冷链物流系统碳足迹模型构建与实证分析

(1 广州大学冷链物流及标准化研究所 广东 510006； 2 广州城市职业学院 广州 510405)

作为影响气候环境问题的关键因素之一，碳排放问题日益成为国内外研究的热点。全球已有62个国家和地区实施或计划建立碳交易市场机制。我国围绕碳排放体系及减排低碳等发展活动制订了若干政策，明确指出应发展低碳物流，降低货物单位周转量的CO2排放量。国内外众多学者对冷链物流领域碳排放问题展开了研究。在冷链物流碳足迹度量方面，G. P. Cachon等[1]分析了碳足迹的计算方式并对碳足迹的目标函数进行了优化；N. Agatz等[2]就碳足迹对冷链物流系统结构的影响因素进行了分析，并界定了食品冷链物流碳足迹核算范围；A. Carlsson-Kanyama[3]基于全生命周期评估测算了不同食品的碳足迹问题；S. Benjaafar等[4]将碳足迹的测算方法应用到供应链具体分析中，并对牛奶碳足迹优化的问题提出了减排措施；蔡依平等[5]采用全生命周期评估测算了新鲜番茄的碳足迹，并提供了计算不同运输条件下碳足迹的方法；田丽娜[6]采用全生命周期评估测算了新鲜葡萄的碳足迹，得出了考虑碳足迹的单级冷链企业利润分配模型；李亚男等[7]以碳足迹和系统成本最小为目标函数，构建了冷链物流配送网络优化模型，并利用遗传算法对复杂的车辆配送网络结构进行求解。在碳排放权交易制度方面，M. Soysal等[8]提出在保证食品质量安全的前提下应协调好经济和环境效益，建立“原材料-产品-碳排放权”投入产出结构模型。在费用方面，G. P. Cachon[9]认为供应链系统设计时，不能简单地以经济利益为单一目标函数，而应该权衡经济和环境效益的关系，在较低的碳税制度下，碳足迹不会对系统成本造成太大的影响；但通过制定递进型的碳税率，可缩减最大30%的碳足迹，而对应的系统运营总成本仅增加了约10%[10]。因此，合理的碳税政策驱使冷链企业通过优化运营方式或采用碳效率更高的技术来抵消碳税所带来的成本压力，实现经济利益和环境效益的协调持续发展。

上述研究侧重于具体食品的碳足迹计算或考虑碳足迹的冷链物流路径优化、利润分配等，较少涉及冷链物流碳足迹模型的系统构建。因此，本文在上述研究的基础上提出冷链物流碳足迹的系统计算方法并构建了冷链物流系统碳足迹模型。以香蕉为例，验证碳足迹模型的可行性，并分析了冷藏运行速度、碳税及腐损率对冷链物流系统总成本和碳足迹的影响。

1 问题描述

冷链物流系统碳足迹是指在冷链物流活动各环节中直接及间接引起的温室气体排放量，单位为CO2质量当量[11]。冷链物流的不同环节，由于作业方式和工具使用不同等干扰因素，碳足迹存在较大差异。冷链物流环节较多，且我国冷链物流活动大多缺乏有效管理和控制，给冷链物流系统碳足迹的计算造成了一定困难。在冷链物流活动中，能源类型及利用效率所导致的碳足迹有较大差异。如车辆行驶过程中使用不同类型的燃料，碳足迹的减排量可达57%～81.2%[12]。冷库、冷藏运输装备等冷藏设施设备的制造工艺及保温性能会对总碳足迹产生影响；外部环境同样会影响冷链过程中设备的制冷效率，不同季节、不同货物能耗均不相同[13]。此外，对冷链物流有效的管理，提高冷链物流运作效率和设施设备的使用效率，亦能有效降低能耗，减少不必要的碳足迹。本文以目前国内最常见的生产商(产地)-批发商(配送中心)-零售商(商超)构成的易腐食品三级冷链物流网络为主要研究对象，系统性地研究冷链物流碳足迹模型。

2 冷链物流系统碳足迹模型构建

2.1 模型假设

为简化模型便于计算分析，对建立的模型做出如下假设：

1)易腐食品产地、数量、生产量等信息可方便获取，易腐食品的市场需求、数量明确，批发商、冷链物流中心可供选择；

2)易腐食品流通全程采用冷链，假定运输速度恒定，碳足迹、产品品质与时间相关联；

3)零售市场需求可得到充分满足，不断货；

4)模型的目标为在总成本最小的前提下碳足迹最小，两者需同时考虑。

2.2 碳足迹变量确定

2.3 约束条件

当批发商j处于运营状态时，将易腐食品由产地i运往批发商j处，则有：

Xij≤Yj，∀i∈I,j∈J

(1)

易腐食品可由不同产地运往不同的批发商处，因此，可构建多重运输模型：

(2)

其中，批发商j处于运营状态，销售商k存在市场需求时，则有：

Xjk≤Yj,∀j∈J,k∈K

(3)

如将易腐食品从不同的批发商处配送至k地，则有：

(4)

产地、批发商、零售商之间周转量应在各自能力范围之内：

(5)

(6)

若产地i的产量与运量相等，则产地库存为0，则有：

(7)

(8)

对于批发商，库存≤从产地运达的货物量，满足库存需求且不高于自身的库存水平：

(9)

(10)

(11)

因易腐食品在流通过程中不可避免的存在一定的腐损，为满足市场需求，供货量应大于市场需求量。

(12)

在运输方面，车辆运输时间在简化后可由下式计算：

(13)

此时，若冷藏车在运输过程中保持匀速行驶，其速度与碳排放量之间关系可表达为[13]：

(14)

式中：a、b、c为常数，其他约束条件为：

2.4 碳足迹模型构建

在冷链物流系统实际运作时，总成本和碳足迹不应分别以单因素最优为目标进行分析，这也是本模型与以往研究的最大差异。采用加权求和法针对成本目标和碳足迹目标进行求解，即碳足迹目标与成本目标处于统一的衡量标准体系中，引入碳税价格CCO2作为参数变量，表示在碳足迹制度下，冷链物流系统因碳足迹带来的社会成本支出，主要包括生产过程、配送中心处理过程及运输过程中产生的碳足迹对环境等带来的影响而产生的成本。从而将原有的基于成本和碳足迹的多目标模型转化为单目标模型优化问题。对应的目标优化函数为：

3 实证分析

3.1 实例分析

G城市有较为成熟的香蕉种植-配送-销售冷链物流网络，能够全面地反映香蕉产业的冷链物流模式。在充分调研的基础上，以G市实际参数为例展开分析。其中，香蕉冷链物流系统是由5个种植生产地、3个批发商、4个零售商构成的多级冷链物流系统网络。根据全生命周期评估法分析，香蕉冷链物流系统的碳足迹计算边界包括产地、配送中心和冷藏运输环节以及香蕉腐损带来的碳足迹，如图1所示。具体主要环节的碳足迹数据和不同速度下香蕉冷链物流碳足迹分别如表1、表2所示。

图1 香蕉冷链物流主要碳足迹环节Fig.1 The main carbon footprint of banana cold chain logistics

活动类型碳足迹×10-3/kgCO2产地碳足迹—221[15]批发商电能消耗0.2124废弃处理—41.21[16]

表2 不同速度下香蕉冷藏运输环节碳足迹Tab.2 Carbon footprint at different transport speeds

目前，香蕉产业主要有农户、合作社和企业三种种植模式，不同的香蕉生产力下供应成本不同。批发商的价格也会根据市场行情及配送中心的运营成本等动态调整批发价格。研究中，香蕉5个产地、3个批发商、4个零售需求方的相关数据如表3～表5所示。最终的市场售价又会受到若干外界因素的影响，如运费、运输距离等。批发商到零售商的运费、运输距离相关数据如表6～表8所示。

表3 不同产地生产能力与生产成本关系Tab.3 The relationship between production capacity and cost in different producing areas

表4 不同批发商的相关数据Tab.4 Different distribution center data

表5 市场需求状况Tab.5 Market demand data

表6 产地I到批发商J的单位运输费用/(元/km)

表7 批发商J到零售商K的单位运输费用/(元/km)Tab.7 Unit costs from distribution to market

表8 批发商J到零售商K的距离(单位：km)Tab.8 Distance from distribution center to target market

3.2 结果分析

根据香蕉冷链物流的全生命周期分析，利用数值分析软件对模型进行优化求解，并将上述具体相关参数代入模型进行运算。在考虑碳足迹的情况下，应该以冷链物流系统总成本最小为目标时，即系统最小成本为354.74万元时，总碳足迹为148.62 t，此时对应的冷藏车行驶速度为90 km/h；当冷链物流系统的碳足迹最小为145.21 t时，对应的系统总成本为369.21万元，此时冷藏车的行驶速度为80 km/h。综合分析，从冷链物流系统的经济效益角度考虑，当车辆行驶速度为90 km/h时，冷链物流系统成本最低，可获得较多的经济效益；从社会效益和环境效益的角度分析，冷藏车的行驶速度为80 km/h时，冷链物流系统对环境的影响最小。

3.2.1不同冷藏车行驶速度下的系统总成本和碳足迹分析

由图2可知，冷藏运输速度与系统总成本和碳足迹存在一定的关系，且车速与碳足迹间近似呈二次函数关系。一定速度范围内，系统总成本和碳足迹均随着运输速度的增加呈下降趋势，且存在某个最优值，使目标函数最优。即当冷藏车速度为90 km/h，系统最小成本为354.74万元；当冷藏速度为80 km/h时，总碳足迹为145.21 t。

图2 不同车速下的系统总成本和碳足迹Fig.2 Total cost and carbon footprint under different vehicle speeds

当企业追求利益最大化(即总成本最少)时，可将车速调整为90 km/h；如果企业注重环保效益，将车速调整为80 km/h，此时碳足迹最少。当车辆运输速度约为55 km/h时，由于普通道路拥堵系数高，各方面不确定因素多，使系统总成本比高速行驶时高得多。

3.2.2碳税对冷链物流系统总成本影响分析

结合冷藏车不同的行驶速度，分析了不同碳税价格下的冷链物流系统总成本，整个冷链物流系统总成本随车速的变化如图3所示。在相同行驶状态下，碳税价格的变化对系统总成本影响较小，但碳税价格的增长会给企业带来额外的成本支出。当碳税价格上涨，企业运营成本增加，为了维持相应的利润水平，企业会相应减少碳足迹，表明政府可以按不同发展水平制定不同的碳税减少企业碳足迹，从而调节经济利益和环境效益平衡。而企业可通过持续优化运营成本和采用碳效率更高的技术来吸收碳税成本。

图3 系统总成本随车速的变化Fig.3 Total cost changes with vehide speed

3.2.3不同腐损率下的冷链物流系统总成本和碳足迹分析

考虑不同腐损率α对冷链物流系统总成本和碳足迹的影响，如图4所示。随着冷藏运输过程中香蕉腐损率的上升，冷链物流系统的总成本和总碳足迹均呈上升趋势，且总成本和总碳足迹的变化趋势相近、幅度也相对应。由图4可知，当腐损率从0升至18%时，系统总成本从291.84万元增至392.70万元，系统的总碳足迹则从121.57 t升至164.49 t，两者涨幅均近35%。从成本和碳足迹优化的角度来看，应尽可能降低食品腐损率，而这又需要冷链企业投入更多的基础设施建设和技术成本等，因此合理控制食品腐损程度对于降低成本和减少碳足迹至关重要。

图4 不同腐损率下的系统总成本和碳足迹Fig.4 Total cost and carbon footprint under different corruption rates

4 结论

1)在冷链物流各环节中，相比其他环节，冷藏运输环节的碳足迹占比最大，在不考虑具体设备类型的情况下，运输速度是影响碳足迹的关键因素。通过分析运输速度与系统总成本和碳足迹的关系，得出最优经济(系统总成本最小)运行速度为90 km/h，最环保(碳足迹最小)运行速度为80 km/h。该结果可为冷链物流环境效益和经济利益的最大化协同设计和实施提供支撑。

2)碳税和腐损率对系统总成本和碳足迹的影响显著。碳税价格的增长会给企业带来额外的成本支出，即当碳税从0元/t升至200元/t时，相应平均总成本增加0.8%；而腐损率的增加可使系统总成本和碳足迹增长的幅度高达35%。因此，通过降低腐损率控制食品质量对降低成本和减少碳足迹问题具有良好的经济和环保效益。

3)本次碳足迹测算是在全程冷链物流的条件下进行的，但目前我国冷链流通率仍不足30%，因此，今后可从全程冷链与断链的角度对比分析，并结合不同易腐食品冷链物流状况，逐步完善冷链物流碳足迹模型，为更加客观测算冷链物流碳足迹提供数据支撑。

本文受广东省科技支撑计划重点项目(2017B020206006，2016B020205004，2017B090907028)资助。(The project was supported by the Guangdong Province Science and Technology Support Program Key Projects (No.2017B020206006, No.2016B020205004, No.2017B090907028).)