基于工序模块化的牛仔裤产品碳足迹核算与评价
时间：2023-03-11 12:05:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
骆 艳，周荣星，李新苗，朱俐莎，王来力，吴雄英，丁雪梅
(1.东华大学，a.服装与艺术设计学院；
b.现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051；
2.浙江森马服饰股份有限公司，浙江温州 325000；
3.浙江理工大学，a.纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)；
b.服装学院，杭州 310018；
4.上海海关，上海 200135)
当前全球气候系统正在发生重大变化。2021年10月，国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》，对推进中国碳达峰工作作出总体部署[1]。该方案指出，工业生产是实现碳达峰和碳减排的重点领域。作为全球最大的纺织服装产品生产国和出口国，中国纺织工业为纳税、就业、稳定世界供应链做出了巨大贡献，在未来的发展中还将承担起低碳发展的责任。《纺织行业“十四五”发展纲要》明确提出“到‘十四五’末，中国纺织行业单位工业增加值能源消耗、二氧化碳排放量分别降低13.5%和18%，绿色发展水平达到新高度”的发展目标[2]。
碳足迹是描述产品或服务从生产、运输、消费到废弃整个生命周期过程温室气体排放量的重要工具，已被应用广泛于纺织服装领域。Amin等[3]对孟加拉国3种棉针织品，即棉针织T恤、polo衫和羊毛夹克生产过程中的平均碳足迹进行了核算与评价；
Chen等[4]基于PAS 2050规范对10种羊绒面料从原材料获取到产品生产再到染整的碳足迹进行了评估；
Qian等[5]计算并比较了原生聚酯纺织品和回收聚酯纺织品生产过程的碳足迹；
李一等[6]核算了5种基本款牛仔裤从缝制到包装过程的工业碳足迹；
Morita等[7]调查了在巴西生产的牛仔裤供应链环节(包括棉花种植、纱线生产、织造和整理)的碳排放；
Cheng等[8]以纯棉牛仔夹克为研究对象，探究了裁剪、缝纫、整理3个环节的碳足迹。
上述研究大多局限于特定的产品生命周期阶段(如原材料获取阶段、工业生产阶段等)或生产工段(即工厂的一个车间内按生产过程划分的基层生产组织，如纺纱工段、织造工段等)层面，无法推断不同工艺之间的技术差异，导致所得结论缺乏针对性和可操作性。因此，构建更加精细化的、面向产品工序层级(即产品某个组成部分在一个工位上被加工或生产所连续完成所有工步的工艺过程，如纺纱工段中的清梳联工序、并条工序等)的碳足迹核算模型对于提高核算结果精度，进而提出更具针对性的节能减排策略具有重要意义。然而，由于纺织服装产品生产工序链复杂、加工模式差异大、涉及物料种类繁多，面向工序层级的碳足迹评价往往工作量庞大，加上大多数纺织服装企业管理粗放，导致获取“一手数据”困难。对此，有学者尝试将模块化理论引入碳足迹核算方法中，将复杂的纺织服装产品系统分解成一系列独立的碳足迹单元(模块)，以厘清纺织服装产品碳足迹核算时面临的各种复杂影响因素及相互关系[9]。Luo等[10]基于文献数据，对纯棉牛仔裤进行了全生命周期的模块化碳足迹评价，但该研究受二手数据源的限制，生产过程并未细分至工序层级。
牛仔裤作为经典的基础款纺织服装类单品之一，深受消费者青睐。根据JustStyle发布的一份全球市场分析报告显示，2018年全球牛仔市场为573亿美元，并预计2023年将达到600亿美元，其中牛仔裤在所有牛仔产品中的市场占比超过75%[11]。然而，牛仔裤产品的高需求量也导致了其高资源消耗量和高污染物排放量，对牛仔裤产品开展碳足迹核算与评价具有较高的典型性和代表性。本文将在Luo等[10]的研究基础上，结合模块化理论和ISO 14067:2018《温室气体-产品碳足迹-量化要求及指南》、T/CNTAC 11—2018《纺织产品温室气体排放核算通用技术要求》，对三款牛仔裤产品进行工序层级的碳足迹评价，为面向纺织服装产品的工业碳足迹核算与评价提供参考。
1.1 功能单位
根据ISO14067:2018和T/CNTAC 11—2018，功能单位是量化产品温室气体排放的参照单位。本文以1件牛仔裤产品为功能单位，选取男式、女式和儿童三款牛仔裤产品作为工序模块化碳足迹的案例研究，其基本信息如表1所示。
表1 三款牛仔裤产品基本信息Tab.1 Basic information of three jeans products
1.2 核算边界
牛仔裤产品工序模块化碳足迹核算边界可分为时间边界和空间边界，如图1所示。时间边界为从纤维进厂到成衣制作完成的一系列过程，具体包括纺纱、织造和制衣3个生产工段。每个工段又细分了多个生产工序。其中，纺纱工段包括清梳联、并条、粗纱、细纱、自络和成包工序；
织造工段包括整经、染色与上浆、织造、后整理和检验工序；
制衣工段包括裁剪、缝制、洗水和包装工序。空间边界包括产品生产区域、生产辅助区域(车间办公室、太阳能系统)和企业运营区域的能耗(电、水、蒸汽、天然气)、物耗(缝纫线、拉链、吊牌、纸箱、包装袋等)。原料(如纤维)的耗用，厂房、机器设备等的使用维修和折损，以及工人日常生活等所产生的碳排放量占产品预期总碳排放量小于1%的被排除在核算边界外；
可忽略核算的总体排除项目不超过预计功能单位总碳排放量的5%。
注：自络工序一般为织造工段织前准备的首道工序，而本文三款牛仔裤产品的生产工序链由生产企业提供，根据企业实际生产车间划分情况，自络工序被计算在纺纱工段的后道工序中图1 基于工序模块化的牛仔裤产品碳足迹核算边界Fig.1 Carbon footprint accounting boundary for jeans based on process modularity
1.3 核算方法
纺织服装产品生产加工过程具有生产工艺复杂多变、企业加工模式差异大、投入(能源、物料流)和产出(过程产品流)环节复杂、共生共用数据交叉且计量粗放等特点，导致产品工序层级碳足迹的量化核算面临难测度、难量化、难应用的技术瓶颈。通过模块化理论的引入，可将产品复杂多变的生产工序链分解为具有相对独立性和明确特定功能的碳足迹单元(模块)，如图2所示。通过获取生产过程中各工序细分数据，搭建产品碳足迹单元(模块)数据库，利用数据库中模块的选择调用与积木式拼装构建产品生产工艺链，利用有限的数据库模块解决数目庞大且种类繁多的产品碳足迹核算问题。
本文三款牛仔裤产品碳足迹的核算通过调用产品碳足迹单元(模块)数据库中相应的工序层级碳足迹单元(模块)并进行组合拼装完成。其中，各工序模块的碳足迹核算方法如式(1)和式(2)所示：
CF(x)=CFprocess(x)+CFauxiliary(x)+CFoperation(x)
(1)
(2)
式中：CF(x)为工序模块x的碳足迹，kg CO2e；
CFprocess(x)为工序模块x生产设备所产生的碳排放，kg CO2e；
CFauxiliary(x)为生产辅助排放向工序模块x归集的碳排放，kg CO2e；
CFoperation(x)为企业运营排放向工序模块x归集的碳排放，kg CO2e；
CFitem(x)为工序模块x中的某类碳排放，kg CO2e；
ADj(x)为工序模块x排放源j的活动数据，单位根据排放源确定；
EFj为排放源j的排放因子，单位根据排放源确定。
通过工序模块碳足迹值的累加进而得到功能单位产品的总碳足迹值(CFprod，kg CO2e)，如式(3)所示：
(3)
图2 纺织服装产品碳足迹模块化分解Fig.2 Modular decomposition of carbon footprint for textile and apparel products
1.4 核算数据
本文核算过程所调用工序模块的原始数据均为实地调研的一手数据，由中国某知名服装品牌供应商(江苏省某纺纱厂、广东省某织造厂和某制衣厂)提供，数据收集的时间范围是2021年5月至10月。数据收集尽可能以设备的三级计量数据为先，公司提供的年度与月度数据、现场实测数据以及工艺流程卡上的数据可用于弥补三级计量的缺失，当以上数据均不可得时，采用设备操作人员的经验数据。
由于纺纱、织造和制衣整个流程涉及的产品种类繁多，且生产工艺各不相同，为更精确地分配碳排放量，形成完整的碳足迹分布与数据构成，在碳足迹核算边界内，将相关数据划分为生产设备碳足迹、公用生产辅助碳足迹及企业运营碳足迹3个层次，如图3所示。
图3 牛仔裤产品工序模块碳足迹数据构成Fig.3 Composition ofcarbon footprint data for the process module of jeans products
核算过程中各种能源和物料的碳排放因子主要来源于2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子和参考文献[12-15]，包括生产过程中使用的电、水、蒸汽、天然气、包装材料(如塑料袋、编织袋、胶带、纸箱等)以及生产用辅料(如拉链、纽扣、洗水唛、吊牌等)。此外，蒸汽的碳排放因子根据企业提供的蒸汽温度(170 ℃)和压力(0.7 MPa)计算得出。由于缺乏污水处理过程的调查数据以及产品染整过程各种染料助剂的碳排放因子，因此污水处理过程的碳足迹和生产过程染料助剂的碳足迹没有计算在内。
2.1 产品碳足迹
根据三款牛仔裤产品生产工艺链信息选择调用相应的工序模块，并通过组合拼装得到功能单位产品碳足迹值，如图4所示。由图4可知，男式、女式和儿童牛仔裤在核算边界内的碳足迹分别为7.30 kg CO2e/件、7.24 kg CO2e/件和4.16 kg CO2e/件。其中，制衣工段碳足迹在三款产品中均最大，其次为织造工段，纺纱工段最小。在三款产品中，男式和女式牛仔裤的碳足迹结果接近，而儿童牛仔裤碳足迹约为成人牛仔裤的57%。三款产品所使用的面料及生产加工工艺基本相同，造成儿童牛仔裤与其他两款牛仔裤产品碳足迹结果差异的原因主要是儿童牛仔裤的单件重量小，导致单件成衣的面料耗用量也较小。此外，儿童牛仔裤在款式上也与成人牛仔裤略有不同，后者比前者多了一个装饰唛，如表1中款式图所示，因此儿童牛仔裤在制衣工段的碳足迹更小。
图4 三款牛仔裤产品碳足迹Fig.4 Carbon footprint of three jeans products
2.2 工序碳足迹
三款牛仔裤产品各工序模块的碳足迹结果如 图5 所示。由图5可知，对于男式和女式牛仔裤，制衣工段中的缝制工序碳足迹最大，分别占产品碳足迹的28.70%和28.95%，占该工段碳足迹的72.33%。这是由于该工序使用的物料较多、流程长，包括拉链、缝纫线、纽扣、尺码唛、洗水唛、装饰唛等。其中，由于装饰唛重量较大(0.05 kg/件)，其产生的碳足迹比重也较大，约占该工序的61%。对于儿童牛仔裤，染色与上浆工序碳足迹最大，占产品碳足迹的20.39%，占织造工段碳足迹的53.13%。原因在于该工序需要耗用大量蒸汽(2.94 kg/件)。尽管儿童牛仔裤不附加装饰唛，但缝制工序仍涉及其他物料的使用，导致该工序也产生了较大碳足迹，相对制衣工段总碳足迹占比50.29%，仅次于染色与上浆工序。
根据上述分析，对于男式和女式牛仔裤产品，优化装饰唛的设计，选择更加环保的原材料，可以大大减少缝制工序的碳足迹，进而减少整个产品的碳足迹；
对于儿童牛仔裤，可以通过改善现有的牛仔裤生产工艺，采用新型染色技术，节约染色与上浆工序中的蒸汽耗用量，从而减少产品碳足迹。
图5 三款牛仔裤产品的工序模块碳足迹Fig.5 Carbon footprints of process modules for three jeans products
2.3 排放源分析
三款牛仔裤产品工业生产过程涉及各类能源和物料的投入使用，产生了相应的碳排放，结果如图6所示。由图6可以看出，在纺纱工段，电力产生的碳足迹最大，约占三款牛仔裤产品该工段碳足迹的92.54%。这是由于该工段的生产设备均会耗用大量电力，同时其他能源和物料的使用较少。在织造工段，蒸汽和电力的占比较大，分别约占52.18%和45.12%。一方面，织造工段中的染色与上浆工序和后整理工序均会耗用蒸汽，尤其是染色与上浆工序，对于蒸汽的需求量非常大；
另一方面，牛仔裤产品织造工段加工工序繁多，并且所有工序都会耗用电力，从而产生了较大碳足迹。在制衣工段，包括尺码唛、洗水唛、装饰唛等在内的物料对于男式和女式牛仔裤该工段的碳足迹贡献最大，约占49.84%，尤其是装饰唛，因其重量较大，所产生的碳足迹也相对较大。对于儿童牛仔裤，由于在缝制工序中不涉及装饰唛的耗用，因此相比两款成人牛仔裤产品，其在制衣工段由唛引起的碳足迹偏小。相较之下，贡献更大的是电力和纽扣，分别占儿童牛仔裤制衣工段碳足迹的27.67%和21.80%。
图6 三款牛仔裤产品碳足迹排放源构成Fig.6 Emission source composition of the carbon footprint for three jeans products
基于上述分析，可以发现电力对牛仔裤产品各生产工序的碳排放产生了重大影响。因此，通过采用清洁电力(风电、光伏电、核电等)，可显著减少三款牛仔裤产品的碳足迹。例如，生产中若全部采用光伏电力替代传统电力(即火电)，男式和女式牛仔裤的碳足迹总体可减少约43%，儿童牛仔裤可减少约48%。
为解决纺织服装产品工业碳足迹评价面临的难测度、难量化和难应用问题，研究采用基于模块化理论的碳足迹核算与评价方法，对三款牛仔裤产品从纺纱、织造到制衣过程的碳足迹进行了核算。通过工序层级的模块化碳足迹评价可识别出更为明确的碳排放贡献者，从而提出更有价值的节能减排策略，主要结论如下：
a)男式、女式和儿童牛仔裤的碳足迹分别为7.30 kg CO2e/件、7.24 kg CO2e/件和4.16 kg CO2e/件。
b)在核算边界内，缝制工序对男式和女式牛仔裤的碳足迹贡献最大，分别占28.70%和28.95%；
染色与上浆工序占儿童牛仔裤碳足迹的20.39%，在所有生产工序中贡献最大。
c)男式和女式牛仔裤缝制工序碳足迹占制衣工段碳足迹的72.33%，优化装饰唛的设计，选择更加环保的原材料，可减少该工序的碳足迹；
对于儿童牛仔裤，染色与上浆工序占织造工段碳足迹的53.13%，采用新型染色技术，节约蒸汽耗用量，是减少该工序碳足迹的关键。
d)电力对三款牛仔裤产品各生产工序的碳足迹均产生了重大影响。通过采用清洁电力，如风电、光伏电、核电等，可显著减少三款牛仔裤产品的碳足迹。
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