浮压缩机、直线压缩机等新型高效压缩机技术、基于CFD的换热器优化技术等部件结构优化技术，并基于流程仿真软件提升系统设计的合理性，可以进一步提高制冷系统运行的能效。二是开展控制策略优化提升系统能效。通过人工智能、神经网络、遗传算法等先进控制算法实现系统运行能效的降低。

1.2.2  换热强化与削弱

一些新材料、新结构的发现和应用，能对换热能力进行强化和削弱。这一领域的可行技术主要包含强化微肋、多孔结构、纳米流体、异形传热管、换热面振动、电磁场作用技术。将其应用在冷链物流中，一方面能提高制冷系统中换热器的效率，另一方面能减少冷链物流储存和运输过程中的冷损失，进而减少能耗，降低碳排放。

1.2.3  降低冷量浪费

分析冷负荷的去向，其中漏冷不容小觑。做好围护结构的保温，降低库门开启时的漏冷，利用智能化管理，降低人员流动次数和设备启停次数。另外，制冷设备中现有的融霜技术需要额外的热源，除霜结束后的重启，带来了冷负荷的急剧增加。新型的除霜材料和技术能有效地降低能耗，减少碳排放。

1.3  环保制冷剂利用

一些天然环保制冷剂，如二氧化碳、氨、碳氢制冷剂等，温室效应低，加快制冷剂替代可以有效缓解温室效应。而且若采用CO₂作为制冷剂，还有利于CO₂的捕集，实现负碳。急需开展冷链制冷设备环保工质替代适应性技术路径研究，重点突破超低充注模块化氨制冷技术与设备，包括：细小管径管道内氨的传热与流动特性，氨-互溶润滑油新型制冷系统；突破环保混合工质节流制冷技术与设备，开展新型混合制冷剂系统的设计及关键部件研制，发展中小型冷链设备新型环保混合工质制冷技术。

1.4  易腐食品减损

在冷链流通率方面，美国果蔬、肉类和水产品冷链流通率在97%以上；日本的果蔬、水产品等产品的冷链运输率也高于95%、90%，肉禽类冷链流通率已达到100%；而我国果蔬、肉类、水产品的冷链流通率分别为35%、57%、69%。

建立从最先一公里到最后一公里、全程不断链的全程冷链体系，对生产、加工、运输、销售等环节进行深度监管，实现信息共享化与可视化、操控智能化与自动化、运营精细化与专业化。综合制冷系统容量调节、均匀供冷末端设备、气流组织优化等技术，实现精准的贮运环境参数及其波动控制可以有效减少易腐食品腐损。基于不同食品种类的精准环境调控技术，冷链设备通过与人工智能、自动化技术紧密结合，实现根据食品种类进行精准差异化温度调控的冷链流通。另外，建立完善的全程冷链体系可显著降低腐损率，降低生产端的额外投入和易腐食品腐烂造成的碳排放。

2  技术途径成效测算

2.1  冷链设备与设施低碳能源利用和能耗降低的减排量

2.1.1  冷冻冷藏环节

冷冻冷藏环节设备主要涉及的是冷库中的制冷机组。中物联冷链委数据显示，2020年全国冷库容量为7 080万吨，冷库平均电耗183 kWh/吨/年。国际冷藏仓库协会（IARW）数据显示，2018年美国人均库容面积达到0.49 m³/人，日本为0.32 m³/人，中国仅有0.13 m³/人，人均冷库容量只占美国的1/4。对标日本，结合我国冷库容量年增长率，2025年冷库容量可达到1.2亿吨，按2021年全国电力平均排放因子0.583 9 tCO₂/MWh，若2025年采用先进节能技术将电耗降低20%，可降低碳排放439.2万吨。同时按照我国能源结构调整目标，2025年低碳能源利用占比的提高可将电力清洁水平提高18%，将降低冷加工环节碳排放395.28万吨。

2.1.2  冷藏运输环节

《中国水产品冷链物流与冷链装备可持续发展报告》中测算了冷藏车制冷过程中所产生的二氧化碳排放量，对燃油R404A冷藏车和电动冷藏车进行了比较，结合文中的算法和现有冷藏车及电力碳排放数据可得单台电动冷藏车每年将减排7.24吨二氧化碳。

表1  太阳能冷藏车制冷过程每年减排量

财务研究机构优塾发布的数据显示，2019年我国人均冷藏车保有量为0.13台/千人，日本为1.95台/千人，美国为1.76台/千人。保持现有的年增长速率，我国冷藏车数量2025年有望达到50万辆，若全部换用环保冷能，此环节的能耗相关碳减排潜力约362万吨。

2.1.3  冷藏销售环节

冷藏销售环节设备主要包括冷藏陈列柜、生鲜配送柜、冷藏售卖机等。按产业在线数据预测，我国2025年商用冷柜市场保有量将超6 000万台。

根据EVANS J A等的数据，取平均能耗为5 kWh/d，每台冷柜年平均电耗1 825 kWh，采用先进节能技术，商用冰柜能耗可降低10%以上，冷柜节能和电力清洁水平提高可分别减少碳排放639.37万吨和1 150.86万吨。

最终，冷链各环节低碳能源利用和能耗降低碳减排潜力如图4所示。

图4  冷链设备各环节能耗碳减排潜力/万吨及比例

2.2  环保制冷剂替代的减排量

除了冷链设备与设施的电耗，制冷剂泄漏所造成的碳排放也不容忽视。制冷装置对全球变暖的影响大约有20%是由于制冷剂的泄漏造成的。表2中列出了冷冻冷藏、冷藏运输、冷藏销售这3个关键环节目前使用的主要制冷剂以及未来的替代制冷剂。

表2  冷链各环节当前主流制冷剂及未来替代制冷剂

采用环保制冷剂后，制冷剂泄漏的减排计算过程如下：

1）分析各环节的冷冻冷藏食品质量/制冷设备数量；

2）计算各环节所需的制冷量；

3）根据单位制冷功率的制冷剂充注量/每台设备的充注量计算总的充注量；

4）根据泄漏率计算泄漏量；

5）用泄漏量×GWP值算得CO₂e排放量；

6）对比替代前后的排放量，得到环保制冷剂替代的碳减排潜力。

计算过程中，均采用上文中提到的2025年估算数据。冷库中单位制冷量充注量二氧化碳和R404A均取25 kg/kW，冷库单位库容所需制冷量取60 W/t；运输环节的数据来源于TASSOU S A等的研究；商用冷柜制冷剂R290占比取60%，R404A和R134a各取20%，单台商用冷柜的制冷剂充注量R134a和R404A取250g，R290a取150 g；冷藏运输环节制冷剂泄漏率按10%计算，其他环节取5%。

表3  各环节制冷剂替代的碳减排计算

2.3  腐损降低的减排量

减少易腐食品的损失，就减少了食品种植养殖过程和腐烂造成的碳排放。中物联冷链委数据显示,我国目前水果、蔬菜、肉类、水产品流通环节腐损率在11%、20%、8%、10%左右,而发达国家的产品腐损率平均在5%以下。当采用先进的保鲜技术和完备的冷链体系后，预期2025年我国可将水果、蔬菜、肉类、水产腐损率分别降为8%、15%、5%、6%。

通过对全国水果产量、蔬菜产量数据的分析，我们发现其增长呈线性趋势，因此对2015年到2020年的年产量进行线性拟合，得出拟合计算公式，如图5中所示。其中，R2代表拟合程度，其趋近于1，表明拟合度较好。进而测算出 2021 年至 2025 年水果和蔬菜产量。

图5  全国果蔬历年产量及预测值

JIAN Y L等的研究指出，每生产1 kg蔬菜将产生0.26 kgCO₂e，每生产1 kg水果则将产生0.893 1 kgCO₂e，根据康友才的研究，废弃果蔬碳排放可以采用公式（1）计算：

根据预测数据，2025年水果产量32 478.75万吨，蔬菜产量82 412.5 万吨。由此算得果蔬碳减排量如表4所示，最终2025年果蔬的减排潜力为2 512.2万吨。

表4  果蔬腐损降低的减排量

牛津大学公开的研究数据指出，1 kg牛肉的碳排放为60 kg，1 kg羊肉会排放24 kg二氧化碳，而猪肉及禽类，每公斤碳排放分别是7 kg及6 kg，调研发现，2015年至2020年全国肉类波动较大，取近几年肉类产量的平均值作为2025年全国产量的保守估计值，牛肉、羊肉、猪肉和禽类的产量分别为672.45、492.31、4 113.33和3 467.76万吨。由此算得肉类碳减排量如表5所示。

表5  肉类腐损减少的碳减排量

我国是世界第一水产养殖大国，调研发现，2015年至2020年全国水产年产量波动不大，取2020年水产产量作为2025年全国产量的保守估计值，总产量达到6 549万吨，其中养殖产品占比达到79.8%。按照养殖鱼的数据估计，1 kg养殖鱼就会带来5 kg碳排放，故水产腐损减少的碳减排为1 045.22万吨。

综上，我国冷链系统中，腐损降低可减少的碳排量潜力如表6所示，共可以实现碳减排6 610.29万吨。

表6  易腐食品减损的碳减排潜力

将上述低碳能源利用和能耗降低的减排量、制冷剂替代的减排量、食品腐损减少的减排量汇总，冷链采用先进低碳技术，与现有技术水平相比，2025年冷链CO₂减排潜力共达1.15亿吨。

3  结束语

本文针对“双碳”背景，综述了降低冷链碳排放的低碳能源、提高制冷系统的能效，环保制冷剂替代，易腐食品减损的4个技术途径，结合我国现有情况对贮藏、运输、销售这3个冷链重要环节和食品腐损的碳排放成效进行了预算和计算。结果表明，到2025年，采用先进低碳技术可降低冷链碳排放约1.15亿吨。全程冷链使得食品腐损减少，碳减排潜力最大，同时冷冻冷藏环节中制冷剂替代减排潜力大，冷藏销售环节中低碳能源与能效提升减排潜力大。测算结果以期为碳中和、碳达峰计划在冷链行业的实施提供参考。

本文选自《制冷与空调》2022年3月刊72-77页

作者：田长青  孔繁臣  张海南

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